JP6794684B2

JP6794684B2 - ゴムの耐摩耗性評価方法

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Publication number: JP6794684B2
Application number: JP2016137238A
Authority: JP
Inventors: 剛侯; 畑中　進; 畑中　　進
Original assignee: Yokohama Rubber Co Ltd
Current assignee: Yokohama Rubber Co Ltd
Priority date: 2016-07-12
Filing date: 2016-07-12
Publication date: 2020-12-02
Anticipated expiration: 2036-07-12
Also published as: CN109154547A; WO2018012023A1; DE112017003531T5; JP2018009822A; AU2017296469B2; US10989641B2; CN109154547B; AU2017296469A1; US20190310175A1

Description

本発明は、ゴムの耐摩耗性評価方法に関し、さらに詳しくは、信頼性の高い評価をすることが可能なゴムの耐摩耗性評価方法に関するものである。

従来、ゴムの耐摩耗性を評価する試験機として、ＤＩＮ摩耗試験機やウィリアムス摩耗試験機が知られている。これら摩耗試験機は、基本的に試験によるゴムの摩耗量に基づいて耐摩耗性を評価する。

ゴムの耐摩耗性を評価する他の方法としては、例えば、タイヤのトレッドゴムを評価するために、回転する砥石の周面に、回転するゴム試験片の周面を押圧してゴム試験片を摩耗させる方法が提案されている（特許文献１参照）。この提案の方法では、試験片を回転させるトルクを所望のパターンに変化させる等、実際のタイヤに近似した条件で試験が実施できるようにしている。

しかしながら、従来の評価方法は、摩耗量という１つの評価項目だけに注目して耐摩耗性を評価するため、単独の評価項目だけでは、ゴムの耐摩耗性を十分に評価できないことがある。それ故、より信頼性の高い評価をするには改善の余地がある。

特開２００８−１８５４７５号公報

本発明の目的は、信頼性の高い評価をすることが可能なゴムの耐摩耗性評価方法を提供することにある。

上記目的を達成するため本発明のゴムの耐摩耗性評価方法は、ゴムの試験サンプルに対して、駆動モータにより回転する回転体の円周面に向かう付加力を付与することにより、前記試験サンプルを所定の定位置で前記円周面に圧着しつつ、前記試験サンプルを前記付加力とは反対方向への移動を常に許容した状態で保持して、前記試験サンプルの前記円周面との接触面を摩耗させる摩耗試験を行い、前記試験サンプルの摩耗量に加えて、前記摩耗試験中の前記駆動モータの回転駆動に要する電力および前記試験サンプルの温度の２項目うちの少なくとも前記電力に基づいて、前記試験サンプルの耐摩耗性を評価し、前記電力の変動に基づいて、前記試験サンプルに生じるスティック・スリップ現象の発生周期を算出し、この周期の大きさに基づいて前記試験サンプルの耐摩耗性を評価することを特徴とする。

本発明によれば、上記の摩耗試験を行って試験サンプルの耐摩耗性を評価する際には、前記試験サンプルの摩耗量だけでなく、前記摩耗試験中の前記駆動モータの回転駆動に要する電力および前記摩耗試験中の前記試験サンプルの温度の２項目うちの少なくとも前記電力に基づく評価指標を用いるので、摩耗量のデータに偏重しない信頼性の高い評価をすることが可能になる。

本発明によるゴムの耐摩耗性を評価するために用いる試験装置を正面視で例示する説明図である。図１の試験装置の一部を平面視で例示する説明図である。スティック・スリップ現象を例示する説明図である。回転体の円周面の周速がある所定速度の場合の試験サンプルの摩耗量と付加力との関係を例示するグラフ図である。円周面の周速を図３の３倍にした場合の摩耗量と付加力との関係を例示するグラフ図である。摩耗量と見かけの摩擦エネルギとの関係を例示するグラフ図である。円周面の周速と駆動モータの電力および試験サンプルの動摩擦係数との関係を例示するグラフ図である。駆動モータの電力の変動を例示するグラフ図である。試験サンプルの温度変化を例示するグラフ図である。

以下、本発明のゴムの耐摩耗性評価方法を、図に示した実施形態に基づいて説明する。

本発明では、図１〜図２に例示する試験装置１を使用する。この試験装置１は、試験対象とするゴムの試験サンプルＳは環状体ではなく、ブロック状などの塊を用いる。この試験装置１は、試験サンプルＳを保持する保持部３と、回転体４と、回転体４を回転駆動する駆動モータ５と、圧着機構１０とを備えている。さらに、この試験装置１は、動力計６ａ、温度センサ６ｂ、カメラ６ｃ、制御部７、温調機構８およびスクレーパ１６を備えていて、動力計６ａおよび制御部７を除く構成部品がベース２の上に設置されたケーシング２ａによって覆われている。

保持部３は試験サンプルＳを着脱自在に保持する。保持部３は単数に限らず、複数設けることもできる。

回転体４は、円柱状または円筒状の研磨輪であり、試験サンプルＳが接触する円周面４ａを有している。円周面４ａが試験サンプルＳに対する研磨面となる。回転体４は、その円中心に設けられている回転軸４ｂを中心にして回転可能になっている。

円周面４ａの材質や表面粗さ等は、試験条件によって適切な仕様が選択される。例えば、円周面４ａの仕様が異なる複数の回転体４を用意しておき、必要な円周面４ａの仕様に応じて回転体４を交換する構成にする。或いは、円周面４ａのみ交換可能な回転体４にすることもできる。この場合は、必要な仕様の円周面４ａを回転体４のコアに装着する。

駆動モータ５は制御部７に接続されている。制御部７によって回転体４（回転軸４ｂ）の回転速度が所望の速度に制御される。回転体４の外径は既知なので、制御部７では円周面４ａの周速Ｖが算出される。この実施形態では、動力計６ａを介して駆動モータ５と制御部７とが接続されている。動力計６ａは回転体４の回転駆動に要する駆動モータ５の電力Ｗを計測する。動力計６ａによる計測データは制御部７に入力、記憶される。

圧着機構１０は、保持部３に保持されている試験サンプルＳに対して、円周面４ａに向けた付加力Ｆを付与する。これにより、保持部３に保持されている試験サンプルＳを、回転駆動されている回転体４に対して所定の定位置で円周面４ａに圧着させる。圧着機構１０はさらに、付加力Ｆと反対方向への試験サンプルＳの移動を常に許容する構成になっている。

具体的には、この実施形態の圧着機構１０は、保持部３が連結されたＬ字状の保持アーム１１ａと、保持アーム１１ａに一端が接続されたワイヤ１２と、このワイヤ１２の他端に接続された錘１５とで構成されている。回転体４の回転軸４ｂと平行に配置されている支持軸１４が、ベース２に立設されている支柱１１を貫通して回転自在に支持されている。この支持軸１４の一端部に保持アーム１１ａが固定され、他端部にはバランサー１３が固定されている。

錘１５の重量が、ワイヤ１２を介して保持アーム１１ａに作用する。そのため、ワイヤ１２の張力によって、保持アーム１１ａと一体化している保持部３は、試験サンプルＳとともに、支持軸１４を中心にして回転する。即ち、錘１５の重量が保持部３に保持されている試験サンプルＳに作用して、試験サンプルＳに対して円周面４ａに向けた付加力Ｆを付与する。

付加力Ｆの大きさは、錘１５の重量を変更することで容易に変えることができる。或いは、保持アーム１１ａに対するワイヤ１２の接続位置と支持軸１４との水平距離や、バランサー１３の重量を変更することで付加力Ｆの大きさを変更することもできる。また、錘１５を取り除いた状態で付加力Ｆがゼロとなるようにバランサー１３を設置することもできる。例えば、錘１５を取り除いた状態の圧着機構１０の自重を打ち消して付加力Ｆがゼロとなるように、バランサー１３の重量と支持軸１４からの距離を選択する。錘１５を取り除いた状態で付加力Ｆがゼロとなるようにバランサー１３を設置し、且つ、試験サンプルＳと支持軸１４との距離と、保持アーム１１ａに対するワイヤ１２の接続位置と支持軸１４との距離とを等しくすることにより、錘１５の重量と付加力Ｆとを等しくすることができる。

円周面４ａに対向する試験サンプルＳの表面は、常に一定の大きさの付加力Ｆ（規定荷重）によって円周面４ａに押圧されて接触した状態になる。付加力Ｆの向きは、回転体４の回転中心（回転軸４ｂ）に向かう方向にすることが好ましい。この方向にすることで、付加力Ｆによって試験サンプルＳを安定して円周面４ａに押圧して接触させることができる。支持軸１４を中心とした保持アーム１１ａの回転を円滑にするために、例えばベアリングを介して支持軸１４を支柱１１で支持するとよい。

ここで、試験サンプルＳは、錘１５の重量に基づいて円周面４ａに向かって押圧されているだけである。そのため、保持アーム１１ａが支持軸１４を中心に回転することで、試験サンプルＳは付加力Ｆと反対方向に常時、移動が可能になっている。これに伴い、試験サンプルＳに対して付加力Ｆと反対方向の力が作用すれば、試験サンプルＳは円周面４ａから離反する方向に移動することが可能である。

圧着機構１０は、この実施形態に例示した構成に限定されない。圧着機構１０は、保持部３に保持されている試験サンプルＳに対して、円周面４ａに向けた付加力Ｆを付与して所定の定位置で円周面４ａに圧着させるとともに、付加力Ｆと反対方向への試験サンプルＳの移動を常に許容する構成であれば、様々な構成を採用することができる。

この実施形態では、試験サンプルＳが回転軸４ｂと同じ水平レベル位置で円周面４ａに接触しているが、試験サンプルＳが円周面４ａに接触する位置（回転体４の周方向位置）はこれに限らない。例えば、回転軸４ｂの上方の位置で試験サンプルＳが円周面４ａに接触する構成にすることもできる。このように試験サンプルＳを円周面４ａに圧着させる所定の定位置は、適宜設定することができる。

温度センサ６ｂは、試験サンプルＳの温度Ｔを検知する。温度センサ６ｂによる検知データは、制御部７に入力、記憶される。カメラ６ｃは、試験サンプルＳの動きを撮影し、撮影した動画データは、制御部７に入力、記憶される。

温調機構８は、試験サンプルＳを所望の温度に調整する。この実施形態では、動力計６ａおよび制御部７を除く、多くの部材（部品）が、ベース２の上に設置されたケーシング２ｂによって覆われている。温調機構８はケーシング２ｂの上面に備わっている。温調機構８によってケーシング２ｂの内部温度を所定温度に調整することで、間接的に試験サンプルＳの温度Ｔが調整される。

温調機構８は制御部７によって制御される。試験サンプルＳを直接加温するヒータや、直接冷却する冷却器を温調機構８として採用することもできる。

スクレーパ１６は例えばブラシ状であり、円周面４ａに接触している。回転体４が回転することにより、円周面４ａに付着している試験サンプルＳの摩耗くず等は、スクレーパ１６によって除去される。そのため、円周面４ａを常に一定の表面粗さに維持し易くなるため、試験サンプルＳのゴムの摩耗状態を精度よく把握するには有利になっている。

以下、この試験装置１を用いた本発明の評価方法を説明する。

図１、２に例示するように、保持部３には試験サンプルＳを保持させる。円周面４ａは所望の仕様に設定する。例えば、試験サンプルＳとしてコンベヤベルトの上カバーゴム１７ａを評価する場合には、そのコンベヤベルトによって搬送する搬送物２０の形状等に整合する表面粗さの円周面４ａを用いる。また、試験サンプルＳに所望の付加力Ｆが付与されるように錘１５の重量を設定し、設定した所望の速度で回転体４を回転させる。また、温調機構８を作動させて試験サンプルＳを所望の温度に設定する。これらの設定は例えば、試験サンプルＳのゴムが実使用される条件に合致するように行われる。

このように設定した摩耗試験装置１では、図１に例示するように試験サンプルＳには、回転する回転体４の円周面４ａに向けた付加力Ｆが付与される。試験サンプルＳは回転体４に対して所定の定位置で、付加力Ｆによって円周面４ａに押圧されて接触する。回転体４は回転しているため、試験サンプルＳと円周面４ａとは摺動状態となり、試験サンプルＳの円周面４ａとの接触面は徐々に摩耗する。

一般に、対象物とゴムとが接触状態で相対移動して、ゴムに対して対象物が摺動している場合、両者は常に一様に接触している訳ではなく、いわゆるスティック・スリップ現象が生じている。スティック・スリップ現象では、ゴムが対象物から受ける力（摩擦力）に対抗して弾性変形する工程（粘り工程）と、この摩擦力に対抗できずに弾性変形が解消されて対象物に対してゴムが滑る工程（滑り工程）とを繰り返す。

この粘り工程と滑り工程とを繰り返すことにより、図３に例示するように、対象物が摺動するゴムＲの表面には、摺動方向ＦＤに所定のピッチＰで摩耗の筋Ｌが形成される。このピッチＰは滑り工程に対応し、摩耗の筋Ｌは粘り工程に対応する。

この試験装置１では、試験サンプルＳは付加力Ｆと反対方向への移動が常に許容されているため、円周面４ａで摺動している試験サンプルＳでは、粘り工程と、滑り工程とを繰り返すことができる。即ち、スティック・スリップ現象を再現することが可能になっている。それ故、実使用に合致したゴムの摩耗状態を、より高精度で把握することが可能になる。例えば、コンベヤベルトの上カバーゴムの摩耗状態を精度よく把握できる。

本発明の評価方法では、上記のように試験サンプルＳの摩耗試験を所定時間行い、試験サンプルＳの摩耗量Ｄに基づいて試験サンプルＳのゴムの耐摩耗性を評価する。さらには、この摩耗試験中の駆動モータ５の回転駆動に要する電力Ｗおよび試験サンプルＳの温度Ｔの２項目うちの少なくとも電力Ｗに基づいて、試験サンプルＳの耐摩耗性を評価する。

摩耗量Ｄに基づいた評価としては、例えば、付加力Ｆおよび周速Ｖを異ならせて摩耗試験を行って摩耗量Ｄを測定する。これにより、図４、５に例示するデータが得られる。図４は、ゴム種の異なる複数の試験サンプルＳ（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３）について、周速Ｖがある所定速度の場合の摩耗量Ｄと付加力Ｆとの関係を例示している。図５は、図４の場合に対して、周速Ｖを３倍にしたことのみを異ならせて摩耗試験を行った場合の摩耗量Ｄと付加力Ｆとの関係を示している。

試験サンプルＳ１はＮＲリッチ配合のゴム、Ｓ２はＳＢＲリッチ配合のゴム、Ｓ３はＢＲリッチ配合のゴムである。図４、５では摩耗量Ｄはある基準値で除した指数で示している。

図４、５のデータにより、いずれの試験サンプルＳも、付加力Ｆ、周速Ｖが増大すると摩耗量Ｄが多くなることが分かる。また、試験サンプルＳによってデータの傾きが異なっているので、ゴム種によって摩耗量Ｄに対する付加力Ｆ、周速Ｖの影響度が異なることが分かる。

試験サンプルＳが付加力Ｆで周速Ｖの円周面４ａに押圧されている場合の見かけの摩擦エネルギＥ１は、付加力Ｆ×周速Ｖ（Ｅ１＝Ｆ×Ｖ）とみなして算出することができる。そこで例えば、制御部７によって、それぞれの試験サンプルＳの見かけの摩擦エネルギＥ１を算出することで、図６に例示する見かけの摩擦エネルギＥ１と摩耗量Ｄとの関係を取得できる。図６のデータにより、ゴム種毎に、見かけの摩擦エネルギＥ１と摩耗量Ｄとの関係を把握することができる。

摩耗試験中の電力Ｗに基づく評価としては、例えば、動力計６ａが検知した電力Ｗに基づいて、試験サンプルＳの円周面４ａに対する摩擦力Ｆｆを算出する。そして、算出した摩擦力Ｆｆの大きさを用いて耐摩耗性を評価する。

具体的には、試験サンプルＳを回転体４の円周面４ａに接触させた場合と、接触させない場合とで、回転体４を所定速度で回転駆動させる際に要するエネルギを比較し、両者の差が試験サンプルＳと円周面４ａとの摩擦によって生じている摩擦エネルギＥ２として算出できる。単位時間当たりの摩擦エネルギＥ２は、Ｅ２＝摩擦力Ｆｆ×周速Ｖとして考えられるので、摩擦力Ｆｆ＝Ｅ２／周速Ｖとなる。これにより、試験サンプルＳの動摩擦係数μを、μ＝摩擦力Ｆｆ／付加力Ｆとして算出できる。

図７では、それぞれの試験サンプルＳ１、Ｓ２、Ｓ３について、周速Ｖと電力Ｗの関係を実線で示し、周速Ｖと動摩擦係数μとの関係を一点鎖線で示している。図７のデータにより、ゴム種毎の摩耗特性を把握することができる。

摩耗試験中の電力Ｗの変動に基づいて、試験サンプルＳに生じるスティック・スリップ現象の発生周期ｆを算出することもできる。図８に、試験サンプルＳ１の摩耗試験中に動力計６ａにより計測した電力Ｗの経時変化を例示する。スティック・スリップ現象の粘り工程では電力Ｗが相対的に大きくなり、滑り工程では相対的に小さくなると考えられる。そのため、図８のデータのそれぞれのピークどうしの間隔が発生周期ｆになる。この摩耗試験での周速Ｖは既知なので、図３に例示した摩耗の筋Ｌが形成される所定ピッチＰは、Ｐ＝周速Ｖ／発生周期ｆとして算出できる。

この発生周期ｆ（所定ピッチＰ）はゴム種によって異なる。また、発生周期ｆ（所定ピッチＰ）の違いによって摩耗モードには違いが生じるため、ゴムの耐摩耗性を評価する１つの指標になる。

この試験装置１では、カメラ６ｃによって試験サンプルＳの動きを撮影することで、スティック・スリップ現象における試験サンプルＳの挙動を確認することができる。スティック・スリップ現象の発生周期ｆは例えば０．０１秒〜０．０３秒程度である。したがって、１秒で１００コマ以上の撮影ができる高速度のカメラ６ｃを用いるとよい。

また、カメラ６ｃの撮影データにより、試験サンプルＳの押圧方向の変形量を把握することもできる。したがって、試験サンプルＳの変形量と付加力Ｆとの関係、この変形量と摩擦力Ｆｆとの関係を把握することも可能になる。

摩耗試験中の試験サンプルＳの温度Ｔに基づく評価としては、例えば、温度センサ６ｂにより検知した温度Ｔに基づいて、試験サンプルＳが摩耗する際の熱エネルギＥ３を算出する。そして、算出した熱エネルギＥ３の大きさにより耐摩耗性を評価する。

図９は、試験サンプルＳ１、Ｓ２、Ｓ３について、同条件の摩耗試験での温度Ｔの経時変化を例示している。熱エネルギＥ３は、温度上昇した試験サンプルＳの質量ｍ、比熱ｃ、上昇温度△Ｔとすれば、Ｅ３＝ｍ×ｃ×△Ｔとなるので、例えば、制御部７により熱エネルギＥ３を算出することができる。

ゴム種によって熱エネルギＥ３の大きさは異なる。そして、ゴム種毎に耐摩耗性の温度依存性も異なるため、ゴム種毎に熱エネルギＥ３を把握することで、各ゴム種の耐摩耗性を精度よく評価するには有利になる。また、損失係数（ｔａｎδ）、貯蔵弾性率（Ｅ’）、損失弾性率（Ｅ’’）などで規定されるゴムの粘弾性が小さい程、熱エネルギＥ２が小さい傾向があるので、ゴムの粘弾性と耐摩耗性の関係を把握することもできる。

上述したように、本発明では所定の摩耗試験を行って、試験サンプルＳの耐摩耗性を評価する際には、摩耗量Ｄだけでなく、上述した電力Ｗおよび試験サンプルＳの温度Ｔの２項目うちの少なくとも１項目に基づいた評価指標を用いる。そのため、それぞれの評価指標による評価結果の整合性を確認することができる。これにより、摩耗量Ｄのデータに偏重しない信頼性の高い評価が可能になる。摩耗量Ｄに加えて、電力Ｗおよび試験サンプルＳの温度Ｔの３項目に基づいてゴムの耐摩耗性を評価してもよい。

１試験装置
２ベース
３保持部
４回転体
４ａ円周面
４ｂ回転軸
５駆動モータ
６ａ動力計
６ｂ温度センサ
６ｃカメラ
７制御部
８温調機構
９投入機構
１０圧着機構
１１支柱
１１ａ保持アーム
１２ワイヤ
１３バランサー
１４支持軸
１５錘
１６スクレーパ
Ｓ（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３）試験サンプル

Claims

ゴムの試験サンプルに対して、駆動モータにより回転する回転体の円周面に向かう付加力を付与することにより、前記試験サンプルを所定の定位置で前記円周面に圧着しつつ、前記試験サンプルを前記付加力とは反対方向への移動を常に許容した状態で保持して、前記試験サンプルの前記円周面との接触面を摩耗させる摩耗試験を行い、前記試験サンプルの摩耗量に加えて、前記摩耗試験中の前記駆動モータの回転駆動に要する電力および前記試験サンプルの温度の２項目うちの少なくとも前記電力に基づいて、前記試験サンプルの耐摩耗性を評価し、前記電力の変動に基づいて、前記試験サンプルに生じるスティック・スリップ現象の発生周期を算出し、この周期の大きさに基づいて前記試験サンプルの耐摩耗性を評価することを特徴とするゴムの耐摩耗性評価方法。
前記摩耗量と前記付加力の大きさおよび前記円周面の周速に基づいて、前記試験サンプルの耐摩耗性を評価する請求項１に記載のゴムの耐摩耗性評価方法。
前記電力に基づいて、前記試験サンプルの前記円周面に対する摩擦力を算出し、この摩擦力の大きさに基づいて前記試験サンプルの耐摩耗性を評価する請求項１または請求項２に記載のゴムの耐摩耗性評価方法。
前記温度に基づいて、前記試験サンプルが摩耗する際の熱エネルギを算出し、この熱エネルギの大きさに基づいて前記試験サンプルの耐摩耗性を評価する請求項１〜３のいずれかに記載のゴムの耐摩耗性評価方法。