JP2006177734A - 粘弾性測定装置および粘弾性材の測定方法 - Google Patents
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Abstract
【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
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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、103Hz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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
前記シフトは、周波数軸の方向にlog(aT)、物性軸の方向にlog(Tρ/T0ρ0)移動させて行うが(ρは温度T、ρ0は温度T0の時の試験片の密度)、実際には、密度の変化は小さくρ≒ρ0と仮定でき、また、T/T0=298/273=1.09でlogT/T0≒0と仮定できるので、log(aT)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aT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。
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。
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。
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)
- 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。 - 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。
- 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。 - 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。
- 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。 - 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。
- 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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