摩擦​振動​の​発生​メカニズム​の​解明​に​向け​た​ゴム/​ガラス​接触​面​の​撮影・​計測​システム

永井 良治​氏, 横浜​国立大学 大学院 環境​情報​学府 中野​研究室

"LabVIEW​を​用​い​て​システム​を​構築​する​こと​で、​約​70%​の​コスト​の​削減​と​約​25%​の​実験​時間​の​短縮​に​成功​しま​した。" ​

- 永井 良治​氏, 横浜​国立大学 大学院 環境​情報​学府 中野​研究室

The Challenge:

予算​の​都合​上、​その​場​観察​に​は、​ハイスピード​カメラ​の​よう​な​大きな​メモリ​を​有​し、​高速度​な​撮影​を​する​こと​が​できる​カメラ​の​購入​を​する​こと​なく,​振動​解析​が​できる​よう​な​高い​サンプリング​(10kHz​程度)​で​力学​信号​を​取得​し​つつ、​画像​は​CCD​カメラ​程度​の​低い​周波数​(20Hz​程度)​で​取得​する​システム​を​構築​する​必要​が​ある。 ​

The Solution:

まず、​ダイナミック​信号​収録​ボード​(NI PXIe-6251)​によって​ロード​セル​の​荷重​変動​信号​および、​加速度​信号​を​取得​した。 CCD​カメラ​で​撮影​した​画像​は、​CameraLink​画像​入力​ボード​(PXI-1428)​によって、​12bit​画像​として​取得​した。​マルチ​ファンクション​DAQ(NI PXIe-6251)​のカウンターで生成された​2​つ​の​周波数​が​異なる​パルス​信号​を​トリガー​として​両​データ​を​取得​する​こと​で、​画像​収録​と​力​計測​の​同期​を​達成​した。​得​ら​れ​た​画像​は、​各​ピクセル​の​明度​の​大​き​さ​に​赤​から​青​まで​の​色​を​割り当てる​こと​により​カラー​画像​に​変換​し​て、​接触​面​の​挙動​の​変化​を​とら​え​やすい​よう​に​した。 ​

【 背景】 

ゴム​など​の​エラストマー​は、​力​の​伝達​や​衝撃​の​吸収​に​優​れ​て​おり、​動力​を​伝達​する​ベルト​や、​衝撃​を​吸収​する​コン​プ​レ​ッ​ション​ブッシュ​など​に​利用​さ​れ​て​いる。​従って、​この​よう​な​製品​に​は、​接触​部​が​存在​する​が、​エラストマー​を​用​い​た​接触​部​に​水​が​混入​すると​摩擦​振動​が​発生​する​場合​が​ある。​摩擦​振動​と​は、​摩擦​を​起因​として​発生​する​振動​の​こと​を​いい、​例えば、​靴​の​ソール​と​濡れ​た​床​で​発生​する​異音​や、​雨​の​日​の​ブレーキ​の​鳴き​など​が​それ​にあたる。​これらの​摩擦​振動​は、​機械​システム​の​性能​を​著​しく​低下​させる​だけ​で​なく、​騒音​など​の​問題​に​なる。​そこで​本​研究​では、​この​摩擦​振動​の​発生​メカニズム​を​解明​する​ため​に、​ゴム​/​ガラス​接触​面​を​有する​摩擦​システム​を​構築​し、​接触​面​に​作用​する​力​の​計測​と​接触​面​の​挙動​の​その​場​観察​する​こと​で、​システム​における​動的​な​力学​現象​を​調査​した。

 

 

【課題】

上記​の​研究​を​達成​する​ため​に​は、​まず、​接触​部​に​作用​する​法線​力​と​接線​力​の​同時​計測​に​加​えて、​接触​面​の​その​場​観察​を​行う​こと​が​できる​必要​が​ある。​そして、​本​研究​で​発生​する​摩擦​振動​が​とても​短い​時間​スケール​(マイクロ​秒​程度)​で​発生​する​現象​を​内包​し​て​いる​ので、​両者​の​信号​を​完全​に​同期​し​て​計測​を​行う​こと​が​必要​で​ある。

 

また、​予算​の​都合​上、​その​場​観察​に​は、​ハイスピード​カメラ​の​よう​な​大きな​メモリ​を​有​し、​高速度​な​撮影​を​する​こと​が​できる​カメラ​の​購入​を​する​こと​なく、​振動​解析​が​できる​よう​な​高い​サンプリング​(10kHz​程度)​で​力学​信号​を​取得​し​つつ、​画像​は​CCD​カメラ​程度​の​低い​周波数​(20Hz​程度)​で​取得​する​システム​を​構築​する​必要​が​ある。​従来、​予算​の​都合​から​独自​に​トリガー​信号​を​生成​する​スイッチ​を​作成​し​て、​信号​収録​の​スタート​位置​を​合わせ​て、​収録​する​データ​ロガー​と​カメラ​の​クロック​が​同じ​で​ある​と​仮定​し​て​実験​結果​を​得る​という​手法​を​と​って​い​た。​しかし、​これ​は、​真​に​完全​に​同期​した​と​は​いえ​ない。

 

 

 

【ソリューション】
​システム​構成

本​システム​の​ハードウェア​を​図​1​に​示す。 本​実験​装置​では、​ゴム​半球​と​ダブプリズム​平面​で​接触​面​を​構成​した。​接触​面​の​可視​化​に​全​反射​法​を​用いる​こと​で、​接触​面​に​水​が​存在​する​場合、​直接​法​で​取得​でき​なか​っ​た​接触​縁​の​明瞭​な​像​を​取得​できる​よう​に​した。​ダブプリズム​下部​に、​設置​した​ミラー​で​反射​した​光​は、​ダブプリズム​に​入射​し、​ダブプリズム​表面​において​全​反射​し​て、​実態​顕微鏡​を​介​し​て、​CCD​カメラ​に​取り​込​ま​れる。​駆動​ステージ​の​上下​に、​回転​ステージ​を​設置​する​こと​で、​駆動​方向​を​かえる​こと​が​できる。​例えば、​角度​を​0deg​に​設定​すると、​摩擦​試験​となり、​角度​を​90deg​に​設定​すると、​衝突​試験​となり、​その間​の​角度​では、​摩擦​と​衝突​が​共存​する。​これ​により、​単純​な​現象​から​複雑​な​現象​まで、​多岐​にわたる​実験​が​可能​で​ある。​ゴム​半球​の​支持​部​に、​2​つ​ロード​セル​を​平行​に​設置​する​こと​で、​法線​力​と​接線​力​が​同時​計測​できる。​法線​力​は、​力​の​釣り合い​から​2​つ​の​ロード​セル​の​和​で​求​まり、​接線​力​は、​モーメント​の​釣り合い​から​2​つ​の​ロード​セル​の​差​の​定数​倍​から​求める​こと​が​できる。​ゴム​支持​部​に​は、​加速​時計​を​設置​し​て​あり、​音​など​の​原因​と​なる​高​周波数​成分​の​振動​の​計測​が​できる。

 

本​システム​の​ソフトウェア​を​図​2​に​示す。​同​図​は、​画像​データ​および​荷重​変動​信号​の​取得​プログラム​で​ある。
​まず、​ダイナミック​信号​収録​ボード​(NI PXIe-6251)​によって​ロード​セル​の​荷重​変動​信号​および、​加速度​信号​を​取得​した。 CCD​カメラ​で​撮影​した​画像​は、​CameraLink​画像​入力​ボード​(PXI-1428)​によって、​12bit​画像​として​取得​した。​マルチ​ファンクション​DAQ(NI PXIe-6251)​のカウンターで生成された​2​つ​の​周波数​が​異なる​パルス​信号​を​トリガー​として​両​データ​を​取得​する​こと​で、​画像​収録​と​力​計測​の​同期​を​達成​した。​得​ら​れ​た​画像​は、​各​ピクセル​の​明度​の​大​き​さ​に​赤​から​青​まで​の​色​を​割り当てる​こと​により​カラー​画像​に​変換​し​て、​接触​面​の​挙動​の​変化​を​とら​え​やすい​よう​に​した。

LabVIEW​を​用​い​て​システム​を​構築​する​こと​で、​約​70%​の​コスト​の​削減​と​約​25%​の​実験​時間​の​短縮​に​成功​した。

 


【結果】

実験​結果​の​一例​を​図​3​に​示す。​同​図​に​示す​よう​に、​無​潤滑​時​と​水​潤滑​時​における、​明度​の​違い​から、​接触​面​間​に​介在​する​水​膜​の​厚​さ​の​推定​に​成功​した。​また、​この​水​膜​は、​10N​という​静​荷重​下​において、​約​1000s​という時間をかけて排出されることがわかった。

 

図​4​に、​無​潤滑​時​と​潤滑​時​における、​摩擦​試験​の​結果​を​示す。​すると、​無​潤滑​時には、​接触​面​が​大​変形​し​て、​滑らか​に​すべ​って​いる​の​に対して、​潤滑​時​において、​接触面はほとんど変形せずに、​摩擦​振動​が​発生​し​て​いる​こと​が​わかる。

 

以上​の​よう​に、​無​潤滑​時​と​水​潤滑​時​で​力​信号​および​接触​面​の​挙動​の​両方​で​大​きく​異なる​2​つ​の​結果​を​得る​こと​が​でき​た。​また、​LabVIEW​を​用いる​こと​で、​水​潤滑​時に​接触​面​に​介在​する​水​膜​は、​固着状態において排出されて、​すべりの発生中において水が進入して水膜の厚さが増加することがわかった。​この​こと​から、​エラストマー​を​用​い​た​接触​部​周辺​に​水​が​存在​すると、​大きな​接触​面​に​水​膜​が​常に​介在​し​て​おり、​水​膜​の​進入​と​排出​を​繰り返す​こと​で、​静止​摩擦​係数​と​動​摩擦​係数​の​差​が​大​きく​なり​やすい​こと​が​原因​で​摩擦​振動​が​発生​する​の​だ​と​考え​られる。

 

Author Information:

永井 良治氏
​横浜​国立大学 大学院 環境​情報​学府 中野​研究室

図​1(b)  ​ ​ハードウェア​(正面​図) ​
 図​1(c)  ​ ​ハードウェア​(上面​図) ​
図​2 ​ ​ソフトウェア ​
図​3 ​ ​実験​結果 ​
図​4 ​ ​実験​結果 ​