鋼球を使った油性試験機の開発

NII-Electronic Library Service 　 MEMOIRS 　OF　SHO国 真N 1NSTITUTE

　

OF

　

T日CHNOLO6Y 　 Vo 【

，

30

，

　No

．

1

，

1996

鋼

球

を

_使

っ

た

油 性 試 験

機

の

開

発

岡 本 純

三

＊ ・

大 森 達 夫

＊＊

Developement

　of　

4

−

Ball

　

Type

　

Oiliness

　

Tester

Junzo

　

OKAMoTo

　and 　

Tatsuo

　

OHMoRI

　

Oihness

　

tester

　of　

4−ball

　type　was 　

developed

　to　evaluate 　the　oiliness 　of　lubricant

．

　

Apendulum

　type　oiliness 　test　having 　

four

　balls　as　a　fu蓋crum 　was 　conducted 　as 　a　_preljminary

experiment 　and 　two 　problems 　were 　found 　out

．

　One 　is　the　conversion 　of　sliding 　

friction

　to　rolling

friction

　at　

the

　

high

　coe_伍cient　of　

friction

　range 　

due

　

to

　small 　

inclination

　of　the　_groove

，

　and 　another 　_one

is　the　invasion　of　rotating 　motion 　into　the　oscillating 　motion 　of　pendulum

，

　so　the　

developement

　of　this

model 　was 　suspended 　with 　the　model 　

having

　tortional　osci11ation 　of　test　ball

．

　

Then

　

4−ball

　type　of　rotary 　motion 　prototype 　tester　was 　developed 　and 　

difference

　of　oiliness 　of

lubricant　was 　appeared 　distinctly

，

　and 　it　was 　modified 　

to

　

have

　compact 　structure 　and 　this　

develope−

ment 　was 　completed

．

　 Because 　large　magnitude 　of　coe 伍cient 　of　

friction

　was 　obtained 　using 　the　rotary 　type　tester　in　_poor

lubricating

　conditions 　comparing 　the　value 　obtained 　by　oscillating 　_pendulum 　type　which 　have　the

v

−

shaped 　groove ，　equilibrium 　of　

force

　was 　analyzed 　considering 　the　

frictional

　

force．

　

As

　the　result

，

　it was 　clarified 　that　the　coe 缶 cient 　of　friction　which 　was 　obtained 　

by

　v

・

shaped 　_groove　cannot 　exceed 　O

．

5

even 　though 　the　value 　of　true　coe伍cient　of　

friction

　at　the　contact 　point　had 　any 　magnitude

．

　

So

　

it

became

　evident 　that　the　

developed

　tester　can 　cover 　the　wide 　range 　of　coef石tient　of　

friction

　correctly

．

1．

は じ め に 　潤滑 油の 潤 滑 能力を評 価 する方 法 に は

2

種 類の 考 え 方が ある

。

その

一

は_{境 界}潤滑の_{領 域}で摩擦 を 減 少させ る 能 力 を 見る もの で

，

低 速

。

低 荷 重で摩 擦 試 験が行わ れ る。 他の

一

_{は潤 滑油 膜の耐 荷重性を見る もの で}

_，

_高速

_・

高 荷重条 件 下で焼 付 き荷重 が求め ら れ る。 前 者は 主 と し て表 面に吸着し た潤 滑 性 分子の摩 擦減少 能力が現れ

，

後 者は分 子の吸 着の強さと 局 部 的 な 高 温に よ る潤滑油 添 加 剤の_{表 面保 護皮 膜}の_{形 成 能 力}が対 象と な る。 　 本研 究におい て は

，

前 者の_{境 界 潤 滑下}の摩 擦 減少 能 力 の _{評 価}を目 的と して 試 験 機の開 発を行っ た。 潤 滑 剤の摩 擦 減 少 能 力 を 評 価 す る ために は

，

相 対 運 動 を する 2面の 摩 擦 面 を 使用しな け れ ば な ら ないが

，

この摩 擦 面は潤 滑 油と共に摩 擦挙 動に影響を 与え る。 し た が っ て その材 質 ＊ 機 械 工 学 科 　 教 授 ＊＊ _{千 葉 大学工学 部} 　 平 成 7年 10 月 3 日受付 をは じ め

，

硬さ や表 面の 巨視 的および微 視 的 形 状な どが 管 理 されなけ れ ば な らない がt 試 験の 目 的 や設 計

・

製 作 上の制 限 か ら

，

これ らが 必 ず しも十 分に_{満 足}さ れ た とは 言い_難かっ た_。 そ こで 摩擦 面の 品質を

一

定に保っ こ と が 容 易な軸受用鋼 球の み を使用 し た摩 擦 試 験 機の開 発 を 試 み た。 　摩 擦 試 験 機に は多 くの形 式がある が

，

鋼 球を摩 擦 面と して使 用 した試 験 機 とな ると数は多く ない_{。 摩 擦 減少 能} 力 試験用には曽田式

T

型油 性 試 験 機i ［が有 名で あ り

，

耐 荷 重用に は曽 田 式

4

球 試 験 機 とシ ェ ル式 4球 試 験機が 実用に さ れて い る

。

した が っ て本研 究 が 対象とする範囲 の中で は曽田式 T 型 試 験機が存 在す る だ け なの で

，

開 発 にあたっ て は この試 験 機の検討を出 発点と し た 。

　

な お

，

低 速

・

低荷 重で の摩擦減少能 力は過 去に は油性 と呼ば れて い た が

，

その定 義 が 「同

一

粘度を有する

2

種 の潤 滑 剤 を 同

一

条 件で使 用 し た場合

，

その _摩擦に_{相 違}を 生 じ さ せ る よ う な性質」とい う あい まい な もの で あり

，

潤 滑に関 する研究の発展 によっ て境界 潤 滑 条 件にお ける

1

N工 工

一

Eleotronio _Library

湘 南工科 大 学紀 要

　

第

30

巻

　

第 1 号 表面吸着膜の潤 滑 性で あることが明ら か にさ れてい る。 し か しこれに関 して は用 語が確 定し て い な いの で

，

本 報 で は表現 を簡単にす る ため に 「油 性」 を使用 する

。

2

．

曽 田 式

T

型 油

性試

験

機

　

2．

1

　構 造 と特 性

　

こ の _{試 験 機}は図

1

に示 す よう な 形 でT 型の _振子を 持っ てお り_， 試験 部分は支点 部分_に振 子_に対し_て 直角_に 取 り付 けた ピ ン を

2

組の

V

形 溝に渡 して

，

振子 に揺動 運動をさ せ る形式の _もの で あ る が

，

ピン は振子の_{揺 動}に よ り駆動さ れ る。 こ の際の

V

溝 とピン との間の滑り摩 擦に よ る振動の 減 衰か ら摩 擦係数 を 計 算 する。

　

振 子が

T

型で あ る理由は

，

慣 性モ

ー

メン トを大き く す ると同時に重心と ピン の距 離 を 短 く して_振動の_{周 期}を 4 秒 間以 上と長くし

，

また振 幅 を 大 きく す るこ と を可能に し て， 目 視に よ り計 測で きる よ う に し た もの で， その結 果と して 試 験 機の構 造は極めて 簡 単と な り

，

取扱い も容 易になっ て い る上に測 定 精 度 も高い の で

，

潤 滑 剤の摩擦 減少能 力 を 測る た め に広 く普及 して い る。

　

試 験 部 分の

V

形 溝は

，

初 期に は図

2

（a）の ように2 片 の_{部 品}を組み合わせ て形 成 して い た が

，

後に_図（b_）の よ う に

2

個の鋼 球 を合わせ た もの _{を使う 形 式に変え られ} た。 前者の形 式は1型

，

後 者は

II

型お よび

NII

型 と呼ば れ る。 な お

，

1型の V 溝の角度は

90 °

で ピンの _直径は 1

．

5

mm で あっ たが_， 【1型以降は直径 4

．

76

　mm の鋼 球

2

個 を相 接 して固定 し た も の と なり

，

ピンの直 径は

2mm

と なっ て

，

溝の角 度は

89．

5°

と なっ た_。 これ ら は焼入鋼を ラ ッ プ仕 上げ し たもの で

，

鋼 球は転が り軸受_用の鋼_球で ある。 この試験 部 分は小さいた あ

，

評価の対 象と な る潤 滑 剤は少量 あ れ ば よい とい う利 点も あ る。 摩 擦 係 数の測 定に は振 子を傾けて か ら 自 由 振 動 を行わ せ， その減 衰 状 態 か ら計 算 する。 減衰力 は固 体 摩擦として作用 す るた め 振 幅の包絡 線は直 線に な るので

，

初 期 振幅を

Ao

とし

，

　n 回の_{振 動後}の_振幅 を

An

とすると

，

摩擦 係 数μ は 　 　 　

Ao − An

　 　 　 μ＝

c

　 　 　 （

1

） 　 　 　 n と して 求め ら れ る

。

こ こに

C

は振 子と支 点の設 計に よ り 決ま る定数で あ る。 　

2．

2

　 問 題 点

　

この_{試 験機}は上 記の よ う な利 点を持つ _{反 面}

，

い くつか の_{短 所も持}っ て い る。 その 中で も摩擦 面と して特 定の寸 法の ピンを使 用 す るこ とが

，

その 入手と摩 擦 表 面の性質 の_{安 定}に問題を含ん で る。 ま た

，

原理的に滑 り速 度が 周 期 的に変 化 す る ため， 摩擦 係数は その平 均 値 と してだけ 得ら れ る。 また

，

滑 り速度の範 囲も小さい こ と が潤 滑 剤 の_評価の_範囲を限 定し てい る。

3

， 鋼球

を

使

用 した 油 性

試験機

図

1

　 曽田式

T

型 油 性 試 験 機 φ1

．

5 ビン

r

ト 45e （a ） 1型 十 十 斗 φ2 ピン 4

．

76mm 綱球 　 　 ／　 　 　 　　 　 　 　 〆　’ 　 　 　 （b） ll型 図

2

　

T

型 試験 機の_{試 験 部 分}

　

こ のよ う な問題 を背 景に

，

ま ず摩 擦 表面の_{品質安 定 と} 入手の_{容 易}を目 的として

，

摩擦面を すべ て軸 受用鋼 球と し た摩 擦 試験機の 開 発 を 試み た。 軸受 用鋼球は

，

転が り 軸 受に大量に使 われて い る関 係上， 材 料や硬 さ等が安 定 し

，

精 度や表 面の仕 上 げ状 態は大量生産さ れ る機 械 部 品 の _中で は最高で あ る。 ま た

，

これは

JISB1501

（玉軸 受 用鋼球）に規格化 されて おり

，

材料につ いて は

JIS

　

G

4805 _{（高 炭素}クロ ム_{軸 受 鋼 鋼 材 ）に規定 さ れ}て い る。

　

摩 擦 試 験に _当たっ て鋼球は清 浄な石 油ベ ン ジンで 2 回ない し

3

回 超音 波洗浄して_{温 風}で乾燥させ

，

必 要に応 じて潤 滑 剤 を使用した。 　

3．

1

予 備 実験 　

3．

Ll

　

4

球 式 振 子試験

　

試

験

部 分は

T

型試 験 機に使用 さ れてい るの と同じ直

一



₂

NII-Electronic Library Service 鋼球を使っ た油性 試験 機の開発 （岡本 純三

・

大森 達 夫 ） 径 4

．

76mm

の 鋼 球の み を使うこ と と し

，

まず振 子 式の 試 験 装置を 試作した。 その振 子を図

3

に示すが， 下 部の

3

個の鋼 球は基 盤に固 定 さ れ

，

上 部の

1

個の_{鋼 球}が振 子 に固定さ れて い て振子の 振動に伴っ て揺動 運 動 を す る。 こ の_{上 下}の_{鋼 球}の_摩擦が振子の運動を 減衰させる。 振子 の質 量は 567g

，

振 動の周期は 1

．

63秒で ある

。

　二

，

三の _{潤滑 剤}を使 用した_{場 合}の減衰 状態 を図 4 に_示 し， 比較の ために曽田式

T

型試 験 機

II

型 を使 用した結 果 を図 5 に示す。 これ らの結 果よ り求め た摩 擦係数を表 0

．

2 振 動 球 1 　 　

」

　

− I

　

　

　

　

　

_I

　

　

」

　

　

　

　

　

　

　

「

　

　

　

　

　

　

．

　

　

ー

　

　

レ

　

　

　

　

　

　

　

ー

　

　

　

　

　

I

　

I

　

　

．

邑

球 定 固 　 　

「

　

　

　

…

Z 　 1

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

1

．

　

　

　

　

　

　

　

　

　

1

　

　

　

　

．

　

　

ト

　

「

　

「

　

1

　

　

　

．

　

．

　

1

　

ー

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

ー

　

　

　

ト

　

　

　

F

　

　

　

．

　

−

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

1

1 図

34

球 式 振 子 試 験 装 置

，

i

下

＼

蛭



_嵐

蠣 ゜

・

2

　 ＼

　　　　　　

＼

　

°

’

1

　

K

　　

。

　 　

．

玉

　 　 0　 　 　　 　 　 　 5　 　　 　 　 　 　10　 　 　 　　15 　 　 　 振 動 回 数 　 図

5

　 曽 田 式

T

型 試 験 機に お ける振 動の減 衰 表 1　振子に よ る摩 擦 係数

4

球 式 振 子 試 験 曽 田

T

型 試 験 機 無 　 　潤 　 　滑

｝

0．

439

セ　 　 タ　 　 ン

0．

031

0．

429 セ タン 十 　ス テ ア リン酸

0．

0994

0．

0892

弓 田

囈

o

・

1 　 　 　 ＼

−

K 　 　 　

丶噸

卜

一

〜一

　　　　　　ー

ー

k 　 　 　 セタン

〜一

一

一

．

一

一

一

一

一

．

．

一

　　　　　　 ．

セ タン ＋ ス テ ア リン酸

x｛’

．

．

一

．

一

．

グリ

ー

ス 140タ

ー

ビン油

、

60 ス ピン ドル 油 00 　 　　　10　　 　2D　　　3D　　 　40　 　　　50　　 　60　　　 70 　 　 　 振 動 回 数 図

4

　4球 式 振 子 試 験に お け る振 動の減 衰

1

に示 し た。 これ らの潤 滑 剤の 内で セ タ ンは潤 滑 性が な い物 質 と して使 用 し

，

ステア リン_{酸は境 界 潤 滑 性に優 れ} て い るの で セ タンに 1％ を 添 加 して使用した。 これ らの 結 果に_見ら れ るよ うに_{， 潤 滑 剤}の_種類が異な れば摩 擦 係 数が異なっ て い るの で 潤 滑 剤の評 価は可 能で ある と見え るが

，

セ タ ン を使_用 し た と_きの 4 球式振子試験は減 衰 も 摩擦 係 数も異常に低く，

T

型試験 機と は大きな差が生 じ て い る。 　使用 し たセ タンは純度の_高い もの で

，

無潤 滑に近い_高 摩 擦 を 示 す は ずであ るの で

，

こ のよ うに摩 擦 係 数 が 低 く な る 理 由 を 調 査し た結 果

，

鋼球同志の_間の _滑り摩 擦 係数 が大きい ため_{， 接 触 面}に おい て は滑り運動が転がり運動 に転 換して い るこ と が わ かっ た。 つ ま りこ の場 合に は転 がり摩 擦 係 数が測 ら れ たことに なっ た もの で ある

。

　 そこ で こ の 4球 式 振 子 試 験 装 置の 鋼 球の接 触 面 が 水 平 面 となす 角 度 θを 求めて み る と

，

図

6

に示 すように最 低は

19．

5°

で

，

最高で も

35．

3D

で あ る。 し た がっ て上 部の 鋼球が最 低 傾斜の方 向に向か っ て回転 する場 合は

，

摩擦 係 数が 0

．

35 （

−

tan・19

．

5

°

_{｝を 超}え る と上 部 鋼 球は下 部 鋼 球に対して転が り運 動を して乗り 上 げて し ま う の であ る。 この こ とは

V

型溝の 中で 回 転する断 面 円 形の相 手 面を使 う摩 擦 試 験 方 法に は共 通の こ とで あるが

，

T 型 試

3

N工 工

一

Eleotronio _Library

湘 南工科 大 学 紀 要

　

第 30 巻

　

第

1

号 ］ 回 転 球 固定球 o　 　 　o 図

64

球の接 触 点の_{傾斜 角}

−

ま 験 機

II

型に お い て は こ の計 算 に よ る限界摩擦 係 数は

1．

Ol

と な る。

　

さ らに この

4

球式振 子 試 験に お け る も う

一

っ の 問 題 点は

，

振子の長 手 方向軸の ま わ りに は拘 束が ないた ぬ こ の軸 まわ りの回転運 動 が 振 子の振動に混入 し やすい こ とで

，

これ は摩 擦面の位 置 を 不 安定にする。 この運 動 を 止め るには この軸ま わ りの構造の_{釣 合}い な ら びに回 転 運 動の拘 束 を 必要とする が， これは試 験装置の複 雑化を も た らすの で

，

この よう な単 純な原 理の_{試験 装 置}と して は 好まし くな い と判 断 して

，

これ 以 後の開発を中 止した。 　

3．

1

．

2 　4球 式 ね じれ型試験

　

摩 擦部 分を 前項の

4

_{球 式 振子 試験}と同じ と して

．

図

7

の よ うに上部 鋼球 をフ レ

ー

ム に取 り付け て

，

下の

3

_個の 固定 球の上で回 転 方 向の_{振 動}を行わ せ る方法 を 試み た。 荷重と し て は フ レ

ー

ム の 下端に直径

0．

6mm ，

長さ

188

mm の ピア ノ線 を 取 り付けて_{下 方}に引 張っ た

。

フ レ

ー

ム は厚さ

6mm

の ア ク リル樹脂 製で，

　

質量は

57 ．

5

　

g

で あ り

，

ピ ア ノ線の 引 張 力は_{数 十 g 程 度}で ある。 これによっ てフ レ

ー

ム の回転 方 向の_振動 減衰を測定 し た。

　

測 定に は初 期振 幅と して 60

°

を 与え， 半 周期ご との振 幅を 目 盛 板 に より 目視で測定 し た

。

その例を図

8

に示 す。 こ の図に見 られ る よ うに， こ の方 法は 減衰が極めて 大き く， したが っ て測 定 値が不 安定に なり やすい。 これ は ば ね定 数が大 き く振 動周 期が短い上に

，

フ レ

ー

ム が 回 転 方 向に対 して_広い _面積を持っ て い る た め に空 気 抵 抗 も 加 わっ たことが原 因と なっ てい る。

　

こ の 対策と して はフ レ

ー

ムの慣 性モ

ー

メ ン トを大き く フ レ

ー

ム ピア ノ線 噂 響 腫 　 　 　 引 張力 図 7

　

4球 式ね じ れ型試 験装 置 12 o

．

8 0

．

4 o ● 無潤 滑 グ リ

ー

ス 　 　 　 　 0 　 　 　 　 0　 　 　 1　 　 　 　2 　 　 　 　振 勤 回 数 図

8　

4球 式ね じ れ型 試 験にお け る振 動の減 衰 して 周期を長くす れ ばよ いが

，

これ はフ レ

ー

ムの大型 化 を 招 き

，

そ れ に よ り空 気 抵 抗の増 加を招くことにな るの 4　

一

NII-Electronic Library Service 鋼 球を使っ た油 性 試 験 機の開 発 （岡本純三 ・ 大 森達 夫） で

，

その影 響に よ る誤差が測 定 値に入る可能性 が 大 き く な る とい う悪 循 環の発 生の お そ れ が あ る た め， こ の形式 の開発 も断念 した

。

　

3．

2

　

4

球 式回転 型 試 験 機の 開 発 　 3

．

2

．

1　試 作 回 転型試 験 機 　以 上の予 備 試 験の結 果 を基と し， ま た振 子 式の試 験 方 法が

2，

2

項に述べ た基 本 的な問 題 点 を 持 っ て い るこ と

，

ま た T 型振 子 式油 性 試 験 機 以 降の 計 測 器の 進歩 等も考 慮 して

， 4

_球を使用し た回転 式で摩擦 を 連 続 して測 定 す る方 式の試 験 機の 開発 を行っ た

。

　最 初に試 作 した形式を図 9 に示す。 4 球の 内の 下部の

3

個は回 転 軸に固定 さ れて回 転 し

，

上 部の

1

個は枠に取 り付け ら れて い る_。 枠は そ の ド部が ね じ り線を 介 して 重 錘に よっ て下 方に引張 られる。 鋼 球の摩擦によ り発 生す る摩 擦モ

ー

メ ン トは枠に伝え られ

，

枠の回 転は抵 抗 線ひ ずみ ゲ

ー

ジを 貼っ た 板 ばねに よっ て受け ら れ て_， そ の力 が測定さ れ る。 この場 合

，

ね じ り線から生じ るモ

ー

_{メ ン} トが影 響 し ない よ うに

，

ね じ り線の ばね定 数は板ば ねの そ れに対して_{無 視}で きるだ け小さ く した。 な お

，4

球を 潤 滑 するために必 要な潤滑 剤は

4 〜5

滴で 十 分である。

　

本 機によ っ て摩擦 試 験を行

っ

た が

，

試 験 条 件は荷 重 図

9

　

4

球 試 験 作回転型油 性 試験 機 o

．

7 o

．

6 0

．

5

i

　 o4 踏 　O

．

3 o

．

2 0

，

1 　 e 　 　O　 　 　　 　O

，

5　 　 　 1　 　 　 L5 　 　 　 滑 リ速 度 mmis 図 10

　

試 作 回 転 型 試 験機に よ る測定 例

60 〜243gf

で， 243gf の場 合の接 触面で は

，

曽田

T

型 試 験 機

II

型で_振子 の質量

300

　_g の_{場 合}の 接 触 面の ヘ ル ツ最大 接触 圧 力 1

．

2GPa

と

一

致 する。 ま た

，

回 転 は 減 速 モ

ー

タか らベ ル トを 介 して 行

っ

た が

，

接触 面の _{滑り速 度} に して

0．

5〜L4

　mm ！s と した。 その測定例 を 図

10

に示 す が

，

潤 滑剤 に よ る差が 認め ら れ

，

こ の試 作 型 試 験 機に よ っ て

f

分な デ

ー

タ が得られるが わ かっ た_。 と くに無 潤 滑お よびセ タ ン を使_用 し た場 合の 摩 擦 係 数は 0

．

45

〜

0

，

7 と な り， 振 子試 験で は得 ら れ な か っ た高い値が得ら れ た。 　

3．

2，

2

　 改 良回転型試 験 機 　試 作型試 験機の

一

層の 小 型 化

，

と くに枠の小型化を中 心に図

11

に示 すよ うな改 良を行っ た。 図において上 部 鋼 球は中 央 部を削 り取っ た 円筒形の 保持具に取り付け ら れ る が， その保 持 具の内 部の上 端に は細い ね じり線が取 り付け られてい る

。

ねじ り線は下 端が荷 重レ バ

ー

に取り 付 け られて い る。 荷重レ バ

ー

の他 端はナ イ フ エ ッ ジで 支 えられ て い る が， こ の ナ イフ エ ッ ジの 幅 は十 分に広 く し て

，

荷 重 レバ

ー

_{のね じり線の取付け端が ヒ下 運 動 以 外}の 動きを行わない よ うに した。 こ の型によ る 試験 条 件は試 作 型に お けるの と同 じで あ る。 な お

，

試験 鋼 球の下部に はヒ

ー

タを組み込み

，

ス リッ プリ ン グ か らの電 流に よっ て試 料 を 加 熱 するこ とが でき るように し た。 また

，

テ

ー

ブル や密 封装置はテ

ー

ブル よ り上に気 密 槽 を 設 置 す れ ば 雰 囲 気の_{管 理}が可能に な る よ う に し たた め で ある。 5 N工 工

一

Eleotronio _Library

湘南工科 大学 紀 要

　

第 30 巻

　

第

1

号 保 持 具

　　　　 、

一

．

、

一

ね じ り線

_{＼　 一}



_荷重レバ

ー

ド

广

摩 擦 力 伝達 腕丶

　　　　　　 ＼

上 部 鋼 球 　　　　

L

、

馳

一

　 〒．

1丶

、

ナ イフ エ ッ ン 糸 　 　

・

重 錘

．

一．

「

ずみゲ

ー

ジ

ー

　 板ば ね

P

一

　 一

一

　　．

：

’

「



．

｝

　　 ’

　 　 　 ／ 1 テ

ー

ブ ル

　

／ _{／ ／} 下部

轡

多

グ

　 　 　 オ イ ル シ

ー

ル 　 　 　 　

，

／ 　 　 ス リッ プ リ ング 十 I i

†

…

丶

　

．

＋ 0 リング

、

荷重 上下ロ

1

ベ ル ト 　 〆 　 ／ 　 ／ ／ ！

」

’

了 図 11 　4 球式改良回転 型 油性試 験 機 o

．

7 o

．

6 0

．

5 ミ 　 O

．

4 鱶 0

．

3 慢 O

．

2 0

．

1 0 セ タ ン 十 　 ス テ ア リ ン 酸 ロ グ リ ー ス 90 タ ー ビ ン 油 白 灯 油 セ タ ン 無 潤 滑 図 12 　改 良回 転型試 験 機に よ る測定 例 　い ろい ろ な潤 滑 条件に よ る試験の_結果を図 12 に示 す が

，

潤 滑 剤に よ る差は明ら かで

，

本 機 が 油 性 評 価の た め に有 効である こ と が示さ れ た。 またこ の結 果におい て も 摩擦 係 数は無潤滑で 0

．

66

，

セ タンで は 0

．

47 を示 し た が， 表

1

の

T

型 振 子 式 試 験の結果で は両 者の差が な く

，

し か も

O．

45

を 超 えてい ない。 そ こで こ の 問題につ い て _解 析を行 っ た 。

4

．

V

溝

を

持

っ _{試 験 方 法}の

解 析

　 4．

1　

振子 式 試 験におけ る摩擦係 数 　

4，

1．

1

摩擦力が小さい場 合

　

V

溝を持つ振 子 試 験に お け る荷重と摩 擦 力は

，

通常は 図

13

の よ うな力の_{釣 合}と して _考え られていて， これに よ り摩擦 係 数が求め られて いる。 すな わ ち

V

溝の 角 度 を φ， ピ ン に加わ る荷重 を

W ，

法 線荷重 を

N ，

溝が受け る摩擦 力を

F ，

溝が_{水 平 面}と なす角を θ とす る と

，

　　　　　　　

N ＝

　

vai2

　

＝

　

W

　 　 　 （2） 　 　 　 sin _（φ

12

_） 　 　 　

2cos

θ この方 法では 荷 重 N を受け る場 所と摩擦 力

F

が 発 生 す る場 所が それ ぞ れ 2 箇所つつ あ るの で

，

摩 擦 係 数μa は 　 　 　

2F

　　 　F

　　　　　　　　　

μ・

＝

_π

＝

N

　 　 　

（

3

） と して_求め ら れる。 　

4．

1．

2

　摩 擦 力 を考 慮した場 合

　

前項の_考え方は摩 擦 力が小さ くて測定系に影響を与え ない_{場 合}に有効で あ る が

，

摩擦 力が大きい ときに は

，

そ れ を考 慮し なけれ ば ならない の で

，

その_{影 響}を組込ん だ 解 析を行っ た

。

　 （

1

） 摩 擦 係 数

　

い ま

，

図

14

（a）の ように接 触 点

A

に おい て摩 擦 力

FI

が発 生 して い る とすると， ピ ン の 中心に は その反 力Fl が作用 し

，

溝の_面に は そ の分 力と して

Fn

お よ び

F12

が 作用 する ので

，

これら が接触 点の法 線 荷 重 を 減少また は 増 加 させ る。 図の 状 態で は点

A

に 作 用 する法 線 力

N

且 は

，Ni ＝

N

−

Fll と なる。 接 触点

B

につ い て も同様で あ り

，

摩 擦面の_真の摩 擦係 数 をμt と して両 者をま と め る と 図 （b）の よ うな釣 合い状 態になるが， こ の関 係は次の 式 で表される。 図 13 　

V

溝の 法 線 力と摩 擦 力

一

NII-Electronic Library Service 鋼球を使 っ た油 性 試 験 機の 開 発 （岡 本 純二

・

大森 達 夫） 1 ・tS ・・φ

｛

1

＋ 1

−

_COS φ 　 sin　

ip

　

一

_μt　COS φ　　　　　　sin φ

一

、、。 _φ

…

睾

1

。 、φ・・

11

・・t・・n・φ

1

・・｝ 　 　 　 　

1

｝

　 μ （10） （乳） 　 　 　 ‘b｝ 図

14V

溝に おける法 線 力と摩 擦力 点

A

：

N

匸

＝N − Fll

十

F21

　 　 　

F

聖

＝

μ‘ハ厂1

＝

μ t（

N − Fll

十

Fm

）

．

点B ：N2

＝

1V

− F12

十

F22

　 　 　F2

二

μ11＞2； _μt（

N −

_」

Fl2

_十F22_）

二

1

：

：

_；

鵞

嫁

_；

｝

yl ＝

、i。・_φ

一

_。t。

i

。φ， 。 、_φ （Sin2φ

一

・t・

i

・_φ… _φ

　 　十 μtsin φCOS φ

一

tlt2　COS2 _{φ十 μ}， 2_）

　 　 sin2_{φ十 μt2q}

−

COS2 _φ） sin φ（sin φ

一

μ‘COSφ｝

　 sin2 _φ（

1

_{十 μr2）} 　 　 　 Sln _φ〔sinφ

一

μt　cosip ｝

　

　

一

、、。_φ

咢

瓮

_。，

a

・ 1＋ ・…） した が っ て式（

9

）よ り 　 　　 　 　　 　 　 　μt｛1十 μ ttan （φ！

2

｝｝ 　 　 　 　

Fl

　

＝

＝

　 　　 　 　　 　 　 　　 　 　1十 μ〜 が得ら れ る。 ま た

，F2

につ い て も 　 　 　

x2

　 　 　

F2＝

　 　 　 　

N

　 　 　 Y2 　 　　 　 　　 　 　 　　 　 μtZ 　 　 　 　X2

＝

ltt

−

　　

　　　

　　　

… φ

（

　　　　 μt

l−

　　　tanφ

）

　 　 　 2

　　　　　　　　　

με

　

十

　　　　

μ∫ 　 　 　 　Y2

＝

1

−

　

　

　

　

　

　

　

　

tanφ ・… φ

（

　　　 　　μ1

−

‘ 　　　tanφ

）

（ll） （12） ラ

　

@

ひ

　

　

　 45 （ j これらの 関係から

F1

と

F2

は 次のよ うに 計 算

さ

る

。

瓦   ` μ ド μ

t2

　

　

…φ（　 　　μ

t1

− 　

　

tan φ ） @　Y1

　

　μ＝ 1 十 　 　 　 　　　十 @　 　 tanφ μ

t2

・・

n2

φ（

1

＿

μf　 　tanφ） （

9

） XI ，　

Y

，を

理する

と次のように

な

る。 　　 　 μ

tsin

φ

Xlt2COS

φ十μ

t2

　Xl _＝

　

　　

sin

φ一μ

tCOS

φ _＿μt｛

s

φ十（

1 −

cosφ ）Pt

ps

φ 一μt 　

COS

φ （

1

p

であるので同

様に整理

す

ると 　　　　　　　 　 μ

t

｛

1

一 μ 重ta

i

φ

12

） ｝ 　 　 　

F2

＝ 　 　 　　　　 　 　 　 　　 　（ ） 　 　　 　 　 　 　　　 　 　

1

十μ〜 とな る

。

　実 験 果 から 摩擦 係数 を計算 する際に は

．

法線力 とし ては図 に示 し た

N

を

使

う

の

，

Fl

と

F2

か ら 得 ら れ る摩 擦係 μ 、 は ， 　 　 　 　

　

　

　 　 　 　 　

Fr

十

F2

　 　　 　 　 　　　

μ

a

＝ 　

　

　　　　　 　 　2 と な る の で ， 式 （ 12 ） ，

　

（1 j を 代 入 す る と ， 　

　

　 　 　 　　 　 　 　　 　 ・μ

t

　 　 　 　 　　 　μ

a

＝ 　　　　

　

　 　　　　　 1 十μ t2 となる。 （

15

） （

1

  　 式（

16

）によりμt

と

μa の関 係を求めた結 果を図 に 示す。 な お 図 中の

鎖

線は_{μ 、 ＝ μ、}の関 係

を

示す 線で る 。 こ_の図よ りわか るよう

に

，真の摩 擦係

数

μr が

0

．3以下 あれば

ttt

とμ

。

は等し い が，μ

t

が そ れ 以． ヒに な とμ

t

と μ

a

の差

は

大き

く

なり，μ ‘が大 き い値_を

る

_よ

う

な っ て もV溝によ る 測定値_μaは0．5を_超えるこ と がない 。

湘 南工科 大 学 紀 要 　 第 30 巻 　 第 1 号 　 15 ミ 垣… ₁ ゆ 亠605 巳 ＞ 　 0

一

_司

　 0　　　　　05 　　　　　　1　　　　　1

．

5　　　　　2　　　　　2

．

5 　 　 　 真の摩 擦 係数 　μt 　 　 0　　　　20　30　40　　　50　　　　　60 　 　 　 　限界 傾 斜角

，

度 図 15　真の摩 擦 係 数と測 定さ れる摩 擦 係 数 　（2） 滑り運 動の限 界 　 図

14

（

b

）か らわ かる ように

，

摩 擦 力の分 力F12 とF22 の 差 が 大 き くなっ て 珊 が0 に な ると点

B

にお け る接 触 が失わ れ

，

点

A

に おいて転が り運 動 を する

。

こ の よ うに な る限界は， 次の よ う に して 求め ら れ る。 すなわち式 （6）

，

（7）お よ び （

8

）におい て

N2 ≡O

と置くと

，

摩 擦 力 F2

＝

0

と な るの で

F22

＝

0

_{で あ る か ら} 　 　 　 　F， 　 　 　 　

−

N 　 　 　（17） 　 　 　 F12； 　 　 　 sin _φ したがっ て式 （12）より 　 　 　 　μt｛1十μttan （φ！

2

）｝ LO

“

　e

．

8 鱶 o

・

6 懺 ゆ IJo

．

4 轟 魑 0

．

2 ● T 型 振子 試 験 04 球 式 振 子 試験 　 　 　

1

十μt2 　 　 　 　

＝

1　 　 　 　 （18） 　 　 　 sin _φ が限界の_{条 件}と なる。 この式を 整 理 す る と

，

次の よ うに な る。 　 　 　 　 μt｛

1

十μttan （φ！

2

）｝ 　 　 　

；

sin φ 　 　 　 　

1

十μt2

　　　　

μt2｛tan｛φ

t2

＞

−

sin φ｝十μt

−

sin φ

＝

0

し た が っ て

　　　　　

一1

±

一

μt

＝

　

2

｛

t

。n（φ

121

−

。i。_φ｝

　　

− 1

±

一

　 　 　 2［｛（1

−

cos φ）

1sin

φ｝

−

sin φ］

　　　　　　

− 1

± ，

一

　 　 　 （2／sinip _）（1

−

cos _φ

一1

＋ cos2 _φ）

　 　 　

− 1

±（

2cos

φ

一1

） 　 　 　 （

21sin

φ｝cos φ（cos φ

一

1）

分子の 正号を とるとμ2が φに よる異 常な変 動や異 常 値 を示すの で

，

負 号を とる。 した がっ て 　 　 　

一2cos

φSln _φ 　 　 　 μ8

＝

　 　 　 　

2cos

φ（cos φ

『1

＞ 00 　　　　　0

．

2　　　　　04　　　　　0

．

6　　　　　0

．

8　　　　　1

．

0 　 　 　 回 転 型 試 験によ る 摩 擦 係 数　μ

．

図

16

　試 験 機に よ る摩 擦係 数の比 較 　 　 　 図15の曲線 　 　 　 ま

　　　　　

セタン

　　

，

真

＿−

　　　　　　

！ ／ ぺ

’

　 　 　 　

／！

　 　 無 潤 滑

　　　　

ノ ／ ／ ／

　　

／ ／〆

簸

；

。 _，。酸

望

sin _φ 　

1−

cos φ 一 _…

（

万

φ

）

一

・an

（

π　 φ 2　 　2

）

＝

_{tan θ （}

₁₉

_） こ こ に θは図

13

に示 し た よ うに

V

溝の水 平 面に_対す る 角度で あ り， し た が っ て

L1

節に述べ た転がり運動お よ び乗り上 げ 発 生の _限界と

一

致する。 な お図

15

の 横軸に は

，

μ、に対 応 する限 界角度 θの値 も 記 入 し て あ るQ 　

4．

2

　回転型 試 験と振 子式試 験に よる摩 擦係数の比較 　回転型試験 に よ る摩擦係 数をμ， とし

，T

型 及び

4

球 式 振 子 試 験に より求め た摩 擦 係 数をμv と して 比 較 し た もの を 図

16

に示 す。 なお 図 中の曲 線 はμ，

・

　_μ、

，

・Pt。

・

・

μ。 と して図

15

の曲 線 をその まま 写 し たもの で

，

_実験の結 果 は_{計 算}に よ る_曲線 とよ く

一

致 してお り

，

これ よ り回 転 型 試 験に よ る結果を 真の摩 擦 係 数 と見 な すことが できると 考えられる。 な お

4

球 式振子試 験の セ タンの場 合は

，

限 界 角度を超え て転が り運 動が発生 し てい るの で比 較の_対 象に はな ら ない。

5

．

ま 　 と　 め 　 直径

4．

76mm

の

4

個の軸 受 用 鋼 球を 使 用 しt 固 定さ れ た

3

個の球に対して

1

個の球を滑 ら せ る方 式の_{摩 擦} 試 験 機 を 試 作 し

，

潤 滑 剤の _{摩擦減 少 能 力}が評価で き るこ とを 示 し

，

また

，

振子式 試験 機に よっ て は得ら れない高 摩 擦係 数が得ら れ るこ とを明らかにした。 さらに振 子式

8 一

NII-Electronic Library Service 鋼 球を使っ た油 性 試 験 機の開 発 （岡 本 純三

・

大 森 達 夫 ） 試験に お け る摩擦 測定の_機構 を解析 し

，

真の摩 擦 係 数 と の 関 係 を 明 らか に した

。

　な お本 研究に_当たっ て 岡　 真也 （ソニ

ー

）

，

樋囗節 夫

，

山口博 史 （日立製作 所 ）の 諸 氏の_協力 を得た。 記 し て謝 意を表 す。 文 献 1_{） 曽 田 範 宗}

，

宮 田　皓；油 性 試 験 機の研 究 （第 1部 ）

，

　 東 京帝 国 大学 航空 研 究 所報 告，

276

（

1943

）

203 ．

9

N工 工

一

Eleotronio _Library