JP4898579B2 - 寿命予測用ゴム試験体 - Google Patents

Description

本発明は、免震ゴム、防振ゴム等の型物ゴムの製品寿命を予測計算するための寿命予測用ゴム試験体に関するものである。

型物ゴムの製品寿命を予測するに当り、従来では、日本工業規格で定められる形状の試験ゴム片〔例：ダンベル状３号形（ＪＩＳ Ｋ６２５１）〕を用いて定伸長疲労試験を行うようにするのが一般的である。即ち、図９に寸法値付で示すように、ダンベル状試験ゴム片Ｂは、両端の大径装着部（チャッキング部）１１，１１とそれらの間に位置する小径の試験ゴム部１２とが滑らかに形状変化する状態で一体化されて成るものである。

つまり、試験機（図示省略）を用いて、両端の大径装着部１１，１１を掴んで互いに遠のく方向に引張るとともに、小径の試験ゴム部１２が破断するまで引張る耐引張り強さ試験や、ある程度の距離での引張り負荷・除荷を周期的に繰り返し行う振動引張り試験（耐久試験）を行うこととなる。このような試験が可能な試験機としては、特許文献１において開示される荷重負荷試験機が知られている。

例えば、免震ゴム等においては、単純な引張りだけでなく圧縮、抉り、捩り、傾斜等の６自由度（三次元）的な動きをするが、前述のダンベル状試験ゴム片では引張りだけの１自由度（一次元）のテストしかできない。従って、型物ゴムのテスト手段としては改善の余地があった。

そこで、３軸方向（前後、左右、上下の各方向）を有するゴム材料（型物ゴム）に三次元的な荷重や変位を与えて試験を行い、それによるハイト図（ヘーグ図）を作成するには、ゴム材料の試験体、即ちゴム試験体も６自由度に抗する形状、即ち、ソリッド形状にする必要がある。
特開２００４−２１９３０４号公報

本発明の目的は、型物ゴムに関して、製品寿命を予測計算解析するために必要となるゴム材料の特性測定手法、並びに、製品寿命の予測解析に用いる各種ゴム配合の疲労耐久特性を構築するに好適な実験手法を得るための寿命予測用ゴム試験体を提供する点にある。

請求項１に係る発明は、型物ゴムの疲労耐久試験に用いられる寿命予測用ゴム試験体において、
上下の硬質フランジ２，３と、それらの上下間に位置する側面視形状が鼓形の試験ゴム部１とを有し、前記各硬質フランジ２，３における試験ゴム部側の面２Ａ，３Ａをフラット面に形成するとともに、
前記試験ゴム部１の最くびれ箇所１ａの径を２ｒ、前記試験ゴム部１の高さをＨ、前記最くびれ箇所１ａの断面積をＳＡ、前記試験ゴム部１の前記硬質フランジ２，３との接面の面積をＳ０、前記試験ゴム部１の側面視における外郭ラインＬが前記硬質フランジ２，３に接する箇所Ｄにおける前記硬質フランジ２，３に対する接線ｍの角度をθとすると、
１≦Ｈ／２ｒ≦２……（１）
２≦Ｓ０／ＳＡ≦４……（２）
θ＝４５±１０度……（３）
なる関係が成立するように構成されていることを特徴とするものである。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の寿命予測用ゴム試験体において、前記外郭ラインＬが円弧に形成されていることを特徴とするものである。

請求項３に係る発明は、請求項１又は２に記載の寿命予測用ゴム試験体において、前記硬質フランジ２，３が金属製の厚板であることを特徴とするものである。

請求項４に係る発明は、請求項３に記載の寿命予測用ゴム試験体において、前記硬質フランジ２，３には、これの試験機への取付用ボルト４を螺着するための雌ねじ部５が形成されていることを特徴とするものである。

請求項１の発明によれば、側面視で略鼓形状を呈する試験ゴム部の形状を、両端の硬質フランジと剥れ難く、かつ、応力集中が最くびれ部に生じてそこからまず亀裂が入る試験体として好ましい状態の試験ゴム部のものとしながらソリッド化することができ、６自由度を有する寿命予測用ゴム試験体とすることが可能になっている。また、硬質フランジの試験ゴム部側はフラット面に形成されているから、例えば、硬質フランジ面に突起や凹凸が存在することによる応力の影響が試験ゴム部に及ぶようなこと、即ち、硬質フランジとの接合構造に起因した外乱が無い点でもデータの精度向上が期待できる。その結果、６自由度を有する形状の型物ゴムに関して、製品寿命を予測計算解析するために必要となるゴム材料の特性測定手法、並びに、製品寿命の予測解析に用いる各種ゴム配合の疲労耐久特性を構築するに好適な実験手法を得るための寿命予測用ゴム試験体を提供することができる。

請求項２のように、試験ゴム部の外郭ラインを円弧に形成すれば、亀裂等の損傷箇所が最くびれ部に特定され易くなって再現性や耐久性に優れる寿命予測用ゴム試験体が提供できる。そして、請求項３のように、硬質フランジを強度・剛性に優れる金属厚板とすれば、硬質フランジの変位による試験結果への影響をほぼ皆無として、試験結果の信頼性がさらに向上可能となる利点がある。

また、請求項４のように、試験機への取付用ボルトを硬質フランジに設ける構成を採るに当り、そのボルトに螺合する雌ねじ部を厚板の硬質フランジに形成することが可能であり、試験ゴム部にボルトが張出すことなくねじ強度十分に取付用ボルトを硬質フランジに一体化することができる。

以下に、本発明による寿命予測用ゴム試験体の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。図１は寿命予測用ゴム試験体の一部切欠き側面図、図２は試験ゴム部の最くびれ箇所と接面との断面積比較を示す模式図、図３は耐久疲労回数と変位振幅との関係グラフを示す図、図４は試験ゴム部の荷重と変位との関係グラフを試験開始から所定時間ごとに記録した図、図５は試験ゴム部の別形状例を示す側面図である。

〔実施例１〕
実施例１による寿命予測用ゴム試験体Ａは、図１に示すように、互いに離間している一対の硬質フランジ２，３と、それら硬質フランジ２，３の間に介装される試験ゴム部１とから構成されている。各硬質フランジ２，３は、ステンレスや圧延鋼板等の厚手の金属板で形成されており、例えば、円形の硬質フランジ２，３の中央に一体装備されているボルト部４等の連結手段を備えておけば好都合である。厚み一定の金属円板で成る硬質フランジ２，３は、試験ゴム部１への張出しがないものとなるように、それらの試験ゴム部側の面、即ち内側面２Ａ，３Ａが水平面（フラット面の一例）に形成されている。

試験ゴム部１は、図１，図２に示すように、硬質フランジ２，３どうしを結ぶ軸心Ｐ方向における両端部での径が大で、かつ、軸心Ｐ方向の中央部（中間部の一例）での径が小となって側面視で鼓形状を呈し、軸心Ｐ方向視では円形（又は多角形）を呈する形状に形成されたゴム塊で成り、加硫接着によって上下の硬質フランジ２，３に一体化されている。

そして試験ゴム部１は、その最くびれ箇所（図１では上下の中心位置である）１ａの径を２ｒ、試験ゴム部の高さ（軸心Ｐ方向長さ）をＨ、最くびれ箇所１ａの断面積をＳＡ、試験ゴム部１の硬質フランジ２，３との接面の面積をＳＯ、試験ゴム部１の側面視における外郭ラインＬが硬質フランジ２，３に接する箇所（試験ゴム部１の外周における硬質フランジ２，３と交わる箇所）Ｄにおける硬質フランジ２，３に対する接線ｍの角度をθとすると、
１≦Ｈ／２ｒ≦２……（１）
２≦ＳＯ／ＳＡ≦４……（２）
θ＝４５±１０度……（３）
なる関係が成立するように構成されている。

試験ゴム部１の外郭ラインＬは、軸心Ｐに直交し、かつ、試験ゴム部１の上下中央を通る横軸心Ｘに中心ｔを有する半径Ｒによる円弧に形成されている。各硬質フランジ２，３と試験ゴム部１とは、試験ゴム部１の加硫工程による加硫接着によって一体化されている。図２には、試験ゴム部１の最くびれ箇所１ａの直径（断面積）と、硬質フランジ２，３との接面での直径（断面積）との比率を示してあり、最くびれ箇所１ａでは直径が２ｒで断面積ＳＡ＝πｒ²であり、接面では直径が２ｋで断面積ＳＯ＝πｋ²である。参考に、図示の寸法比率では、前記式（２）のＳＯ／ＳＡは２．８９になっている。つまり、試験ゴム部１の断面形状が円の場合には、接面での半径ｋは、√２ｒ≦ｋ≦２ｒになる。試験ゴム部１を上述のような形状に設定することによるメリットを次に説明する。

〔試験方法〕
寿命予測用ゴム試験体Ａを用いての試験機（引張試験機、荷重試験機等）による試験方法は、次の（１）〜（４）の手順によって行われる。まず、（１）寿命予測用ゴム試験体Ａのバネ定数を測定する。（２）試験前の動特性（絶対ばね、動ばね、減衰係数、損失係数）を測定する。（３）試験を開始する。試験条件として、変位正弦波加振制御を行う、平均値を−８０％〜８０％（高さに対する値）に変化させる、振幅を−１００％〜１００％に変化させる、周波数は１Ｈｚ〜５０Ｈｚの間における任意の値とする、を採用する。（４）試験中は動特性をサーベイ（精査）し、結果を記録し、試験ゴム部１に損傷（初期クラック）が発生した時点でそれを記録してから実験を終了する。

つまり、ａ．試験機を用いて寿命予測用ゴム試験体Ａ（ｎ＝４）の静ばね特性・動特性を測定する。これにより、試験ゴム部１の損傷の目安を定量的に示すことができる。ｂ．試験機を用いて寿命予測用ゴム試験体Ａ（ｎ＝１）の疲労試験を行う。この試験は試験ゴム部１に亀裂が発生するまで継続して行うものとする。ここでの加振方法は変位制御とする。何故なら、荷重制御にすると、試験ゴム部１の損傷時に試験機を壊すおそれがあるからである。ｃ．寿命予測用ゴム試験体Ａの形状は、砂時計型（鼓型）とする。これにより、ソリッド形状となり、純粋な１軸引張り圧縮時の疲労特性を計ることが可能になり、実物との整合性も取り易くなる利点がある。

参考として、試験ゴム部１のＳ−Ｎ曲線（ある変位平均値のときの変位振幅と耐久回数との関係を示す曲線）を図３に、そして試験回数毎にピックアップした引張荷重と変位との関係グラフを図４に示す。図３のＳ−Ｎ曲線において、横軸は回数で縦軸は変位であり、回数が増すに従って変位が減少する様を表している。図４のグラフは、例えば横軸として基準点Ｋを中心とするヒステリシス曲線の振幅Ｓが一定となるように、縦軸には周波数２Ｈｚでの引張り負荷・除荷を繰返し行った結果を示す。この場合、最上段の曲線が１回目であり、下方に行くほど回数が増えて荷重値も低下し、最下段の曲線は破断したときのものを示している。

〔別実施例〕
試験ゴム部１の形状としては、軸心Ｐ方向視の形状が正四角柱や六角筒等、円形以外のものでも良く、図示は省略するが、外郭ラインＬが放物線、サインカーブ、サイクロイド曲線、楕円曲線等の円弧以外のものでも良い。そして、最くびれ箇所１ａは、一対の硬質フランジ２，３の丁度中央から、各硬質フランジ２，３の何れか一方側に偏った箇所に設定されるものでも可である。また、試験ゴム部１は、金属板等の硬質板とゴム等による弾性層とが交互に積層されて成る積層ゴム構造のものとしても良い。さらに、硬質フランジ２，３の試験ゴム部側面の「フラット面」とは、図1等に示す水平面の他、曲率の大なる凸面（球面の一部）や凹面（球面の裏側面の一部）でも良い。

試験ゴム部１は、図５に示すように、最くびれ箇所１ａが軸心Ｐ方向に所定長さ続く（斜線部分）形状のもの、即ち、径が一定の部分（直円柱や直多角柱等）を含む形状も可能である。また、図７に示すように、外郭ラインＬが、半径Ｒ１による中心の第１円弧曲線Ｌｒと、第１円弧曲線Ｌｒと値の異なる半径Ｒ２による両端の第２円弧曲線Ｌｍ，Ｌｍとで成る複合曲線であるとか、図８に示すように、半径Ｒ１による中心の円弧曲線ＬＲと、その両端に続く直線Ｌｓ，Ｌｓとで成る複合形状線でも良い。さらに、式（１），（２），（３）を満たす範囲であれば、図１に示す試験ゴム部１よりも径の大なる試験ゴム部を有する寿命予測用ゴム試験体でも良い。

寿命予測用ゴム試験体Ａとしては、図６に示すように、試験機への取付用ボルト４を螺着するための雌ねじ部５が形成された硬質フランジ２，３を有するものでも良い。即ち、硬質フランジ２，３を図１に示す実施例１のものよりも厚くして、試験機の試験体装着部（図示省略）にボルト止めするためのボルト４が螺合する雌ねじ部５を形成してある。雌ねじ部５は、フラット面の内側面２Ａ，３Ａを有する硬質フランジ２，３の厚み範囲内にて形成されており、硬質フランジ２，３の一部やボルト４が試験ゴム部１に張り出ないようにしながら、強度十分にボルト４を螺合できる有効な手段が構成されている。尚、図６には、硬質フランジ２にボルト４が螺合された状態を描いてあるが、硬質フランジ２，３には雌ねじ部５が形成されていれば良い。

実施例１による寿命予測用ゴム試験体を示す一部切欠きの側面図 試験ゴム部の最くびれ箇所と硬質フランジの接面との径及び断面積の比較図 試験ゴム部の試験回数と変位との関係グラフ（Ｓ−Ｎ曲線）を示す図 試験ゴム部の変位振幅と荷重との関係グラフを示す図 試験ゴム部が別形状の寿命予測用ゴム試験体を示す概略の側面図 硬質フランジが別形状の寿命予測用ゴム試験体を示す一部切欠きの側面図 複合曲線の外郭ラインを有する試験ゴム部の側面図 複合形状線の外郭ラインを有する試験ゴム部の側面図 従来の一般的な試験ゴム片を示す側面図

符号の説明

１ 試験ゴム部
１ａ 最くびれ箇所
２ 上硬質フランジ
２Ａ フラット面
２ｒ 最くびれ箇所の径
３ 下硬質フランジ
３Ａ フラット面
４ 取付用ボルト
５ 雌ねじ部
Ａ 寿命予測用ゴム試験体
Ｄ 試験ゴム部外周における硬質フランジと交わる箇所
Ｌ 試験ゴム部の外郭ライン
Ｈ 試験ゴム部の高さ
ＳＡ 最くびれ箇所の断面積
ＳＯ 試験ゴム部の硬質フランジとの接面の面積
ｍ 外郭ラインが硬質フランジに接する箇所における接線
θ 接線の硬質フランジに対する角度

Claims (4)

1. 型物ゴムの疲労耐久試験に用いられる寿命予測用ゴム試験体であって、
   上下の硬質フランジと、それらの上下間に位置する側面視形状が鼓形の試験ゴム部とを有し、前記各硬質フランジにおける試験ゴム部側の面をフラット面に形成するとともに、
   前記試験ゴム部の最くびれ箇所の径を２ｒ、前記試験ゴム部の高さをＨ、前記最くびれ箇所の断面積をＳＡ、前記試験ゴム部の前記硬質フランジとの接面の面積をＳ０、前記試験ゴム部の側面視における外郭ラインが前記硬質フランジに接する箇所における前記硬質フランジに対する接線の角度をθとすると、
   １≦Ｈ／２ｒ≦２……（１）
   ２≦Ｓ０／ＳＡ≦４……（２）
   θ＝４５±１０度……（３）
   なる関係が成立するように構成されている寿命予測用ゴム試験体。
2. 前記外郭ラインが円弧に形成されている請求項１に記載の寿命予測用ゴム試験体。
3. 前記硬質フランジが金属製の厚板である請求項１又は２に記載の寿命予測用ゴム試験体。
4. 前記硬質フランジには、これの試験機への取付用ボルトを螺着するための雌ねじ部が形成されている請求項３に記載の寿命予測用ゴム試験体。

Images