JP2004257892A - 雪特性測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】雪の剪断特性を簡便にかつ高精度で測定できる。
【解決手段】基台２に、サンプル圧縮手段３とサンプル剪断手段４とを設けた。サンプル圧縮手段３は、開口部Ｐを向き合わせた上、下の容器部６Ｕ，６Ｌを有しその内部に収容する雪を圧縮させうる容器圧縮移動手段７と、そのときの圧縮荷重を測定する圧縮荷重測定器８とを具える。サンプル剪断手段４は、上、下の容器部６Ｕ，６Ｌを相対的に横移動させて前記圧縮された雪を剪断する容器横移動手段２０と、そのときの剪断荷重Ｆを測定する剪断荷重測定器２１とを具える。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、雪を圧縮した状態で雪の剪断応力を計測し雪の剪断特性を測定する雪特性測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えばスノータイヤ、スタッドレスタイヤなどの冬用タイヤの雪上走行性能は、雪質に依存してその性能が大きく影響される。従って、冬用タイヤの研究開発においてタイヤの雪上走行性能を正確に評価する場合、雪質を如何に的確に捉えて数値化するかが重要となる。
【０００３】
従来、この雪質を数値化するものとして、スミサスＣＴＩスノーコンパクションゲージ（ＳＭＩＴＨＥＲＳ’ ＣＴＩ ＳＮＯＷ ＣＯＭＰＡＣＴＩＯＮ ＧＡＵＧ、以下ＣＴＩゲージという）が広く用いられている。
【０００４】
このＣＴＩゲージは、試験タイヤが通った氷雪路上に、図６に示すように、先端部を円錐状とした六角柱片からなる重さ２２０±１ｇの金属製の測定片ａを、高さ２１８．９５±０．２５ｍｍ（８．６２±０．０１インチ）から落下させ、測定片ａが氷雪路面ｂから雪内に沈み込んだ深さｃをコンパクション値に換算して求めるものであり、例えば乾いた氷のコンパクション値は９３〜９８，ハードパック雪（圧雪）では８４〜９３、ミディムパック雪では７０〜８４，ソフトパック雪（新雪）では５０〜７０となっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＣＴＩゲージは前述のように、円錐状の測定片ａを落下させてなる衝撃的な沈込み量によるものであるため、雪上走行性能に関係する雪の「圧縮特性」と「剪断特性」との双方が組み合わされた複合値として表される。従って、例えばＣＴＩゲージの値が同じでも雪質が相違する場合が生じるなど、雪質を的確に数値化しているとは言い難く、近年、タイヤの雪上走行性能をより正確に評価するために、雪の「圧縮特性」と「剪断特性」とを分離して簡便に測定しうる測定装置の出現が望まれている。
【０００６】
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、雪の「剪断特性」を簡便にかつ高精度で測定できるなど、タイヤの雪上走行性能をより正確に評価することが可能となり、冬用タイヤの研究開発に大きく貢献しうる雪特性測定装置の提供を目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、請求項１の発明は、雪を圧縮した状態で雪の剪断応力を計測し雪の剪断特性を測定する雪特性測定装置であって、
基台に、
サンプリングされた雪を収納しかつ開口部を向き合わせた上，下の容器部を有し、該上の容器部と下の容器部とを近づけることにより内部の雪を圧縮させうる容器圧縮移動手段と、そのときの圧縮荷重を測定する圧縮荷重測定器とを具えるサンプル圧縮手段、
及び前記上，下の容器部を相対的に横移動させることにより前記圧縮された雪を剪断する容器横移動手段と、そのときの剪断荷重を測定する剪断荷重測定器とを具えるサンプル剪断手段を設けたことを特徴としている。
【０００８】
又請求項２の発明では、前記サンプル剪断手段は、前記下の容器部の横移動の距離を測定する距離測定器を具えたことを特徴としている。
【０００９】
又請求項３の発明では、前記容器圧縮移動手段と容器横移動手段とは、それぞれ圧縮空気供給源から圧力調整器を介して供給される圧縮空気を用いた荷重付加具を具えることを特徴としている。
【００１０】
又請求項４の発明では、前記圧縮空気供給源は、携行式の圧縮空気収納ボンベであることを特徴としている。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の一形態を、図示例とともに説明する。図１は本発明の雪特性測定装置を示す斜視図、図２はその側面図である。
【００１２】
図１、２において、本実施形態の雪特性測定装置１は、基台２に、サンプリングされた雪Ｗを圧縮しかつそのときの圧縮荷重Ｔを測定するサンプル圧縮手段３と、この圧縮された雪を剪断しかつそのときの剪断荷重Ｆを測定するサンプル剪断手段４とを設けることにより構成され、これによって圧縮状態の雪Ｗの剪断特性を測定する。
【００１３】
前記基台２は、例えば四隅に設ける脚部５によって高さ調整自在に水平支持される板状の基台部２Ａと、この基台部２Ａ上に立設される支柱部２Ｂとを具え、測定現場における屋外での装置の据え付けを可能としている。
【００１４】
又前記サンプル圧縮手段３は、サンプリングされた雪Ｗを収納しかつ開口部Ｐを向き合わせた上，下の容器部６Ｕ，６Ｌを有し、該上の容器部６Ｕと下の容器部６Ｌとを近づけることにより内部の雪Ｗを圧縮させうる容器圧縮移動手段７と、そのときの圧縮荷重Ｔを測定する圧縮荷重測定器８とを具える。
【００１５】
詳しくは、前記容器圧縮移動手段７は、前記上，下の容器部６Ｕ，６Ｌと、上の容器部６Ｕを下の容器部６Ｌに対して相対的に上下移動可能に案内保持する案内保持具９と、前記上の容器部６Ｕに荷重を負荷することにより収納した雪Ｗを圧縮する荷重付加具１０とから構成される。
【００１６】
なお前記上，下の容器部６Ｕ，６Ｌは、開口部Ｐを互いに向かい合わせた、例えば矩形状の有底容器であり、前記下の容器部６Ｌ内に上の容器部６Ｕが挿入できかつ挿入状態において上，下の容器部６Ｕ，６Ｌが相対的に横移動しうるように、その開口部Ｐの大きさを互いに違えて形成している。特に本例では、下の容器部６Ｌの開口部ＰＬの横移動方向の長さを、上の容器部６Ｕの開口部ＰＵの横移動方向の長さの２．０倍以上とした場合を例示している。
【００１７】
又前記案内保持具９は、前記支柱部２Ｂに配されるガイドレール１１と、このガイドレール１１に案内されて上下移動しうる移動台１２とを含むとともに、該移動台１２の下端には、前記上の容器部６Ｕが着脱自在に保持される。
【００１８】
又前記荷重付加具１０は、本例では、エアシリンダ１４を含み、その作動空気として、図２に示すように、圧縮空気供給源１５から圧力調整器１６を介して供給される圧縮空気が使用され場合を例示している。前記エアシリンダ１４は、周知構成をなし、例えば前記支柱部２Ｂ上端に取付け板を介して下向きにフランジ固定されるとともに、そのロッド下端１４Ａには、前記移動台１２を取り付けている。
【００１９】
ここで、前記圧縮空気供給源１５として、携行式の圧縮空気収納ボンベ（所謂エアタンク）が好適であり、特に最大圧力が１〜５０００ｋＰａ（例えば約１０００ｋＰａ）、かつ内容量が１〜５０リッタのものが好ましく採用しうる。又前記圧力調整器１６としては、精密減圧弁が使用でき、前記圧縮空気収納ボンベからの圧縮空気を、少なくとも０〜５００ｋＰａの設定圧力範囲で自在な圧力値に調整する。なお前記エアシリンダ１４と圧力調整器１６との間には、空気流路を手動操作によって入切りする切替え弁１７（所謂ハンドバルブ）を配し、エアシリンダ１４への圧縮空気の供給と、エアシリンダ１４からの排気とを切替えている。
【００２０】
従って前記荷重付加具１０は、圧縮空気供給源１５からの高圧の圧縮空気を、圧力調整器１６によって所定圧力に調整しながらエアシリンダ１４に供給でき、そのロッドの伸張により前記上の容器部６Ｕを押し下げうる。これによって、上，下の容器部６Ｕ，６Ｌ内の雪Ｗを圧縮できる。この圧縮荷重Ｔは、前記圧縮空気への圧力調整によって自在にかつ容易に変化させることができ、又そのときの圧縮荷重Ｔの値は、例えば圧力調整器１６に付属の圧力計１８、或いは空気流路に別途設ける圧力計１８等によって計測することができる。具体的には、測定した空気圧力と前記エアシリンダ１４の内径とから換算できる。従って本例では、前記圧力計１８によって、圧縮荷重Ｔを測定する圧縮荷重測定器８を構成している。
【００２１】
次に、前記サンプル剪断手段４は、前記上，下の容器部６Ｕ，６Ｌを相対的に横移動させることにより前記圧縮された雪Ｗを剪断する容器横移動手段２０と、そのときの剪断荷重Ｆを測定する剪断荷重測定器２１とを具える。
【００２２】
又前記容器横移動手段２０は、下の容器部６Ｌを上の容器部６Ｕに対して相対的に横移動可能に案内保持する案内保持具２２と、前記下の容器部６Ｕに横荷重を負荷することにより横移動せしめ、前記圧縮状態の雪Ｗを剪断する荷重付加具２３とから構成される。
【００２３】
なお前記案内保持具２２は、基台部２Ａ上に敷設されるガイドレール２４と、このガイドレール２４に案内されて横移動しうる横移動台２５とを含むとともに、該横移動台２５上には、前記下の容器部６Ｌが着脱自在に保持される。
【００２４】
又前記荷重付加具２３は、本例では、前記荷重付加具１０と略同構成であり、エアシリンダ２７を含み、かつその作動空気として、圧縮空気供給源２８から圧力調整器２９を介して供給される圧縮空気が使用される。
【００２５】
なお前記エアシリンダ２７は、例えば前記基台部２Ａに取付け板を介して横向きに固定されるとともに、そのロッド端２７Ａに前記横移動台２５を取り付けている。又前記圧縮空気供給源２８、圧力調整器２９、及び切替え弁３０として、前記荷重付加具１０に用いる圧縮空気供給源１５、圧力調整器１６、及び切替え弁１７と同じものが好適に採用しうる。
【００２６】
この荷重付加具２３は、圧縮空気供給源２８からの高圧の圧縮空気を、圧力調整器２９によって圧力調整しながらエアシリンダ２７に供給でき、そのロッドの伸張力により前記下の容器部６Ｌに剪断荷重Ｆを負荷できる。又そのときの剪断荷重Ｆの値は、前記圧縮荷重Ｔと同様、例えば圧力調整器２９に付属の圧力計３１、或いは空気流路に別途設ける圧力計３１等によって計測でき、従って本例では、前記圧力計３１によって、前記剪断荷重測定器２１を構成している。
【００２７】
このように本実施形態の装置１では、圧力調整器２９を操作しエアシリンダ２７に供給される圧縮空気の圧力を徐々に高めることにより、図３に示すように、圧縮状態の前記雪Ｗに剪断変形を加えることができる。このときの剪断応力τと剪断変位Ｌとの関係から、図４（Ａ）に略示する如き応力・変位曲線Ｋをうることができ、又この応力・変位曲線Ｋの傾きおよび最大値から剪断弾性率および最大剪断応力τｍａｘ を求めることができる。しかし剪断弾性率および最大剪断応力τｍａｘ は、同図の如く、雪Ｗの圧縮状態、即ち剪断する際の圧縮応力σによって大きく相違する。従って、圧縮荷重を違えて前記剪断テストを行うことにより、図４（Ｂ）に略示する如く、最大剪断応力τｍａｘ と圧縮応力σとの関係を、雪質に固有の剪断特性としてうることができる。
【００２８】
又本例では、負荷荷重に圧縮空気を利用しているため、装置１を小型軽量かつ構造簡易に構成することができ、かつその操作性を大巾に高めることが可能となる。特に圧縮空気供給源１５、２８として携行式の圧縮空気収納ボンベを使用しているため、バッテリや発動機などの動力源を不要とし、前記利点をいっそう高めることができる。
【００２９】
ここで前記剪断応力τ及び圧縮応力σは、前記剪断荷重Ｆ及び圧縮荷重Ｔを、上の容器部６Ｕにおける開口部ＰＵの開口面積Ｓで徐することにより、以下のように求めることができる。
τ＝Ｆ／Ｓ（あるいはＦ／有効面積）、 σ＝Ｔ／Ｓ
【００３０】
又最大剪断応力τｍａｘ は、前記応力・変位曲線Ｋを描く必要はなく、圧縮空気の圧力を徐々に高め、雪Ｗが剪断破壊に至るまでの間の最大圧力を測定することによって得ることができる。しかし、本例では、剪断変位Ｌを測定し、前記応力・変位曲線Ｋ或いは剪断弾性率を得るために、前記下の容器部６Ｌの横移動の距離を測定する例えばメジャー等の目盛りである距離測定器３３（図１に示す）を設けた場合を例示している。
【００３１】
次に、本実施形態の雪特性測定装置１を用いて、雪の剪断特性を測定する場合を説明する。
【００３２】
測定対象となる雪が存在している場所（測定現場）に装置１を持ち込んで設置する。又この測定現場で雪サンプルを採取し、上，下の容器部６Ｕ，６Ｌ内に収納する。このとき、雪サンプルの重量及び体積を測定し、雪サンプルの比重（重量／体積）を求めておく。
【００３３】
又この上，下の容器部６Ｕ，６Ｌを順次装置１にセットする。しかる後、圧縮用の荷重付加具１０を操作し、圧縮空気供給源１５からの高圧の圧縮空気を、圧力調整器１６によって所定圧力に調整する。そして、切替え弁１７を開き、調圧された圧縮空気をエアシリンダ１４に供給することにより、上，下の容器部６Ｕ，６Ｌ内の雪Ｗを圧縮する。
【００３４】
しかる後、剪断用の荷重付加具２３を操作し、圧力調整器２９によりエアシリンダ２７に供給される圧縮空気の圧力を徐々に高めることにより、圧縮状態の雪Ｗを剪断破壊させる。そのときの最大圧力から最大剪断応力τｍａｘ を求める。
【００３５】
そして、これを順次繰り返して圧縮荷重Ｔが異なる種々な圧縮状態において雪Ｗを剪断せしめ、そのときの圧縮応力σと最大剪断応力τｍａｘ とを記録することにより、図５に示す如き雪の剪断特性をうることができる。なお同図は、北海道において、雪温（−４．９℃）、気温（−９．５℃）、湿度（６７％）の環境下で採取した比重（０．５３ｇ／ｃｍ３）の雪サンプルの剪断特性を示しており、横軸を圧縮応力σ、縦軸を最大剪断応力τｍａｘ として、測定結果をプロットしている。又図中の直線Ｊは、測定結果を回帰分析して得た回帰直線であり、本例では、前記雪サンプルが、最大剪断応力τｍａｘ が圧縮応力σに対して以下の関係を有する雪質であることを示している。
τｍａｘ ＝０．５３４４σ−０．１０５６
【００３６】
以上、本発明の特に好ましい実施形態について詳述したが、本発明は図示の実施形態に限定されることなく、種々の態様に変形して実施しうる。
【００３７】
【発明の効果】
本発明は叙上の如く構成しているため、雪の剪断特性を簡便にかつ高精度で測定できる。従って、タイヤの雪上走行性能をより正確に評価することが可能となり、冬用タイヤの研究開発に大きく貢献しうる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の雪特性測定装置の一実施例を示す斜視図である。
【図２】その側面図である。
【図３】雪サンプルの圧縮から剪断に至る状態を説明する線図である。
【図４】（Ａ）圧縮状態の雪を剪断する際の応力・変位曲線示す線図、（Ｂ）は、そのときの最大剪断応力と圧縮応力σとの関係を示す線図である。
【図５】本装置によって測定した雪サンプルにおける最大剪断応力と圧縮応力σとの関係を示す線図である。
【図６】従来技術を説明するスミサスＣＴＩスノーコンパクションゲージの側面図である。
【符号の説明】
１ 雪特性測定装置
２ 基台
３ サンプル圧縮手段
４ サンプル剪断手段
６Ｕ、６Ｌ 上，下の容器部
７ 容器圧縮移動手段
８ 圧縮荷重測定器
１０，２３ 荷重付加具
１５，２８ 圧縮空気供給源
１６，２９ 圧力調整器
２０ 容器横移動手段
２１ 剪断荷重測定器
３３ 距離測定器
Ｆ 剪断荷重
Ｐ、ＰＵ、ＰＬ 開口部
Ｔ 圧縮荷重

Claims (4)

1. 雪を圧縮した状態で雪の剪断応力を計測し雪の剪断特性を測定する雪特性測定装置であって、
   基台に、
   サンプリングされた雪を収納しかつ開口部を向き合わせた上，下の容器部を有し、該上の容器部と下の容器部とを近づけることにより内部の雪を圧縮させうる容器圧縮移動手段と、そのときの圧縮荷重を測定する圧縮荷重測定器とを具えるサンプル圧縮手段、
   及び前記上，下の容器部を相対的に横移動させることにより前記圧縮された雪を剪断する容器横移動手段と、そのときの剪断荷重を測定する剪断荷重測定器とを具えるサンプル剪断手段を設けたことを特徴とする雪特性測定装置。
2. 前記サンプル剪断手段は、前記下の容器部の横移動の距離を測定する距離測定器を具えたことを特徴とする請求項１記載の雪特性測定装置。
3. 前記容器圧縮移動手段と容器横移動手段とは、それぞれ圧縮空気供給源から圧力調整器を介して供給される圧縮空気を用いた荷重付加具を具えることを特徴とする請求項１又は２記載の雪特性測定装置。
4. 前記圧縮空気供給源は、携行式の圧縮空気収納ボンベであることを特徴とする請求項３に記載の雪特性測定装置。

Images