JP2006177734A - 粘弾性測定装置および粘弾性材の測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】実使用条件を反映させた状態で粘弾性材の粘弾性測定を可能とする。
【解決手段】粘弾性材からなる一対の試験片１１Ａ、１１Ｂを両端面に配置する中間支持体１２と、試験片１１Ａ、１１Ｂを挟んで中間支持体１２の両側に配置し、中間支持体１２と直線上に配列する一対の両側支持体１３、１４（一側支持体１３および他側支持体１４）と、中間支持体１２に向けて両側支持体１３、１４に軸線方向の荷重を負荷して、試験片１１Ａ、１１Ｂに圧縮荷重を負荷する加圧手段２３、２９と、中間支持体１２に前記軸線と直交方向の加圧を周期的に負荷する加振手段４２と、試験片１１Ａ、１１Ｂからの剪断方向の反力を検出する荷重計３１、３２と、試験片１１Ａ、１１Ｂの剪断変形量（剪断ひずみ量）を測定する剪断変形量計測手段４１とを備えている。
【選択図】図３

Description

本発明は、粘弾性測定装置および粘弾性材の測定方法に関し、詳しくは、タイヤ等の材料となるゴム又はエラストマー等の粘弾性材の有する粘弾性特性を測定する方法および該方法に使用する測定装置に関し、タイヤの転がり抵抗やグリップ性能等のタイヤ性能を予測できるようにするものである。

従来より、ゴム等の粘弾性特性を測定するための手法が各種提供されている。
例えば、本出願人は特開２００１−３５６０８６号公報（特許文献１）や特開２００２−９０２７５号公報（特許文献２）において、スプリットホプキンソン棒を用いた粘弾性特性値測定装置を提案している。該公報の装置では、粘弾性材からなる入力棒と出力棒との間に、粘弾性材からなる試験片を挟持し、打撃棒で入力棒に衝撃を与えて入力棒→試験片→出力棒に衝撃力が伝播させて波を発生させ、入力棒と出力棒とに取り付けた歪みゲージで入力棒、出力棒に生じるひずみ波を測定し、測定した歪み波の時刻歴を用い、試験片のひずみ速度、ひずみ、応力の各時刻歴を算出することにより、応力−ひずみ曲線を決定して粘弾性特性値を算出している。
また、実開昭５９−３２９５９号公報（特許文献３）の粘弾性測定装置では、図９に示すように、シリンダ１のロッド２の先端に針状部２ａを突設し、該針状部２ａを粘弾性材からなる被測定物３に押し出し、被測定物３から針状部２ａに作用する応力を検出して粘弾性を測定している。
さらに、試験片に引張り荷重を与えて粘弾性特性値を測定する引張り式の粘弾性測定装置等も提供されている。

タイヤに用いるゴム材の粘弾性特性値を、転がり抵抗やグリップ性能等のタイヤ性能を予測するために測定する場合、ゴム材の動きを再現した条件でゴム材の粘弾性特性を測定する必要がある。即ち、タイヤを実車に装着した際の車の挙動、特に、センター付近のハンドリングとの相関をとりながら行う必要がある。
しかしながら、従来提供されている特許文献１〜３の粘弾性測定装置では、粘弾性材からなる試験片に動きを与えておらず、かつ、タイヤが地面にグリップされた時にタイヤに負荷される外力（圧縮荷重）も与えられていない状態で測定しているため、転がり抵抗やグリップ性能等のタイヤ性能の予測のためには利用価値が低い。特に、タイヤが強く地面にグリップされた限界付近での舵の効き等の挙動に関しては相関が低く、タイヤ用のゴム材の開発は経験に頼らざるを得ないという問題があった。
前記した理由より、実際のタイヤの挙動を反映させた状態で、ゴム材の粘弾性試験を行うことができる測定装置の開発が求めらている。

特開２００１−３５６０８６号公報 特開２００２−９０２７５号公報 実開昭５９−３２９５９号公報

本発明は、前記問題に鑑みてなされたもので、使用条件を反映させた状態で粘弾性材の粘弾性測定を行うことができる方法および装置を提供することを課題としている。

前記課題を解決するため、本発明は、粘弾性材からなる一対の試験片を両端面に配置する中間支持体と、
前記試験片を挟んで中間支持体の両側に配置し、中間支持体と直線上に配列する一対の両側支持体と、
前記中間支持体に向けて前記両側支持体に軸線方向の荷重を負荷して、前記試験片に圧縮荷重を負荷する加圧手段と、
前記中間支持体に、前記軸線と直交方向の加圧を周期的に負荷する加振手段と、
前記試験片からの剪断方向の反力を検出する荷重計と、
前記試験片の剪断変形量（剪断ひずみ量）を測定する剪断変形量計測手段とを備えていることを特徴とする粘弾性測定装置を提供している。

前記構成とすると、試験片に圧縮荷重が負荷された条件下において加振手段により試験片に剪断ひずみを加えて粘弾性試験を行っているので、圧縮状態で使用される粘弾性材の挙動を十分に反映させた測定を行うことができる。なお、中間支持体および両側支持体は互いに同質材としていることが好ましい。

本発明の粘弾性測定装置は、試験片としてタイヤのサンプルゴムを用い、車両装着状態でのタイヤの転がり抵抗およびグリップ性の予測用として好適に用いられるものである。
タイヤに用いられる加硫ゴムは粘弾性体で、速度に依存する粘性を有しており、該タイヤ用加硫ゴムを試験片とし、該試験片に圧縮荷重をかけた状態で周期的に加振させた状態とすると、タイヤを実車に装着した際にタイヤが強く地面にグリップされた限界付近でのタイヤの挙動を反映させることができる。
即ち、前記荷重計で検出される反力および剪断変形量計測手段で検出される剪断変形量からタイヤの損失係数が算出でき、トレッド表面に発生する振動を正確に把握してグリップ性能や転がり抵抗を正確に予測できる。このように、実使用状態に合致させた状態で粘弾性特性を測定すると信頼性の高い測定結果が得られ、タイヤ用のゴム材の開発を経験に頼らずに、正確な予測に基づいて効率的に行うことができる。

さらに、前記中間支持体を前記軸線を回転軸として所要角度回転させて、前記両側支持体との間で挟持する前記試験片に捻れを発生させる手段を備えていると好ましい。

前記構成とすると、試験片に圧縮荷重を負荷するだけでなく捻り荷重も負荷した条件下で試験片に剪断ひずみを加えて粘弾性試験を行うことができ、圧縮捩れ状態で使用される粘弾性材の挙動を十分に反映させた測定を行うことができる。
即ち、タイヤには、走行時に捩れ荷重も負荷される場合が多く、圧縮捩れ状態でのタイヤの挙動も反映でき、該圧縮捩れ状態でのタイヤのグリップ性および転がり抵抗も正確に予測できる。
具体的には、試験片への捻れの付与に関しては、初期設定で所要角度の捻れを与え、該状態で保持して、前記のように圧縮荷重と周期的な加振を加えて測定している。しかしながら、捻れの負荷と除荷とを周期的に繰り返して前記測定を行ってもよい。
このように、試験片に周期的な捻りを付与すれば、粘弾性材の捻りによる応力についても解析することができ、例えば、実車に装着されたタイヤの複雑な変形メカニズムについても予測可能となる。

前記中間支持体および両側支持体は金属製の円柱形状とし、該中間支持体の両側端面に円盤状の前記試験片が貼着された状態で前記両側支持体の間で試験片を挟持し、かつ、
前記加圧手段として前記両側支持体に連結される圧縮荷重用シリンダを用い、
前記加振手段として前記中間支持体と連結される昇降用シリンダを用い、
前記荷重計として前記両側支持体の連動部材の軸受に連結されたロードセルを用い、
前記剪断変形量計測手段は前記中間支持体と前記昇降用シリンダとを連結する昇降軸に連結した差動トランスを用いていることが好ましい。

前記構成とすると、中間支持体および両側支持体は円柱形状とし、かつ、それらにより挟持される試験片は円盤状としており、軸線に対して点対称の均一な形状であるため、測定の指向性をなくすことができ測定精度を安定化することができる。
両側支持体とロードセルとを繋ぐ連動部材は剛体として力を伝達できるものとし、試験片に生じる荷重を両側支持体から連動部材を介してロードセルで検出している。
ロードセルは、両側支持体の夫々に対して個別に検出可能に一対設けてもよいし、両側支持体に夫々対応する一対の連動部材を連結片で接続して、該連結片への荷重を１つのロードセルで検出する構成としてもよい。なお、荷重計としてロードセルを使用する代わりに、ピエゾタイプの圧電素子等を用いてもよい。

また、本発明は、前記した粘弾性測定装置を用いた測定方法を提供している。
該測定方法は、粘弾性材からなる一対の試験片を中間支持体の両端面と両側支持体との間に挟持させ、
初期設定で前記両側支持体を中間支持体に向けて加圧して前記各試験片に圧縮荷重を負荷しておき、
前記状態で、前記加振手段で中間支持体を軸線に対して直交方向に繰り返し昇降させ、
前記試験片の剪断方向の反力で前記両側支持体に発生する荷重を前記荷重計で測定すると共に、前記中間支持体の変位量を前記剪断変形量計測手段で測定している粘弾性材の測定方法を提供している。
さらに、前記初期設定において、前記捻れ手段で前記中間支持体を回転して前記各試験片に所要の捻れを負荷していると好ましい。

即ち、圧縮荷重を負荷したまま剪断方向に加振することで、圧縮状態で使用される粘弾性材の実使用状態を十分に反映させた測定結果を得ることができ、さらに捻れを負荷して測定を行えば、圧縮捩れ状態で使用される粘弾性材の挙動を反映した測定結果を得ることもできる。よって、タイヤのように複雑な負荷が掛かるゴム材の特性、例えば、グリップ性や転がり抵抗等も正確に予測することができる。

また、前記試験片としてタイヤのゴムサンプルを用い、前記試験片に生じる剪断方向の反力と剪断変形量とを用いて算出される粘弾性特性値を、測定時の温度条件と前記加振手段により負荷される周波数の条件とに基づき温度−周波数換算則を用いて所要周波数に換算し、ドライ路面とウエット路面でのタイヤのグリップ性および転がり抵抗を予測することができる。

タイヤに用いられるゴムの走行時における変形周波数はほぼ決まっており、転がり抵抗（タイヤの転動）に関しては約１０Ｈｚ、路面の凹凸によるゴムの動きに関してはドライグリップ時は約１０^３Ｈｚで、ウェットグリップ時は１０^４〜１０^６Ｈｚであることが知られている。よって、例えば、タイヤの転がり抵抗の性能を予測する場合には、加振周波数を１０Ｈｚとして測定を行った結果がタイヤの動きを再現していると考えられる。
しかし、路面の凹凸によるゴムの動きを再現しようと思えば、１０^３Ｈｚ以上の高周波数
で測定を行わなければならず、装置の性能上の理由から不可能な場合が多い。

そこで、測定不可能な周波数での粘弾性特性を予想するするために、別の温度条件下において本発明の粘弾性測定装置により低周波数で測定した結果に基づいて温度−周波数換算則を適用して高周波数域に換算すれば、高周波数域における粘弾性特性について測定を行わずに予想することができる。したがって、路面の凹凸により高周波数で変形するタイヤの動きを再現した状態で、ゴム材のグリップ性能を評価することが可能となる。

以上の説明より明らかなように、本発明によれば、試験片に圧縮荷重が負荷された条件下で中間支持体を剪断方向へ加振させ、試験片の剪断変形量および剪断方向の荷重を測定しているので、タイヤ材料等のように圧縮状態で使用される粘弾性材の挙動を十分に反映した実験を行うことができる。
また、タイヤ等には捩れ荷重も負荷される場合が多く、試験片に圧縮荷重を負荷するだけでなく捻り荷重も負荷した条件下で試験片に剪断ひずみを加えて粘弾性試験を行うことで、圧縮捩れ状態で使用される粘弾性材についても実使用状態と相関の高い試験結果を得ることが可能となる。

本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
図１は第１実施形態の粘弾性測定装置１０の全体構成を示し、中間支持体１２の両側に両側支持体（一側支持体１３および他側支持体１４）を水平方向Ｘの直線上に配列している。中間支持体１２の両側端面には、タイヤ材料と同一の加硫ゴムからなる一対の円盤状の試験片１１Ａ、１１Ｂを貼着し、一側支持体１３および他側支持体１４との間で両側から挟持している。また、図１中において、４２が昇降用油圧シリンダ（加振手段）、３１、３２がロードセル（荷重計）、４１が差動トランス（剪断変形量計測手段）、３５が捻り手段である。

図２に示すように、両側支持体１３、１４を保持する狭持具１６、１７を対向配置するスプラインシャフト１８，２５の一端に取り付けると供に、これらスプラインシャフト１８、１５を軸受１９、２６で支承している。軸受１９、２６の上側には垂直軸７８、７９を立設し、垂直軸７８、７９の上端には垂直方向Ｚの荷重を検出するロードセル３１、３２（荷重計）を取り付けていると共に、該ロードセル３１、３２の上面を本体フレーム３３の下面に固定している。即ち、軸受１９、２６はロードセル３１、３２を介し吊設している。ロードセル３１、３２は、図２に示すように、本体部３１ｂ、３２ｂから垂直方向Ｚの下方に向けて検知部３１ａ、３２ａが突出し、該検知部３１ａ、３２ａを垂直軸７８、７９の上端に接続している。

また、図２に示すように、挟持具１６、１７→スプラインシャフト１８、２５→軸受１９、２６→垂直軸７８、７９→ロードセル３１、３２の荷重伝達経路は、上下方向に全体を剛体として力を伝達できるよう垂直方向Ｚに遊びが発生しないように互いを連結し、それぞれ剛性材（例えば金属等）で形成している。それにより、両側支持体（一側支持体１３および他側支持体１４）に垂直方向Ｚに負荷される荷重は、前記経路を伝達してロードセル３１、３２で正しく検出できるようになっている。

前記両側支持体１３、１４に連結するスプラインシャフト１８、２５は軸受１９、２６内を水平方向Ｘにスライド自在に貫通している。一方、中間支持体１２は挟持具１５で保持され、挟持具１５の下端に固定された傾動軸３４に捻り手段３５を接続している。

図３および図４に示すように、中間支持体１２、一側支持体１３および他側支持体１４は互いに同一径である円柱状の金属材からなり、同一径の円盤状にカットされた試験片１１Ａ、１１Ｂを中間支持体１２の両端面に貼着して一側支持体１３および他側支持体１４で両側より挟持している。中間支持体１２、一側支持体１３、他側支持体１４および試験片１１Ａ、１１Ｂの直径は５ｍｍ〜２５ｍｍとしており、試験片１１Ａ、１１Ｂの厚みは２ｍｍ〜１０ｍｍとしている。
挟持具１５〜１７は、上側押え材６７、７０、７３と、下側受け材６８、７１、７４と、上側押え材６７、７０、７３を下側受け材６８、７１、７４に固定するボルト６９、７２、７５とを備えている。

各挟持具１５〜１７はそれぞれ同一の構成であるので代表して挟持具１５について説明すると、図４に示すように、上側受け材６７は下面に半円状の押え面６７ａを凹設している一方、下側受け材６８は上面に半円状の受け面６８ａを凹設している。また、押え面６７ａと受け面６８ａの曲率半径は中間支持体１２の半径と同一としている。上側押え材６７と下側受け材６８とで中間支持体１２を上下から挟持した状態で、ボルト６９により互いを貫通して固定している。

捻り手段３５は、図３中の紙面奥行き方向Ｙ（水平方向）にモータ（図示せず）によりスライドされる可動軸７６と、本体フレームに連繋固定された軸受７７とを備え、可動軸７６の移動に伴って軸受７７を貫通して突出したスライド部７６ａがＹ方向にスライドする。スライド部７６ａは傾動軸３４より突出する突起部３４ａと接続しており、図５に示すように、スライド部７６ａがＹ方向に移動することにより、傾動軸３４が最大捻り角２０〜１０ｄｅｇで傾動して中間支持体１２が回転する構成としている。

また、図１、図２に示すように、一方のスプラインシャフト１８の他端には、水平方向Ｘの荷重を検出する圧縮荷重用ロードセル２１を取り付け、前記軸受１９の垂直軸７８と連結した固定枠２４に取り付けた圧縮荷重用油圧シリンダ２４（加圧手段）がシリンダジョイント２２を介してロードセル２１と接続している。圧縮荷重用ロードセル２１は、本体部２１ｂから水平方向Ｘに検知部２１ａが突出し、該検知部２１ａをスプラインシャフト１８と接続している。
他方のスプラインシャフト２５の他端は、軸受２６の垂直軸７９と連結した固定枠３０に取り付けた圧縮荷重用油圧シリンダ２９（加圧手段）がシリンダジョイント２８を介して接続している。

支柱２０、２７の下方側には固定フレーム４０を水平に架け渡しており、固定フレーム４０の中央に設けられたスライド軸受３９を昇降軸３８が垂直方向Ｚに貫通している。昇降軸３８の上端は、傾動軸３４の下端と連結部材３６、３７により接合している。昇降軸３８の下側は差動トランス４１（剪断変形量計測手段）を介して昇降用油圧シリンダ４２（加振手段）に接続している。

圧縮荷重用油圧シリンダ２３、２９は、供給路４５を介して油圧源ユニット４３に接続しており、供給路４５にはポンプ４４、圧力調節弁４６および電磁弁４８を介設している。また、圧縮荷重用油圧シリンダ２３、２９の最大圧縮荷重は５００Ｎとしている。
昇降用油圧シリンダ４２は、供給路４５および排出路６６を介して油圧源ユニット４３に接続しており、供給路４５と排出路６６の切替を行うサーボ弁４９を介設している。昇降用油圧シリンダ４２による最大加振力は３０００Ｎ、最大振幅は片振幅１０ｍｍ（両振幅で２０ｍｍ）、加振周波数は０．５〜２０Ｈｚとしている。

コンピュータ５０は、圧力調節弁４６のサーボモータ４７、電磁弁４８、サーボ弁４９を制御する駆動系制御回路５１と接続しており、駆動系制御回路５１はサーボモータ
４７およびサーボ弁４９との間にサーボアンプ５２、５３を介設している。圧縮荷重用ロードセル２１の出力は変換アンプ５４を介してサーボアンプ５３に接続している。
差動トランス４１の出力である変位信号およびロードセル３１、３２の出力である荷重信号は、変換アンプ５５、５６を介してコンピュータ５０に送信している。

即ち、コンピュータ５０で設定された圧縮荷重、振幅、加振周波数等の情報を駆動系制御回路５１に入力する一方、圧縮荷重用ロードセル２１での荷重検出結果を圧力調節弁４６のモータ４７に入力してフィードバック制御すると共に、差動トランス４１からの出力をサーボ弁４９に入力してフィードバック制御している。

測定対象となる試験片１１Ａ、１１Ｂは試験室５７に収容し、恒温状態で測定試験を行う構成としている。試験室５７内には、エバポレータ６０と、電気ヒータ６１と、試験片１１Ａ、１１Ｂの近傍に位置する温度センサ６３と、モータ６５に駆動されて試験室５７内の空気を循環させるファン６４とを配置している。
エバポレータ６０には低温用電磁弁５９を介して液体窒素保存容器５８を接続し、温度系制御回路６２で温度ヒータ６１および低温用電磁弁５９を制御しており、液体窒素のエバポレータ６０と電気ヒータ６１とを使い分けることで試験室５７を−１００℃〜２００℃の雰囲気温度に制御可能としている。温度系制御回路６２にはコンピュータ５０での温度設定情報を入力すると共に、温度センサ６３での温度検出結果をフィードバックして制御する構成としている。

次に、粘弾性測定装置１０を用いて試験片１１Ａ、１１Ｂの粘弾性特性を測定する方法について説明する。
試験片１１Ａ、１１Ｂを中間支持体１２の両側端面に配置し、一側支持体１３および他側支持体１４により両側から挟持し、コンピュータ５０で所定の設定作業を行う。コンピュータ５０での設定項目は、圧縮荷重用油圧シリンダ２３、２９により試験片１１Ａ、１１Ｂを加圧する際の圧縮荷重値と、捻り手段３５により傾動軸３４を傾けて中間支持体１２を回転させる角度と、昇降用油圧シリンダ４２により中間支持体１２を昇降させる変位量および加振周波数と、試験室５７内の雰囲気温度とを設けている。

コンピュータ５０からの指令で温度系制御回路６２により試験室５７を設定温度で恒温状態に保つ一方、駆動系制御回路５１により圧縮荷重用油圧シリンダ２３、２９で一側支持体１３および他側支持体１４を中間支持体１２側へ押圧して、試験片１１Ａ、１１Ｂに水平方向Ｘの圧縮荷重を加える。この際、試験片１１Ａ、１１Ｂに加える圧縮荷重は、タイヤが地面から受けている程度の圧力である１ＭＰａ〜１０ＭＰａの範囲に設定する。
また、図５に示すように、捻り手段３５により傾動軸３４を所定角度回転することで中間支持体１２を所定角度回転し、試験片１１Ａ、１１Ｂに捻りを付与した状態で停止させる。詳細には、捩り手段３５で捩る時、ボルト７２、７５を緩めておき、ボルト６９は締め付ける両側支持体１３、１４を滑らせ、所定角度になると停止させ、ボルト７２、７５を締め付け、傾動軸３４を元に戻して試験片１１Ａ、１１Ｂに捩りを付与している。

この状態から、駆動系制御回路５１により昇降用油圧シリンダ４２を稼働して中間支持体１２を上下方向に往復運動させることで試験片１１Ａ、１１Ｂに周期的な剪断ひずみを加える。この際、一側支持体１３および他側支持体１４に負荷される垂直方向Ｚの周期的な荷重は、挟持具１６、１７、スプラインシャフト１８、２５、軸受１９、２６、垂直軸７８、７９の全体を剛体としてロードセル３１、３２に伝達される。コンピュータ５０はそれらロードセル３１、３２から受信した荷重信号を和算して試験片１１Ａ、１１Ｂの剪断方向（Ｚ方向）の反力として荷重値に変換する。また、差動トランス４１は中間支持体１２の垂直方向Ｚの変位を検出し、コンピュータ５０は差動トランス４１から受信した変位信号を試験片１１Ａ、１１Ｂの剪断変形量（剪断ひずみ量）として変位値に変換する。

次いで、コンピュータ５０では、ロードセル３１、３２で検出された荷重の時刻歴波形データや、差動トランス４１で検出された変位量の時刻歴波形データを用い、公知の手法により損失係数ｔａｎδ等の粘弾性特性値を算出する。

具体的には、まず、以下の数式１により試験片１１Ａ、１１Ｂの応力の最大振幅σ_０、ひずみの最大振幅ε_ｏを求める。

但し、Ｆ_ｏはロードセル３１、３２で検出された最大荷重、Ｓは試験片１１Ａ、１１Ｂの断面積、ｘ_ｏは差動トランス４１で検出された最大変位量、Ｌは試験片１１Ａ、１１Ｂの長さとする。
対で、以下の数式２により絶対弾性率（複素弾性率の絶対値）｜Ｅ＊｜を算出する。

次いで、荷重の時系列波形データと変位量の時刻歴波形データとから、荷重波形と変位波形との間の位相ズレの位相角δを求め、以下の数式３により貯蔵弾性率Ｅ’と損失弾性率Ｅ”とを算出する。

貯蔵弾性率Ｅ’および損失弾性率Ｅ”を用いて、以下の数式４により損失係数ｔａｎδが算出できる。

次に、試験片１１Ａ、１１Ｂからなるゴム材をタイヤに用いた場合のタイヤ性能（転がり抵抗やグリップ性能）について考察する。
転がり抵抗（タイヤの転動）を評価するには、図６に示すように、従来からの知見により約１０Ｈｚ程度の低周波数で加振して約５０℃の温度条件下において測定された損失係数ｔａｎδを評価対象としている。よって、試験室５７内を約５０℃に設定し、中間支持体１２を約１０Ｈｚで加振した状態で測定された結果により求めた損失係数ｔａｎδを評価することとする。その際、転がり抵抗は小さいほど車の燃費向上に繋がるため、５０℃での損失係数ｔａｎδが小さいほど性能が良いことになる。

一方、ウェット路面でのグリップ性能を評価するには、約１０^４〜１０^６Ｈｚ程度の高周波数で約０℃の温度条件下において測定された損失係数ｔａｎδを評価対象としている。しかし、本実施形態の粘弾性測定装置１０の加振周波数範囲は０．５〜２０Ｈｚであるため、約１０^４〜１０^６Ｈｚの高周波数で試験片１１Ａ、１１Ｂを加振して測定を行うことは装置の性能上の理由より不可能である。
そこで、測定不可能な高周波数での粘弾性特性を予想するするために、別の温度条件下において低周波数で測定した結果について温度−周波数換算則を適用して高周波数域に換算することにする。

詳しくは、ガラス転移点より高い温度にある無定形高分子に対して、温度と周波数（時間）の置き換えができることが経験的に分かっている。図７（Ａ）に示すように、ある温度Ｔ0（例えば、０℃）で周波数を変えて測定した粘弾性特性値（例えば、複素弾性率Ｅ＊）をプロットした曲線は、グラフ上でシフトさせると図７（Ｂ）に示すように別の温度Ｔ（例えば、２５℃）で測定したものと重ね合わせることができる。
前記シフトは、周波数軸の方向にｌｏｇ（ａ_Ｔ）、物性軸の方向にｌｏｇ（Ｔρ／Ｔ_０ρ_０）移動させて行うが（ρは温度Ｔ、ρ_０は温度Ｔ_０の時の試験片の密度）、実際には、密度の変化は小さくρ≒ρ_０と仮定でき、また、Ｔ／Ｔ_０＝２９８／２７３＝１．０９でｌｏｇＴ／Ｔ0≒０と仮定できるので、ｌｏｇ（ａ_Ｔ）のみのシフト移動で曲線を重ねることができる。即ち、このシフトファクターａ_Ｔを用いて、種々の温度で測定した曲線を１つの曲線に重ねることができる。

以上のようにすれば、実際に測定が不可能な高周波数域まで粘弾性特性を予測することができ、例えば、約１０^４〜１０^６Ｈｚ程度の高周波数で約０℃の温度条件下における損失係数ｔａｎδが予測可能となり、ウェット路面でのグリップ性能を評価することができる。即ち、温度−周波数換算則を用いれば、高周波数域における粘弾性特性を測定を行わずに予想することができ、路面の凹凸により高周波数で変形するタイヤの動きを再現した状態でゴム材のグリップ性能を評価することが可能となる。

なお、前述の実施形態では捻り手段３５により中間支持体１２は所定角度回転したまま固定した状態で粘弾性試験を行っているが、測定中に傾動軸３４を揺動させて中間支持体１２を周期的に往復回転させることで、試験片１１Ａ、１１Ｂに周期的な捻りを付与して測定を行ってもよい。

図８は第２実施形態を示す。
第１実施形態との相違点は、両側支持体（一側支持体１３および他側支持体１４）へ負荷される垂直方向Ｚの荷重を１つのロードセル８１で検出している点である。

図８に示すように、軸受１９、２６の上側には断面逆凹形状の連結片８０を立設している。詳しくは、連結片８０は、水平部８０ｃの両側から脚部８０ａ、８０ｂを垂下しており、夫々の脚部８０ａ、８０ｂの下端を軸受１９、２６の上面に固定している。水平部８０ｃの上面には１つのロードセル８１を設けている。即ち、ロードセル８１は、本体部８１ｂを固定フレームに固定していると共に検知部８１ａを水平部８０ｃの上面に当接している。
一側支持体１３および他側支持体１４に負荷される垂直方向Ｚの周期的な荷重は、挟持具１６、１７→スプラインシャフト１８、２５→軸受１９、２６→連結片８０と伝達されてロードセル８１で検出される。

前記構成とすると、一側支持体１３と他側支持体１４との両方に負荷される上下方向の荷重を、１つのロードセル８１で検出することが可能となる。したがって、第１実施形態のように２つのロードセルからの出力を和算する回路を不要とすることができると共に、ロードセル数も低減することができる。なお、他の構成は第１実施形態と同様であるため説明を省略する。

本発明の第１実施形態の粘弾性測定装置の全体図である。 粘弾性測定装置の要部を拡大図である。 粘弾性測定装置の要部を拡大した一部断面図である。 図３のＩ−Ｉ線断面図である。 中間支持体を回転傾斜させた状態の断面図である。 損失係数と温度との関係を表したグラフである。 （Ａ）は複素弾性率と周波数との関係を表したグラフ、（Ｂ）は温度−周波数換算則を適用して曲線をシフトして重ねたグラフである。 第２実施形態の粘弾性測定装置の要部を拡大した一部断面図である。 従来例を示す図面である。

符号の説明

１０ 粘弾性測定装置
１１Ａ、１１Ｂ 試験片
１２ 中間支持体
１３ 一側支持体
１４ 他側支持体
１５〜１７ 挟持具
１８、２５ スプラインシャフト
１９、２６ 軸受
２０、２７ 支柱
２１ 圧縮荷重用ロードセル
２２、２８ シリンダジョイント
２３、２９ 圧縮荷重用油圧シリンダ（加圧手段）
２４、３０ 固定枠
３１、３２ ロードセル（荷重計）
３３、４０ 固定フレーム
３４ 傾動軸
３４ａ 突起部
３５ 捻り手段
３８ 昇降軸
３９ スライド軸受
４１ 差動トランス（剪断変形量計測手段）
４２ 昇降用油圧シリンダ（加振手段）
４３ 油圧源ユニット
４４ ポンプ
４６ 圧力調節弁
４７ サーボモータ
４８ 電磁弁
４９ サーボ弁
５０ コンピュータ
５７ 試験室
５９ 低温用電磁弁
６０ エバポレータ
６１ 電気ヒータ
６３ 温度センサ
６４ ファン
７６ 可動軸
７６ａ スライド部
７７ 一軸テーブル

Claims (7)

1. 粘弾性材からなる一対の試験片を両端面に配置する中間支持体と、
   前記試験片を挟んで中間支持体の両側に配置し、中間支持体と直線上に配列する一対の両側支持体と、
   前記中間支持体に向けて前記両側支持体に軸線方向の荷重を負荷して、前記試験片に圧縮荷重を負荷する加圧手段と、
   前記中間支持体に、前記軸線と直交方向の加圧を周期的に負荷する加振手段と、
   前記試験片からの剪断方向の反力を検出する荷重計と、
   前記試験片の剪断変形量（剪断ひずみ量）を測定する剪断変形量計測手段とを備えていることを特徴とする粘弾性測定装置。
2. 前記中間支持体を前記軸線を回転軸として所要角度回転させて、前記両側支持体との間で挟持する前記試験片に捻れを発生させる手段を備えている請求項１に記載の粘弾性測定装置。
3. 前記中間支持体および両側支持体は金属製の円柱形状とし、該中間支持体の両側端面に円盤状の前記試験片が貼着された状態で前記両側支持体の間で試験片を挟持し、かつ、
   前記加圧手段として前記両側支持体に連結される圧縮荷重用シリンダを用い、
   前記加振手段として前記中間支持体と連結される昇降用シリンダを用い、
   前記荷重計として前記両側支持体の連動部材の軸受に連結されたロードセルを用い、
   前記剪断変形量計測手段は前記中間支持体と前記昇降用シリンダとを連結する昇降軸に連結した差動トランスを用いている請求項１または請求項２に記載の粘弾性測定装置。
4. 前記試験片はタイヤのサンプルゴムからなり、車両装着状態でのタイヤの転がり抵抗およびグリップ性の予測用としている請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の粘弾性測定装置。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の粘弾性測定装置を用い、粘弾性材からなる一対の試験片を中間支持体の両端面と両側支持体との間に挟持させ、
   初期設定で前記両側支持体を中間支持体に向けて加圧して前記各試験片に圧縮荷重を負荷しておき、
   前記状態で、前記加振手段で中間支持体を軸線に対して直交方向に繰り返し昇降させ、
   前記試験片の剪断方向の反力で前記両側支持体に発生する荷重を前記荷重計で測定すると共に、前記中間支持体の変位量を前記剪断変形量計測手段で測定している粘弾性材の測定方法。
6. 前記初期設定において、前記捻れ手段で前記中間支持体を回転して前記各試験片に所要の捻れを負荷している請求項５に記載の粘弾性材の測定方法。
7. 前記試験片としてタイヤのゴムサンプルを用い、前記試験片に生じる剪断方向の反力と剪断変形量とを用いて算出される粘弾性特性値を、測定時の温度条件と前記加振手段により負荷される周波数の条件とに基づき温度−周波数換算則を用いて所要周波数に換算し、ドライ路面とウエット路面でのタイヤのグリップ性および転がり抵抗を予測している請求項５または請求項６に記載の粘弾性材の測定方法。

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