(57)【要約】【課題】ゴムの疲労を加味して摩耗モードの再現性に優れたゴム摩耗試験方法を提供する。【解決手段】ゴム試験片１を第１の荷重で模擬路面２０に押し当てながら摩耗を生じない条件下で転動させ、その模擬路面２０の凹凸を入力することによりゴム試験片１を疲労させる疲労工程と、その疲労工程を経たゴム試験片１を第２の荷重で模擬路面２０に押し当てながら転動させることにより、ゴム試験片１を摩耗させる摩耗工程と、を含み、疲労工程と摩耗工程とで同一の模擬路面２０を使用する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ゴム試験片を第１の荷重で模擬路面に押し当てながら摩耗を生じない条件下で転動させ、その模擬路面の凹凸を入力することにより前記ゴム試験片を疲労させる疲労工程と、
前記疲労工程を経た前記ゴム試験片を第２の荷重で模擬路面に押し当てながら転動させることにより、前記ゴム試験片を摩耗させる摩耗工程と、を含み、
前記疲労工程と前記摩耗工程とで同一の模擬路面を使用するゴム摩耗試験方法。
【請求項２】
前記疲労工程では、前記ゴム試験片の表層部を薄手の保護シートで被覆することによって、或いは、前記第１の荷重を前記第２の荷重よりも小さくすることによって、前記ゴム試験片に摩耗が生じないようにする請求項１に記載のゴム摩耗試験方法。
【請求項３】
前記疲労工程と前記摩耗工程で使用する模擬路面がアスファルト路面により形成されている請求項１または２に記載のゴム摩耗試験方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ゴム材料の摩耗特性を評価するためのゴム摩耗試験方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
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摩耗特性を評価するため、屋内に設置される試験装置を用いて、テストコースや公道での実車走行を模擬する種々のゴム摩耗試験が実施されている。そのような試験では、実車走行での条件に近い摩耗モードを再現することが、評価精度を向上するうえで重要になる。
【０００３】
ところで、実車走行においては、路面の凹凸が入力されることによりゴムが疲労する過程と、路面との摩擦力によってゴムが摩耗する過程とがある。ゴムの疲労は、表層部の物理的・化学的な性質変化を伴い、破断強度などの物性低下を引き起こす。また、実車走行に使用したタイヤでは、環境の変化などの様々な外乱によってゴムの疲労が増大し、それによってゴム摩耗が促進される傾向にある。
【０００４】
このため、実車走行を模擬するゴム摩耗試験においても、疲労を加味して摩耗モードを再現することが有効と考えられる。しかしながら、従来の試験では、実車走行におけるシビアリティ（過酷度）が十分に考慮されておらず、ゴムの疲労が適切に加味されていなかったことから、摩耗モードの再現性に改善の余地があった。
【０００５】
下記特許文献１には、ゴム試験片を摩耗させる円盤状部材Ａと、ゴム試験片を疲労させる円盤状部材Ｂとを備え、それらを各々独立して制御する装置が開示されている。円盤状部材Ａには、研摩輪や粉砕石などの摩耗材として好適な材質が採用され、円盤状部材Ｂには、ステンレスやプラスチックなどの摩耗を生じない材質が採用される。このように摩耗時と疲労時とで模擬路面の性状が異なる場合には、実車走行での条件に近い摩耗モードを十分に再現できないと考察される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１１−１５３８６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、ゴムの疲労を加味して摩耗モードの再現性に優れたゴム摩耗試験方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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耗試験方法は、ゴム試験片を第１の荷重で模擬路面に押し当てながら摩耗を生じない条件下で転動させ、その模擬路面の凹凸を入力することにより前記ゴム試験片を疲労させる疲労工程と、前記疲労工程を経た前記ゴム試験片を第２の荷重で模擬路面に押し当てながら転動させることにより、前記ゴム試験片を摩耗させる摩耗工程と、を含み、前記疲労工程と前記摩耗工程とで同一の模擬路面を使用するものである。
【０００９】
このゴム摩耗試験方法では、疲労工程を経たゴム試験片を摩耗工程で使用することにより、ゴムの疲労を加味した摩耗モードを再現することができる。また、疲労工程がゴム試験片に摩耗を生じない条件下で行われることから、性状が変化したゴム試験片の表層部が疲労工程で摩滅することを避け、摩耗工程での正確な評価を確保できる。しかも、疲労工程と摩耗工程とで同一の模擬路面を使用し、実車走行での条件に近付けていることから、摩耗モードの再現性に優れたものとなる。
【００１０】
疲労工程と摩耗工程とで同一の模擬路面を使用することには、疲労工程で使用した模擬路面を引き続き摩耗工程で使用する場合に限られず、疲労工程で使用した模擬路面と実質的に同じ性状の別の模擬路面を摩耗工程で使用する場合も含まれる。例えば、アスファルト路面により形成された模擬路面を疲労工程で使用し、その模擬路面と性状（例えば、表面粗さ）が実質的に同じアスファルト路面により形成された別の模擬路面を摩耗工程で使用してもよい。
【００１１】
前記疲労工程では、前記ゴム試験片の表層部を薄手の保護シートで被覆することによって、或いは、前記第１の荷重を前記第２の荷重よりも小さくすることによって、前記ゴム試験片に摩耗が生じないようにすることができる。かかる方法によれば、疲労工程におけるゴム試験片の摩耗を簡易に防ぐことができ、摩耗工程での正確な評価を良好に確保できる。
【００１２】
前記疲労工程と前記摩耗工程で使用する模擬路面がアスファルト路面により形成されていると、模擬路面が実路面と実質的に同じ性状になるため、実車走行での条件に近付けて評価精度を効果的に高められる。かかる模擬路面は、例えば、ゴム試験片が押し当てられる表面に硬質な骨材を接着剤で固着させることにより形成できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】ゴム摩耗試験装置の一例を示す概略構成図
【図２】ゴム試験片に保護シートを装着したときの概略構成図
【図３】摩耗工程におけるゴム試験片の転動時間と摩耗量との関係を示すグラフ
【図４】図３のグラフの開始段階をクローズアップした図
【図５】ゴム摩耗試験装置の他の例を示す概略構成図
【発明を実施するための形態】
【００１４】
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。
【００１５】
図１には、本実施形態で使用されるゴム摩耗試験装置が概略的に示されている。この試験装置は、回転ドラム２の外周面を模擬路面２０とし、その上でゴム試験片１を転動させる機構になっている。ゴム試験片１は、円柱状のゴム材により形成されているが、円盤状など他の形状のゴム材でもよく、リム組みした空気入りタイヤなどのタイヤ製品自体をゴム試験片として使用することも可能である。
【００１６】
互いに平行に配置された回転軸１１，２１には、サーボモータなどの回転駆動部が連結され、ゴム試験片１及び回転ドラム２は相互に独立して回転する。また、公知のアクチュエータ機構によって、回転軸１１と回転軸２１との間隔を調整可能であり、ゴム試験片１を所望の荷重で模擬路面２０に押し当てることができる。図示していないが、この試験装置は、ゴム試験片１に作用する荷重や前後力、横力などを検出するための検出器や、回転軸１１，２１の作動を制御するための制御部を備える。
【００１７】
実車走行での条件に近付けるべく、模擬路面２０はアスファルト路面により形成されている。模擬路面は、目的に応じてコンクリート路面により形成してもよく、湿潤状態にすることも可能である。上記以外であっても、回転ドラム２の外周面に骨材を敷き詰めたり、或いは溶射などの表面処理を施したりすることで、模擬路面２０を実路面の性状（例えば、表面粗さ）に近付けることが望ましい。
【００１８】
本実施形態では、ゴム試験片１を摩耗させる摩耗工程の前に、ゴム試験片１を疲労させる疲労工程を備える。疲労工程では、ゴム試験片１を第１の荷重で模擬路面２０に押し当てながら摩耗を生じない条件下で転動させ、その模擬路面２０の凹凸を入力することによりゴム試験片１を疲労させる。ゴム試験片１の表層部では、圧縮方向の繰り返し入力に伴う歪みによって性状が変化し、破断強度などの物性が低下する。実車走行での条件に近付けて摩耗特性の評価精度を向上するうえでは、このような疲労による性状変化を加味する必要がある。
【００１９】
上述のように、疲労工程では、摩耗を生じない条件下でゴム試験片１を転動させる。これは、疲労工程でゴム試験片１の表層部を摩滅させると、摩耗工程での評価に影響を及ぼす場合があるためである。摩耗を生じない条件の一例としては、第１の荷重が第２の荷重よりも小さく設定され、例えば第１の荷重が第２の荷重の８０％以下に設定されていることが挙げられる。第２の荷重は、後述するように、摩耗工程においてゴム試験片１を模擬路面２０に押し当てるときの荷重である。
【００２０】
摩耗を生じない条件の他の例としては、図２のように、ゴム試験片１の表層部が薄手の保護シート３で被覆されていることが挙げられる。本実施形態の保護シート３はゴムで形成され、ゴム試験片１を摩耗させずに疲労させるうえで、その厚みは０．３〜１．０ｍｍであることが好ましい。保護シート３を利用する場合には、第１の荷重を第２の荷重よりも高く設定し、例えば第１の荷重を第２の荷重の８０〜１２０％に設定することが好ましい。これにより、ゴム試験片１に対する入力の減少が補われ、試験時間を短縮できて都合がよい。
【００２１】
摩耗を生じない条件の更なる他の例としては、前後力（図１の上下方向に沿った力）や横力（回転軸１１の軸方向に沿った力）といった剪断方向の力を、第１の荷重の０．０５倍未満とすることが挙げられる。このように剪断方向の力を小さくすることで、ゴム試験片１の表層部の実質的な摩耗を防止できる。上記の如き荷重設定や保護シートによる手法との併用も可能である。凹凸のある模擬路面２０を使用するため、微視的にみれば、微小な凸部や凹部の各々でゴムに剪断力が作用するものの、そのような剪断力は、上記の剪断方向の力には含まれないものとする。
【００２２】
上記において、剪断方向の力を０に近付けるためには、スリップ率やスリップ角、キャンバー角のいずれも付与せずにゴム試験片１を転動させることが好ましい。一方で、条件によっては、剪断方向の力を小さくするためにスリップ率などを付与することも考えられる。特にゴム試験片が空気入りタイヤであると、転がり抵抗により制動力が発生し、それに伴って前後力や横力を生じることがあるため、かかる場合には、その前後力や横力を相殺しうる方向にスリップ率などを付与し、そのうえでゴム試験片１を転動させればよい。
【００２３】
疲労工程では、実車走行に基づいて事前に設定した試験条件に従ってゴム試験片１を疲労させることが好ましい。即ち、疲労工程の前に、実車走行に基づいて疲労工程の試験条件を設定する工程を備えることが好ましい。疲労工程での試験条件には、ゴム試験片１に対する入力の大きさ（第１の荷重）と、その入力の繰り返し回数（転動時間）が含まれる。疲労工程において雰囲気温度による熱履歴をゴム試験片１に与える場合には、試験条件に雰囲気温度を含めてもよい。
【００２４】
実車走行に基づいて疲労工程の試験条件を設定する工程では、実車走行での路面からの入力を、試験や実験、またはシミュレーションにより予測ないし推定する。疲労工程では、その実車走行における入力と大きさや繰り返し回数が同等の入力をゴム試験片に付与する。実車走行に基づいて疲労工程の試験条件を設定する際の具体的な方法としては、以下に説明する方法が挙げられる。
【００２５】
例えば、実車走行におけるゴムの物性変化を測定し、疲労工程で同等の物性変化を生じさせる条件を採用する手法が考えられる。即ち、実車走行の実施によりゴムの表層部では物性低下が生じるため、模擬路面での走行において、それと同等の物性低下が生じる条件を見つけ出す手法である。測定する物性としては、破断強度または破断伸びが挙げられ、これらはＪＩＳＫ６２５１に準じて引張試験を実施することにより測定できる。
【００２６】
具体的には、まず、実車走行を実施したタイヤの表層部からゴム片を切り出し、その物性を測定する。また、模擬路面を使用して実車走行に近い雰囲気温度で且つ摩耗させない条件でゴム試験片を転動させ、その際の荷重や転動時間などを適宜に変更する。例えば、荷重を一定とし、ゴム試験片の回転数を０〜１００万回転まで変更する。そして、各々のゴム試験片の表層部からゴム片を切り出し、その物性を測定して、実車走行の物性と一致する条件を疲労工程の試験条件とする。
【００２７】
他の例として、コンピュータを用いたシミュレーションにより、実車走行における路面からの入力による最大歪みと、疲労工程での模擬路面からの入力による最大歪みとが一致するように条件を設定する手法が考えられる。具体的には、まず、試験対象となるゴム試験片の評価厚みｗ（例えば、０．２〜１ｍｍ）を決定する。また、実車走行における代表路面形状（路面入力が大きく支配的な路面を１点〜数点）から有限要素モデルを作成するとともに、タイヤについても有限要素モデルを作成する。
【００２８】
次に、走行時の接触圧力を考慮した接触解析を実施し、タイヤのトレッドゴムへの入力（歪みの入力分布）を求める。疲労工程で用いる模擬路面とゴム試験片についても有限要素モデルを作成し、荷重などを変化させて有限要素モデルによる接触解析を実施し、ゴム試験片に対する入力を求める。また、評価厚みｗでの最大歪みレベルが同等となるような路面と荷重条件を決定する。その一方で、実際のタイヤでの評価厚みｗあたりの走行距離と、その走行距離におけるタイヤ転動回数Ｎを求めておく。
【００２９】
そして、実路面での接触解析結果について、接地面からｗの内部断面において、最大歪みに対して０．９倍以上の歪みが生じている領域（即ち、歪みの最大値を１００としたときに９０〜１００の歪みを持つ領域）の面積を求め、その面積について全体の断面積に対する面積比率Ｓｒを求める。また、模擬路面での接触解析結果についても、接地面からｗの内部断面において、最大歪みに対して０．９倍以上の歪みが生じている領域の面積を求め、その面積について全体の断面積に対する面積比率Ｓｔを求める。そして、それらの比Ｓｒ／ＳｔにＮを掛け合わせた回転数を算出し、疲労工程の試験条件とする。
【００３０】
以上のようにして疲労工程を実施した後、摩耗工程を実施する。摩耗工程では、疲労工程を経たゴム試験片１を第２の荷重で模擬路面２０に押し当てながら転動させることにより、ゴム試験片１を摩耗させる。ゴム試験片１の表層部は疲労工程によって性状が変化しており、実車走行でのゴム疲労による性状変化が再現されるので、摩耗特性を正確に評価することができる。
【００３１】
摩耗工程では、摩耗を生じる条件下でゴム試験片１を転動させる。それ故、模擬路面２０上を転動するゴム試験片１に対して、第２の荷重による圧縮方向の入力とともに、剪断方向の力を入力しても構わない。剪断方向の力は、例えば、スリップ率、スリップ角及びキャンバー角の少なくとも１つを付与することにより入力できる。摩耗工程は、実車走行におけるシビアリティ（走行過酷度）を考慮して実施することが好ましく、それに応じて剪断方向の力を設定すればよい。
【００３２】
摩耗工程では、疲労工程と同一の模擬路面を使用する。本実施形態では、疲労工程で使用した模擬路面２０を引き続き摩耗工程でも使用する。但し、これに限定されず、疲労工程で使用した模擬路面２０と実質的に同じ性状（例えば、表面粗さ）の別の模擬路面を使用しても構わない。これにより、実車走行での条件に近い摩耗モードを再現するのに役立てられる。
【００３３】
疲労工程にて模擬路面２０の凹凸がゴム試験片１に適切に入力されるよう、模擬路面２０では、突起平均幅が２〜３０ｍｍ、突起平均高さが２〜３０ｍｍであることが好ましい。突起平均幅は、路面上の突起の平面視における最大幅（最大径）であって、無作為に抽出した１０個の突起についての平均値である。突起平均高さは、突起のベース面からの突出高さであって、無作為に抽出した１０個の突起についての平均値である。
【００３４】
図３は、摩耗工程におけるゴム試験片の摩耗量の推移を予想したグラフであり、図４では、その開始段階をクローズアップしている。説明の都合上、図４では、横軸と縦軸の縮尺を図３とは異ならせている。各例における仕様は、表１に示す通りである。実車試験例は、実車走行を実施したタイヤのトレッドゴムにおける結果である。比較例１，２及び実施例１，２は、いずれもゴム試験片を使用したラボ試験の結果であり、疲労工程の方式と模擬路面の種類を除いて、それらの試験条件は共通である。
【００３５】
【表１】
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【００３６】
実車試験例と比較例２では、疲労工程を実施していない。比較例１と実施例１では、それぞれ疲労工程の荷重（第１の荷重）を摩耗工程の荷重（第２の荷重）よりも小さく設定することで、疲労工程におけるゴム試験片に摩耗が生じないようにしてある。実施例２では、ゴム試験片の表層部を薄手の保護シートで被覆することによって、疲労工程におけるゴム試験片に摩耗が生じないようにしてある。
【００３７】
図３のように、各例に共通する傾向として、摩耗工程を開始した直後は、ゴムが疲労しながら摩耗していくために摩耗速度が速く、やがて疲労が終息状態になると摩耗速度が緩やかになる。実車試験例と比較例２では、ゴムの疲労と摩耗が同時に開始するために摩耗量が直線的に推移し、図４のように他の例で見られる変曲点（傾きが変化する点）が、これらに見られない。
【００３８】
疲労工程を経た比較例１と実施例１，２では、図４のように摩耗工程の開始直後の摩耗速度が相対的に速く、それでいて摩耗速度が途中で変化する変曲点が見られる。これは、予め疲労させたゴムの表層部が優先的に摩耗し、その表層部が摩耗してから、疲労していない（路面の凹凸の入力を受けていない）部分が摩耗することに起因する。
【００３９】
比較例１では、疲労工程と摩耗工程とで異なる模擬路面を使用しており、研摩布ではゴムの疲労が殆ど付与されないため、変曲点後の摩耗量の傾きが実車試験例の結果と異なる。また、実車走行によるゴムの疲労は、ラボ試験での摩耗工程のみでは十分に再現されないため、疲労工程を経ていない比較例２では、開始段階における摩耗速度が実車試験例よりも遅い。その結果、図３のように、比較例１，２では、摩耗が進行した段階において、実車試験例に対する摩耗量の差が比較的に大きい。
【００４０】
これに対し、実施例１，２では、摩耗工程の開始直後の摩耗速度が速く、変曲点後は摩耗と疲労が同時に進行することから、変曲点後の摩耗量の傾きは実車試験例に近い。その結果、図３のように、実施例１，２では、摩耗が進行した段階において、実車試験例に対する摩耗量の差が比較例１，２よりも小さい。実施例１，２によれば、ゴムの疲労を前以て十分に付与していることで、実車走行による摩耗試験と同等の結果が得られ、実路面の影響を再現した摩耗特性の評価が可能となる。
【００４１】
実施例１，２によれば、ゴムの疲労の受けやすさも評価できる。そのための指標としては、疲労層（表層部で疲労している領域）の厚みが挙げられる。疲労層の厚みは、例えば、疲労工程後の摩耗工程において、摩耗量を一定時間ずつ測定し、変曲点が出現するまでの摩耗量の合計質量を算出して、それをゴム試験片の厚みに換算することで測定できる。もしくは、疲労工程後に摩耗工程を実施したときの摩耗量と、疲労工程を経ずに同じ条件で摩耗工程を実施したときの摩耗量を測定し、それらの比を、疲労の受けやすさの指標とすることも考えられる。
【００４２】
本実施形態では、いわゆるランボーン式の試験装置を使用した例を示したが、これに代えてターンテーブル式の試験装置を使用しても構わない。図５に示すように、ターンテーブル式では、回転するターンテーブル７の台上を模擬路面７０とし、その上でゴム試験片１を転動させる。
【００４３】
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り、装置の構成や制御内容などは適宜に変更することが可能である。
【符号の説明】
【００４４】
１    ゴム試験片
２    回転ドラム
３    保護シート
１１  回転軸
２０  模擬路面
２１  回転軸
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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