(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水平面内で回転駆動される研磨材料に、傾斜させて配置された試料軸に保持した、先細り截頭円錐形状の筒状弾性材料サンプルの周面を、その全幅にわたるスリップ率が、研磨材料の半径方向位置に応じた周長差を吸収して一定となる姿勢の下で、所要の力で押圧するとともに回転駆動し、研磨材料の速度と弾性材料サンプルの周速とを相対的に変化させたときの摩擦力を、発生トルクにより計測する弾性材料の摩擦特性試験方法。
【請求項２】
弾性材料サンプルの外輪郭形状を、研磨材料の直径寸法に応じた先細り截頭円錐形状とする請求項１に記載の弾性材料の摩擦特性試験方法。
【請求項３】
試料軸の傾きを、弾性材料サンプルの截頭円錐形状に応じて選択する請求項２に記載の弾性材料の摩擦特性試験方法。
【請求項４】
研磨材料を円環形状とする請求項１〜３のいずれかに記載の弾性材料の摩擦特性試験方法。
【請求項５】
研磨材料に散水しながら摩擦力を計測する請求項１〜４のいずれかに記載の弾性材料の摩擦特性試験方法。
【請求項６】
摩擦力を計測する環境温度を適宜に選択する請求項１〜５のいずれかに記載の弾性材料の摩擦特性試験方法。
【請求項７】
散水する水の温度を適宜に選択する請求項５もしくは６に記載の弾性材料の摩擦特性試験方法。
【請求項８】
水平面内で回転駆動される研磨材料を水平に配置するとともに、一端に、サンプルホルダを介して、周面を研磨材料に押圧される、先細り截頭円錐形状の筒状弾性材料サンプルを保持し、他端にモータを連結される試料軸を傾斜させて配置し、この試料軸の中間部にトルクメータを配設し、試料軸を昇降変位させる往復駆動手段を設けるとともに、この往復駆動手段により変位されて、試料軸に保持した弾性材料サンプルを研磨材料に所要の力で押圧する圧下シリンダを設け、この圧下シリンダと試料軸との間に荷重センサを配設してなる弾性材料の摩擦特性試験装置。
【請求項９】
試料軸の中間部にバランスウエイトを連結してなる請求項８に記載の弾性材料の摩擦特性試験装置。
【請求項１０】
弾性材料サンプルへの押圧力の作用中心を、その弾性材料サンプルの、研磨材料への接触幅の中央部としてなる請求項８もしくは９に記載の弾性材料の摩擦特性試験装置。
【請求項１１】
研磨材料を路面材料としてなる請求項８〜１０のいずれかに記載の弾性材料の摩擦特性試験装置。
【請求項１２】
研磨材料への散水を行うノズルを設けてなる請求項８〜１１のいずれかに記載の弾性材料の摩擦特性試験装置。
【請求項１３】
研磨材料および試料軸を恒温室に収納するとともに、恒温室内を冷却する冷却手段を設けてなる請求項８〜１２のいずれかに記載の弾性材料の摩擦特性試験装置。
【請求項１４】
前記ノズルを恒温水槽に接続するとともに、恒温水槽内を冷却する冷却手段を設けてなる請求項１２もしくは１３に記載の弾性材料の摩擦特性試験装置。
【請求項１５】
研磨材料の清掃手段を設けてなる請求項８〜１４のいずれかに記載の弾性材料の摩擦特性試験装置。
【請求項１６】
清掃手段を、研磨材料に押圧される回転ブラシにより構成してなる請求項１５に記載の弾性材料の摩擦特性試験装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、各種の弾性材料、たとえば加硫ゴムの、研磨材料に対する摩擦力を、ドライ条件およびウェット条件のそれぞれの下で、高い精度で測定できる摩擦特性試験方法および装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
たとえば、空気入りタイヤの運動性能に大きな影響を及ぼすトレッドゴムの摩擦特性を求めるために従来から広く行われている摩擦力等の測定方法としては、ポータブルスキッドテスタを用いて測定する方法、フラットベルトマシンを用いて測定する方法等がある。
【０００３】
ここで前者の方法は、図６に示すように、トレッドゴムサンプル５１を貼着した試料プレート５２を振り子５３に取付けるとともに、そのトレッドゴムサンプル５１が路面材料５４に適正に接触するように、振り子５３の高さを、ロックねじ５５と、上下位置調整ねじ５６とによって調節し、次いで、振り子５３を所定の揺動高さ（９０°）で支持アーム５７に固定するとともに、指針５８の零位置調整と、路面材料５４の清掃および、ウェットもしくはドライ条件の設定とを行い、その後、支持アーム５７から振り子５３を開放して、トレッドゴムサンプル５１を路面材料５４に摩擦接触させ、そのサンプル５１が停止した位置を、指針５８が指す目盛板目盛りを読み取ることによって計測するものである。
また、後者の方法は、路面材料を研磨材料として敷設した平坦な走行ベルト上に、製品タイヤを所要の力で押圧しつつ回転駆動させて、駆動摩擦力、制動摩擦力等を測定するものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ポータブルスキッドテスタを用いる前者の方法では、トレッドゴムサンプルによる試験が可能である他、ドライおよびウェットのそれぞれの条件下で、各種の路面材料についての試験が可能である利点はあるものの、これは、ほぼ直方体形状をなすサンプルの端面を摩擦させるものであって、接地面積がゴム硬度に大きく依存するため、摩擦力の測定結果にトレッドゴムの硬度の影響が含まれることになって、軟質ゴムでは摩擦力が過大に評価されるという問題がある他、トレッドゴムサンプルの、路面材料への押圧力を変更できないため、所要の適正荷重条件の下での摩擦力を測定できないという問題もあった。
【０００５】
これがため、スキッドテスタを用いて摩擦力等の測定を行ってなお、その結果に全幅の信頼をおくことができず、それ故に、多くのトレッドゴムについては、試作タイヤによる実車走行をも行って、トレッドゴムの駆動および制動性能等を別途評価することが不可避であり、その上、この実車走行評価は、ドライバーの感性に基づいて行われるものであるため、定量的な客観データとすることができないという不都合があった。
【０００６】
これに対し、フラットベルトマシンを用いた後者の方法では、ドライ条件の下での客観的データの採取は可能であっても、開発されたトレッドゴム種の全てについてタイヤを試作することが余儀なくされるため、この方法をもってしては、トレッドゴムの、迅速にして効率的な開発が実質的に不可能であるという問題があった。
【０００７】
この発明は、従来技術が抱えるこのような問題点を解決することを課題とするものであり、それの目的とするところは、弾性材料サンプルによる試験をもって、所要の荷重の作用下で、そのサンプルに固有の摩擦力を、たとえば製品タイヤのそれと高い相関をもつ客観データとして正確に測定することを可能とし、これにより、試作タイヤ等を用いた試験を不要として、弾性材料の迅速にして効率的な研究開発等を実現可能とする弾性材料の摩擦特性試験方法および装置を提供するにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明の、弾性材料の摩擦特性試験方法は、水平面内で回転駆動される、たとえば円環状の研磨材料に、傾斜させて配置された試料軸に保持した、先細り截頭円錐形状の筒状弾性材料サンプルの周面を、その全幅にわたるスリップ率が、研磨材料の半径方向位置に応じた周長差を吸収して一定となる姿勢の下で、所要の力で押圧するとともに回転駆動し、研磨材料の速度と弾性材料サンプルの周速とを相対的に変化させたとき、たとえば、それらのいずれか一方を、他方に対して０〜１００％のスリップ率の範囲で変化させたときの摩擦力を、これもたとえば試料軸に発生するトルクとして計測するものである。
【０００９】
このようにして計測されたトルクは、たとえばそれをＣＰＵに入力することで、スリップ率をパラメータとする摩擦力曲線、摩擦係数曲線等として記録したり表示したりすることができる他、ロック制動力係数および最大制動力係数として表示等することができる。
【００１０】
このような試験方法では、回転駆動される研磨材料に、薄肉筒状の弾性材料サンプルを、所要のスリップ率の下に押圧しつつ、制動摩擦力、駆動摩擦力等を計測することにより、そのサンプルの、厚み内での周方向剪断変形を有効に防止して、その剪断変形が摩擦力に及ぼす影響、サンプルの硬度、接地面積等が摩擦力に及ぼす影響等を十分に取り除くことができる。
【００１１】
またここでは、弾性材料サンプルを研磨材料に所要の力で押圧するに当たり、そのサンプルを保持する試料軸等の重量を考慮に入れることで、サンプルの押圧力を十分正確に特定することができ、この一方で、その重量を、バランスウエイト等をもって相殺することで、試料軸等の重量より小さい力でのサンプルの押圧を可能ならしめることができる。
【００１２】
しかもここにおいては、弾性材料サンプルの周面を、その全幅にわたるスリップ率が一定となる姿勢の下で、研磨材料に押圧して、回転駆動されるその研磨材料の、半径方向位置に応じた周長差を吸収することで、接地面内でのスリップ率の分布を無くし、均一化を図ることができるので、スリップ率と摩擦力との相対関係をより正確に計測することができる。
更に回転駆動する円環状の研磨材料と弾性材料サンプルの周速度が約２０ｋｍ／ｈとタイヤの使用条件に近い高速での測定が可能なためタイヤでの測定結果と極めて高い相関結果が得られる。
【００１３】
従って、この方法によれば、弾性材料サンプルを、所要に応じた押圧力をもって、それの大小にかかわらず、十分正確に研磨材料に押圧するとともに、そのサンプルの、周方向の剪断変形、硬度、接地面積等が摩擦力に及ぼす影響を無視できる程度に小さくし、しかも、サンプルの、接地面内全体のスリップ率を十分均一化して、それのスリップ率を、全幅にわたって所期した通りの一定値とすることにより、スリップ率に対応する摩擦力を、極めて高い精度で客観的に計測することができる。
【００１４】
かくして、この方法の下では、製品タイヤ等を試作する必要なしに、トレッドゴムその他の弾性材料の摩擦特性を、客観データとして正確に求めることができ、これがため、弾性材料の、迅速にして効率的な研究開発等を実現することができる。
【００１５】
ところで、この方法において、研磨材料に散水しながら摩擦力を計測するときは、弾性材料の、ドライ条件での摩擦力の他、ウェット条件での摩擦力をもまた高い精度で求めることができる。
【００１６】
ここで好ましくは、摩擦力を計測する環境温度を適宜に選択して、たとえば、トレッドゴムとすることができる弾性材料の、四季を通じた、ドライおよびウェット条件のそれぞれの摩擦力の計測を可能とし、また好ましくは、散水する水の温度を適宜に選択して、水温の四季適合性を高める。
ちなみに、弾性材料の摩擦力は、散水量よりも水温により大きく影響されることが確認されている。
【００１７】
この発明の、弾性材料の摩擦特性試験装置は、水平面内で回転駆動される研磨材料を水平に配置するとともに、一端に、サンプルホルダを介して、周面を研磨材料に押圧される、先細り截頭円錐形状の筒状弾性材料サンプルを保持し、他端にモータを連結される試料軸を傾斜させて配置し、この試料軸の中間部にトルクメータを配設し、また、試料軸を、研磨材料に対して昇降変位させる、シリンダその他の往復駆動手段を設けるとともに、この往復駆動手段により変位されて、試料軸に保持した弾性材料サンプル、たとえば、中空の截頭円錐状をなすサンプルを研磨材料に所要の力で押圧する圧下シリンダを設け、そして、この圧下シリンダと試料軸との間に、ロードセル等とすることができる荷重センサを配設したものである。
【００１８】
この装置では、傾斜試料軸の一端にホルダを介して取り付けた弾性材料サンプルは、シリンダ、ねじ手段等とすることができる往復駆動手段により、回転駆動される研磨材料に対し、所要の高さまで上昇変位される一方、その研磨材料の近傍位置まで下降変位される他、傾斜試料軸とともに昇降変位される圧下シリンダの作用下で、その周面を研磨材料の表面に、所要の力で正確に押圧され、併せて、試料軸の他端に連結したモータをもって所要の周速で回転駆動される。
【００１９】
この場合、ここでは、弾性材料サンプルの外輪郭形状を、全体としてほぼ円環形状とすることができる研磨材料の直径寸法に応じた先細り截頭円錐形状とするとともに、試料軸の傾きをその截頭円錐形状に応じて選択することにより、研磨材料の、半径方向内外の周長差を吸収して、弾性材料サンプルの、研磨材料への接触幅の全体を、研磨材料に対して実質的に一定のスリップ率とする。
【００２０】
またここでは、弾性材料サンプルの、研磨材料表面への押圧力を、圧下シリンダと試料軸との間に介装した荷重センサをもって検知することにより求め、好ましくは、試料軸重量およびサンプル重量による影響も考慮してサンプル押圧力とする。
なおここで、試料軸の中間部、たとえば、重心位置にバランスウエイトを連結して、モータ、サンプルホルダおよびトルクメータも含めた試料軸重量の相殺を図る場合には、荷重センサの検知結果に対し、サンプル重量を考慮するだけで押圧力を正確に求めることができ、併せて、サンプル押圧力を、試料軸重量に相当する押圧力よりも小さい力とすることもできる。
【００２１】
ところで、弾性材料サンプルの周面を、このようにして研磨材料表面に所要の力で押圧した状態の下での、そのサンプルの摩擦力は、たとえば、研磨材料表面とサンプル周面とをともに等しい所定速度で回転させている状態から、サンプルもしくは研磨材料のいずれか一方の速度を低下させてそれらの両者間に一定のスリップを発生させ、このときに試料軸に生じるトルクを、試料軸に設けたトルクメータをもって計測することで測定することができ、このことを、スリップ率が０〜１００％の範囲で、漸次にまたは段階的に行うことで、スリップ率に応じた制動摩擦力または駆動摩擦力を求めることができる。
【００２２】
かくして、この装置によれば、圧下シリンダをもって、弾性材料サンプルを研磨材料に所期した通りの力で正確に押圧することができ、また、傾斜させた試料軸をもって弾性材料サンプルを保持することにより、サンプルそれ自身の形状と相俟って、サンプル周面を、研磨材料表面に、それの半径方向周長差の影響なしに押圧することができ、さらには、トルクメータをもって、試料軸に生じる、スリップ率に応じたトルクを高い精度で計測することができる。
従って、弾性材料サンプルを、肉厚の薄いものとすることで、先に述べたように、そのサンプルの摩擦力を高い精度で測定することができる。
【００２３】
かかる装置において、より好ましくは、弾性材料サンプルへの押圧力の作用中心を、そのサンプルの、研磨材料への接触幅の中央部とし、これにより、押圧力が偏って作用することに起因する、測定精度の低下のおそれを取り除く。
【００２４】
ここで、研磨材料を路面材料とする場合は、とくに、弾性材料をトレッドゴムとしたときに、コンクリート、アスファルト、樹脂、セフティウォーク等の各種の路面材料に対する摩擦力を、種々の表面粗度の下に測定することができる。
【００２５】
そしてこの装置において、研磨材料への散水を行うノズルを設けた場合には、ドライ条件の下での摩擦力に加えて、ウェット条件下での測定をも行うことができる。
【００２６】
またここで、研磨材料および試料軸のそれぞれを恒温室に収納するとともに、その恒温室内を冷却する冷却手段を設けた場合、より好ましくは、恒温室内の加温手段をも設けた場合には、恒温室内を日本の四季に応じた温度設定とすることの他、極寒から酷暑までの間の、所要の温度条件での摩擦力を測定することができる。
【００２７】
このことは、前記ノズルを恒温水槽に接続するとともに、恒温水槽内を冷却する冷却手段を設けた場合、より好ましくは、恒温水槽内の加温手段をも設けた場合にもまた同様であり、水が凍らない限度で、所要の水温条件でのウェット摩擦力を測定することができる。
【００２８】
ところで、弾性材料サンプルと研磨材料との相対的なスリップの下で摩擦力を測定する場合には、研磨材料の表面凹部が、削り取られたサンプル粉等によって次第に埋め込まれ、これによって測定値が変動するおそれがあるので、好ましくは、研磨材料の表面清掃手段を設け、これにより、その表面を所要に応じて清掃可能とする。
ここで、この清掃手段は、研磨材料に押圧される回転ブラシとすることができる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下にこの発明の実施の形態について説明する。
図１は、この発明に係る装置の要部を示す、部分断面略線正面図であり、図２は、その装置の全体を示す部分断面略線側面図である。
【００３０】
ここでは、全体としてほぼ円環形状をなす、研磨材料の一例としての路面材料１を水平に配置するとともに、この路面材料１を、モータ２により、減速機３を介して所要の速度で回転駆動可能ならしめる。
【００３１】
またここでは、路面材料１の上方側に、試料軸４を傾斜姿勢で配設して、この試料軸４の、路面材料側の一端に、サンプルホルダ５を介して、外輪郭形状がほぼ截頭円錐状をなす薄肉筒状の弾性材料サンプル、ここでは薄肉筒状のトレッドゴムサンプル６を着脱自在に保持させる一方、その他端に、トレッドゴムサンプル６を所要の周速で回転駆動するモータ７を取り付け、そしてその中間部に、試料軸４に発生する軸線周りのトルクを計測するトルクメータ８を配設する。
【００３２】
このような試料軸４およびモータ７のそれぞれを、ここでは、それらの背面側の昇降プレート９に取り付け、そして、この昇降プレート９の、固定プレート１０に対する昇降を、昇降プレート９のさらに背面側に配設した、図では左右一対の直動ガイド１１をもって案内するとともに、それの昇降変位を、固定プレート１０に取付けた、往復駆動手段の一例としての試験部移動シリンダ１２の作用をもって行わせる。
【００３３】
ここで好ましくは、サンプルホルダ５、モータ７およびトルクメータ８を含む試料軸４のたとえば重心位置、より好ましくは、昇降プレート９をも含むそれらの重心位置に、固定プーリ１３を介してバランスウエイト１４を連結して、それらの重量を実質的に相殺する。これはたとえば、図３に昇降プレートを背面側から示すように、昇降プレート９に取付けたフック１４ａに、固定プーリ１３に巻き回したワイヤ１４ｂの一端部を掛合させるとともに、そのワイヤ１４ｂの他端部にバランスウェイト１４を取付けることにより行うことができる。
これによれば、試料軸４等は、そこに作用する極く小さな外力をもって自由に昇降変位させることができる。
【００３４】
さらにこの装置では、図４に、図１のIV−IV線に沿う右側面図で示すところから明らかなように、固定プレート１０に取付けた試験部移動シリンダ１２のロッド１２ａに、試料軸４等とともに昇降変位される圧下シリンダ１５を、中間プレート１２ｂを介して取付けて、この圧下シリンダ１５を、回転軸受け１６を介して試料軸４に連結し、好ましくは、この圧下シリンダ１５の配設位置を、トレッドゴムサンプル６に作用する押圧力の中心が、図１に示すように、路面材料１への接触幅の中央部となるよう選択する。そしてまた、かかる圧下シリンダ１５によるサンプル押圧力を測定するための荷重センサ、たとえばロードセル１７を、その圧下シリンダ１５と試料軸４との間に配設し、好ましくは、このロードセル１７の中心軸線を、上述したサンプル６の路面材料接触幅の中央部および、圧下シリンダ１５のロッド軸線に整列させて位置させる。
【００３５】
このように構成してなる装置では、試験部移動シリンダ１２の作用の下に、トレッドゴムサンプル６を保持した試料軸４を、そのサンプル６が路面材料１から大きく離隔する上昇位置と、サンプル６が路面材料１に十分接近する近接位置との間で平行に昇降変位させることができ、また、圧下シリンダ１５の作用によって、トレッドゴムサンプル６の周面を路面材料１に所要の力で押圧することができ、その押圧力を所要に応じて増減させることができる。
【００３６】
ここで、トレッドゴムサンプル６の摩擦力の測定はそれぞれのモータ２，７、たとえばそれぞれのサーボモータにより、路面材料１およびサンプル６のそれぞれをともに等速回転させた状態から、たとえば、サンプル６の周速を次第にまたは段階的に低下させて、そのサンプル６と路面材料１との間のスリップ率を０％から１００％まで変化させ、各スリップ率の下で、試料軸４に生じる、軸の回転を高める向きのトルクを、トルクメータ８をもって計測することにより求めることができ、この場合の摩擦力は制動摩擦力となる。
【００３７】
これに対し、路面材料１の速度を減じてスリップを生じさせた場合および、サンプル６の周速を高めてスリップを生じさせた場合には、試料軸４の回転を妨げる向きに生じるトルクを計測することで、駆動摩擦力を測定することができる。
【００３８】
ところで、このような装置において、図２に示すように、路面材料１上に散水を行うノズル１８を設け、その散水によって路面材料１をウェット状態にした場合には、ウェット条件の下での各種摩擦力を測定することができ、また、路面材料１および試料軸４のそれぞれを恒温室１９内に収納するとともに、その恒温室１９内を冷却する冷却手段、たとえば二元冷凍機２０を設けた場合には、摩擦力の測定条件を四季温度に適合させることができる。
【００３９】
加えて、前記ノズル１８を恒温水槽２１に接続するとともに、この恒温水槽２１内の水を、先の二元冷凍機２０をもって冷却する場合には、ウェット条件をもまた四季に適合させることができる。
【００４０】
図５は、以上に述べたような装置に付設することが好ましい清掃装置を例示する部分断面図であり、これは、たとえば、試料軸４の配設位置に対し、路面材料１の直径方向に対抗する位置に設けたものである。
【００４１】
これは、駆動モータ３０を取付けた可動プレート３１を、それに貫通するねじ軸３２および昇降ガイド３３の作用下で昇降変位自在に配設して、駆動モータ３０および可動プレート３１の、路面材料１に対する相対高さを、ハンドル３４の操作によるねじ軸３２の回転によって調整可能とする一方、そのねじ軸３２の不測の回転を、ねじ軸ロックハンドル３５の回転に基づく、内臓ロックボルトによって拘束可能としたところにおいて、駆動モータ３０の出力軸３６の先端部に、路面材料１に押圧される、清掃手段としてのブラシ３７を装着したブラシホルダ３８のボス部を、図示しないねじをもって取付けたものである。
【００４２】
この清掃装置では、ハンドル３４の操作によって、駆動モータ３０を下降変位させて、各ブラシ３７を路面材料１に十分に接触させるとともに、その接触状態をねじ軸ロックハンドル３５によって維持しつつ、駆動モータ３０を回転させることにより、回転中の路面材料１に付着したゴム材料を、それの全幅にわたって十分に掻き取ることができる。
【００４３】
【発明の効果】
かくして、この発明によれば、回転駆動される研磨材料に、薄肉筒状の弾性サンプルの周面を、いわゆるサイドスリップを生じさせることなく、所要のスリップ率の下に、所期した通りの押圧力で押圧しつつ、試料軸に生じるトルクを計測することで、ドライ条件の下ではもちろん、ウェット条件の下にても、スリップ率に対応する摩擦力を、客観的数値をもって高い精度で測定することができるので、弾性材料毎の試作タイヤ等を製造するまでもなく、各弾性材料の摩擦特性を高い信頼性の下に評価することができ、それ故に、弾性材料の、迅速にして効率的な研究開発等を可能とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明に係る装置の要部を示す部分断面略線正面図である。
【図２】  この発明に係る装置の全体を示す部分断面略線側面図である。
【図３】  昇降プレートを、固定プーリとともに背面側から示す図である。
【図４】  図１のIV−IV線に沿う右側面図である。
【図５】  清掃装置を例示する部分断面図である。
【図６】  ポータブルスキッドテスタを示す図である。
【符号の説明】
１  路面材料
２，７  モータ
３  減速機
４  試料軸
５  サンプルホルダ
６  トレッドゴムサンプル
８  トルクメータ
９  昇降プレート
１０  固定プレート
１１  直動ガイド
１２  試験部移動シリンダ
１２ａ  ロッド
１２ｂ  中間プレート
１３  固定プーリ
１４  バランスウエイト
１４ａ  ワイヤ
１４ｂ  ワイヤ
１５  圧下シリンダ
１６  回転軸受け
１７  ロードセル
１８  ノズル
１９  恒温室
２０  二元冷凍機
２１  恒温水槽
３０  駆動モータ
３１  可動プレート
３２  ねじ軸
３３  昇降ガイド
３４  ハンドル
３５  ねじ軸ロックハンドル
３６  出力軸
３７  ブラシ
３８  ブラシホルダ
【図１】
0004260342.tif 000002
【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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