JP4299692B2

JP4299692B2 - 摩擦試験装置

Info

Publication number: JP4299692B2
Application number: JP2004043773A
Authority: JP
Inventors: 弘之小林
Original assignee: Sumitomo Rubber Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Rubber Industries Ltd
Priority date: 2004-02-20
Filing date: 2004-02-20
Publication date: 2009-07-22
Anticipated expiration: 2024-02-20
Also published as: JP2005233797A

Description

本発明は、摩擦試験装置に関するものである。

自動車にて使用されるゴム製タイヤのグリップ性能の解析は、従来、実際にタイヤを作製し、それを実車、試験用特殊車両に取り付け、又は、台上ドラムに当接させ、評価する装置が用いられていた。
また、実タイヤ（製品タイヤ）を使用せずに路面との間のグリップ性能を解析する装置としては、例えば、一対の回転ドラムに懸架された無端状ベルトを備えたフラットベルトタイプの摩擦試験装置があり、実タイヤと同じゴム製の被試験体（試験片）を作製し、その被試験体をベルトに圧接させて被試験体の摩擦特性を解析するものがある（例えば、特許文献１参照）。
特開２００１−１７４４００号公報

実際にタイヤを作製し実車等にて試験を行う従来の装置は、準備にも時間がかかり、評価するまでの工数が多く発生し、また、サンプル数も制限され、得られるデータもバラツキが生じやすいという問題点がある。また、台上ドラムでは実走行を十分に再現できず、解析結果に信頼性が欠けるという問題点がある。
さらに、無端状ベルトを用いた摩擦試験装置は、その路面がセイフティーウォークや砥石タイプであって実際の路面（道路）と状態が大きく異なるため、実際の路面における摩擦抵抗の推定（解析）が困難であり、特に、高温状態にある路面では解析精度が低下し、正確な解析が行えないという問題点がある。

つまり、従来の摩擦試験装置では、被試験体と実際の路面状態との相互作用について十分に精度良く解析されていないのが現状である。被試験体単独ではその物性の温度依存性等を解析することが可能であるが、実際の路面との関係においては────例えば、路面粗さ、路面温度等をパラメータとした場合の摩擦係数やスリップ率等────、正確に解析されていない。

本発明に係る摩擦試験装置は、タイヤ用ゴム配合の被試験体を試験するための摩擦試験装置に於て、ターンテーブル型の試験台と、該試験台上面の試験路面に当接させるよう上記被試験体を保持するホルダと、該試験路面と上記被試験体との間のμーＳ特性を検出する検出手段と、該試験路面の温度を測定する第１温度センサと、上記被試験体の表面温度を測定する第２温度センサと、上記ホルダに接続して上記被試験体の上記試験路面への押圧力を変更自在とさせる負荷手段と、を備え、さらに、上記試験路面を加熱する加熱部材と常温よりも低温の上記試験路面に冷却可能な冷却部材を有し、上記試験路面を低温路面から高温路面まで温度変更させる温度調整手段を備えているものである。
また、上記試験台の上記試験路面を形成する路面形成部材が、取り替え自在とされている。また、上記被試験体は回転可能に上記ホルダに保持され、かつ、該ホルダは、上記被試験体にスリップ角を付加させるスリップ角調整手段と接続されているのも好ましい。
また、上記検出手段は、上記ホルダと接続されて上記被試験体に生じる３方向以上の分力を検出する分力検出センサと接続されている。

本発明の摩擦試験装置によれば、実際の路面（道路）を試験装置上にて再現することができ、路面との相互作用による影響を考慮して、正確に被試験体と路面との間の摩擦特性（μーＳ特性）を解析することができる。
特に温度依存性の高いゴム材料である被試験体の解析において、試験路面・被試験体の温度と摩擦特性とを同時に取得することができ、温度条件が及ぼす摩擦特性の影響の解析が正確に行える。また、種々異なる試験路面についての解析が迅速に行える。

従って、実タイヤを使用することなく（作製することなく）、被試験体にて、例えば高温状態の路面におけるグリップレベル、グリップ持続性、温度依存性、耐アブレーション特性等について、高精度に評価、定量化することができ、より性能の良いタイヤを開発し、しかも、タイヤの開発に要する時間の短縮化が図れる。
さらに、一般車両向けのタイヤのみならず、高温条件となるモータスポーツ用（レーシング車両用）のタイヤの開発に貢献できる。

図１は本発明に係る摩擦試験装置の実施の一形態を示す全体構成図であり、この摩擦試験装置は、自動車、自動二輪車にて使用されるゴム製タイヤ（実タイヤ）の道路（路面）に対する摩擦特性を解析（推定）することができるものである。この試験装置は、実タイヤ、実車を使用せずに、実タイヤの構成材料から作製した被試験体Ｗを用い、試験機（試験台１）上にてシミュレートして、実タイヤのグリップ特性の解析を行う装置である。

図１において、この摩擦試験装置は、ターンテーブル型（回転テーブル型）の試験台１と、試験台１上面の試験路面２に当接させるよう被試験体Ｗを保持するホルダ３と、試験路面２と被試験体Ｗとの間のμーＳ特性（摩擦係数μとスリップ率Ｓとの特性）を検出する検出手段４と、試験路面２及び被試験体Ｗの温度を測定する温度センサＴと、を備えたものである。

試験台１は、試験路面２を有する水平状の円盤部材10と、円盤部材10の中心を回転鉛直軸心Ｃとして円盤部材10を回転駆動させる第１回転駆動手段11と、を有する。第１回転駆動手段11は、モータ及び変速機を備え、図外の制御器にて任意の回転数（回転速度）に調整自在であり、円盤部材10を等速回転させるのみならず、自由に制御できて加速回転及び減速回転させることができる。第１回転駆動手段11による円盤部材10の回転数は、例えば０rpm （静止状態）〜1000rpm の間に設定可能である。

また、試験台１において、試験路面２を形成する路面形成部材９が、取り替え自在とされている。具体的に説明すると、円盤部材10に回転鉛直軸心Ｃを中心とする円環状の凹溝（図示省略）が形成され、その凹溝に円環板状の路面形成部材９が嵌合されており、路面形成部材９を取り替えて、路面形成部材９上面の試験路面２の種類を変更可能としている。
または、試験台１において、円盤部材10が路面形成部材９として構成され、円盤部材10全体を取り替えることにより、試験路面２の種類を変更可能としてもよい。

また、１枚の円盤部材10には、同心状となる複数大小の円環状の試験路面２を形成してもよい。つまり、１枚の円盤部材10において、複数の異なる性質の円形乃至円環状の試験路面２を、内周部から外周部に向かって領域を分けて構成し、１枚の円盤部材10が複数種類の試験路面２を有するようしてもよい。
なお、路面形成部材９は、実際の道路と同様の舗装用骨材とアスファルトを含むアスファルトセグメントにより構成させたものがあり、骨材の変更により、性質の異なる試験路面２を形成することができる。さらに、一般道路のみならず、モータスポーツ用サーキットの路面を簡単に再現させることができる。

試験台１は、試験路面２の温度を変更させる温度調整手段５を有している。温度調整手段５は、図示省略するが、円盤部材10に埋設状とされ試験路面２を加熱する加熱部材（ヒータ）と、試験路面２の温度を検知して加熱部材の発熱量をフィードバック制御する制御器と、を有し、制御器における温度設定により試験路面２の温度を一定に保つことができる。
さらに、温度調整手段５に、冷却部材を備え、制御器による温度設定により、常温よりも低温の試験路面２を得ることもできる。温度調整手段５により試験路面２の温度を種々変更させることもできる。

そして、温度調整手段５に加熱機能を持たせることで、温度調整手段５により試験路面２の温度を30℃以上にすることができ（常温から60℃にすることができ）、さらには、上限を100 ℃、また、冷却機能を持たせることで、下限を−50℃にすることができ、低温路面から高温路面まで幅広く温度設定が可能である。
また、（ゴム製の）被試験体Ｗの表面温度は、 100℃以上 300℃以下となる場合もあり、本発明の摩擦試験装置は、高温状態にある被試験体ＷのμーＳ特性（摩擦特性）の解析を行うことができる。

被試験体Ｗは、実際のタイヤの構成部材（材料）にて作製された────実タイヤと同じトレッドゴム配合にて作製された────試験用の部材（試験片）であり、形状は、タイヤと同様の円形以外にも、直方体であってもよい。なお、以下説明では、円形でゴム製の被試験体Ｗとして説明する。

ホルダ３は、被試験体Ｗを試験路面２に当接（押圧）させるよう保持する部材である。また、ホルダ３には、被試験体Ｗの試験路面２への押圧力を変更自在とさせる（摩擦試験装置が備える）負荷手段６が接続されている。

具体的には、負荷手段６は、ホルダ３に保持させた被試験体Ｗを試験路面２に対し、鉛直下向きに任意の荷重を負荷させるよう構成したものであり、可変式のバネ12及びダンパー（図示省略）を有している。このバネ12は最大 5000Nの垂直荷重を発生させるもので、バネ定数 100〜300N/mm に変更自在とされている。そして、この負荷手段６により、ホルダ３を介して、被試験体Ｗに所定の押圧力を試験路面２に対して作用させることができる。

また、ホルダ３には被試験体Ｗが水平軸心ｅ廻りに回転可能となるよう保持されており、ホルダ３は、被試験体Ｗを水平軸心ｅ廻りに回転駆動させる（摩擦試験装置が有する）第２回転駆動手段13が接続されている。
第２回転駆動手段13は、モータ及び変速機を備え、図外の制御器にて任意の回転数（回転速度）に調整自在であり、被試験体Ｗを静止状態、等速回転させるのみならず、加速回転及び減速回転させるよう動作する。

つまり、試験台１において第１回転駆動手段11により試験路面２（円盤部材10）が回転駆動すると共に、第２回転駆動手段13により被試験体Ｗが回転駆動し、相互の回転数を調整・制御することで被試験体Ｗに制動・駆動トルクを負荷させることができる。つまり、被試験体Ｗと円盤部材10との間に制駆動力を作用させることで、実タイヤによる制動状態、発進状態を再現でき、高度な解析が可能となる。

また、被試験体Ｗは回転可能にホルダ３に保持されており、そのホルダ３には、被試験体Ｗにスリップ角θを付加させるスリップ角調整手段（図２）が接続されている。
スリップ角調整手段は、図２において、円盤部材10の回転接線方向ａ────被試験体Ｗの試験路面２における走行円軌跡の接線方向────に対して任意の角度（スリップ角θ）で被試験体Ｗ（被試験体Ｗの回転軸心に直交する被試験体Ｗの中心面）を傾斜させるものである。なお、図２の矢印ｂは被試験体Ｗの進行方向（被試験体Ｗと試験路面２との相対的な進行方向）を示す。

温度センサＴについて説明すると、図１では、温度センサＴは、試験路面２の温度と被試験体Ｗの表面温度を測定するよう、試験路面２用の第１温度センサＴ_１と被試験体Ｗ用の第２温度センサＴ_２とを備えている。温度センサＴは、接触式又は非接触式のいずれでも良く、従来より知られているものが適用できる。
温度センサＴにより測定された温度データは、検出手段４に入力される。

検出手段４は、試験路面２と被試験体Ｗとの間のμーＳ特性を検出し、図示省略の表示画面（ディスプレイ）等に表示させるものであり、試験路面２と被試験体Ｗとの間のスリップ率Ｓと摩擦係数μ及び相互の関係を検出する演算処理部である。
μーＳ特性を検出する検出手段４は、従来より知られる構成を採用することができるが、簡単に説明すると、検出手段４は、試験台１の円盤部材10の回転数（試験路面２における周速度）と、被試験体Ｗの回転数（周速度）と、を夫々測定する測定器と、これら測定値からスリップ率Ｓを算出する演算部と、を有する。

また、検出手段４には、分力検出センサ８が接続されており、分力検出センサ８は、ホルダ３とスピンドル（図示省略）を介して、被試験体Ｗと接続されて被試験体Ｗに生じる３方向の分力を検出することができる。つまり、被試験体Ｗに作用する直交３分力（前後荷重Ｆx ・左右荷重Ｆy ・上下荷重Ｆz ）を検出可能としている。
なお、前後方向とは、被試験体Ｗの試験路面２上における回転接線方向（Ｘ軸方向）であり、左右方向は円盤部材10の半径方向（Ｙ軸方向）であり、上下方向は円盤部材10に直交する鉛直方向（Ｚ軸方向）である。

分力検出センサ８は、この３分力以外にも、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸廻りの３モーメントＭx 、Ｍy 、Ｍz を検出するよう構成してもよい。つまり、分力検出センサ８は、被試験体Ｗに生じる３方向以上の分力の検出が可能であり、この場合、６分力の検出を行うこととなる。
以上により、被試験体Ｗと試験路面２との間のスリップ率Ｓ、摩擦係数μ、被試験体Ｗのコーナリングフォース等の測定が可能となる。

さらに、検出手段４は、温度センサＴによる試験路面２及び被試験体Ｗの温度と、μーＳ特性と、を相互関連付けて（所定時間にわたって）連続的にデータ処理する同時モニター処理部14を有している。つまり、同時モニター処理部14は、温度データとμーＳ特性データと（温度データと力データと回転速度データと）を同時に取得し、温度とμーＳ特性との相関関係を定量化するよう演算処理する演算部である。これにより、任意の温度にある試験路面２における被試験体Ｗ（タイヤ）のμーＳ特性を得ることができ、μーＳ特性の温度依存特性の定量化、グリップ力低下データの取得、解析が可能となる。

また、本発明において、摩擦試験装置は、試験路面２に砂や油等の摩擦係数μに影響を与える添加材を供給する供給手段（図示省略）を備えさせてもよい。これにより、試験路面２の状況を変えることができ、また、急変させることができ、より高度で実際的な解析が可能となる。
また、同じ素材・製法にて作製された複数体（複数枚）の同じ路面形成部材９を一組として構成し、その内の一部に、摩擦係数μに影響を与える添加材（砂、ゴムカス、油分を含む異物）を予めその試験路面２に具備させるようしてもよい。これにより、温度条件以外をパラメータとした摩擦試験についても比較検討することができる。

以上のように、本発明によれば、ターンテーブル型の試験台１と、試験台１上面の試験路面２に当接させるよう被試験体Ｗを保持するホルダ３と、試験路面２と被試験体Ｗとの間のμーＳ特性を検出する検出手段４と、試験路面２及び／又は被試験体Ｗの温度を測定する温度センサＴと、を備えたものであるため、実際の路面（道路）を試験装置上にて再現することができ、被試験体Ｗと試験路面２との相互作用による影響を考慮して、正確に被試験体Ｗと試験路面２との間の摩擦特性（μーＳ特性）を解析することができる。

従って、実タイヤを使用することなく（作製することなく）、被試験体Ｗにより、例えばグリップレベル、グリップ持続性、温度依存、耐アブレーション特性等について、高精度に評価、定量化することができ、より性能の良いタイヤを開発し、しかも、タイヤの開発に要する時間の短縮化が図れる。

また、試験台１の試験路面２を形成する路面形成部材９が、取り替え自在とされているため、種々異なる試験路面２についての解析が迅速に行える。つまり、簡単に摩擦係数μを変更でき、様々な状況における試験路面２と被試験体Ｗ（ゴム製タイヤ）の物性（特性）との関係（μ特性）の解析が可能である。

また、試験台１は、試験路面２の温度を変更させる温度調整手段５を有するため、特に温度依存性の高いゴム材料とする被試験体Ｗの解析において、有効である。つまり、試験路面２・被試験体Ｗの温度と摩擦特性とを同時に取得することで、温度条件が及ぼす摩擦特性の影響の解析が正確に行える。
特に、試験路面２を高温にすることで高温条件における特性を評価することができ、また、摩擦特性と、所定の温度とされた試験路面２、被試験体Ｗの温度データと、を同時に取り込むことで、タイヤの性能について温度依存性を定量化できる。
さらに、一般車両向けのタイヤのみならず、高温条件となるモータスポーツ用（レーシング車両用）のタイヤの開発に貢献できる。

また、ホルダ３は、被試験体Ｗの上記試験路面２への押圧力を変更自在とさせる負荷手段６と接続されているため、実車を使用することなくタイヤの接地状態を正確に再現でき、精度の高い解析が可能となる。
また、被試験体Ｗは回転可能にホルダ３に保持され、かつ、ホルダ３は、被試験体Ｗにスリップ角θを付加させるスリップ角調整手段と接続されているため、スリップ角試験が実施可能で、実タイヤにおける実車走行状態をシミュレートする摩擦試験装置として好適である。

また、検出手段４は、ホルダ３と接続されて被試験体Ｗに生じる３方向以上の分力を検出する分力検出センサ８と接続されているため、各種測定データの取得が可能であり、より精度の高い解析が行える。

本発明に係る摩擦試験装置の実施の一形態を示す全体構成図である。スリップ角調整手段を説明する説明図である。

符号の説明

１試験台
２試験路面
３ホルダ
４検出手段
５温度調整手段
６負荷手段
８分力検出センサ
９路面形成部材
Ｔ _１第１温度センサ
Ｔ _２第２温度センサ
Ｗ被試験体
θ スリップ角

Claims

タイヤ用ゴム配合の被試験体（Ｗ）を試験するための摩擦試験装置に於て、
ターンテーブル型の試験台（１）と、該試験台（１）上面の試験路面（２）に当接させるよう上記被試験体（Ｗ）を保持するホルダ（３）と、該試験路面（２）と上記被試験体（Ｗ）との間のμーＳ特性を検出する検出手段（４）と、該試験路面（２）の温度を測定する第１温度センサ（Ｔ _１）と、上記被試験体（Ｗ）の表面温度を測定する第２温度センサ（Ｔ _２）と、上記ホルダ（３）に接続して上記被試験体（Ｗ）の上記試験路面（２）への押圧力を変更自在とさせる負荷手段（６）と、を備え、
さらに、上記試験路面（２）を加熱する加熱部材と常温よりも低温の上記試験路面（２）に冷却可能な冷却部材を有し、上記試験路面（２）を低温路面から高温路面まで温度変更させる温度調整手段（５）を備えていることを特徴とする摩擦試験装置。
上記試験台（１）の上記試験路面（２）を形成する路面形成部材（９）が、取り替え自在とされている請求項１記載の摩擦試験装置。
上記被試験体（Ｗ）は回転可能に上記ホルダ（３）に保持され、かつ、該ホルダ（３）は、上記被試験体（Ｗ）にスリップ角（θ）を付加させるスリップ角調整手段と接続されている請求項１又２記載の摩擦試験装置。
上記検出手段（４）は、上記ホルダ（３）と接続されて上記被試験体（Ｗ）に生じる３方向以上の分力を検出する分力検出センサ（８）と接続されている請求項１、２又は３記載の摩擦試験装置。