摩擦・トライボロジーの基礎知識

メカトロテクノロジー

摩擦とは

摩擦とは、相対的に運動している物質間に働く現象で、この分野を扱う学問領域をトライボロジーといいます。実際の物体では、接触面に垂直な成分をもつ力があれば、相対的に静止していても摩擦が発生しています。これを静止摩擦といいます。また、相対的に運動している場合、物体の運動エネルギーは奪われ、周囲に散逸したエネルギーは摩擦熱に変わります。これを動摩擦といいます。上記の力学技術と、摩擦・摩擦力を上手く利用して設計することが必要です。

 

トライボロジーの歴史

トライボロジーは古代エジプトの運搬技術から始まったと言われています。古代エジプト人は、巨大な岩のブロックや像を運搬する際、摺動部を液体で濡らすことで摺動抵抗が低減することを認識していたとされています。

※壁画において、液体を注いでいる男性が描かれており、人類最初のトライボロジストと言われています。

(紀元前1880年)

 

トライボロジーの定義

20世紀半ば、故障の多発・短寿命・低い信頼性の機械が多く、その原因は、摩擦・摩耗・潤滑に関するものが大半であり、摩擦に関する理解度の低さに起因するとされていました。1966年、イギリスでこれらの摩擦・摩耗・潤滑の「技術」を「学問」として体系化するために、トライボロジー:Tribos(ギリシャ語で摩擦する)+logy(ギリシャ語で学問) として用語が提案されました。

 

摩擦力と摩擦係数

下図に示すように、物体に垂直荷重Wが作用し、床面と接触した状態で床面と平行に引っ張られたときの力を接線方向外力(引張り力) Pとしています。物体と床面には物体の運動方向とは逆の方向に抵抗が生じています。この抵抗を、互いに接触し、かつ相対運動する2面間に、垂直荷重に対して垂直方向に働く摩擦あるいは摩擦力と呼んでいます。

図5

摩擦力と接線方向外力(引張り力)の関係は、以下で表されます。

図6

上記の実験値より、摩擦係数は 垂直荷重をWとして以下で表されます。

図6-1このように摩擦係数 μ を把握しておくことで、アモントン・クーロンの法則(注)により、簡単に摩擦力F を求めることが可能です。

図6-2

(注)アモントン・クーロンの法則

1696年にフランスのアモントン(G・Amontons)によって摩擦係数の詳細な測定により導かれた経験的な法則で、アモントンの研究から約90年後の1790年に同じくフランスのクーロン(Coulomb)によりこの経験法則が成立することが確認されている。

 

図7

法則(1) 摩擦力は接触する二面間に作用する垂直荷重に比例する

法則(2) 摩擦力は見かけの接触面積に無関係である

 

固体平面の接触

固体の表面は、マクロに見れば平面であってもミクロに見れば凹凸が存在しています。
したがって、平面同士が接触している固体であっても、真実接触面積は見かけの接触面積の数百分の1程度になります。(図.(a)みかけの接触と真実接触)
この固体が荷重を受けるとき、見かけの接触面積ではなく真実接触面積で支えることとなります。

(図.(b)真実接触面積)

図8

図9

 

凹凸のある2つの固体が重なり合うとき、まず凸部3点が接触することとなります。
この凸部3点でかかる荷重を支えることとなり、許容応力を超えれば塑性変形を起こし、新たな接触点が発生します。