JP2009058380A - ゴム摩擦試験機 - Google Patents

Abstract

【課題】ゴムの摩擦特性の測定に加えて、摩擦時のゴムの変形挙動を容易に観察することが可能なゴム摩擦試験機を提供する。
【解決手段】本発明のゴム摩擦試験機は、ゴム試料Ｓを固定する固定手段１、固定手段１に固定したゴム試料Ｓを押圧する押圧部材１０、押圧部材１０に荷重を負荷する荷重手段１１、固定手段１と押圧部材１０の少なくとも一方を移動させる移動手段６、押圧部材１０に移動方向に作用する力を検出するための第１検出手段２２、第１検出手段２２の検出信号に基づいて摩擦力を算出する処理手段２９、押圧部材１０により押圧されたゴム試料Ｓの変形挙動を読み込むイメージセンサ２８、摩擦力のデータ及びイメージセンサ２８により読み込んだゴム試料Ｓの変形挙動の画像データを記録する記録手段３１を有している。
【選択図】図１

Description

本発明は、ゴム摩擦試験機に関し、更に詳しくは、ゴムの摩擦特性の測定に加えて、摩擦時のゴムの変形挙動を容易に観察することが可能なゴム摩擦試験機に関する。

従来、ゴムの摩擦試験機として、例えば、回転ドラムを用いて摩擦係数を測定できるようにした摩擦試験機が知られている（例えば、特許文献１参照）。この摩擦試験機は、回転ドラムとゴム試料を共に駆動モータにより回転できるようにし、それによりスリップ率を０〜１００％まで連続的に変化させて任意のスリップ率での摩擦係数を測定できるようにしている。また、円盤状のゴム試験片と圧接ローラーを用いて摩擦力を測定するようにした摩擦試験機も知られている（例えば、特許文献２参照）。

ところで、近年、例えば、路面と接地するタイヤのトレッドに使用されるゴムは、同じ摩擦特性のゴムであっても、配合剤の種類により接地時のゴムの変形挙動が異なることがわかってきた。そこで、タイヤのトレッド部に使用されるゴムの開発では、ゴム摩擦試験機において、ゴムの摩擦特性の測定に加えて、更に摩擦時のゴムの変形挙動を容易に観察できることが要求される。しかし、従来のゴム摩擦試験機は、摩擦係数や摩擦力を測定するに止まり、摩擦時のゴムの変形挙動を容易に知ることができないという問題があった。
特開２０００−３２９６８７号公報 特開平６−１６７４３９号公報

本発明の目的は、ゴムの摩擦特性の測定に加えて、摩擦時のゴムの変形挙動を容易に観察することが可能なゴム摩擦試験機を提供することにある。

上記目的を達成する本発明のゴム摩擦試験機は、ゴム試料を固定する固定手段と、該固定手段に固定したゴム試料を押圧する押圧部材と、該押圧部材に荷重を負荷する荷重手段と、前記固定手段と押圧部材の少なくとも一方を移動させる移動手段と、前記押圧部材に移動方向に作用する力を検出するための第１検出手段と、該第１検出手段の検出信号に基づいて摩擦力を算出する処理手段と、前記押圧部材により押圧されたゴム試料の変形挙動を読み込むイメージセンサと、前記摩擦力のデータ及び該イメージセンサにより読み込まれたゴム試料の変形挙動の画像データを記録する記録手段とを具備することを特徴とする。

上述した本発明によれば、第１検出手段の検出信号に基づいて処理手段により摩擦力を算出することに加えて、押圧部材により押圧されたゴム試料の変形挙動をイメージセンサにより読み込み、その画像データを記録手段に記録するため、ゴムの摩擦特性の測定に加えて、記録手段に記録した画像データを用いて摩擦時のゴムの変形挙動を容易に観察することができる。

以下、本発明の実施の形態について添付の図面を参照しながら詳細に説明する。

図１，２は本発明のゴム摩擦試験機の一実施形態を示し、このゴム摩擦試験機は、摩擦試験に使用されるゴム試料Ｓを固定するための固定手段１を有している。固定手段１は、ベース２上に設置された台座３とこの台座３の上側に設けた金属製（例えば銅製）の板体４を備えている。台座３は、図１の左右方向に不図示のガイド部材を介して直線状に移動自在に配設されている。板体４は、台座３上の前後両端に固定したロッド状の一対の支持部材５ａ，５ｂ間に延在し、支持部材５ａ，５ｂに固定されている。この板体４上の所定の位置にゴム試料Ｓを接着剤やネジなどにより固定するようになっている。

固定手段１の一側方（図１の右側）には、固定手段１を移動させるための移動手段６が設けられている。移動手段６は、台座３に一端を連結固定した移動用ロッド７と、この左右に延在する移動用ロッド７の中途部に配設され、移動用ロッド７を左右にスライドさせる駆動部８を有している。移動用ロッド７の移動速度としては特に規定されるものではないが、０．０１ｍｍ／ｓ〜１００ｍｍ／ｓ程度を好ましく挙げることができ、ゴム試料Ｓの種類等に応じて適宜選択することができる。

固定手段１の上方には、固定手段１に固定されたゴム試料Ｓを押圧するための押圧手段９が設置されている。押圧手段９は、ゴム試料Ｓを押圧可能な金属などの剛体からなる押圧部材１０と、この押圧部材１０に荷重を負荷するための荷重手段１１を備えている。

固定手段１の上方に配置される押圧部材１０は、支持手段１２に支持される棒状の被支持部１３とゴム試料Ｓを押圧するための押圧部１４から構成されている。上下に延在する棒状の被支持部１３の下方に押圧部１４が設けられ、被支持部１３がスライド機構１５を介して支持手段１２に上下に移動自在に支持されている。後述するスライド機構１５のスライド部材１７に対して被支持部１３がネジｘにより着脱自在に取り付けられ、押圧部材１０を交換可能にしている。押圧部１４は、ゴム試料Ｓに当接する下端の径を上端の径より小さくした逆円錐台状に形成されている。この押圧部１４は、好ましくはゴムの破壊が発生しない範囲で針状に形成するのが観察を容易にする等の点からよい。なお、ここで言うゴムの破壊が発生しない範囲で針状に形成するとは、逆円錐台状の押圧部１４の下端の径を０．１〜３０ｍｍの範囲にすることを言う。

スライド機構１５は、支持手段１２に固定される固定部材１６と、被支持部１３に固定され、被支持部１３と共に移動するスライド部材１７を有している。固定部材１６に対してスライド部材１７が上下に移動自在に係合している。固定部材１６とスライド部材１７の境界領域には、ゴム試料Ｓを押圧部材１０により押圧した際に押圧部材１０がゴム試料Ｓ内に食い込んだ食い込み量を測定する測定手段１８が設けられている。測定手段１８は、固定部材１６に付された目盛り（マイクロスケール）１８ａが有し、この目盛り１８ａで読み取ったデータ（数値）を用いて後述する画像解析を行うようにしている。

荷重手段１１は、押圧部材１０に荷重を負荷し、押圧部材１０を下方に押圧するためのエアシリンダー１９を有している。エアシリンダー１９はブラケット２０を介して支持手段１２に固定されている。エアシリンダー１９の下方に延びるロッド２１が伸長して押圧部材１０を下方に押圧することで、押圧部材１０がゴム試料Ｓを所定の負荷荷重で押圧可能にしている。

押圧部材１０には、移動手段６が作動して固定手段１（台座３）が移動した際に、ゴム試料Ｓを押圧する押圧部材１０に固定手段１の移動方向に作用する力（即ち、摩擦力）を検出するための第１検出手段２２が設けられている。第１検出手段２２は被支持部１３に取り付けた左右２つの歪みゲージ２３を有し、この歪みゲージ２３で検出した歪み量の信号をＤＡ（デジタル・アナログ）コンバーター２４を介して接続されたコンピュータ（ＰＣ）２５に入力するようになっている。

固定手段１の板体４には、押圧部材１０によりゴム試料Ｓに加わる荷重を検出するための第２検出手段２６が設けられている。第２検出手段２６は、板体４の上面と下面に取り付けられる上下２つの歪みゲージ２７を板体４の左右両側部分の上面と下面に取り付けている。この歪みゲージ２７で検出した歪み量の信号が上記と同様にＤＡコンバーター２４を介して接続されたコンピュータ２５に入力されるようにしている。

また、押圧部材１０により押圧されたゴム試料Ｓの変形挙動を読み込み可能なイメージセンサ２８が設置されている。このイメージセンサ２８は直接コンピュータ２５に接続され、読み込んだ変形挙動の画像データをコンピュータ２５に入力する。イメージセンサ２８としては、市販されている通常のビデオカメラやＣＣＤカメラを使用することができる。

コンピュータ２５は、入力されたデータを処理する処理部（処理手段）２９と、処理されたデータを表示する表示部（表示手段）３０を有している。処理部２９は、第１検出手段２２の歪みゲージ２３から入力された歪み量の検出信号に基づいて歪み量を算出し、その歪み量のデータを用いて摩擦力を算出する。また、第２検出手段２６の歪みゲージ２７から入力された歪み量の検出信号に基づいて歪み量を算出し、その歪み量のデータを用いてゴム試料Ｓに加わる負荷荷重を算出する。更に摩擦力のデータと負荷荷重のデータを用いてゴム試料Ｓの摩擦係数を算出するようにプログラムされている。

これら算出された各データが表示部３０に表示可能になっている。図３に、第１検出手段２２の歪みゲージ２３及び第２検出手段２６の歪みゲージ２７で検出された歪み量のデータをグラフ化したものを表示部３０に表示した例を示す。横軸は時間、縦軸は歪み量であり、実線が第１検出手段２２の歪みゲージ２３で検出された歪み量、点線が第２検出手段２６の歪みゲージ２７で検出された歪み量である。

また、処理部２９は、イメージセンサ２８により読み込んだゴム試料Ｓの変形挙動の画像データと押圧部材１０が食い込み量のデータ（目盛り１８ａで読み取った数値を食い込み量としてコンピュータに入力）に基づいて、画像解析ソフト（座標変換ソフト）により、図４に示すように、押圧部材１０が食い込んだゴム試料Ｓの断面形状を求められるようにプログラムされている。

処理部２９で算出された摩擦力及び摩擦係数のデータ、イメージセンサ２８により読み込んだゴム試料Ｓの変形挙動の画像データ、及び解析により得られたゴム試料Ｓの断面形状のデータは、表示部３０に表示可能であると共に、コンピュータ２５に接続された記録手段３１に記録されるようになっている。記録手段３１としては、市販のデータロガーやレコーダーを使用することができる。

直方体状に形成されるゴム試料Ｓは、黒色であるため、イメージセンサ２８により読み込んだゴム試料Ｓの変形挙動の画像を表示部３０に表示した際に、その変形挙動の画像が見難く、また精度の良い解析がし難い場合がある。そこで、図５に示すように、押圧部材１０が押圧するゴム試料Ｓの上面（表面）Ｓ１に、移動手段６による移動方向に沿って直線状に延在する少なくとも１本の所定幅の線４０を描くのがよい。線４０の色は、ゴム試料Ｓと異なる色で変形挙動の画像が見易くなればいずれの色であってもよく、例えば白を好ましく挙げることができる。この線４０上に押圧部材１０の下端を押し当て、この線４０上を移動させることにより、コントラストを付けた画像を得ることができ、変形挙動の画像を見易くすることができ、かつ画像を精度良く解析することができる。

また、ゴム試料Ｓは、図６に示すように、押圧部材１０が押圧するゴム試料Ｓの上面Ｓ１に、ゴム試料Ｓと異なる色、例えば白色の格子模様５０を形成するようにしてもよく、これによってもコントラストを付けた変形挙動の画像を得ることができる一方、格子幅のデータを予めコンピュータに入力しておくことで、ゴム試料Ｓが変形した時の歪み量を格子幅データを用いて処理部２９により算出することができる利点がある。格子幅ｗとしては、０．１ｍｍ〜５ｍｍ程度にすることができる。

上述したゴム摩擦試験機では、先ず、固定手段１の板体４上の所定位置にゴム試料Ｓを取り付けた後、押圧部材１０を下端がゴム試料Ｓの上面Ｓ１に当接する位置まで下げる。この時の目盛り１８ａの位置を確認した後、ゴム摩擦試験機を作動させる。

荷重手段１１の作動によりエアシリンダー１９のロッド２１が下方に伸長し、押圧部材１０を所定量下方に押し下げてゴム試料Ｓの上面Ｓ１を押圧する。他方、イメージセンサ２８は押圧部材１０がゴム試料Ｓの上面Ｓ１を押圧する状態を読み込み、その画像データをコンピュータ２５に出力する。また、第１検出手段２２の歪みゲージ２３及び第２検出手段２６の歪みゲージ２７で検出された歪み量の信号がＤＡコンバーター２４を介して、コンピュータ２５に入力される。イメージセンサ２８及び検出手段２２，２６は摩擦試験が終了するまで上記動作を行う。

押圧部材１０が所定量下方に押し下げられると、エアシリンダー１９の作動が停止する。この時の目盛り１８ａの位置と上記当接時の目盛りの位置から、押圧部材１０がゴム試料Ｓ内に食い込んだ食い込み量を求め、そのデータをコンピュータ２５にキーボードから入力する。入力が完了すると、移動手段６が作動し、台座３が一定の速度で直線状に移動する。

コンピュータ２５の処理部２９では、第１検出手段２２の歪みゲージ２３から入力された歪み量の検出信号に基づいて歪み量を算出し、その歪み量のデータを用いて押圧部材１０の押圧部１４の下端面に作用する摩擦力を算出する。また、第２検出手段２６の歪みゲージ２７から入力された歪み量の検出信号に基づいて歪み量を算出し、その歪み量のデータを用いてゴム試料Ｓに加わる負荷荷重を算出する。更に摩擦力と負荷荷重のデータを用いてゴム試料Ｓの摩擦係数を算出する。

また、コンピュータ２５の処理部２９では、イメージセンサ２８により読み込んだゴム試料Ｓの変形挙動の画像データと入力した食い込み量のデータに基づいて、画像解析ソフトにより、図４に示すように、押圧部材１０が食い込んだゴム試料Ｓの断面形状を算出する。図４（ａ）は押圧部材１０を所定量下方に押し下げて停止した状態（静止時）、図４（ｂ）は移動手段６の作動により台座３が移動を開始する直前の状態（静摩擦時）、図４（ｃ）は移動手段６の作動により台座３が移動中の状態（動摩擦時）における断面形状である。

処理部２９で算出された摩擦力及び摩擦係数のデータ、イメージセンサ２８により読み込んだゴム試料Ｓの変形挙動の画像データ、及び解析により得られたゴム試料Ｓの断面形状のデータは、コンピュータ２５に接続された記録手段３１に記録される。また、コンピュータ２５にインプットされている表示用ソフトを立ち上げることで表示部３０に選択的に各データが表示される。

移動手段６の作動により台座３が所定の位置まで移動すると、荷重手段１１が作動してエアシリンダー１９のロッド２１を上方に移動させ、摩擦試験が終了する。

上述した本発明では、第１検出手段２２の検出信号に基づいて処理部２９により摩擦力を算出することに加えて、押圧部材１０により押圧されたゴム試料Ｓの変形挙動をイメージセンサ２８により読み込み、その画像データを記録手段３１に記録するため、ゴムの摩擦特性の測定に加えて、記録手段３１に記録した画像データを用いて摩擦時のゴムの変形挙動観察を容易に行うことができる。そのため、摩擦時のゴムの変形挙動の観察が要求されるタイヤのトレッドゴムの摩擦試験機として好ましく使用することができる。

本発明のゴム摩擦試験機は、上記実施形態では、ゴム試料Ｓを載置する板体４を支持する台座３を直線状に移動する構成にしたが、それに代えて、台座３を垂直軸を中心に回転移動する構成にし、ゴム試料Ｓに対して押圧部材１０が円の軌跡を描きながら摩擦するようにしてもよい。

また、移動手段６は、固定手段１に代えて、押圧手段９を移動させるように構成してもよく、また固定手段１と押圧手段９の両者を移動させる構成にしてもよく、移動手段６は固定手段１と押圧手段９の少なくとも一方を移動させる構成を有するものであればよい。

また、第１検出手段２２は、歪みゲージ２３に代えて、ロードセルを使用し、移動方向の力を検出するようにしてもよい。第２検出手段２６も、第１検出手段２２と同様に、歪みゲージ２７に代えて、ロードセルを使用し、ゴム試料Ｓに加わる荷重を検出するようにしてもよい。

また、上記実施形態では、支持手段１２に１つの押圧部材１０を支持させたが、複数の異なる押圧部材１０を支持させる構成にし、試験条件に応じて複数の押圧部材１０を使い分けるような構成にしてもよい。

更に、荷重手段１１は、エアシリンダ１９により荷重を加える構成にしたが、それに代えて、錘を用いる構成にしてもよく、本発明は上述した実施形態のゴム摩擦試験機の構成に限定されないことは言うまでもない。

本発明のゴム摩擦試験機の一実施形態を示す正面説明図である。 図１のＡ−Ａ矢視方向から見た、一部を省略して示す説明図である。 横軸を時間、縦軸を歪み量とするグラフ図である。 （ａ）〜（ｃ）は、それぞれ押圧部材が食い込んだゴム試料の断面形状を示す説明図である。 ゴム試料の好ましい一例を示す平面図である。 ゴム試料の好ましい他の例を示す平面図である。

符号の説明

１ 固定手段
４ 板体
６ 移動手段
１０ 押圧部材
１１ 荷重手段
１２ 支持手段
１３ 被支持部
１４ 押圧部
１８ 測定手段
２２ 第１検出手段
２３ 歪みゲージ
２５ コンピュータ
２６ 第２検出手段
２７ 歪みゲージ
２８ イメージセンサ
２９ 処理部（処理手段）
３０ 表示部（表示手段）
４０ 線
５０ 格子模様
Ｓ ゴム試料 Ｓ１ 上面（表面）

Claims (8)

1. ゴム試料を固定する固定手段と、該固定手段に固定したゴム試料を押圧する押圧部材と、該押圧部材に荷重を負荷する荷重手段と、前記固定手段と押圧部材の少なくとも一方を移動させる移動手段と、前記押圧部材に移動方向に作用する力を検出するための第１検出手段と、該第１検出手段の検出信号に基づいて摩擦力を算出する処理手段と、前記押圧部材により押圧されたゴム試料の変形挙動を読み込むイメージセンサと、前記摩擦力のデータ及び該イメージセンサにより読み込まれたゴム試料の変形挙動の画像データを記録する記録手段とを具備するゴム摩擦試験機。
2. 前記ゴム試料に加わる荷重を検出するための第２検出手段を有し、前記処理手段は、前記摩擦力のデータと前記第２検出手段の検出信号に基づいて算出された負荷荷重のデータを用いてゴム試料の摩擦係数を算出する請求項１に記載のゴム摩擦試験機。
3. 前記ゴム試料を押圧部材により押圧した際に該押圧部材がゴム試料内に食い込んだ食い込み量を測定する測定手段を有し、前記処理手段が該食い込み量及び前記ゴム試料の変形挙動の画像データに基づいて前記押圧部材が食い込んだゴム試料の断面形状を求めるように構成され、該ゴム試料の断面形状を表示する表示手段を前記処理手段に接続した請求項１または２に記載のゴム摩擦試験機。
4. 前記固定手段は前記ゴム試料を載置する金属製の板体を有し、前記第２検出手段は前記板体に取り付けた歪みゲージを有し、前記押圧部材は前記固定手段の上方に配置されると共に、支持手段に上下に移動自在に支持された棒状の被支持部と、該被支持部の下方に設けた押圧部とから構成され、前記第１検出手段は前記押圧部材の被支持部に取り付けられた歪みゲージを有する請求項１，２または３に記載のゴム摩擦試験機。
5. 前記押圧部材の押圧部は、前記ゴム試料に当接する下端の径を上端の径より小さくした逆円錐台状に形成される請求項４に記載のゴム摩擦試験機。
6. 前記ゴム試料は、前記押圧部材が押圧する表面に、前記移動手段による移動方向に沿って延在する少なくとも１本の所定幅の線を有し、該線が前記ゴム試料と異なる色を有する請求項１乃至５のいずれか１項に記載のゴム摩擦試験機。
7. 前記ゴム試料は、前記押圧部材が押圧する表面に、前記ゴム試料と異なる色の格子模様を有する請求項１乃至５のいずれか１項に記載のゴム摩擦試験機。
8. 前記線または格子模様の色が白である請求項６または７に記載のゴム摩擦試験機。

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