(57)【要約】【課題】弾性材料の耐摩耗性能を精密かつ迅速に評価しうる耐摩耗性能評価方法を提供する。【解決手段】 耐摩耗性能評価方法は、弾性材料からなる円周面を有する試験片を準備する第１工程Ｓ１と、円周面を疑似路面に予め定められた基準荷重Ｎ0で押し付ける第２工程Ｓ２と、試験片を疑似路面上を走行させて、試験片の基準摩耗量Ｗ（Ｎ0）を測定する第３工程Ｓ３と、基準荷重Ｎ0とは異なる任意の荷重Ｎを設定する第４工程Ｓ４と、荷重Ｎと基準荷重Ｎ0との比Ｎ／Ｎ0の累乗根及び基準摩耗量Ｗ（Ｎ0）を用いて、試験片を荷重Ｎで疑似路面上を走行させたときの試験片の摩耗量Ｗ（Ｎ）を推定する第５工程Ｓ５とを含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ゴム又はエラストマーを含む弾性材料の耐摩耗性能を評価する方法であって、
前記弾性材料からなる円周面を有する試験片を準備する第１工程と、
前記円周面を疑似路面に予め定められた基準荷重Ｎ0で押し付ける第２工程と、
前記試験片を前記疑似路面上を走行させて、前記試験片の基準摩耗量Ｗ（Ｎ0）を測定する第３工程と、
前記基準荷重Ｎ0とは異なる任意の荷重Ｎを設定する第４工程と、
前記荷重Ｎと前記基準荷重Ｎ0との比Ｎ／Ｎ0の累乗根及び前記基準摩耗量Ｗ（Ｎ0）を用いて、前記試験片を前記荷重Ｎで前記疑似路面上を走行させたときの前記試験片の摩耗量Ｗ（Ｎ）を推定する第５工程とを含むことを特徴とする耐摩耗性能評価方法。
【請求項２】
前記試験片は、円筒状であり、
前記第５工程では、下記式（１）によって前記試験片の摩耗量Ｗ（Ｎ）を推定する請求項１記載の耐摩耗性能評価方法。
Ｗ（Ｎ）＝ Ｗ（Ｎ0）×（Ｎ／Ｎ0）1/3          （１）
【請求項３】
前記試験片の摩耗量Ｗ（Ｎ）に基づいて、摩耗エネルギーを計算する第６工程をさらに含む請求項１又は２に記載の耐摩耗性能評価方法。
【請求項４】
前記試験片の軸方向の長さは、４〜２０mmである請求項１乃至３のいずれかに記載の耐摩耗性能評価方法。
【請求項５】
前記試験片の外径は、４０〜８０mmである請求項１乃至４のいずれかに記載の耐摩耗性能評価方法。
【請求項６】
前記疑似路面は、粒度が＃２４〜＃２４０の砥石を含む請求項１乃至５のいずれかに記載の耐摩耗性能評価方法。
【請求項７】
前記試験片の走行速度は、１〜４０km/hである請求項１乃至６のいずれかに記載の耐摩耗性能評価方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、弾性材料の耐摩耗性能を評価する耐摩耗性能評価方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車用タイヤ等でのゴムの摩耗量は、摩擦力とスリップ距離を用いて記述される単位面積当たりのすべりエネルギーである摩耗エネルギーと強く相関することが知られている。この原理に基づいた先行技術として、例えば特許文献１に示されるいわゆるランボーン型試験機を用いて、幾何学的に摩耗エネルギーを求める手法が挙げられる。
【０００３】
一般に、ゴム等の弾性体では、印加される荷重によって弾性体が変形し、被接触物との接触面積が変化することが知られている。しかしながら、上記特許文献１に示される技術では、試験片に印加される荷重の影響による疑似路面との接地面積の変化が考慮されておらず、摩耗エネルギーの算出に少なからず誤差を含んでいる。
【０００４】
従って、摩耗エネルギーを精密に算出するためには、複数の荷重条件で試験片を走行させて、試験片の摩耗量を測定する必要があり、膨大な時間を要していた。  
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−３２６１６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、以上のような実状に鑑み案出されたもので、弾性材料の耐摩耗性能を精密かつ迅速に評価しうる耐摩耗性能評価方法を提供することを主たる目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、ゴム又はエラストマーを含む弾性材料の耐摩耗性能を評価する方法であって、
前記弾性材料からなる円周面を有する試験片を準備する第１工程と、前記円周面を疑似路面に予め定められた基準荷重Ｎ0で押し付ける第２工程と、前記試験片を前記疑似路面上を走行させて、前記試験片の基準摩耗量Ｗ（Ｎ0）を測定する第３工程と、前記基準荷重Ｎ0とは異なる任意の荷重Ｎを設定する第４工程と、前記荷重Ｎと前記基準荷重Ｎ0との比Ｎ／Ｎ0の累乗根及び前記基準摩耗量Ｗ（Ｎ0）を用いて、前記試験片を前記荷重Ｎで前記疑似路面上を走行させたときの前記試験片の摩耗量Ｗ（Ｎ）を推定する第５工程とを含むことを特徴とする。
【０００８】
本発明に係る前記耐摩耗性能評価方法において、前記試験片は、円筒状であり、
前記第５工程では、下記式（１）によって前記試験片の摩耗量Ｗ（Ｎ）を推定することが望ましい。
Ｗ（Ｎ）＝ Ｗ（Ｎ0）×（Ｎ／Ｎ0）1/3          （１）
【０００９】
本発明に係る前記耐摩耗性能評価方法において、前記試験片の摩耗量Ｗ（Ｎ）に基づいて、摩耗エネルギーを計算する第６工程をさらに含むことが望ましい。
【００１０】
本発明に係る前記耐摩耗性能評価方法において、前記試験片の軸方向の長さは、４〜２０mmであることが望ましい。
【００１１】
本発明に係る前記耐摩耗性能評価方法において、前記試験片の外径は、４０〜８０mmであることが望ましい。
【００１２】
本発明に係る前記耐摩耗性能評価方法において、前記疑似路面は、粒度が＃２４〜＃２４０の砥石を含むことが望ましい。
【００１３】
本発明に係る前記耐摩耗性能評価方法において、前記試験片の走行速度は、１〜４０km/hであることが望ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明では、第１工程で準備された試験片が、第２工程で疑似路面に基準荷重Ｎ0で押し付けられ、第３工程で疑似路面上を走行したときの基準摩耗量Ｗ（Ｎ0）が測定される。第１工程で準備される試験片は円周面を含み、第２工程では円周面が疑似路面に接地される。
【００１５】
第４工程では基準荷重とは異なる任意の荷重Ｎが設定され、第５工程では、荷重Ｎで試験片を走行させたときの試験片の摩耗量Ｗ（Ｎ）が推定される。ここで、円周面の接触面積が試験片に印加される荷重に依存することに着目した発明者は、荷重Ｎと基準荷重Ｎ0との比Ｎ／Ｎ0の累乗根、基準摩耗量Ｗ（Ｎ0）及び摩耗量Ｗ（Ｎ）の相関を見出した。そして、発明者によって見出された相関に従えば、基準荷重Ｎ0及び第３工程で測定された基準摩耗量Ｗ（Ｎ0）を用いることにより、荷重Ｎで試験片を走行させたときの試験片の摩耗量Ｗ（Ｎ）が精密に推定される。
【００１６】
さらに、上記第４工程及び第５工程は、ランボーン型試験機等の試験機を稼働させることなく、例えば、コンピュータ等によって処理されうる。従って、複数の荷重条件での試験片の摩耗量Ｗ（Ｎ）が正確かつ短時間で推定され、弾性材料の耐摩耗性能を精密かつ迅速に評価することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の耐摩耗性能評価方法の処理手順の一例を示すフローチャートである。
【図２】図１の第１工程で準備される試験片の構成を示す斜視図である。
【図３】円周面が平らな疑似路面に押し付けられた試験片の変形を示す側面図。
【図４】図１の基準摩耗量Ｗ（Ｎ0）を測定するための摩耗試験機の構成を示す平面図である。
【図５】図１の摩耗量Ｗ（Ｎ）を推定するためのコンピュータの構成を示す斜視図である。
【図６】試験片の変形例の構成を示す斜視図である。
【図７】横軸を計算によって求められた摩耗エネルギー、縦軸を実測された摩耗量として、各値がプロットされたグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の一形態が図面に基づき説明される。
本発明の耐摩耗性能評価方法は、ゴム又はエラストマーを含む弾性材料の耐摩耗性能を評価する方法である。図１は、本発明の耐摩耗性能評価方法の処理手順の一例を示している。耐摩耗性能評価方法は、第１工程Ｓ１乃至第５工程を含む。
【００１９】
第１工程Ｓ１では、弾性材料からなる試験片が準備される。
【００２０】
図２は、試験片２を示している。本実施形態では、円周面２１を有する円筒状の中実の試験片２が適用されている。
【００２１】
古典的なヘルツ接触によると弾性体である球が平らな剛体に接触する場合、接触面は円状に広がり、その半径は印加された荷重の３乗根に比例し、その面積は印加された荷重の２／３乗根に比例する。
【００２２】
一方、図３は、上記円周面２１が、平らな剛体である疑似路面５に押し付けられた状態を示している。発明者は、円周面２１が疑似路面５に押し付けられた円筒状の試験片２を注意深く観察したところ、試験片２の接触面２２は、軸方向であるＹ方向にはほとんど変形せず、Ｙ方向に垂直なＸ方向及びＺ方向に大きく変形し、Ｘ方向の接地長さは、印加された荷重の３乗根に比例することを見出した。
【００２３】
発明者は、上述した剛体と弾性体との接触に関し、さらに鋭意研究を重ねた結果、ついに、荷重による接触面積の変化と摩耗量との間に存在する関係を明らかにし、本発明が完成した。
【００２４】
本発明の実施にあたっては、まず、試験片２に予め定められた基準荷重Ｎ0を負荷し、走行させたときの基準摩耗量Ｗ（Ｎ0）が測定され、その後、基準荷重Ｎ0とは異なる荷重Ｎでの摩耗量Ｗ（Ｎ）が推定される。
【００２５】
すなわち、第２工程Ｓ２では、試験片２の円周面２１が疑似路面に基準荷重Ｎ0で押し付けられ、第３工程Ｓ３では、基準荷重Ｎ0で試験片２を走行させたときの基準摩耗量Ｗ（Ｎ0）が測定される。
【００２６】
図４は、上記第２工程Ｓ２及び第３工程Ｓ３で、試験片２の基準荷重Ｎ0での基準摩耗量Ｗ（Ｎ0）を測定するための摩耗試験機１０の一例である。摩耗試験機１０は、円筒状の疑似路面１１と、試験片２を回転可能に支持する支持部１２と、疑似路面１１を回転駆動する駆動手段１３と、支持部１２を回転駆動する駆動手段１４等を有している。
【００２７】
疑似路面１１の外径は、試験片２の外径に対して十分に大きく設定されている。これにより、円筒状の疑似路面１１を平坦な形状と近似することができる。円筒状の疑似路面に替えて、例えば、特開２０１３−３６９００号公報に示されるような円盤状の疑似路面が適用されていてもよい。
【００２８】
摩耗試験機１０は、疑似路面１１の回転軸と支持部１２の回転軸とを相対的に変位させることにより、試験片２に任意の荷重を印加することができる。試験片２に印加する荷重は、例えば、支持部１２等に配されたロードセル（図示せず）等によって測定される。なお、摩耗試験機１０は、疑似路面１１の回転軸の角度と支持部１２の回転軸の角度とを相対的に変位させることにより、試験片２に任意のスリップ角及びキャンバー角を付与することができる。試験片２にスリップ角等が付与されることによって発生する横力は、例えば、支持部１２等に配されたロードセル（図示せず）等によって測定される。
【００２９】
摩耗試験機１０は、駆動手段１３の駆動力を適宜調整することにより、疑似路面１１の回転速度、すなわち、試験片２の走行速度を任意に変更できる。また、摩耗試験機１０は、駆動手段１４の駆動力を適宜調整することにより、試験片２と疑似路面１１との相対速度を任意に変更でき、加速状態又は減速状態のタイヤが再現される。
【００３０】
第３工程Ｓ３では、摩耗試験機１０での試験片２の走行時間又は走行距離が測定され、基準荷重Ｎ0で予め定められた時間又は距離を走行した試験片２の基準摩耗量Ｗ（Ｎ0）が測定される。
【００３１】
第４工程Ｓ４では、基準荷重Ｎ0とは異なる任意の荷重Ｎが設定される。荷重Ｎは、複数設定することができる。例えば、基準荷重Ｎ0よりも小さい荷重及び基準荷重Ｎ0よりも大きい荷重が適宜設定される。
【００３２】
図５は、第４工程Ｓ４で荷重Ｎを設定するためのコンピュータ６０が示されている。
コンピュータ６０は、本体６１、キーボード６２及びディスプレイ装置６３を含んでいる。この本体６１には、例えば、演算処理装置（ＣＰＵ）、ＲＯＭ、作業用メモリ及びハードディスクなどの記憶装置が設けられる。記憶装置には、本実施形態のシミュレーション方法を実行するための処理手順（プログラム）が予め記憶されている。
【００３３】
荷重Ｎは、オペレーターがキーボード６２等を操作することにより、本体６１に入力され、記憶装置に記憶される。これにより、荷重Ｎが設定される。また、本体６１には、基準荷重Ｎ0と共に第３工程Ｓ３で測定された基準摩耗量Ｗ（Ｎ0）が入力され、記憶装置に記憶される。
【００３４】
第５工程Ｓ５では、試験片２を荷重Ｎで疑似路面１１上を走行させたときの試験片２の摩耗量Ｗ（Ｎ）が推定される。第５工程Ｓ５での摩耗量Ｗ（Ｎ）の推定では、上述した荷重による接触面積の変化と摩耗量との間に存在する関係が適用される。発明者の研究により、荷重Ｎと基準荷重Ｎ0との比Ｎ／Ｎ0の累乗根及び基準摩耗量Ｗ（Ｎ0）を用いることにより、荷重Ｎでの摩耗量Ｗ（Ｎ）が精密に推定されうることが見出された。
【００３５】
図２及び図３に示される円筒状の試験片２が適用される場合、疑似路面１１に対する試験片２の接地面積は、印加された荷重Ｎの３乗根に比例する。従って、荷重Ｎでの摩耗量Ｗ（Ｎ）は、下記式（１）によって計算されうる。
Ｗ（Ｎ）＝ Ｗ（Ｎ0）×（Ｎ／Ｎ0）1/3          （１）
【００３６】
第５工程Ｓ５での荷重Ｎでの摩耗量Ｗ（Ｎ）の計算は、コンピュータ６０によってなされうる。本体６１の演算処理装置は、記憶装置に記憶されている基準荷重Ｎ0、基準摩耗量Ｗ（Ｎ0）及び荷重Ｎの値を式（１）に代入して、荷重Ｎでの摩耗量Ｗ（Ｎ）を計算する。
【００３７】
第５工程Ｓ５は、第４工程Ｓ４で設定された荷重Ｎのそれぞれについて実行される。すなわち、工程Ｓ６で、他の荷重条件が存在しなくなるまで、第５工程Ｓ５が繰り返し実行される（Ｓ６においてＮ）。
【００３８】
第４工程Ｓ４で設定された全ての荷重Ｎについて、摩耗量Ｗ（Ｎ）が計算されると（Ｓ６においてＹ）、第６工程Ｓ７に移行し、基準摩耗量Ｗ（Ｎ0）及び摩耗量Ｗ（Ｎ）に基づいて、摩耗エネルギーが計算される。摩耗量に基づく摩耗エネルギーの計算は、従来技術と同様であるため、その説明を省略する。
【００３９】
上記第４工程Ｓ４及び第５工程Ｓ５は、摩耗試験機１０を稼働させることなく、図５に示されるコンピューター装置等によって処理されうる。従って、複数の荷重条件での試験片２の摩耗量Ｗ（Ｎ）が正確かつ短時間で推定され、弾性材料の耐摩耗性能を精密かつ迅速に評価することが可能となる。
【００４０】
図２に示されるように、試験片２の外径Ｄは、４０〜８０mmが望ましい。試験片２の外径Ｄが４０mm未満の場合、試験片２の摩耗が過度に速くなり、測定誤差が大きくなるおそれがある。一方、試験片２の外径Ｄが８０mmを超える場合、試験片２のＸ方向（図３参照）の接地長が大きくなり、試験片２が均等に摩耗しなくなるおそれがある。
【００４１】
試験片２の軸方向の長さＨは、４〜２０mmが望ましい。試験片２の長さＨが４mm未満の場合、試験片２のたわみが大きくなり、横力を正確に測定できなくなるおそれがある。一方、試験片２の長さＨが２０mmを超える場合、試験片２のＹ方向（図３参照）の接地長さが大きくなり、試験片２が均等に摩耗しなくなるおそれがある。
【００４２】
本実施形態では、疑似路面１１の表面には、砥石１５が設けられている。砥石１５によって擬似的な路面が再現される。砥石１５の粒度は、＃２４〜＃２４０が望ましい。砥石１５の粒度が＃２４未満の場合、試験片２と疑似路面１１との実接触面積が少なくなり、摩耗の進行が遅くなる。従って、摩耗量のばらつきが大きくなると共に、試験片２の走行時間が長くなるおそれがある。一方、砥石１５の粒度が＃２４０を超える場合、摩耗の進行が遅くなり、試験片２の走行時間が長くなるおそれがある。
【００４３】
第３工程での試験片２の走行速度は、１〜４０km/hが望ましい。試験片２の走行速度が１km/h未満の場合、摩耗の進行が遅くなり、試験片２の走行時間が長くなるおそれがある。試験片２の走行速度が４０km/hを超える場合、回転中の試験片２が疑似路面１１から跳ねて、摩耗特性を正確に評価できないおそれがある。
【００４４】
図６は、試験片２の変形例である試験片２Ａを示している。試験片２Ａは、弾性体又は剛体からなる円柱状の本体部２５と、本体部２５の円周面の外側に形成された円筒状の弾性体２６とを含んでいる。弾性体２６の厚さは、０．５〜４mmが望ましい。
【００４５】
以上、本発明の実施形態が詳細に説明されたが、本発明は上記の具体的な実施形態に限定されることなく種々の態様に変更して実施される。
【００４６】
例えば、試験片２の形状は、図２等に示される円筒状に限られず、球形状であってもよい。この場合、下記式（２）を用いることにより、荷重Ｎでの摩耗量Ｗ（Ｎ）が精密に推定されうる。
Ｗ（Ｎ）＝ Ｗ（Ｎ0）×（Ｎ／Ｎ0）2/3          （２）
【００４７】
すなわち、荷重Ｎと基準荷重Ｎ0との比Ｎ／Ｎ0の累乗根及び基準摩耗量Ｗ（Ｎ0）を用いて、試験片２を荷重Ｎで疑似路面１１上を走行させたときの試験片２の摩耗量Ｗ（Ｎ）を正確かつ短時間で推定することが可能となる。
【実施例】
【００４８】
以下の配合がバンバリーミキサーで混合された後、１７０℃で２０分間のプレス成形により加硫され、外径８０mm、内径３５mm、軸方向の長さ１８mmのドーナツ形状を有する円筒状の試験片が作製された。
ＳＢＲ      ：ジェイエスアール（株）製のＳＢＲ１５０２（スチレン単位量：２３．５重量％）  ８０phr
ＢＲ        ：宇部興産(株)製のＢＲ１５０Ｂ  ２０phr
シリカ      ：デグッサ製のウルトラジルＶＮ３（Ｎ2ＳＡ：１７５ｍ2／ｇ）  ８５phr
カーボンブラック：昭和キャボット（株）製のショウブラックＮ２２０（Ｎ2ＳＡ：１２５ｍ2／ｇ）  １０phr
シランカップリング剤：デグッサ製のＳｉ６９（ビス（３−トリエトキシシリルプロピル）テトラスルフィド）  ７phr
ステアリン酸：日本油脂（株）製のステアリン酸  １．５phr
酸化亜鉛    ：三井金属鉱業（株）製の亜鉛華１号    ２．５phr
アロマオイル：(株)ジャパンエナジー製のＪＯＭＯプロセスＸ１４０  １０phr
硫黄        ：鶴見化学（株）製の粉末硫黄  １．４phr
加硫促進剤 ＴＢＢＳ：大内新興化学工業（株）製のノクセラーＮＳ（化学名：Ｎ−ｔｅｒｔ−ブチル−２−ベンゾチアジルスルフェンアミド）  ２phr
加硫促進剤 ＤＰＧ：大内新興化学工業（株）製のノクセラーＤ（化学名：Ｎ，Ｎ'−ジフェニルグアニジン）  ２phr
【００４９】
上記試験片が、ＪＩＳ  Ｋ  ６２６３に準拠した室内摩耗試験機（株式会社平泉洋行社製のゴム摩耗試験機（型式：ＬＡＴ１００））に装着された。疑似路面の温度が１０℃、雰囲気温度が２５℃で一定に維持された環境条件のもと、試験片が速度２０km/hで距離４kmを走行され、走行後の試験片の形状から距離１kmあたりの摩耗量（体積）が計算された。このとき、荷重条件は、４０Ｎ、７５Ｎ及び１００Ｎの３条件であり、スリップ角は、３゜、６゜、９゜及び１２゜の４条件である。それぞれの荷重条件について、４条件のスリップ角で走行され、合計１２条件での摩耗量のデータが実測された。
【００５０】
上記実測値のうち、１００Ｎを基準荷重Ｎ0と、そのときの摩耗量を基準摩耗量Ｗ（Ｎ0）として、各スリップ角について式（１）に基づいて、４０Ｎ及び７５Ｎの荷重での摩耗量が計算により推定された。そして、１００Ｎの荷重での摩耗量の実測値（４条件）並びに４０Ｎ及び７５Ｎの荷重での摩耗量の推定値（８条件）に基づいて１２条件の摩耗エネルギーが計算された。
【００５１】
図７は、横軸を計算によって求められた摩耗エネルギー（J／m2）、縦軸を実測された摩耗量（cc／km）として、上記１２条件の値がプロットされたグラフである。同図に示されるように、異なる荷重及び異なるスリップ角の条件下で、計算によって求められた摩耗エネルギーと実測された摩耗量とが非常に高い相関を示し、式（１）によって、荷重条件の変更が適切に補正され、試験片の摩耗量Ｗ（Ｎ）が正確に推定されうることが確認された。
【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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【図６】
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【図７】
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