スティックスリップ・鳴きの対策——摩擦振動の型を見分けてから、速度・剛性・潤滑を変える

まず、摩擦振動の「型」を分ける

名古屋工業大学の前川覚氏の総説は、身近に起きる摩擦振動を、スティックスリップ、動摩擦係数の速度弱化に起因する不安定振動、界面ダイナミクスに起因する摩擦振動の 3 種類に整理すると分かりやすいとし、それぞれ有効な対策が違うので、対象の振動がどの型かを見極めるのが最初の一歩だと述べている^[2]。よく似た異音でも、別の型の摩擦振動が原因であることがある、とも注意している^[2]。

表は前川氏の総説の記述から整理した^[2]。同じ総説は、三つの型に共通して効くのは摩擦係数を下げることで、そのためには真実接触面積を小さくすること、材料を硬くすることや表面の形で接触面積を制限することが有効だとしている^[2]。ただし、ゴムの高い摩擦係数は動力を伝える機構では欠かせない性質でもあり、どこまで下げてよいかは用途で決まる^[2]。

ディスクブレーキの鳴きのように、摩擦の速度依存性に加えて、パッドを支える部分の剛性の向きによる違い（異方性）が発生に影響することが知られている例もある^[2]。自転車のディスクブレーキでは、約 1 kHz の「鳴き」と約 500 Hz の「ビビリ」という 2 種類の摩擦の自励振動が報告されている^[5]。同じ部品でも、周波数の違う複数の振動が出ることがある。摩擦以外の原因（流体や加工の自励振動）も含めた見分け方は自励振動の原因と止め方で扱う。

スティックスリップが起きやすい条件

横浜国立大学の中野健氏は、質量・ばね・ダッシュポット（減衰）で支えた物体を、一定速度で動く床の上で滑らせる 1 自由度のモデルで、スティックスリップの起きる限界を整理している^[1]。モデルには質量、剛性、減衰係数、静止摩擦係数、動摩擦係数、垂直荷重、駆動速度の 7 個のパラメータがあるが、発生と非発生は 2 個の無次元の数で決まる^[1]。

一つ目の数 λ は、静止摩擦係数と動摩擦係数の差 Δμ と荷重 W の積を、質量と剛性の積の平方根と速度 V の積で割ったもので、スティックスリップの起きやすさを表す。二つ目の ζ は減衰比で、発生を抑える側に働く^[1]。λ の式の分母に剛性と速度が、分子に荷重と摩擦係数の差が入っているので、低い剛性・低いすべり速度・高い荷重・大きな摩擦係数の差で λ が大きくなり、スティックスリップが起きやすくなる^[1]。中野氏は、この解析で得た傾向がスティックスリップについての実験的な経験則と一致していると述べている^[1]。

表は中野氏の総説にある数値計算の例である^[1]。同じ総説は、発生しない十分条件として λ と ζ の不等式を示し、過去の実験報告の臨界点とも比べて理論式の妥当性を確かめたうえで、設計の段階でスティックスリップを避ける道具として使えると見込んでいる^[1]。式から、スティックスリップが起き始める速度（臨界速度）や荷重（臨界荷重）も陽に書ける^[1]。「この速度より遅く動かすと出る」という症状は、この臨界速度の考え方で説明がつくことが多い。

前川氏の総説は、λ が大きい場合（例えば 10 を超えると）のこぎり歯状の波形が現れ、間欠的な音になることが多いこと、例外はあるもののスティックスリップの起きる速度域は 100 mm/s 以下である場合が多いことを挙げている^[2]。また、静止摩擦係数はゴムの形状、止まっていた時間、すべりの履歴に強く左右され、静止と動摩擦の間に明確な差がない場合もある、と注意している^[2]。止めておいた時間が長いほど動き出しに鳴く、という症状はここにつながる。

現場でよく出る場面

工作機械の案内面——低速の送りと位置決め

工作機械の案内面の摩擦特性を論じた展望では、仕上げの加工は低いしゅう動速度で行うことが多く、スティックスリップのような不安定な挙動が加工精度を下げる原因になること、停止させようとする直前に跳ぶような挙動が出て正確な位置決めを難しくすることが挙げられている^[3]。同じ文献の実験では、駆動速度を上げるとスティックスリップの振幅は全体に小さくなったが、その大きさと減り方は潤滑油の種類で大きく違い、油によってはある速度で振動が消えて一様なすべりになった^[3]。潤滑剤の選択で臨界速度が動くということである。

空気圧シリンダの低速駆動

空気圧シリンダは低速で動かすとスティックスリップのため一定の運動にならないことがある。日本油空圧学会の論文は、メータアウト回路で駆動したときの発生条件を解析し、2 つの無次元パラメータの関数で表せることを示して、実験で確かめている^[4]。シミュレーションでは精度よく再現できても、パラメータが多いために発生条件や各パラメータの影響を明らかにするのが容易でない、という問題意識から出発した研究である^[4]。部品の交換だけで直らない場合は、供給圧・速度制御弁の絞り・負荷といった回路側の条件も合わせて見る必要がある。

ゴムの部品——ワイパー・シール・ベルト

前川氏は、ゴム材料はほかの固体材料より摩擦振動が起きやすく、低い弾性率（低い剛性）がスティックスリップの原因になり、粘弾性や接触面への水・油の混入による動摩擦の速度弱化が不安定振動を誘発するとしている^[2]。潤滑された状態では、いわゆる混合潤滑の領域（条件によるが、おおよそ 10〜100 mm/s の前後）で動摩擦係数が急に下がり、ワイパーやシールなどで不安定振動が起きる^[2]。乾いた状態では、おおよそ 1 m/s 以上の高速域で速度弱化が起きる^[2]。同じゴムの部品でも、乾いているか濡れているか、どの速度域かで型が変わる。

社内で切り分ける手順

型を見分けるには、条件を一つずつ変えて症状の変わり方を見るのが早い。一度に複数を変えると、どれが効いたかが分からなくなる。

速度を変える。遅くすると出て速くすると消えるなら、スティックスリップの臨界速度の考え方が当てはまりやすい^[1]。荷重を変える。押付けを下げると出にくくなるなら、λ の分子が効いている^[1]。支えの剛性を仮に上げてみる。当て板や仮の補強で止まるならスティックスリップ、変わらないなら速度弱化型を疑う^[2]。潤滑を変える。潤滑剤の種類や量で振幅と消える速度が変わることは案内面の実験でも示されている^[3]。止めていた時間を変える。長く止めた後だけ出るなら、静止摩擦の時間依存が効いている可能性がある^[2]。

音や振動を記録できるなら、波形も見る。のこぎり歯状で間欠的ならスティックスリップ^[2]、系の固有振動数で正弦波に近い形なら速度弱化型^[2]の可能性が高い。摩耗の進行が同時に起きている場合は、機械部品の摩耗対策の型の見分け方もあわせて見ておく。

測って確かめる——摩擦係数の速度依存性と振動の波形

社内で型を決めきれないときは、測って確かめる。中心になるのは二つの測定である。

一つ目は、摩擦係数のすべり速度依存性である。摩擦係数は一定として解析や理論で扱われることが多いが、実際には速度や垂直抗力で変わる。名城大学の研究では、引張試験機を使って炭素鋼（S50C）の試験体を定盤の上で動かし、移動速度と垂直抗力を変えて静止摩擦係数と動摩擦係数を求めている^[6]。実際の組合せの材料・表面・潤滑で、使う速度域を含めて測ることが大事で、速度とともに動摩擦が下がる（負の勾配）か、静止と動摩擦の差がどれだけかが、対策の向きを決める^[1][2]。

二つ目は、振動の波形と周波数、支える系の固有振動数である。発生している振動の周波数が系の固有振動数と一致しているか、波形がのこぎり歯状か正弦波状かで、型の見当がつく^[2]。機械の振動測定の進め方は機械・設備の振動解析を頼むときで扱っている。音として問題になっている場合は、騒音・振動（NVH）の切り分けも参考になる。

測定の結果を 1 自由度のモデルに当てはめれば、どのパラメータをどれだけ変えれば止まりそうかの見当がつく^[1]。ただし前川氏は、単純化した 1 自由度のモデルが必ずしもすべての系に当てはまるわけではなく、すべり部の変形を考える場合などには 2 自由度や多自由度のモデルでの考察が要ることもある、と注意している^[2]。

外に頼むときに渡すもの・受け取るもの

摩擦係数の測定、振動の測定、モデルでの検討は、それぞれ得意な会社が違う。どれを頼むにしても、症状と条件の記録がそろっているかで、見立ての早さが変わる。

受け取るときは、「グリースを替えれば止まる」のような結論だけでなく、どの型と判断したか、その根拠になった測定値は何かを書いてもらう。型の判断が違えば、同じ対策が別の部品では効かないからである。中野氏も、力学的な枠組みなしにトライボロジーの対策を先行させると、そのとき有効でも場当たりの対策でしかなく、別の事例には使えないと述べている^[1]。

摩擦と振動の測定を受けてくれる会社探しから、ご相談ください。

よくある質問

グリースを替えたら一度止まったのに、しばらくして再発しました

潤滑の状態は、温度や摩耗、時間で変わる。潤滑剤で摩擦の速度依存性が変わり、症状が消える速度も変わることは案内面の実験で示されているが^[3]、条件が変われば元に戻ることもある。支える剛性や荷重の側でも余裕を持たせられるかを、型を見極めたうえで検討する。

補強して剛性を上げたのに、鳴きが止まりません

剛性を上げるのはスティックスリップには効くが、動摩擦の速度弱化による不安定振動には効かない^[2]。その場合は、摩擦係数の速度依存性を改善する側の対策が必要になる。

止めていた後の動き出しだけ鳴きます

静止摩擦係数は、止まっていた時間やすべりの履歴に強く左右されることがある^[2]。止めた時間を変えて症状を比べ、その記録を渡すと見立てが早くなる。

まとめ

すべり面の鳴き・きしみ・かくつきは、スティックスリップ、速度弱化による不安定振動、界面の振動の三つの型に分けて考える。スティックスリップは低い剛性・低い速度・高い荷重・大きな摩擦係数の差・小さな減衰で起きやすく、剛性を上げる手が効くが、速度弱化型には効かない。社内では速度・荷重・剛性・潤滑・止めていた時間を一つずつ変えて型を絞り、決めきれなければ、摩擦係数の速度依存性と振動の波形を測ってもらう。頼むときは症状の記録と試したことをまとめて渡し、型の判断の根拠まで受け取る。

出典・参考資料

1. スティックスリップ回避のための設計指針（中野健／日本ゴム協会誌 80 巻 4 号／2007 年）
2. ゴム材料の摩擦振動の発生メカニズムとその対策（前川覚／日本ゴム協会誌 96 巻 10 号／2023 年）
3. 案内面の摩擦特性とスティックスリップ現象（加藤仁・松林恒雄／精密機械 39 巻 467 号・精密工学会／1973 年）
4. 空気圧シリンダのメータアウト速度制御時のスティックスリップ現象 第2報スティックスリップ発生条件（渡嘉敷ルイスほか／日本油空圧学会論文集 31 巻 6 号／2000 年）
5. 自転車のディスクブレーキに発生する鳴きとビビリ（江村篤裕ほか／理論応用力学講演会 講演論文集 52・日本学術会議 IUTAM 分科会／2003 年）
6. 異なる移動速度における摩擦係数計測とその評価（平光陽一ほか／日本機械学会東海支部 第 61 期総会講演会 講演論文集／2012 年）

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