JP6437799B2 - ゴム摩擦試験用氷路面の製造方法及びゴム摩擦試験方法 - Google Patents

Description

本発明は、ゴム材料の氷上摩擦特性を評価するためのゴム摩擦試験に用いられる氷路面の製造方法と、その氷路面を備えたゴム摩擦試験機に関する。

従来、自動車用タイヤなどのゴム製品に採用するゴム材料の氷上摩擦特性を評価するため、屋内に設置される試験機を用いて、ゴム試験片を氷路面に押し当てながら走行させるゴム摩擦試験が実施されている。ゴム摩擦試験の具体的な方法や、それに使用される試験機は、例えば特許文献１〜３に開示されている。一般に、氷路面は、ゴム試験片が押し当てられる氷板をフレーム部材に固定しており、そのフレーム部材は試験機に対して着脱自在に構成される。

かかる氷板は、フレーム部材に水を薄く張って凍らせる作業を何度も繰り返すことによって作製されるため、時間が掛かるという問題があった。例えば、２．５ｍｍの深さで張った水を凍結させるのに２時間を要する場合には、２０ｍｍの厚みの氷板を作製するのに１６時間が必要となる。一方、水を急激に冷やして凍結時間を短くすると、氷の内部に気泡が残留しやすくなって透明度が低下するため、ゴム試験片の接地面観察に支障を来たすなどの不都合を生じる。

特開平４−２１５０３８号公報 特開２０１０−２４９６９３号公報 特開２０１１−１８００９６号公報

本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、透明度の低下による不都
合を生じることなく氷路面を短時間で製造できるゴム摩擦試験用氷路面の製造方法と、そ
の氷路面を使用したゴム摩擦試験方法を提供することにある。

上記目的は、下記の如き本発明により達成することができる。即ち、本発明に係るゴム摩擦試験用氷路面の製造方法は、ゴム試験片が押し当てられる氷板をフレーム部材に固定してなるゴム摩擦試験用氷路面の製造方法であって、板状の第１の氷を前記フレーム部材に嵌め込む工程と、前記フレーム部材に水を供給する工程と、その水を凍結させて第２の氷を製氷し、前記第１の氷を前記フレーム部材に固定する工程とを備え、ゴム摩擦試験の評価に供される評価区間の表面を前記第１の氷により形成するものである。

この方法では、氷路面における評価区間の表面を板状の第１の氷により形成する。第１の氷は予め用意されていてフレーム部材に嵌め込まれるため、透明度の低下を伴わずに氷路面の製造時間を短縮できる。第２の氷は、フレーム部材に供給した水を凍結させることで製氷されるが、評価区間は第１の氷により形成されるため第２の氷の透明度は重要でなく、したがって急冷により第２の氷を製氷しても支障がない。よって、かかる方法によれば、透明度の低下による不都合を生じることなく氷路面を短時間で製造できる。

前記フレーム部材は、表面に前記氷板が配置される路面部と、その路面部を取り囲む外周部とを有し、前記路面部のうち前記第２の氷を設ける部分が上げ底になっていることが好ましい。これにより第２の氷の製氷時間を短くして、氷路面を短時間で製造することができる。また、この場合、前記路面部の長手方向の両端に前記上げ底が形成され、それらの間に前記第１の氷を配置することが好ましい。これにより、ゴム試験片の加速や減速に利用可能な区間を評価区間の前後に設定できる。

前記評価区間の裏面が透明部材または前記第１の氷により形成されていることが好ましい。これにより、第１の氷を通じてゴム試験片の接地面を観察可能な氷路面が製造されるため、評価精度に優れたものとなる。

前記第１の氷が純氷により形成されていることが好ましい。純氷は透明度に優れることから、これを第１の氷として用いることにより評価精度が良好な氷路面を製造できる。

また、本発明に係るゴム摩擦試験方法は、上述した何れかの方法により製造した氷路面にゴム試験片を押し当てて走行させるものである。かかる構成によれば、上述のように氷路面が短時間で製造されているうえ、透明度の低下による不都合を生じることがないために評価精度を良好に確保できる。

ゴム摩擦試験機の一例を概略的に示す正面図 氷路面が設けられた走行プレートの（ａ）平面図と（ｂ）Ａ−Ａ断面図 （ａ）ゴム試験片の移動経路と（ｂ）走行速度の推移を示す図 氷路面の製造方法を説明するための断面図

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

図１に示したゴム摩擦試験機１０は、氷路面２にゴム試験片１を押し当てながら走行可能に構成され、ゴム材料の氷上摩擦特性の評価に供される。この試験機１０は、破線で示した冷蔵庫などの恒温室２０に収容され、所望の温度環境で、例えば−６〜１２℃の範囲から選択される設定温度で試験を実施できるようになっている。

ゴム摩擦試験機１０は、ゴム試験片１を保持するためのホルダー１１と、設定された入力荷重でゴム試験片１を氷路面２に押し当てる荷重装置１２とを有する。本実施形態では、氷路面２と対面するようにゴム試験片１が板状のホルダー１１に接着され、そのホルダー１１は荷重装置１２に接続されている。荷重装置１２は、氷路面２に対して垂直となるＺ方向（図１の上下方向）に沿ってホルダー１１を往復動可能に構成され、ホルダー１１の位置に応じた荷重がゴム試験片１に入力される。荷重装置１２はサーボモータにより構成されているが、他のアクチュエータ機構を利用しても構わない。

ゴム摩擦試験機１０は、氷路面２に押し当てられたゴム試験片１を走行させる駆動装置１３を有する。駆動装置１３は、荷重装置１２が支持されたテーブル１４をＸ方向（図１の左右方向）に沿って往復動可能に構成されている。このテーブル１４の移動によってホルダー１１を移動させ、延いてはゴム試験片１を走行させることができる。アクチュエータ１５は、Ｘ及びＺ方向に垂直となるＹ方向（図１の紙面に垂直な方向）にテーブル２２を往復動可能に構成されていて、Ｙ方向におけるゴム試験片１と氷路面２との位置合わせに利用される。本実施形態では、駆動装置１３とアクチュエータ１５が、それぞれサーボモータにより構成されているが、これに限定されない。

ゴム摩擦試験機１０は、ゴム試験片１に作用する出力荷重を計測する計測装置１６を備える。計測装置１６は、例えばロードセルにより構成される。本実施形態では、ホルダー１１の上側（ゴム試験片１とは反対側）に計測装置１６が取り付けられている。計測装置１６は、垂直成分及び水平二成分の計三成分の荷重測定が可能であり、上述した出力荷重（Ｚ方向の荷重）に加えて、ゴム試験片１に作用する前後力（Ｘ方向の荷重）と横力（Ｙ方向の荷重）を検出することができる。

ゴム摩擦試験機１０は、荷重調整に必要な計算を行う演算部１７ａと、荷重装置１２や駆動装置１３、後述する路面調整装置などの作動を制御する作動制御部１７ｂとを有する制御装置１７を備える。制御装置１７は、更に、試験作業者からの入力を受け付ける入力部１７ｃと、試験機１０の操作や設定、状態などに関する各種情報を画面上に表示する表示部１７ｄとを有する。入力部１７ｃは、例えばタッチパネルやキーボードにより構成される。制御装置１７は、恒温室２０の外部に配置されている。

ゴム摩擦試験機１０は、氷路面２の平滑度を調整するための路面調整装置を備える。本実施形態における路面調整装置は、氷路面２を研磨する研磨具としての氷磨きプレート１８を備える。氷磨きプレート１８は、作動時には氷路面２の高さまで移動し、その状態から駆動装置１３がテーブル１４を移動させることにより氷路面２上を滑走する。氷磨きプレート１８には熱線が埋設されており、氷路面２の表面を僅かに融解させながら研磨することができる。

図２に示すように、氷路面２は、ゴム試験片１が押し当てられる氷板をフレーム部材２１に固定してなる。フレーム部材２１は、金属製であり、テーブル２２に対して着脱自在に構成されている。フレーム部材２１は、表面に氷板が配置される路面部２１ａと、その路面部２１ａを取り囲む外周部２１ｂとを有する。路面部２１ａの表面に氷板が配置されたフレーム部材２１は、全体として厚みが均一な板状物を呈する。路面部２１ａの中央部は貫通しており、その貫通部分を塞ぐようにして透明なガラス板２３（透明部材の一例）が取り付けられている。テーブル２２には、ガラス板２３と対向する位置で開口した観察窓が形成されている。

氷路面２は、ゴム試験片１の走行方向となるＸ方向に長く、その方向に並ぶ３つの区間α，β，γを有する。本実施形態では、図３（ａ）のように、ゴム試験片１が氷路面２上を始点ＳＰから終点ＧＰまで走行する。その過程で、ゴム試験片１は区間αから区間βを経て区間γに至り、走行速度は図３（ｂ）のように推移する。走行動作を反復する場合は、走行し終えたゴム試験片１を氷路面２から引き上げて区間αの上方に移動させ、再び氷路面２に押し当てて始点ＳＰに配置する。ゴム試験片１の走行に関する動作は、制御装置１７によって制御される。

図３（ｂ）のように、氷路面２の中央部に位置する区間βでは走行速度が一定であり、この区間βは、ゴム摩擦試験の評価に供される評価区間となる。路面部２１ａの貫通部分は評価区間βに設けられており、この区間βにおけるゴム試験片１の接地面の様子がガラス板２３を通じて観察可能である。詳細な観察には、高速度カメラ２４を利用することができる。区間βの手前に位置する区間αは、ゴム試験片１を加速させるための助走区間である。区間βを挟んで区間αの反対側に位置する区間γは、ゴム試験片１を減速させるための制動区間である。

ゴム摩擦試験では、ゴム試験片１を氷路面２に押し当てながら走行させて、ゴム材料の氷上摩擦特性を評価する。このとき、設定された入力荷重でゴム試験片１を押し当てるように荷重装置１２が制御され、設定された走行速度でゴム試験片１を走行させるように駆動装置１３が制御され、走行時のゴム試験片１に作用する出力荷重が計測装置１６によって計測される。演算部１７ａは、必要に応じて、出力荷重の計測結果に基づき荷重調整のための計算を行う。入力荷重や走行速度、反復回数など種々の試験条件は、入力部１７ｃを介して制御装置１７に入力設定される。

設定された回数の走行を反復したら、その結果に基づいて氷上摩擦特性を評価する。この評価では、例えば、走行時の出力荷重（Ｚ方向の荷重）と前後力（Ｘ方向の荷重）に基づき、（前後力／出力荷重）により摩擦係数μを測定することができる。これらの荷重は、ゴム試験片１を走行させた際に計測装置１６によって計測される。これに代えてまたは加えて、走行時の接地面を高速度カメラ２４により撮影し、その観察に基づいて氷路面２に対する接地面積を算出することもできる。但し、氷上摩擦特性の評価は、これらに限られるものではない。

氷路面２の製造方法について、図４を参照して説明する。この氷路面２の製造方法は、板状の第１の氷２ａをフレーム部材２１に嵌め込む工程と、フレーム部材２１に水を供給する工程と、その水を凍結させて第２の氷２ａを製氷し、第１の氷２ａをフレーム部材２１に固定する工程とを備え、ゴム摩擦試験の評価に供される評価区間βの表面を第１の氷２ａにより形成する。

氷路面２を製造するには、まず、図４（ａ）のように、板状の第１の氷２ａをフレーム部材２１に嵌め込む。第１の氷２ａは、評価区間βに設けられた路面部２１ａの貫通部分に配置される。配置スペースに対して第１の氷２ａのサイズが大きい場合には、アイロンなどの加熱器具で第１の氷２ａを部分的に融かしてサイズを調整すればよい。本実施形態では、図４（ｂ）のように、第１の氷２ａの表面をフレーム部材２１の表面（外周部２１ｂの表面）から少し突出させて嵌め込んでいる。

このフレーム部材２１では、第１の氷２ａと接する箇所に不図示のパッキンが装着されており、ガラス板２３に載置された第１の氷２ａは、そのパッキンを介してフレーム部材２１に嵌め込まれる。但し、これに限られず、第１の氷２ａとフレーム部材２１との間に隙間を設けて、第１の氷２ａを遊びがある状態で嵌め込んでもよい。第１の氷２ａは、フレーム部材２１に供給した水を凍結させたものではなく、予め用意された市販品を使用できる。即ち、第１の氷２ａは、氷路面２の製造工程とは別の工程にて事前に作製されたものであり、第２の氷２ｂとは別個に作製される。

次に、図４（ｂ）のように、フレーム部材２１に水を供給するとともに、その水を凍結させて第２の氷２ｂを製氷し、第１の氷２ａをフレーム部材２１に固定する。第２の氷２ｂは、なるべく均質に形成するうえで、水を薄く張って凍らせる作業を数回（例えば、４回）繰り返して作製することが好ましい。ガラス板２３に第１の氷２ａを十分に密着させるために、第１の氷２ａを嵌め込んだ給水前のフレーム部材２１を冷凍庫（例えば、庫内温度−２℃）内で所定時間（例えば、１時間）保管してもよい。

本実施形態では、路面部２１ａのうち第２の氷２ｂを設ける部分（区間α，γに相当）が上げ底になっているため給水量が少なくて済み、第２の氷２ｂの製氷時間を短くできる。上げ底は路面部２１ａの長手方向（Ｘ方向）の両端に形成され、それらの間に配置された第１の氷２ａが評価区間βを構成する。第２の氷２ｂは、その評価区間βの前後に設定され、ゴム試験片１の加速や減速に利用される区間（助走区間α、制動区間γ）を構成する。第２の氷２ｂを製氷にすることにより、第１の氷２ａがフレーム部材２１に固定される。

第２の氷２ｂを製氷した後、図４（ｃ）の如く氷路面２の表面が平坦となるように、第１の氷２ａの表面と第２の氷２ｂの表面とを面一に整える。この表面の面一化は、フレーム部材２１をテーブル２２に取り付けたうえで、氷磨きプレート１８を作動させることにより行うことができる。このようにして、ゴム摩擦試験の評価に供される評価区間βの表面を第１の氷２ａにより形成する。かかる方法によれば、透明度の低下による不都合を生じることなく氷路面２を短時間で製造できる。

本実施形態では、評価区間βの裏面がガラス板２３により形成されているため、第１の氷２ａを通じてゴム試験片１の接地面を観察できる。透明度の高い氷板を第１の氷２ａとして用意しさえすれば、評価区間βにおける透明度を確保することは造作無く、評価精度の向上に資する。また、ゴム試験片１の接地面を観察するうえでは、ガラス板２３などの透明部材を設けずに第１の氷２ａを露出させて、評価区間βの裏面を第１の氷２ａにより形成しても構わない。

第１の氷２ａは、純氷により形成されていることが好ましい。純氷には気泡や塩素などの不純物が入っていないため透明度に優れ、これを第１の氷２ａとして用いることにより評価精度の向上に資する。純氷は、純水（超純水を含む）をエアーで撹拌しながら時間を掛けて（例えば、−１０℃で７２時間掛けて）凍らせることにより作製される。純氷では個々の結晶のサイズが大きく、それらが規則正しく並んでいる。純水は、濾過器や純水器を用いて水道水から不純物を除去することにより得られ、その電気伝導率は１μＳ／ｃｍ以下である。

本発明は上述した実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良変更が可能である。例えば下記に挙げたように、方法の手順や装置の構成などは適宜に変更することが可能である。

前述の実施形態では、ホルダー１１を移動させることでゴム試験片１を走行させる例を示したが、これに限定されない。ゴム試験片１の走行は、氷路面２に対するゴム試験片１の相対移動を伴うものであればよく、例えば氷路面２を移動させることでゴム試験片１を走行させても構わない。

前述の実施形態では、ゴム試験片１を直線経路の一方向に走行させる例を示したが、これに限定されない。例えば、ゴム試験片１を直線経路の一方向だけでなく他方向にも走行させる（往復動させる）ようにしても構わない。あるいは、ターンテーブル上に設けた氷路面を用いて、ゴム試験片１を環状経路に沿って走行させてもよい。

前述の実施形態では、ゴム試験片１が氷路面２上を滑走するときの滑り摩擦について試験する例を示したが、ゴム試験片１が氷路面２上で転動するときの転がり摩擦について試験するものでもよい。その場合は、例えば円盤状または円柱状に形成したゴム試験片を回転可能に軸部材で支持し、その軸部材をホルダーに取り付ければよい。

１ ゴム試験片
２ 氷路面
２ａ 第１の氷
２ｂ 第２の氷
１０ ゴム摩擦試験機
１１ ホルダー
１２ 荷重装置
１３ 駆動装置
１６ 計測装置
１７ 制御装置
１８ 氷磨きプレート
２０ 恒温室
２１ フレーム部材
２１ａ 路面部
２１ｂ 外周部
２３ ガラス板（透明部材の一例）

Claims (6)

1. ゴム試験片が押し当てられる氷板をフレーム部材に固定してなるゴム摩擦試験用氷路面の製造方法であって、板状の第１の氷を前記フレーム部材に嵌め込む工程と、前記フレーム部材に水を供給する工程と、その水を凍結させて第２の氷を製氷し、前記第１の氷を前記フレーム部材に固定する工程とを備え、ゴム摩擦試験の評価に供される評価区間の表面を前記第１の氷により形成することを特徴とするゴム摩擦試験用氷路面の製造方法。
2. 前記フレーム部材は、表面に前記氷板が配置される路面部と、その路面部を取り囲む外周部とを有し、前記路面部のうち前記第２の氷を設ける部分が上げ底になっている請求項１に記載のゴム摩擦試験用氷路面の製造方法。
3. 前記路面部の長手方向の両端に前記上げ底が形成され、それらの間に前記第１の氷を配置する請求項２に記載のゴム摩擦試験用氷路面の製造方法。
4. 前記評価区間の裏面が透明部材または前記第１の氷により形成されている請求項１〜３いずれか１項に記載のゴム摩擦試験用氷路面の製造方法。
5. 前記第１の氷が純氷により形成されている請求項１〜４いずれか１項に記載のゴム摩擦試験用氷路面の製造方法。
6. 請求項１〜５いずれか１項に記載の方法により製造した氷路面にゴム試験片を押し当てて走行させるゴム摩擦試験方法。
   

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