JP5297844B2 - ゴム試験機用円盤状ゴム試験片およびそれを用いたゴム試験機 - Google Patents

Description

本発明は、より忠実にタイヤの接地状態を再現することができるゴム試験機用円盤状ゴム試験片、およびそれを用いたゴム試験機に関する。

従来、自動車タイヤ等のゴム製品に採用するゴム材料を開発するに際し、種々のゴム試験機を用いることにより、多岐に亘るゴムの抵抗特性の測定が行われている。こうしたゴム試験機では、試験環境を可能な限り実際の使用環境に近似させて、ゴム材料の良否をより正確に判断し得るものであることが必要である。

例えば、ランボーン摩耗試験機のようなゴム試験機では、相互に独立して回転する円盤状のゴム試験片と擬似路面とを円周面で規定の付加力で押し付けるとともに、両者をスリップさせることで試験片を摩耗させてその摩耗量を測定するものや、擬似路面に対して一定のスリップ率になるようにゴム試験片を回転させることで試験片に付加される摩擦力を検出し、この摩擦力とスリップ率より得られる摩擦エネルギーの値からゴム摩擦度を測定するものもある（特許文献１参照）。

このように、これらゴム試験機は、実際にタイヤを装着して路面を走行させた際における様々な負荷に対して如何に抵抗特性を発揮し得るかを擬似評価するためのものである。したがって、ゴム試験片や擬似路面は、実際の使用環境下におけるタイヤや路面を忠実に再現し得るものであることが望まれる。

特開平１１−３２６１６９号公報

しかしながら、ランボーン摩耗試験機のような従来のゴム試験機において、ゴム試験片に発生する接地面内の周方向せん断力は、必ずしも実際の使用環境下におけるタイヤに発生する接地面内の周方向せん断力を忠実に再現し得るものではなく、得られる試験データを元にタイヤ用ゴム材料を正確に評価するには困難を伴う。

そこで、本発明は、実際の使用環境下におけるタイヤに発生する接地面内の周方向せん断力を忠実に再現し得るゴム試験機用ゴム試験片およびこれを用いたゴム試験機を提供することを目的としている。

本発明者は、上記課題を解決すべく、ゴム試験機に採用した際、発生する接地面内の周方向せん断力の方向が特定の方向となるゴム試験片を見出し、本発明を完成させるに至った。

すなわち、本発明のゴム試験機用円盤状ゴム試験片は、
転動させつつ擬似路面に接地させることにより負荷を与えられる円盤状ゴム試験片であって、
内孔部を有し、かつ外周面の直径Ｒが６〜８０ｍｍ、外周面から内孔部面までの平均距離Ｄが２０〜Ｒ−５ｍｍであることにより、
前記円盤状ゴム試験片を自由転動させたときに、前記負荷に起因して前記円盤状ゴム試験片に発生する接地面内の周方向せん断力の転動方向に対する方向が、擬似路面への接地開始点から接地終了点までに正の方向から負の方向へ移行することを特徴とする。

さらに、本発明のゴム試験機は上記ゴム試験機用円盤状ゴム試験片を用いたことを特徴とし、かかるゴム試験機は摩耗試験機であってもよい。
また、前記摩耗試験機は、前記擬似路面から前記ゴム試験機用円盤状ゴム試験片への応力（トルク）を基準にして該ゴム試験機用円盤状ゴム試験片の転動を制御することにより、ゴムの摩耗特性を評価するものであってもよい。

本発明のゴム試験機用円盤状ゴム試験片およびこれを用いたゴム試験機によれば、実際の使用環境下におけるタイヤに発生する接地面内の周方向せん断力において、その方向を忠実に再現することができるため、かかるゴム試験機から得られる測定結果を実際の使用環境に近似した、より正確なものとすることができる。

本発明のゴム試験機用円盤状ゴム試験片を用いたゴム試験機の一例であるランボーン摩耗試験機の要部を示す平面図である。 タイヤを装着した車両が路面を実走行した際に発生する、接地面内の周方向せん断力を示す概略図である。 図２に示す接地面内の周方向せん断力について、タイヤの進行方向に対する方向の接地開始点から接地終了点までの変移を示す模式図である。 従来のゴム試験片を用いたランボーン摩耗試験機を用いた場合における、ゴム試験片に発生する接地面内の周方向せん断力について、ゴム試験片の転動方向に対する方向の接地開始点から接地終了点までの変移を示す模式図である。 試験中における本発明のゴム試験機用円盤状ゴム試験片を示す概略図である。 本発明のゴム試験機用円盤状ゴム試験片を示す側面図および正面図である。 実施例１および比較例１における円盤状ゴム試験片の外周面の直径Ｒ（ｍｍ）と、外周面から内孔部面までの平均距離Ｄ（ｍｍ）との関係、およびこれらと図３または図４に準じた波形における変曲点Ｃでの傾きとの関連性を示すグラフである。

以下、本発明について詳細に説明する。
本発明のゴム試験機用円盤状ゴム試験片は、
転動させつつ擬似路面に接地させることにより負荷を与えられる円盤状ゴム試験片であって、
内孔部を有し、かつ外周面の直径Ｒが６〜８０ｍｍ、外周面から内孔部面までの平均距離Ｄが２０〜Ｒ−５ｍｍであることにより、
前記円盤状ゴム試験片を自由転動させたときに、前記負荷に起因して前記円盤状ゴム試験片に発生する接地面内の周方向せん断力の転動方向に対する方向が、擬似路面への接地開始点から接地終了点までに正の方向から負の方向へ移行することを特徴としている。
以下、本発明のゴム試験機用円盤状ゴム試験片を、単に「円盤状ゴム試験片」という。

上記ゴム試験機は、円盤状ゴム試験片の摩耗特性や摩擦特性などを評価するために用いられるものである。かかるゴム試験機は、砥石、研磨布、研磨紙、金属刃、板、粉砕石などから形成された擬似路面を備えており、この擬似路面に転動させている円盤状ゴム試験片を接地させながら、押圧力、回転力などの負荷を与えた際、その負荷に対する円盤状ゴム試験片の抵抗特性を測定するものである。

上記負荷に起因して、上記円盤状ゴム試験片にはせん断力が発生する。本発明ではこのせん断力に関して接地面内の周方向せん断力に着目し、円盤状ゴム試験片の擬似路面への接地開始点から接地終了点までに、かかる接地面内の周方向せん断力の方向が、円盤状ゴム試験片の転動方向に対して正の方向から負の方向へと移行する。

具体的な例として、ランボーン摩耗試験機（ＪＩＳ Ｋ６２６４参照）を挙げて説明する。図１にランボーン摩耗試験機の要部の平面図を示す。本装置は、一端に走行路面を模擬した擬似路面（回転体の研磨ホイール）１が取り付けられた駆動軸２を備えている。駆動軸２の他端には回転駆動手段として図示しないサーボモータが連結されている。サーボモータにより、駆動軸２を介して、擬似路面１は、所定の角速度で回転される。

また、駆動軸２と平行に駆動軸３が延在されて配設され、駆動軸３の一方の端部には、円盤状ゴム試験片４を保持するホルダー５が設けられ、他方の端部には、上記サーボモータとは別個の、回転駆動手段としての図示しないサーボモータが連結されると共に、その中間部に、偏角許容型カップリング（自在継手）２０、クラッチ６およびトルクメータ１３等が設けられている。

ここで、ホルダー５は、駆動軸３側に設けた受けパッド５ａと、この受けパッド５ａに対して水平に進退変位されるクランプパッド５ｂからなる。これらの両パッド５ａ、５ｂは、それらの間に配置した円盤状ゴム試験片４をそれの厚み方向から所定の力で挟持して、その円盤状ゴム試験片４の周面を、擬似路面１の周面に対向させて位置させる。従って、駆動軸３の回転作動に基づき、円盤状ゴム試験片４が、両パッド５ａ、５ｂとともに、その駆動軸３と等速で回転する。

また、クラッチ６は、接続されることにより、サーボモータによる回転力を駆動軸３に伝達する。なお、クラッチ６が解除されると、サーボモータによる回転力が駆動軸３に伝達されず、円盤状ゴム試験片４が自由回転（転動）する。

駆動軸３は、可動ベース７上に取付けられている。そして、この可動ベース７は、固定ベース８上に駆動軸３の軸線と直交する方向に敷設されたガイドレール９に進退変位可能に取り付けられている。よって、駆動軸３は、駆動軸２との平行状態を維持したまま、それに接近し、また離隔変位することができる。

可動ベース７は、図示しない荷重負荷装置により移動され、これにより、擬似路面１と円盤状ゴム試験片４とが接触しながら負荷が与えられ、圧着することとなる。擬似路面１と円盤状ゴム試験片４とが圧着すると、円盤状ゴム試験片４に負荷がかかり、接地面内の周方向せん断力が発生する。なお、この接地面内の周方向せん断力に関する大きさおよび方向は、計測器（図示せず）により検出することができる。

ここで、本発明の円盤状ゴム試験片を上記ランボーン摩耗試験機を用いた場合について、従来のゴム試験片を用いたランボーン摩耗試験機と比較しつつさらに詳細に述べる。

図２に示すように、一般に、タイヤ３０を装着した車両が路面３１を走行した際、接地面内の周方向せん断力Ｆが発生する。ここで、さらにこの接地面内の周方向せん断力Ｆについて、タイヤ３０の進行方向Ｘに対する方向に着目し、かかる方向の接地開始点Ｓから接地終了点Ｅまでの変移を図３の模式図に示す。自由転動時では図３に示すように、接地開始点Ｓと接地終了点Ｅの間で接地面内の周方向せん断力Ｆの方向が変化する。すなわち、接地開始点Ｓ通過直後はタイヤ３０の進行方向Ｘに対して徐々に正の方向への向きを強めた後、ピークを経由してその向きが徐々に減じられ、ある時点（接地開始点Ｓと接地終了点Ｅとの間における変曲点Ｃ）で負の方向に転じる。続いて負の方向への向きを強めた後、ピークを経由してまたその向きが徐々に減じられ、接地終了点Ｅに到達する。

こうした現象は、タイヤ工学（酒井秀雄著、２００４年９月２８日改訂第３刷、(株)グランプリ発行、ｐ１７５）にも記載されてもいるように、接地開始点Ｓにおいてトレッド表面４１は路面３１に拘束されている状態であるので変位幅ｃ１がある程度抑制されるのに対し、ベルト層４２はタイヤ３０の回転に応じて移動するために変以幅ｃ１に比べて変位幅ｃ２が大きくなる。これら変位幅ｃ１とｃ２の差異により、ベルト層４２とトレッド表面４１との間にせん断変形が生じるため、接地開始点Ｓではタイヤ３０の進行方向Ｘに対して正の方向に接地面内の周方向せん断力Ｆsが発生する。また、接地終了点Ｅではこの現象と逆の現象が生じて、タイヤ３０の進行方向Ｘに対して負の方向に接地面内の周方向せん断力Ｆeが発生する。したがって、この接地面内の周方向せん断力Ｆ（ＦsおよびＦe）について、接地開始点Ｓから接地終了点Ｅまでの経時的な変化を図示すると、上記図３に示すような波形を描くこととなる。

図３において明らかなように、接地開始点Ｓと接地終了点Ｅとの間における変曲点Ｃ近傍では、描かれる波形の傾きは点線ｔで示すように負の傾きとなる。こうした接地面内の周方向せん断力Ｆの方向および変移は、ゴム試験機を用いた試験環境を実際の使用環境に近似させる際、かかるせん断力の大きさに加え、走行中におけるタイヤ３０に与えられる負荷を想定する上でも、またかかる負荷に対するタイヤ３０の抵抗特性を評価する上でも大きな影響を及ぼすものである。

従来のゴム試験片を用いたランボーン摩耗試験機を用いた場合における、擬似路面に接地されたゴム試験片に発生する接地面内の周方向せん断力Ｆに関して、ゴム試験片の転動方向Ｙ（図２におけるタイヤ３０の進行方向Ｘと同方向）に対する方向の接地開始点Ｓから接地終了点Ｅまでの変移を図４の模式図に示す。これらの試験機では、その多くが接地面内の周方向せん断力Ｆの方向や変移を考慮するものではないため、自由転動時の接地開始点Ｓと接地終了点Ｅの間で接地面内の周方向せん断力Ｆの方向は、図４に示すように変化する。すなわち、接地開始点Ｓ通過直後はゴム試験片の転動方向Ｙに対して徐々に負の方向への向きを強めた後、ピークを経由してその向きが徐々に減じられ、ある時点（接地開始点Ｓと接地終了点Ｅとの間における変曲点Ｃ）で正の方向に転じる。続いて正の方向への向きを強めた後、ピークを経由してまたその向きが徐々に減じられ、接地終了点Ｅに到達する。したがって、図３に示す波形とは異なり、接地開始点Ｓと接地終了点Ｅとの間における変曲点Ｃ近傍では、描かれる波形の傾きは点線ｔ’で示すように正の傾きとなり、実際の使用環境下におけるタイヤに発生する周方向せん断力とは状況を異にする。

これに対し、本発明のゴム試験機用円盤状ゴム試験片を用いたランボーン摩耗試験機を例に挙げた場合、擬似路面に接地された円盤状ゴム試験片が転動した際に発生する接地面内の周方向せん断力は、図３に準じた波形、すなわち接地開始点Ｓと接地終了点Ｅとの間における変曲点Ｃ近傍で描かれる波形の傾きが負の傾きとなる波形を示す。そして、試験中における本発明のゴム試験機用円盤状ゴム試験片の概略図である図５が示すように、接地開始点Ｓと接地終了点Ｅまでの間で円盤状ゴム試験片５０に発生する接地面内の周方向せん断力Ｆの方向が、円盤状ゴム試験片の転動方向Ｙ（図２におけるタイヤ３０の進行方向Ｘと同方向）に対して正の方向から負の方向へ移行する。

本発明のゴム試験機用円盤状ゴム試験片の形状について、具体的な例を図６の模式図に示す。かかる円盤状ゴム試験片５０は略円盤状を呈しており、通常、その中央部に内孔部Ｈが設けられている。内孔部Ｈの表面形状は特に限定されず、滑らかな曲面やギア刃形状などが挙げられ、回転軸と円盤状ゴム試験片との連結部におけるスリップを低減する観点からは、ギア刃形状であるのが好ましい。

円盤状ゴム試験片５０の外周面Ｏの直径Ｒは６〜８０ｍｍである。直径Ｒが上記上限値を超えると、円盤状ゴム試験片５０の保管数が減ぜられる傾向にあり、また円盤状ゴム試験片５０を形成するゴム量が増すため、ハンドリング性が悪化するおそれがある。一方、上記下限値未満であると、円盤状ゴム試験片５０全体の大きさが小さくなりすぎ、接地開始点Ｓから接地終了点Ｅまでの間で円盤状ゴム試験片５０に発生する接地面内の周方向せん断力Ｆの方向が、正の方向から負の方向へ移行しないおそれがある。

円盤状ゴム試験片５０の外周面Ｏから内孔部面Ｉまでの平均距離Ｄは２０〜Ｒ−５ｍｍである。ここで、平均距離Ｄとは、内孔部Ｈの形状に応じて、外周面Ｏから内孔部面Ｉまでの複数箇所（通常、６箇所）の最短距離を平均した値を意味する。すなわち、内孔部面Ｉは内孔部Ｈの形状に応じて様々な表面形状を呈する可能性があり、例えば、内孔部Ｈがギア刃形状を呈している場合、かかる形状の凹部表面の外周面Ｏからの最短距離と、凸部表面の外周面Ｏからの最短距離とを含む複数箇所の距離を測定し、これらを平均した値を意味することとなる。平均距離Ｄが上記上限値を超えると、円盤状ゴム試験片にトルクを与える回転軸との連結が困難になるおそれがあり、上記下限値未満であると、円盤状ゴム試験片５０全体の耐久性が低下するおそれがある。

円盤状ゴム試験片５０の厚さＷは、下限値については特に制限されないが、好ましくは５ｍｍ以上、さらに好ましくは２０ｍｍ以上である。厚さＷが上記下限値未満であると、円盤状ゴム試験片５０自体の直進性が悪化してノイズ発生の原因となり、シグナルの検出や制御が困難となるおそれがある。上記上限値については、特に制限されない。

上述のように、本発明の円盤状ゴム試験片を用いる好ましいゴム試験機としてランボーン摩耗試験機を例示したが、かかる一般的なランボーン摩耗試験機のほか、応力制御ランボーン摩耗試験機などのランボーン摩耗試験機にも採用することができる。また、これら摩耗試験機に限らず、例えばＤＩＮ摩耗試験機、ウイリアムス摩耗試験機、アクロン摩耗試験機、ピコ摩耗試験機、テーバー摩耗試験機、ＮＢＳ摩耗試験機等の摩耗試験機；ブレーキ摩擦試験機、高速加圧摩擦試験機、定応力ランボーン、定スリップランボーン等の摩擦試験機が挙げられ、特に前記擬似路面から前記ゴム試験機用円盤状ゴム試験片への応力（トルク）を基準にして該ゴム試験機用円盤状ゴム試験片の転動を制御することにより、ゴムの摩耗特性を評価する摩擦試験機が好適なものとして挙げられる。

以下、本発明について、実施例に基づき具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。

[実施例１、比較例１]
図６に示す円盤状ゴム試験片５０の外周面Ｏの直径Ｒ、円盤状ゴム試験片５０の外周面Ｏから内孔部Ｈ面までの平均距離Ｄ、円盤状ゴム試験片５０の厚さＷについて、表１に示す値を有する円盤状ゴム試験片を作製し、図１に示すランボーン摩耗試験機に装着して下記に示す条件下で試験を行い、図３または図４に示すような接地面内周方向のせん断力に関する波形図を作製した。得られた波形図から接地開始点Ｓと接地終了点Ｅの間の変曲点Ｃでの波形の傾きを求めた。結果を表１および図７に示す。

《試験条件》
ゴム物性：１００％伸長率：１．０ＭＰａ
試験機：自由転動時押し付け荷重：６ｋｇｆ

表１および図７より、従来のゴム試験機に比べ、本発明の円盤状ゴム試験機を用いたゴム試験機では、接地開始点Ｓと接地終了点Ｅとの間における変曲点Ｃ近傍で描かれる波形の傾きが負の傾きとなり、円盤状ゴム試験片に発生する接地面内の周方向せん断力の転動方向に対する方向が、擬似路面への接地開始点から接地終了点までに正の方向から負の方向へ移行していることがわかる。

１ 研磨ホイール
２、３ 駆動軸
４ ゴム試験片
５ ホルダー
５ａ 受けパッド
５ｂ クランプパッド
６ クラッチ
７ 可動ベース
８ 固定ベース
９ ガイドレール
１３ トルクメータ
２０ 偏角許容型カップリング
３０ タイヤ
３１ 路面
４１ トレッド表面
４２ ベルト層
５０ 円盤状ゴム試験片
５１ 擬似路面
Ｓ 接地開始点
Ｅ 接地終了点
ｃ１ トレッド表面４１の変動幅
ｃ２ ベルト層４２の変動幅
Ｘ タイヤ進行方向
Ｙ ゴム試験片転動方向
Ｆ 接地面内の周方向せん断力
Ｆs 接地開始点Ｓで発生する接地面内の周方向せん断力
Ｆe 接地終了点Ｅで発生する接地面内の周方向せん断力
Ｃ 接地開始点Ｓと接地終了点Ｅとの間における変曲点
ｔ 接地開始点Ｓと接地終了点Ｅとの間における変曲点Ｃ近傍で描かれる波形の傾きを近似する線
ｔ’ 接地開始点Ｓと接地終了点Ｅとの間における変曲点Ｃ近傍で描かれる波形の傾きを近似する線
Ｈ 円盤状ゴム試験片５０の内孔部
Ｉ 円盤状ゴム試験片５０の内孔部面
Ｏ 円盤状ゴム試験片５０の外周面
Ｄ 円盤状ゴム試験片５０の外周面Ｏから内孔部面Ｉまでの平均距離
Ｒ 円盤状ゴム試験片５０の外周面Ｏの直径
Ｗ 円盤状ゴム試験片５０の厚さ

Claims (4)

1. 転動させつつ擬似路面に接地させることにより負荷を与えられる円盤状ゴム試験片であって、
   内孔部を有し、かつ外周面の直径Ｒが６〜８０ｍｍ、外周面から内孔部面までの平均距離Ｄが２０〜Ｒ−５ｍｍであることにより、
   前記円盤状ゴム試験片を自由転動させたときに、前記負荷に起因して前記円盤状ゴム試験片に発生する接地面内の周方向せん断力の転動方向に対する方向が、擬似路面への接地開始点から接地終了点までに正の方向から負の方向へ移行することを特徴とするゴム試験機用円盤状ゴム試験片。
2. 請求項１に記載のゴム試験機用円盤状ゴム試験片を用いたことを特徴とするゴム試験機。
3. 前記ゴム試験機が、摩耗試験機であることを特徴とする請求項２に記載のゴム試験機。
4. 前記摩耗試験機が、前記擬似路面から前記ゴム試験機用円盤状ゴム試験片への応力（トルク）を基準にして該ゴム試験機用円盤状ゴム試験片の転動を制御することにより、ゴムの摩耗特性を評価することを特徴とする請求項３に記載のゴム試験機。

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