ゴム材料のトライボロジーにおける基礎知識

2021年02月25日

ゴムタイムス社

*この記事はゴム・プラスチックの技術専門季刊誌「ポリマーTECH」に掲載されました。
*記事で使用している図・表はPDFで確認できます。

特設記事1 ゴム材料のトライボロジーにおける基礎知識

ゴム材料のトライボロジーにおける基礎知識

名古屋工業大学 前川 覚

1. はじめに

 ゴム材料の弾性率は数kPa~数MPa程度であり、金属材料と比較してその値は圧倒的に小さい。この特徴をうまく利用して、例えば下記の例のように、ゴム材料は多くのすべり面に利用される工業的に重要なトライボ材料である。

・密封装置(シール):相手面の粗さやうねりに対して隙間なく接触できるゴム材料の柔軟性を活用
・タイヤやシューズ:ゴム材料の高い摩擦係数と衝撃吸収性を活用
・ゴムローラやロボットハンドのグリップ部:ゴム材料の安定した摩擦係数と相手面を傷つけない低攻撃性を活用

 後述するようにゴムの摩擦力発生メカニズムは、凝着摩擦とヒステリシス摩擦という異なる2種類の成分に分けられる。また、潤滑油を利用した場合は流体摩擦の影響も考慮する必要がある。本稿では、これらの摩擦メカニズムの基礎について概説するとともに、ゴム材料の摩擦制御における注意点についても述べる。

2. ゴムのトライボロジーの特徴

 金属材料では、よく知られているアモントン・クーロンの摩擦法則が広く成立する。

 金属材料の摩擦の特徴(アモントン・クーロン の摩擦法則)
 ①摩擦力は垂直荷重に比例する(摩擦係数は垂  直荷重に依存しない)
 ②摩擦力は見かけの接触面積に依存しない
 ③動摩擦力はすべり速度に依存しない
 ④静止摩擦力は動摩擦力よりも大きい

 摩擦係数は摩擦力を垂直荷重で割った値であるので、上記のアモントン・クーロンの摩擦法則より、金属材料の多くでは「摩擦係数は、垂直荷重、見かけの接触面積、すべり速度のすべてに依存しない」ということが言える。
 一方でゴム材料では、アモントン・クーロンの摩擦法則は成立しない。金属材料で成立する①~④と比較すると,ゴム材料の多くでは①’~④’となる。

 ゴム材料の摩擦の特徴
 ①’摩擦力は垂直荷重に比例しない(摩擦係数  は垂直荷重の増加とともに減少する)
 ②’摩擦力は見かけの接触面積に依存する
 ③’動摩擦力はすべり速度に依存する
 ④’静止摩擦力は動摩擦力と同程度

 ゴム材料の接触問題のFEM解析において、金属材料と同様に、摩擦係数は荷重や速度に依存しないという仮定のもとで計算を行っている場合をよく見かけるが、注意が必要である。時には計算結果が実際の現象と大きくずれる場合もある。

3. ゴム材料の摩擦メカニズムの分類

 ゴムと相手面の接触面には、凝着摩擦とヒステリシス摩擦、流体摩擦の3つが働く(図1)。なお、

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