JP2006078279A - ゴム弾性特性材料の試験方法および試験装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ゴム弾性特性材料の疲労試験において試験片に実際に則した歪みを与え得る新規なゴム弾性特性材料の試験方法と試験装置を提供すること。
【解決手段】ゴム弾性特性材料からなる棒状または柱状の試験片を、上把持部と下把持部とで該試験片の中心軸方向を回転軸方向とする回転力を与えることにより捻った状態で把持して固定し、該捻られた把持固定状態を維持したまま、該試験片の中心軸方向に、繰返し引張り力または繰返し圧縮力を与えるゴム弾性特性材料の試験方法であり、ゴム弾性特性材料からなる棒状または柱状の試験片を把持し固定する上下一対の固定把持具を有し、該上下の固定把持具は、前記棒状または柱状の試験片の中心軸方向を回転軸方向として相対的に上下の固定把持具間で回転変位量が相違した捩れ状態で前記試験片を把持固定することができる機構を有し、さらに、該捩れ状態で試験片を把持固定したままの状態で、該試験片に繰返し引張り力または繰返し圧縮力を与える機構を有するゴム弾性特性材料の試験装置。
【選択図】図３

Description

本発明は、ゴム弾性特性材料の試験方法および試験装置に関し、更に詳しくは、たとえば、ゴム弾性特性材料がタイヤなどに使用された場合には、シビアな引張り力と圧縮力とを繰返し短周期で受けるものであるが、そのような実際の使用状態に則した歪みを付加して疲労試験などを行うことを可能にするゴム弾性特性材料の引張りもしくは圧縮の疲労試験方法および疲労試験装置に関するものである。

従来、ゴム材料の疲労試験方法と言えば、試験材料の両端をチャックで挟み、繰返し引張り荷重を加える引張り試験方法や、あるいは、フレソメーターを用いたような圧縮試験方法では、試験材料の両端をアンビルで挟み、繰返して圧縮荷重を加える方法などが用いられてきた。

しかしながら、このような方法では、ゴム材料にかかる歪みの方向は、常に引張り方向あるいは圧縮方向に向きが一定なものであり、歪みの強度が変化するだけのものであった。

一方、ゴム弾性特性材料が、実際の製品、たとえば自動車タイヤなどの製品にされたときに、そのタイヤの実際の使用状態においては製品が受ける歪みは一方向のものとは限らない。たとえば、図１（ａ）、（ｂ）は、タイヤの転動時において、タイヤ接地直下とその対向位置では、タイヤショルダー部が受ける主歪みの方向が異なっていることを示しているタイヤショルダー部のモデル図であり、矢印は主歪みの方向を示したものである。

図１の（ａ）は、タイヤが地面に接触しているときの接地面直下のタイヤショルダー部Ｔにおいての主歪みの方向図であり、図１の（ｂ）は、該接地面直下の位置とタイヤ回転軸を中心にして対向する位置においてのタイヤショルダー部Ｔの主歪みの方向図である。

これら図中の丸Ａで囲んだ箇所の矢印方向に示したように、例えば、タイヤのショルダー部においては、タイヤの接地直下位置とその対向位置とでは、約９０度も方向が相違する主歪みを受けている。

このように同じ部位であっても、製品にされて実際に使用された際に使用状態に応じて各種の相違する方向からの歪みを受けるものの場合には、その材料の疲労試験法として、常に同一方向の引張り力もしくは圧縮力だけを加えて試験をするのは不十分であり、引張り力もしくは圧縮力に加えて、捩れをも考慮した試験法とするのが有効である。

従来、引張り力もしくは圧縮力に加えて、捩れをも考慮した試験法については、引張り捩り試験として、主に金属材料の試験法として知られている（特許文献１−３）。

しかし、これらの試験方法は、捻りを加えつつ引張り力もしくは圧縮力を加えていくものであり、捻り力に対する抵抗を測る試験としては適切でも、捻られた状態での疲労試験という観点からは精度の良い試験をすることができないものであった。
特開平８−１３６４２５号公報 特開２０００−９６１９号公報 特開平１１−２５８１３５号公報

本発明の目的は、ゴム弾性特性材料の疲労試験において試験片に実際に則した歪みを与え得る新規なゴム弾性特性材料の試験方法と試験装置を提供することにある。

上述した目的を達成する本発明のゴム弾性特性材料の試験方法は、以下の(1) の構成からなる。
（１）ゴム弾性特性材料からなる棒状または柱状の試験片を、上把持部と下把持部とで該試験片の中心軸方向を回転軸方向とする回転力を与えることにより捻った状態で把持して固定し、該捻られた把持固定状態を維持したまま、該試験片の中心軸方向に、繰返し引張り力または繰返し圧縮力を与えることを特徴とするゴム弾性特性材料の試験方法。

また、かかる本発明のゴム弾性特性材料の試験方法において、より好ましくは、以下の(2) 〜(4) の構成を有するものである。
（２）上把持部と下把持部の把持間隔が１０〜２００ｍｍであり、毎分１０〜１０００回の繰返し引張り力を該試験片の中心軸方向に与えることを特徴とする上記(1) 記載のゴム弾性特性材料の試験方法。
（３）上把持部と下把持部の把持間隔が５〜１００ｍｍであり、毎分１０〜１０００回の繰返し圧縮力を該試験片の中心軸方向に与えることを特徴とする上記(1) 記載のゴム弾性特性材料の試験方法。
（４）試験片の把持間隔距離をＬ（ｍｍ）、試験片の横断面形状の外接円の半径をｒ（ｍｍ）、捻りの回転角度をθ（°）としたときに、これら３者の関係が下記式（ａ）を満足することを特徴とする上記(1) 、(2) または(3) 記載のゴム弾性特性材料の試験方法。

０．０１≦θ・ｒ／Ｌ≦５０ …………（ａ）
また、上述した目的を達成する本発明のゴム弾性特性材料の試験装置は、以下の(5) の構成からなる。
（５）ゴム弾性特性材料からなる棒状または柱状の試験片を把持し固定する上下一対の固定把持具を有し、該上下の固定把持具は、前記棒状または柱状の試験片の中心軸方向を回転軸方向として相対的に上下の固定把持具間で回転変位量が相違した捩れ状態で前記試験片を把持固定することができる機構を有し、さらに、該捩れ状態で試験片を把持固定したままの状態で、該試験片に繰返し引張り力または繰返し圧縮力を与える機構を有することを特徴とするゴム弾性特性材料の試験装置。

また、かかる本発明のゴム弾性特性材料の試験方法において、より好ましくは、以下の(6) 〜(7) の構成を有するものである。
（６）固定把持具がチャック機構を有し、該チャック機構で試験片両端を挟持固定して、該試験片に繰返し引張り力を与える機構を有することを特徴とする上記(5) 記載のゴム弾性特性材料の試験装置。
（７）固定把持具がアンビル機構を有し、該アンビル機構で試験片両端を挟持固定して、該試験片に繰返し圧縮力を与える機構を有するものであることを特徴とする上記(5) 記載のゴム弾性特性材料の試験装置。

本発明によれば、ゴム弾性特性材料の疲労試験において試験片に実際に則した歪みを与えることのできる新規なゴム弾性特性材料の試験方法と試験装置が提供されるものである。

本発明のゴム弾性特性材料の疲労試験方法・装置は、自動車や航空機などのタイヤや各種のゴムパッキン、ホース類などの使用時において、他方向からの歪みを受けることがある分野に使用されるゴム弾性特性材料の試験方法、試験装置として有効なものである。

以下、更に詳しく本発明について、説明する。

本発明のゴム弾性特性材料の疲労試験方法は、ゴム弾性特性材料からなる棒状または柱状の試験片を、上把持部と下把持部とで該試験片の中心軸方向を回転軸方向とする回転力を与えることにより捻った状態で把持して固定し、該捻られた把持固定状態を維持したまま、該試験片の中心軸方向に、繰返し引張り力または繰返し圧縮力を与えるものである。

かかる本発明の試験方法は、ゴム弾性特性材料からなる棒状または柱状の試験片を捻った状態で把持固定して、そのままの状態で、繰返し引張り力または繰返し圧縮力を付与して疲労試験を行うものであり、このようにして試験をすることにより、試験片にかかる最大主歪みの方向が変化し、たとえば自動車タイヤの部材が走行時に実際に受ける歪みに近い状態での疲労試験を行うことができる。

図２（ａ）〜（ｄ）は、かかる本発明の引張り試験方法の原理をモデル的に示した概要説明モデル図である。

図２（ａ）は、従来の通常の手法どおりに捻らずに試料片をセットした場合を示し、この場合は試料片にかかる歪みの方向は引張りの方向に等しいものとなる。これに対して、図２（ｂ）は本発明の方法に従い９０°捻ってセットした場合を示す。更に、図２（ｃ）、および同（ｄ）は、図２（ｂ）の如くに９０°捻ってセットした場合における有限要素法計算により求めた最大主歪みの方向を示したものであり、捻りの力だけがかかり伸長がゼロのときに試料片にかかる最大主歪み方向を示したのが図２（ｃ）、捻りの力に加えて伸長歪みが加えられたときの最大主歪み方向を示したのが図２（ｄ）である。

有限要素法計算は３ｍｍ×３ｍｍ×５４ｍｍの直方体サンプルを想定し、材料定数は表１に記載の値を用いたものである。

かかる解析からわかるように、図２（ｂ）の如くに９０°捻ってセットをすれば、歪みの大きさに応じて歪みを受ける方向が変化するものであり、このことから、本発明方法によれば、実際の使用条件に近い状態での試験が可能なのである。

図３は、かかる本発明の引張り試験方法を行うことができる試験装置の概略構成を示すモデル図であり、図３（ａ）に示したように、ゴム弾性特性材料からなる棒状または柱状の試験片１は、その上下の両端付近を、上把持部（上チャック部）２と下把持部（下チャック部）３によって挟持固定されている。図３（ｂ）に示したように、下把持部（下チャック部）３はターンテーブル４の上テーブルに固定されていて、該ターンテーブル４の上テーブルは、試験片の中心軸方向を回転軸方向として所望の捻り角度分の回転がされて、その状態のままでターンテーブル４の下テーブルとねじ機構等により固定化できるように構成されている。

上把持部（上チャック部）２と下把持部（下チャック部）３とターンテーブル４は、スライドレールおよびガイドからなるスライド機構５、６に連結されており、高速周期でかつ長い振幅で上下に往復動をすることができるようにされている。

上スライド機構５は、図示していないロードセルに繋がっていて、試験片にかかった荷重を測定できるようにされている。また、下スライド機構６は、図示していない往復動の駆動機構に繋がっている。

かかる引張り試験の態様において、好ましくは、上把持部（上チャック部）２と下把持部（下チャック部）３の把持間隔が１０〜２００ｍｍであり、また、好ましくは、毎分１０〜１０００回の繰返し引張り力を該試験片の中心軸方向に与えるのがよい。

繰返し引張り力を与えるに際しては、試験目的にもよるが、最大で試験片長さの１００％（原長の２倍）〜２００％（原長の３倍）程度まで伸長するように、普通は、試験片長さの４０％（原長の１．４倍）〜６０％（原長の１．６倍）程度まで伸長するようにして繰返し引張り力を加えるのが良い。

また、図４（ａ）〜（ｄ）は、かかる本発明の圧縮試験方法の原理をモデル的に示した概要説明モデル図である。

図４（ａ）は、従来の通常の手法どおりに捻らずに試料片をセットした場合を示し、この場合は試料片にかかる歪みの方向は圧縮の方向に等しいものとなる。これに対して、図４（ｂ）は本発明の方法に従い９０°捻ってセットした場合を示す。更に、図４（ｃ）、および同（ｄ）は、図４（ｂ）の如くに９０°捻ってセットした場合における有限要素法計算により求めた最大主歪みの方向を示したものであり、捻りの力だけがかかり圧縮がゼロのときに試料片にかかる最大主歪み方向を示したのが図４（ｃ）、捻りの力に加えて圧縮歪みが加えられたときの最大主歪み方向を示したのが図４（ｄ）である。

有限要素法計算は２５ｍｍ×２５ｍｍ×２５ｍｍの立方体サンプルを想定し、材料定数は表１に記載の値を用いたものである。

かかる解析からわかるように、図４（ｂ）の如くに９０°捻ってセットをすれば、歪みの大きさに応じて歪みを受ける方向が変化するものであり、このことから、本発明方法によれば、実際の使用条件に近い状態での試験が可能なのである。

また、図５は、本発明の圧縮引張り試験方法を行うことができる試験装置の概略構成を示すモデル図であり、図５（ａ）に示したように、ゴム弾性特性材料からなる棒状または柱状の試験片１は、その上下の両端付近が上把持部（上アンビル部）２′と下把持部３′によって挟持固定されている。図５（ｂ）に示したように、下把持部３′はターンテーブル４の上テーブルに対して直接的に試験片が接着手段等により固定されていて、該ターンテーブル４の上テーブルは、試験片の中心軸方向を回転軸方向として所望の捻り角度分の回転がされて、その状態のままでターンテーブル４の下テーブルとねじ機構等により固定化できるように構成されている。

上把持部（上アンビル部）２′と下把持部３′とターンテーブル４は、スライドレールおよびガイドからなるスライド機構５、６に連結されており、高速周期でかつ適宜の振幅で上下に往復動をすることができるようにされている。試験片１とその周囲は、恒温槽７内に収納されており、試験片１が受けた歪みでどれだけ内部発熱したかが測定され、圧縮量、圧縮特性を求めることができる。図５（ａ）において、８は温度計であり、またスライドレールおよびガイド５は図示していない力センサーに繋がれ、スライドレールおよびガイド６は図示していない加振装置に繋がれている。

かかる圧縮試験の態様において、好ましくは、上把持部（上アンビル部）２′と下把持部の把持間隔が５〜１００ｍｍであり、毎分１０〜１０００回の繰返し圧縮力を該試験片の中心軸方向に加えるのがよい。

繰返し圧縮力を与えるに際しては、試験目的にもよるが、最大で試験片長さの５０％（原長の１／２倍）〜９５％（原長の０．９５倍）程度までの長さになるように圧縮するようにして繰返し圧縮力を加えるのが良い。

上述した本発明のゴム弾性特性材料の試験方法において、繰返し引張り試験であれ、繰返し圧縮試験であれ、いずれの試験においても、試験片の上下把持間隔距離をＬ（ｍｍ）、試験片の横断面形状の外接円の半径をｒ（ｍｍ）、捻りの回転角度をθ（°）としたときに、これら３者の関係が下記式（ａ）を満足するように構成してゴム弾性特性材料を上述した各試験方法に供するのが良い。

０．０１≦θ・ｒ／Ｌ≦５０ …………（ａ）
この理由は、せん断方向に受ける歪みの量は、回転角度と試料試験片の大きさに比例し、上下把持間隔距離Ｌ（ｍｍ）に反比例するものと考えられ、実際上、疲労試験として有意義なのは、引張り試験もしくは圧縮試験であれ、上記のθ・ｒ／Ｌ値において、０．０１以上、５０以下の範囲内のレベルと考えられるからである。

ここで、上記のように、ｒ（ｍｍ）は、試験片の横断面形状（試験片長さ方向（中心軸方向）と垂直な面での横断面形状）の外接円の半径である。そして、該試験片の横断面形状は、図６にて（ａ）〜（ｆ）まで試験片の横断面形状の１例を概略モデル図として示したように、円形状、正方形状、正三角形状、六角形状、楕円状、星形状などのいずれであってもよい。

本発明の方法を実施するに当たり、ゴム弾性特性材料からなる棒状または柱状の試験片は、上下把持部に把持固定されるが、その把持固定手段は、チャックによるもの、接着手段によるものなどを用いることができる。接着はゴム弾性特性材料を加硫して接着させる加硫接着方式であってもよい。

本発明の試験方法、試験装置を用いてゴム弾性特性材料の疲労性試験を行うに際しては、一方向だけに捻って固定しての繰返し引張り試験、あるいは同様の固定による繰返し圧縮試験だけでなく、種々の応用試験を行うことができる。

例えば、まず、時計回り方向に所定角度捻って試験片を把持固定をした後、所定時間・条件の引張り試験を行い、その後、反時計回り方向に所定角度捻って同一の試験片を把持固定をした後、所定時間・条件の引張り試験を再度行い、一つの疲労試験とするなどのことができる。

さらに例えば、捻り方向を変えて試験片を把持固定をして、複数回・何段階かの引張りもしくは圧縮の繰返し試験を行うが、段階を追うごとに、捻り角度を大きくし、かつ、繰返し引張りもしくは繰返し圧縮の付与時間・回数も長く・多くしていくなどの試験を一つの疲労試験として行うことなどもできるものである。

図１の（ａ）、（ｂ）は、タイヤの転動時において、タイヤショルダー部が受ける主歪みの方向を示したタイヤショルダー部のモデル図であり、矢印は主歪みの方向を示したものである。図１（ａ）はタイヤが地面に接触しているときの接地面直下のタイヤショルダー部Ｔにおいてのものであり、図１（ｂ）は接地面直下の位置とタイヤ回転軸を中心にして対向する位置でのタイヤショルダー部Ｔにおいてものである。 図２（ａ）〜（ｄ）は、本発明の引張り試験方法の原理をモデル的に説明するために示した概要説明モデル図である。 図３は、本発明の引張り試験方法を行うことができる試験装置の概略構成を示す要部概略モデル図であり、図３（ａ）は要部全体の正面図、図３（ｂ）は下把持部（下チャック部）３とターンテーブル４の付近の概略モデル斜視図である。 図４（ａ）〜（ｄ）は、かかる本発明の圧縮試験方法の原理をモデル的に説明するために示した概要説明モデル図である。 図５は、本発明の圧縮引張り試験方法を行うことができる試験装置の概略構成を示す要部概略モデル図であり、図５（ａ）は要部全体の正面図、図５（ｂ）は下把持部３′とターンテーブル４の付近の概略モデル斜視図である。 図６（ａ）〜（ｆ）は、本発明のゴム弾性特性材料の試験方法、試験装置に用いられ得る試験片の横断面形状の１例を示した概略モデル図である。

符号の説明

Ｔ：タイヤショルダー部
１：ゴム弾性特性材料からなる棒状または柱状の試験片
２：上把持部（上チャック部）
２′：上把持部（上アンビル部）
３：下把持部（下チャック部）
３′：下把持部
４：ターンテーブル
５：スライド及びガイド機構
６：スライド及びガイド機構
７：恒温槽
８：温度計

Claims (7)

1. ゴム弾性特性材料からなる棒状または柱状の試験片を、上把持部と下把持部とで該試験片の中心軸方向を回転軸方向とする回転力を与えることにより捻った状態で把持して固定し、該捻られた把持固定状態を維持したまま、該試験片の中心軸方向に、繰返し引張り力または繰返し圧縮力を与えることを特徴とするゴム弾性特性材料の試験方法。
2. 上把持部と下把持部の把持間隔が１０〜２００ｍｍであり、毎分１０〜１０００回の繰返し引張り力を該試験片の中心軸方向に与えることを特徴とする請求項１記載のゴム弾性特性材料の試験方法。
3. 上把持部と下把持部の把持間隔が５〜１００ｍｍであり、毎分１０〜１０００回の繰返し圧縮力を該試験片の中心軸方向に与えることを特徴とする請求項１記載のゴム弾性特性材料の試験方法。
4. 試験片の把持間隔距離をＬ（ｍｍ）、試験片の横断面形状の外接円の半径をｒ（ｍｍ）、捻りの回転角度をθ（°）としたときに、これら３者の関係が下記式（ａ）を満足することを特徴とする請求項１、２または３記載のゴム弾性特性材料の試験方法。
   ０．０１≦θ・ｒ／Ｌ≦５０ …………（ａ）
5. ゴム弾性特性材料からなる棒状または柱状の試験片を把持し固定する上下一対の固定把持具を有し、該上下の固定把持具は、前記棒状または柱状の試験片の中心軸方向を回転軸方向として相対的に上下の固定把持具間で回転変位量が相違した捩れ状態で前記試験片を把持固定することができる機構を有し、さらに、該捩れ状態で試験片を把持固定したままの状態で、該試験片に繰返し引張り力または繰返し圧縮力を与える機構を有することを特徴とするゴム弾性特性材料の試験装置。
6. 固定把持具がチャック機構を有し、該チャック機構で試験片両端を挟持固定して、該試験片に繰返し引張り力を与える機構を有することを特徴とする請求項５記載のゴム弾性特性材料の試験装置。
7. 固定把持具がアンビル機構を有し、該アンビル機構で試験片両端を挟持固定して、該試験片に繰返し圧縮力を与える機構を有するものであることを特徴とする請求項５記載のゴム弾性特性材料の試験装置。

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