JP2001337032A - 弾性材料の摩擦特性試験方法および装置 - Google Patents
弾性材料の摩擦特性試験方法および装置Info
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Abstract
サンプルに固有の摩擦力を、製品タイヤ等のそれと高い
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
とする。 【解決手段】 回転駆動される研磨材料1に、試料軸4
に保持した薄肉筒状の弾性材料サンプル6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、所
要の力で押圧するとともに回転駆動し、研磨材料1の速
度と弾性材料サンプル6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
Description
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。
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。
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。
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。
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、定量的な観客デ
ータとすることができないという不都合があった。
た後者の方法では、ドライ条件の下での観客的データの
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。
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。
摩擦特性試験方法は、回転駆動される、たとえば円環状
の研磨材料に、試料軸に保持した薄肉筒状の弾性材料サ
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、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。
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。
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。
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。
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2
0km/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。
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。
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。
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。
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。
は、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筒状の弾性材料サ
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。
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。
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。
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。
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0〜10
0%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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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1
0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。
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。
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。
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。
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。
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。
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1
9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。
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。
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。
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。
よって、駆動モータ30を下降変位させて、各ブラシ3
7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。
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。
線正面図である。
線側面図である。
から示す図である。
Claims (13)
- 【請求項1】 回転駆動される研磨材料に、試料軸に保
持した薄肉筒状の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、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】 研磨材料に散水しながら摩擦力を計測す
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】 摩擦力を計測する環境温度を適宜に選択
する請求項1もしくは2に記載の弾性材料の摩擦特性試
験方法。 - 【請求項4】 散水する水の温度を適宜に選択する請求
項2もしくは3に記載の弾性材料の摩擦特性試験方法。 - 【請求項5】 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筒状の弾
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6】 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5に記載の弾性材料の摩擦特性試験装
置。 - 【請求項7】 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5もしくは6に記載の弾性材料の
摩擦特性試験装置。 - 【請求項8】 研磨材料を路面材料としてなる請求項5
〜7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9】 研磨材料への散水を行うノズルを設けて
なる請求項5〜8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10】 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5〜9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11】 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9もしくは10に記載の弾性材料の摩擦特性試験装
置。 - 【請求項12】 研磨材料の清掃手段を設けてなる請求
項5〜11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】 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12に記載の弾性材
料の摩擦特性試験装置。
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