JP4591218B2 - 摩擦試験機 - Google Patents

Description

本発明は、ゴムなどの摩擦を測定する摩擦試験機に関し、更に詳しくは、実際の製品で測定した時に近い温度依存性を試験片の段階でラボ試験により再現できるようにした摩擦試験機に関する。

例えば、空気入りタイヤのトレッドに使用されるゴムは、実車走行時の摩擦係数を予測するため、試験片の段階でラボ試験により摩擦係数を調べるようにしている。従来、その試験に用いられる摩擦試験機として、ゴムの温度依存性についての摩擦係数を調べるため、試験機全体を温度調節可能な室内に設置し、温度条件を異ならせて摩擦係数の測定を行うようにしたものや、槽内の雰囲気温度を調整可能な恒温槽内にゴム試験片を配置し、槽内の温度条件を異ならせて摩擦係数を測定できるようにしたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、上記のように温度調節を行いながら摩擦測定を行っているにも係わらず、実際のタイヤ（実車走行）で測定した時と比べて温度により摩擦係数が大きく相違する場合が多い。即ち、常温近辺で両者の測定を行った場合には、同様の摩擦係数を得ることができるが、それを外れた温度範囲では測定される摩擦係数が大きく相違し、実際のタイヤで測定した時のゴムの温度依存性を試験片の段階でラボ試験により再現することが難しく、しかも測定のバラツキが大きいという問題があった。
特開２０００−３２９６８７号公報

本発明の目的は、実際の製品で測定した時に近い温度依存性を試験片の段階でラボ試験により再現し、かつ測定のバラツキを小さくすることが可能な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は、槽内の雰囲気温度を調整可能な恒温槽内に試験片を配置し、回転する該試験片を回転するドラムの外周面に設けた摩擦試験面に押し付けて試験片の摩擦特性を測定する摩擦試験機において、前記ドラムを加熱及び冷却可能なドラム温度調節手段を具備する摩擦試験機であって、
前記ドラム温度調節手段として、前記ドラムの内側に該ドラムの外周面に沿って延設された放熱配管を設け、該放熱配管を温度調節された媒体を供給する媒体供給源に接続すると共に、前記ドラムの内側に位置する支持フレームの部分に、前記ドラムの外周部の温度を検出する非接触式の温度センサーを設け、該温度センサーで検知した温度に基づいて前記媒体供給源から供給される前記媒体の温度を調節するようにしたことを特徴とする。

上述した本発明によれば、ドラム温度調節手段によりドラムも所望の試験温度にすることができるので、実際の製品で測定した時に近い温度依存性を試験片の段階でラボ試験により再現することが可能になり、かつ同じ試験温度で繰り返し測定する際のドラムの温度も安定するので、測定のバラツキも小さくすることができる。

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〜図６は、本発明の摩擦試験機の一実施形態を示し、ケーシング１内に立設された支持フレーム２の中間部に前後方向（図２の左右方向）に水平に延びるドラム回転軸３が回転自在に支持され、そのドラム回転軸３の先端部にアルミなどの金属からなるドラム４が設けられている。ドラム回転軸３の後方の支持フレーム２上には、ドラム用の過負荷保護装置５と減速機６とが設置されている。減速機６に隣接して設置されたブレーキ機能を具備する駆動モータ７と減速機６とがベルト８を介して接続されている。

駆動モータ７の作動により、減速機６、過負荷保護装置５、ドラム回転軸３を介して、ドラム４が回転可能になっている。コントローラ（不図示）により駆動モータ７と減速機６が制御され、それによりドラム４の回転速度を自在に制御できるようになっている。この減速機６と駆動モータ７及び不図示のコントローラがドラム回転制御手段を構成している。

ドラム４の外周面４ａには、エメリーペーパー等の研摩紙４ｂが着脱自在に張りつけられ、摩擦試験面４ｃが形成されている（図３）。摩擦試験面４ｃを形成する研摩紙４ｂは、実路面に応じた粗さを持つものを使用するのが好ましく、エメリーペーパーとしては粗さが＃８０〜＃８００のものから適宜選択するのがよい。

ドラム４はその前後幅が幅広に形成され、外周面４ａにはゴム試験片Ｘが走行する複数（例えば１０）のレーンを持つ摩擦試験面４ｃが形成できるようになっている。このように複数のレーンを有する摩擦試験面４ｃの形成により、研摩紙を張り替えることなく試験を連続して行うことができ、またゴム試験片Ｘの予備ずり（モールド表面に付いている油がゴム試験片に付着した際に、本試験前にゴム試験片Ｘを摩擦試験面４ｃ上を転動させてその油を除去するなど）にも用いることができる。

支持フレーム２の上端部に横設された水平板９上には、前後に延びるガイドレール１０が固設され、このガイドレール１０に板状の移動体１１が摺動自在に係合している。移動体１１の一側方の水平板９上には、図４に示すようにガイドレール１０と平行に延びるボールネジ１２が配設され、このボールネジ１２に移動体１１の一側に突設された係合部１１ａが螺合している。ボールネジ１２の後端に連結されたモータ１２ａの駆動により、ボールネジ１２が回転すると、移動体１１がガイドレール１０に沿って前後にドラム４の軸方向と平行に移動するようになっている。

移動体１１の一側部には、前後（ドラム４の軸方向）に延びる支持壁１３が垂直に立設されている。支持壁１３の側面には、上下に延びるガイド部材１４が前後２か所に固定され、これらガイド部材１４，１４に板状の昇降体１５が上下に摺動自在に係合している。昇降体１５の側部に突設された前後のブラケット１６，１７には、回転するゴム試験片Ｘの回転トルクを検出するトルクメータ（トルク検出手段）１８とブレーキ機能を具備した駆動モータ１９が取り付けられている。

駆動モータ１９の回転軸１９ａにカップリングＺとクラッチ２０を介してトルクメータ１８の後部回転軸１８ａが接続され、このトルクメータ１８の前部回転軸１８ｂに円盤状のゴム試験片Ｘを保持する保持手段２１の回転軸２２が接続されている。この保持手段２１は移動体１１の移動に伴ってドラム４の軸方向に往復移動可能になっている。

駆動モータ１９はコントローラ（不図示）による周波数制御で回転速度を可変にでき、それによりゴム試験片Ｘの回転速度を所望の速度に変更できるようにしている。駆動モータ１９及び不図示のコントラーラがゴム試験片Ｘの回転速度を制御する試験片回転制御手段を構成している。

保持手段２１は、図５に示すように、横設された円筒体２３内に軸受２４を介して支持された回転軸２２の先端部２２ａにゴム試験片Ｘを着脱自在に保持可能な保持部２５を備えている。この保持部２５は、回転軸２２の先端部２２ａに嵌着されたフランジ２７を有する保持筒２６と、保持筒２６の外周側に嵌合する芯金２８と、芯金２８を押さえる押さえ板２９及び押さえキャップ３１とを備えている。

芯金２８は外周面が周方向に凹凸状に形成され、その外周面に内周面を周方向に凹凸状に形成して嵌合するようにしたゴム試験片Ｘが装着されるようになっている。芯金２８にゴム試験片Ｘを取り付け、その芯金２８を保持筒２６に嵌合させた後、芯金回り止めピン３０を挿入し、押さえ板２９と押さえキャップ３１とを保持筒２６の先端側からセットしてボルト３１Ａで固定することにより、保持部２５にゴム試験片Ｘを保持する。この保持部２５は、ドラム４の上方に対設された位置となり、駆動モータ１９の作動により回転する。

支持壁１３の前側上部側部にはブラケット３２が突設され、このブラケット３２に上方に突出する２本のロッド３３ａを伸縮自在に備えたシリンダ３３の側部が固定されている。昇降体１５の前側上部側部に水平に突設されたブラケット３４には２本の支持棒３５が垂直に立設固定され、この支持棒３５の上端に固定されたプレート部材３６の後部下面に上記ロッド３３ａの先端（上端）が固定されている。

シリンダ３３の作動によりロッド３３ａが縮小状態になると、図３に示すように、ゴム試験片Ｘがドラム４の摩擦試験面４ｃに当接するように保持部２５を試験位置に移動させ、ロッド３３ａが伸長状態になると、ゴム試験片Ｘがドラム４の摩擦試験面４ｃから離間するように保持部２５を上方の待機位置に移動させる。

プレート部材３６の前部下面には、ゴム試験片Ｘに荷重を負荷する荷重シリンダ（荷重負荷手段）３７が取り付けられ、その下方に突出するロッド３７ａの先端（下端）に押圧パッド３７ｂが設けられている。

円筒体２３の先端部上部には荷重用部材４０が上方に突設され、その前方に突出する水平板部４０ａ上に、荷重シリンダ３７が負荷した荷重を検出するロードセル（荷重検出手段）４１が設置されている。このロードセル４１の上方に上記荷重シリンダ３７が位置し、ロッド３７ａを伸長して押圧パット３７ｂによりロードセル４１に荷重を加えることにより、荷重用部材４０、円筒体２３を介して、保持部２５に装着されたゴム試験片Ｘに荷重を負荷できるようになっている。

支持壁１３の中央部上部側面には、所定の角度だけ回動自在な回動体４２が突設され、この回動体４２の前端部にはワイヤ４３が吊設されている。他方、昇降体１５の中央部上端にはフック４４が突設され、このフック４４にワイヤ４３の下端部が取り付けられている。また、回動体４２の後端に後方に向けて突設されたアーム部材４５には、重量体４６がアーム部材４５の長手方向に沿って摺動可能に取り付けられている。

これら回動体４２、ワイヤ４３、フック４４、アーム部材４５及び重量体４６は、ゴム試験片Ｘに対して、荷重シリンダ３７以外から加わる負荷荷重を相殺するカウンターバランス４７（荷重均衡手段）を構成している。即ち、カウンターバランス４７は重量体４６の重量に基づいて回動体４２を矢印ｅの方向の回転させ、ワイヤ４３を介して昇降体１５を上方に引き上げるように作用するが、アーム部材４５の長手方向に対する重量体４６の位置を適切に調整することにより、ゴム試験片Ｘに対して負荷荷重を０の状態にする。そのため、荷重シリンダ３７から与えられる荷重のみがゴム試験片Ｘに加わる荷重となり、それをロードセル４１が検出する。

上記保持手段２１とドラム４とは、断熱部材５０で囲まれた恒温槽５１内に配設されている。保持手段２１とドラム４とは、保持部２５に装着されたゴム試験片Ｘがドラム４と接触する部分に開口部を形成した仕切り板５２により仕切られている。その仕切り板５２には多数の貫通孔５３が形成されている。

保持手段２１が配置された上部恒温室５１ａの壁面には、エアの供給口５４が設けられている。この供給口５４は不図示の配管を介してケーシング１の右側後部に設置されたエア供給源５５に接続されている。

エア供給源５５では、ヒータにより外部から取り入れたエアを加熱し、また冷凍機により冷却し、エアを２℃〜６０℃の範囲で温度調整でき、その温度調整されたエアを供給口５４から上部恒温室５１ａに供給できるようになっている。供給口５４から上部恒温室５１ａに供給されたエアは、仕切り板５２の貫通孔５３を通って下部恒温室５１ｂの壁面に形成された排出口５６から不図示のフィルターを介して外部に放出される。このように槽内の雰囲気温度を調整可能な上部恒温室５１ａにゴム試験片Ｘを配置できるようにし、ゴム試験片Ｘの温度条件を異ならせて摩擦測定を行えるようにしている。

ドラム４とその上方の保持部２５との間には、水張りトレイ６０が設けられている。この水張りトレイ６０は保持部２５と共に前後に往復移動可能になっている。水張りトレイ６０の底部中央部には、図６に示すように開口部６０ａが形成され、その開口部６０ａを介してドラム４の摩擦試験面４ｃと保持部２５に保持されたゴム試験片Ｘが接触可能になっている。開口部６０ａとドラム４の摩擦試験面４ｃとの隙間ｓから水張りトレイ６０に張られた水が下方に排出される。

水張りトレイ６０の上方には水を供給する給水部６２が設けられている。この給水部６２はケーシング１の左側後部に設置された水供給源６３に接続されている。水供給源６３では水温コントローラ（不図示）により水を２℃〜６０℃の範囲で温度調整できるようになっている。水供給源６３から供給される水の量を調整することで、水張りトレイ６０に張られた水の深さ（水膜厚さ）を調整可能にしている。給水部６２と水供給源６３は、水張りトレイ６０に所定の温度の水を供給可能な水供給手段を構成している。

下部恒温室５１ｂの傾斜面に形成された床面５１ｘには排出口６４が形成され、この排出口６４は水供給源６３に接続されている。ドラム４の下方の床面５１ｘ上方には床面全面を覆うようにフィルター６５が配設されている。水張りトレイ６０の隙間ｓから流れ出た水は、フィルター６５を介して排出口６４から水供給源６３に戻るようになっている。

上記摩擦試験機は、更にドラム４を加熱及び冷却可能なドラム温度調節手段６６を備えている。ドラム温度調節手段６６は、図１，２に示すように、ドラム４の内側に、外周面４ａに沿って延設された金属製の放熱配管６７を備えている。放熱配管６７は温度調節された、水や油などの媒体（２℃〜６０℃）を供給する媒体供給源（不図示）に接続され、この媒体供給源から供給された所定の温度の媒体を放熱配管６７内に循環させることで、ドラム４の外周面４ａの温度を所望の温度に加熱及び冷却できるようにしている。

ドラム４の内側に位置する支持フレーム２の部分には、ドラム４の外周部４ｘの温度を検出する非接触式の温度センサー６８が設けられている。温度センサー６８で検知した温度に基づいて、媒体供給源から供給される媒体の温度を調節し、ドラム４の外周面４ａの温度を所望する温度に一層近づけることができるようになっている。

図中、７０は試験片交換用ドア、７１は研摩紙張替え用治具、７２は研摩紙張替え用ドア、７３は操作パネルである。

以下、上述した摩擦試験機によりタイヤ制動時のスリップ条件におけるゴム試験片Ｘの摩擦係数（摩擦特性）を測定する場合について説明する。

待機位置で保持部２５にゴム試験片Ｘを装着した後、シリンダ３３を作動させ、そのロッド３３ａを縮小した状態にする。それにより、昇降体１５が降下して、保持部２５に保持されているゴム試験片Ｘがドラム４の摩擦試験面４ｃに当接した状態になる（図３）。

次いで、供給口５４からエアを供給し、上部恒温室５１ａ内を所定の試験温度にする一方、媒体を放熱配管６７内に循環させ、ドラム４の外周部４ｘを上部恒温室５１ａと同じ所定の試験温度にする。次いで、荷重シリンダ３７の作動により、ゴム試験片Ｘに所定の負荷が付与され、ゴム試験片Ｘが摩擦試験面４ｃに押し付けられる。ウェット時の摩擦係数を測定する場合には、更に水張りトレイ６０に給水部６２から所定の試験温度の水を供給し、所定の水深となるように水を張る。

駆動モータ７，１９の回転速度をそれぞれ制御し、ドラム４を一定の回転速度に保持する一方で、保持手段２１をゴム試験片Ｘの周速度とドラム４の周速度とを等速にする回転速度から停止状態まで減速し、そのスリップ率を０％から１００％まで連続的に変化させる。このとき、ロードセル４１で検出された荷重データとトルクメータ１８で検出されたトルクデータが不図示のコンピュータに順次送られ、そこで各スリップ率に応じた摩擦係数がそれぞれ算出され、摩擦係数−スリップ率曲線（μ−Ｓカーブ）が求められる。

上記試験終了後、昇降体１５を引き上げてゴム試験片Ｘを装着した保持部２５を待機位置に移動させる。別のゴム試験片Ｘを続けて試験する場合には、保持部２５のゴム試験片Ｘを交換し、モータ１２ａの作動によりボールネジ１２を回転させ、移動体１１をガイドレール１０に沿って移動させて、保持部２５のゴム試験片Ｘを次の摩擦試験面（レーン）４ｃ上に移動させた後、上記と同様にして試験を行う。

本発明者は、従来の摩擦試験機において、温度調節を行いながら摩擦測定を行っているにも係わらず、実際のタイヤで測定した時と比べてゴムの温度依存性が異なる点について鋭意検討した結果、以下のことを知見した。

摩擦試験機に使用されるドラム４は、通常１ｍ以上の大きな径を有するアルミなどの金属製のものを使用する。試験機全体を温度調節可能な室内に設置し、室内を所望の試験温度に設定すると、ゴム試験片Ｘは径がドラム４より大幅に小さいため、回転させても室内の試験温度と略同じ温度になるが、ドラム４は径が大きく表面積が広いため、回転させる（特にドラム４の周速度を時速１０ｋｍ／ｈ以上に制御する）と、室内の試験温度と略同じ温度になかなかならず、それが実際のタイヤで測定したゴムの温度依存性からかけ離れる原因になっていた。

そこで、本発明では、上述したようにドラム４を直接加熱及び冷却可能なドラム温度調節手段６６を設けたのである。これによりドラム４も所望の試験温度にすることができるようになるので、実際のタイヤで測定した時に近いゴムの温度依存性を試験片の段階でラボ試験により再現することが可能になり、しかも同じ試験温度で繰り返し測定する際のドラム４の温度も安定するので、測定のバラツキも小さくすることができる。

本発明の摩擦試験機は、上述したように試験片にゴム試験片を使用し、ゴムの摩擦係数（特に、空気入りタイヤに使用されるゴムの摩擦係数）を測定する場合に好ましく用いることができるが、それに限定されず、合成樹脂等の弾性体からなる試験片を用いて、その摩擦係数を測定するものであってもよい。

また、本発明の摩擦試験機は、上述した構成に限定されず、槽内の雰囲気温度を調整可能な恒温槽内に試験片を配置し、回転する試験片を回転するドラムの外周面に設けた摩擦試験面に押し付けて試験片の摩擦特性を測定する摩擦試験機であれば、いずれの摩擦試験機であってもよい。

本発明は、特にドラム４の直径が１〜５ｍ程度、ドラム回転制御手段がドラム４の周速度を時速１０ｋｍ／ｈ以上で制御するようにした摩擦試験機に好ましく用いることができるが、それに限定されない。

本発明の摩擦試験機の一実施形態を示す正面図である。 図１の側断面図である。 図２の要部拡大図である。 図３の平面図である。 （ａ）は保持手段の拡大断面図、（ｂ）は保持手段の芯金にゴム試験片を装着した状態を示す説明図である。 水張りトレイの説明図である。

符号の説明

４ ドラム
４ａ 外周面
４ｃ 摩擦試験面
６ 減速機（ドラム回転制御手段）
７ 駆動モータ（ドラム回転制御手段）
１８ トルクメータ（トルク検出手段）
１９ 駆動モータ（試験片回転制御手段）
３７ 荷重シリンダ（荷重負荷手段）
４１ ロードセル（荷重検出手段）
５１ 恒温槽
６０ 水張りトレイ
６２ 給水部（水供給手段）
６３ 水供給源（水供給手段）
６６ ドラム温度調節手段
Ｘ ゴム試験片

Claims (5)

1. 槽内の雰囲気温度を調整可能な恒温槽内に試験片を配置し、回転する該試験片を回転するドラムの外周面に設けた摩擦試験面に押し付けて試験片の摩擦特性を測定する摩擦試験機において、前記ドラムを加熱及び冷却可能なドラム温度調節手段を具備する摩擦試験機であって、
   前記ドラム温度調節手段として、前記ドラムの内側に該ドラムの外周面に沿って延設された放熱配管を設け、該放熱配管を温度調節された媒体を供給する媒体供給源に接続すると共に、前記ドラムの内側に位置する支持フレームの部分に、前記ドラムの外周部の温度を検出する非接触式の温度センサーを設け、該温度センサーで検知した温度に基づいて前記媒体供給源から供給される前記媒体の温度を調節するようにした摩擦試験機。
2. 前記ドラムの上側に前記試験片を配置し、該試験片と前記ドラムとの間に開口部を有する水張りトレイを設け、該水張りトレイの開口部を介して前記試験片と前記ドラムの摩耗面を接触可能にし、前記水張りトレイに所定の温度の水を供給可能な水供給手段を設置した請求項１に記載の摩擦試験機。
3. 前記試験片が円盤状の試験片からなり、前記試験片の回転速度を制御する試験片回転制御手段と、前記ドラムの回転速度を制御するドラム回転制御手段と、前記試験片に荷重を負荷する荷重負荷手段と、該負荷した荷重を検出する荷重検出手段と、回転する前記試験片の回転トルクを検出するトルク検出手段を具備する請求項１または２に記載の摩擦試験機。
4. 前記ドラムの直径が１〜５ｍ、前記ドラム回転制御手段が前記ドラムの周速度を時速１０ｋｍ／ｈ以上で制御可能である請求項３に記載の摩擦試験機。
5. 前記試験片がゴム試験片であり、前記ドラムが金属からなる請求項１乃至４のいずれか１項に記載の摩擦試験機。

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