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技術 粘弾性材の疲労試験法

出願人 住友ゴム工業株式会社
発明者 河村幸伸
出願日 2013年2月25日 (7年4ヶ月経過) 出願番号 2013-034662
公開日 2014年9月8日 (5年9ヶ月経過) 公開番号 2014-163783
状態 未査定
技術分野 機械的応力負荷による材料の強さの調査 車両の試験 タイヤ一般
主要キーワード 単純せん断 中間支持体 変形要素 耐疲労破壊性 側支持体 ロックタイト 回転変形 温度換算
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2014年9月8日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (4)

課題

車重による圧縮変形下にある粘弾性材が受けるせん断疲労を再現する新しい疲労試験法を提供する。

解決手段

イヤに用いられる粘弾性材である試験片11A、11Bに対して、圧縮変形を印加しながら、圧縮方向とは垂直方向周期変形を与え続け、試験片が破壊されるまでの時間を指標とする。粘弾性材は、インナーライナーに用いられる加硫ゴム。圧縮変形において、200〜500kPaの圧力を印加、周期変形において、せん断ひずみ振幅が5〜20%、せん断ひずみ周期が室温において20Hz以下。

概要

背景

従来から、粘弾性材の疲労試験法としては、デマチャ試験機を用いた試験が主流である。この試験法では、試験片に溝を入れ、その溝に対し曲げ変形を繰り返し与えるが、主変形モードは、溝底に与えられる引張変形(伸長変形)である。実際に、粘弾性材の疲労破壊は、溝底で発生した亀裂が溝方向に対して伝播することで最終的に破断が生じる。

一方、タイヤに使用される粘弾性材(ゴム)について着目してみると、タイヤに使用されるゴムのうち、引張変形を受ける部材は極限られた部材のみであり、多くの部材においては、圧縮変形せん断変形を受ける。このため、引張変形が主変形であるデマッチャ試験では、実際にタイヤに用いた際の耐疲労特性を正確に表せないこともある。

これに対して、ドイツゴム研究所のR.Klaukeらは、回転変形を用いることで試験片に単純せん断変形を印加する疲労試験法を構築した。彼らの試験方法は、軸方向に垂直方向に与えたせん断変形下にある試験片に対してねじりによる単純せん断変形を与える試験方法であり、従来の引張変形よりは格段に現実のタイヤで起きている変形に近い変形モードで測定できるメリットがある。しかし、この方法では、実際のタイヤにおいて受けるはずの車重による圧縮変形が考慮されておらず、実際のタイヤの変形を完全に再現しているとはいえない。

タイヤの各部材のなかでも、特にインナーライナーは、タイヤエッジ部において車重による高圧縮力下に置かれるため、インナーライナーに用いる粘弾性材(ゴム)は、圧縮変形の影響を加味した疲労試験方法を構築して評価する必要がある。

概要

車重による圧縮変形下にある粘弾性材が受けるせん断疲労を再現する新しい疲労試験法を提供する。タイヤに用いられる粘弾性材である試験片11A、11Bに対して、圧縮変形を印加しながら、圧縮方向とは垂直方向に周期変形を与え続け、試験片が破壊されるまでの時間を指標とする。粘弾性材は、インナーライナーに用いられる加硫ゴム。圧縮変形において、200〜500kPaの圧力を印加、周期変形において、せん断ひずみ振幅が5〜20%、せん断ひずみ周期が室温において20Hz以下。

目的

本発明は、前記課題を解決し、車重による圧縮変形下にある粘弾性材が受けるせん断疲労を再現する新しい疲労試験法を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

試験片に対して、圧縮変形印加しながら、圧縮方向とは垂直方向周期変形を与え続け、試験片が破壊されるまでの時間を指標とする、タイヤに用いられる粘弾性材の疲労試験法。

請求項2

前記粘弾性材が、インナーライナーに用いられる加硫ゴムである請求項1記載の粘弾性材の疲労試験法。

請求項3

前記圧縮変形において、200〜500kPaの圧力を印加する請求項1又は2記載の粘弾性材の疲労試験法。

請求項4

前記周期変形において、せん断ひずみ振幅が5〜20%、せん断ひずみ周期が室温において20Hz以下である請求項1〜3のいずれかに記載の粘弾性材の疲労試験法。

技術分野

0001

本発明は、粘弾性材の疲労試験法に関する。

背景技術

0002

従来から、粘弾性材の疲労試験法としては、デマチャ試験機を用いた試験が主流である。この試験法では、試験片に溝を入れ、その溝に対し曲げ変形を繰り返し与えるが、主変形モードは、溝底に与えられる引張変形(伸長変形)である。実際に、粘弾性材の疲労破壊は、溝底で発生した亀裂が溝方向に対して伝播することで最終的に破断が生じる。

0003

一方、タイヤに使用される粘弾性材(ゴム)について着目してみると、タイヤに使用されるゴムのうち、引張変形を受ける部材は極限られた部材のみであり、多くの部材においては、圧縮変形せん断変形を受ける。このため、引張変形が主変形であるデマッチャ試験では、実際にタイヤに用いた際の耐疲労特性を正確に表せないこともある。

0004

これに対して、ドイツゴム研究所のR.Klaukeらは、回転変形を用いることで試験片に単純せん断変形を印加する疲労試験法を構築した。彼らの試験方法は、軸方向に垂直方向に与えたせん断変形下にある試験片に対してねじりによる単純せん断変形を与える試験方法であり、従来の引張変形よりは格段に現実のタイヤで起きている変形に近い変形モードで測定できるメリットがある。しかし、この方法では、実際のタイヤにおいて受けるはずの車重による圧縮変形が考慮されておらず、実際のタイヤの変形を完全に再現しているとはいえない。

0005

タイヤの各部材のなかでも、特にインナーライナーは、タイヤエッジ部において車重による高圧縮力下に置かれるため、インナーライナーに用いる粘弾性材(ゴム)は、圧縮変形の影響を加味した疲労試験方法を構築して評価する必要がある。

先行技術

0006

R. Klauke, T. Alshuth, J. Ihlemann、Lifetime prediction of rubber materials under simple shear load with rotating axes、Kautsch Gummi Kunstst 63(7/8) 286−290 (2010)

発明が解決しようとする課題

0007

本発明は、前記課題を解決し、車重による圧縮変形下にある粘弾性材が受けるせん断疲労を再現する新しい疲労試験法を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

0008

本発明は、試験片に対して、圧縮変形を印加しながら、圧縮方向とは垂直方向に周期変形を与え続け、試験片が破壊されるまでの時間を指標とする、タイヤに用いられる粘弾性材の疲労試験法に関する。

0009

上記粘弾性材が、インナーライナーに用いられる加硫ゴムであることが好ましい。

0010

上記圧縮変形において、200〜500kPaの圧力を印加することが好ましい。

0011

上記周期変形において、せん断ひずみ振幅が5〜20%、せん断ひずみ周期が室温において20Hz以下であることが好ましい。

発明の効果

0012

本発明によれば、試験片に対して、圧縮変形を印加しながら、圧縮方向とは垂直方向に周期変形を与え続け、試験片が破壊されるまでの時間を指標とする、タイヤに用いられる粘弾性材の疲労試験法であるので、車重による圧縮変形下にある粘弾性材が受けるせん断疲労を再現する新しい疲労試験法を提供できる。そのため、該試験法により、粘弾性材を評価することにより、車重による圧縮変形下におけるせん断疲労に対する該粘弾性材の特性を評価でき、該粘弾性材をタイヤに使用した際の耐疲労特性を予測することができる。

図面の簡単な説明

0013

振幅について説明するための模式図である。
試験用サンプルの一例を示す模式図である。
試験用サンプルに加えられる圧縮変形および周期変形の一例を示す模式図である。

0014

本発明のタイヤに用いられる粘弾性材の疲労試験法は、試験片に対して、圧縮変形を印加しながら、圧縮方向とは垂直方向に周期変形を与え続け、試験片が破壊されるまでの時間を指標とする。

0015

本発明では、実際にタイヤが受ける変形を素変形要素に分解し、対応する変形要素を試験片に与えているため、より実際のタイヤの変形に忠実な疲労試験法を提供できる。具体的には、車重による圧縮については、圧縮変形として、試験片に圧力(圧縮荷重)を印加し、路面から受ける繰り返し変形については、周期変形として、周期的なせん断ひずみを圧縮方向に対して垂直方向に試験片に印加する。これにより、該試験法を用いて粘弾性材を評価することにより、より実際のタイヤの疲労に近い変形形態における粘弾性材の耐疲労特性を評価でき、該粘弾性材をタイヤに使用した際のタイヤの寿命に対してより精密な予測ができる。例えば、デマッチャ試験機を用いた試験では有意な差が見られないサンプル(粘弾性材)群を、本発明の試験法で試験すると、各サンプルの結果に有意な差が見られ、これらのサンプル(粘弾性材)をタイヤに使用した際のタイヤの寿命に対してより精密な予測ができる。

0016

圧縮変形において、印加される圧力(圧縮荷重)は、特に限定されないが、車重に相当する圧力であることが好ましく、具体的には200〜500kPaが好ましい。これは、軽自動車の車重が200kPaに相当し、大型トラックの車重が500kPaに相当するため、印加される圧力を上記範囲内とすることにより、測定した粘弾性材をタイヤに使用した際の耐疲労特性を好適に予測できる。なお、上記圧力は、タイヤの使用を予定している車両の重さに応じて設定すればよい。ここで、印加される圧力が500kPaであるとは、試験片に、500kPaの圧縮荷重が加えられることを意味する。

0017

周期変形において、せん断ひずみ振幅(周期変形の振幅)は、特に限定されないが、実際にタイヤが路面から受ける周期的なひずみの振幅に対応していることが好ましく、具体的には、5〜20%が好ましい。振幅を上記範囲内とすることにより、測定した粘弾性材をタイヤに使用した際の耐疲労特性を好適に予測できる。なお、本発明において、せん断ひずみ振幅とは、サンプル厚みに対するせん断方向のひずみ量の割合(せん断方向のひずみ量/サンプル厚み×100(%))を意味する(図1参照)。

0018

せん断ひずみ周期(周期変形の周期)は、特に限定されないが、室温で測定する場合、室温におけるタイヤの転動周期の最大値である20Hz以下(時速200km/hに相当)に設定することが好ましい。該周期の下限は特に限定されないが、室温で測定する場合、好ましくは0.5Hz以上、より好ましくは1Hz以上である。周期を上記範囲内とすることにより、測定した粘弾性材をタイヤに使用した際の耐疲労特性を好適に予測できる。なお、上記周期の設定範囲は、いわゆる時間−温度換算則を用いて任意の温度における設定範囲へ変換できる。

0019

測定温度測定中に試験片が置かれる恒温槽の温度)は、ゴムの熱劣化脆化の影響を低減できるという理由から、好ましくは10〜130℃、より好ましくは10〜110℃である。

0020

試験片の形状は、直径3〜25mm、厚み1〜10mmの円盤形状が好ましい。

0021

粘弾性材としては特に限定されず、加硫ゴム(組成物)、熱硬化性プラスチック熱可塑性プラスチックなど、一般的な材料を使用できる。なかでも、一般的にタイヤに用いられることが多い加硫ゴムを好適に使用できる。加硫ゴムのなかでも、タイヤエッジ部において車重による高圧縮力下に置かれるため、本発明の疲労試験法により、タイヤに使用した際の耐疲労特性を好適に予測できることから、タイヤのインナーライナーに用いられる加硫ゴムが好ましい。

0022

インナーライナーに用いられる加硫ゴムとしては、ブチル系ゴム天然ゴム(NR)及びカーボンブラックを含むものが好ましい。これにより、測定した粘弾性材(加硫ゴム)をタイヤに使用した際の耐疲労特性を好適に予測できる。

0023

ブチル系ゴムとしては、例えば、ブチルゴム(IIR)や、塩素化ブチルゴム(Cl−IIR)、臭素化ブチルゴム(Br−IIR)、フッ素化ブチルゴム(F−IIR)などのハロゲン化ブチルゴムが挙げられる。

0024

ゴム成分100質量%中のブチル系ゴムの含有量は、好ましくは70〜90質量%である。ゴム成分100質量%中のNRの含有量は、好ましくは10〜30質量%である。また、ゴム成分100質量部に対するカーボンブラックの含有量は、好ましくは10〜150質量部、より好ましくは50〜90質量部である。

0025

本発明の疲労試験法を実施可能な測定装置としては、試験片に対して、圧縮変形(圧縮荷重)を印加しながら、圧縮方向とは垂直方向に周期変形を与え続けることが可能な装置であれば特に限定されず、例えば、特開2006−177734号公報に記載の粘弾性測定装置、ヨシミズ社製の大型疲労試験機、ヨシミズ社製の大変形粘弾性試験装置等を使用できる。

0026

次に、図面を用いて、本発明の疲労試験法に供する試験用サンプルの一例について説明する。
図2は、試験用サンプルの一例を示す模式図である。試験用サンプル1は、粘弾性材からなる一対の試験片11A、11Bと、試験片11A、11Bを両側端面に配置する中間支持体12と、試験片11A、11Bを挟んで中間支持体12の両側に配置され、中間支持体12と直線上に配列する一対の両側支持体(一側支持体13および他側支持体14)とからなる。

0027

中間支持体12、一側支持体13および他側支持体14は、円柱状の金属材からなり、同一径である。

0028

試験片11A、11Bは、中間支持体12、一側支持体13および他側支持体14と同一径の円盤状にカットされている。試験片11A、11Bは、中間支持体12の両側端面に貼着され、一側支持体13および他側支持体14との間で両側から挟持されている。

0029

このように、図2に示す試験用サンプルでは、一対の試験片11A、11Bが、それぞれ、中間支持体12と一側支持体13、中間支持体12と他側支持体14の間で挟持されている。

0030

本例では、中間支持体12、一側支持体13、他側支持体14、試験片11A、11Bの直径及び断面形状を同一としている。これにより、測定した粘弾性材をタイヤに使用した際の耐疲労特性を好適に予測できる。

0031

本例では、中間支持体12、一側支持体13、他側支持体14および試験片11A、11Bの直径は3〜25mmとし、試験片11A、11Bの厚み(高さ)は1〜10mm、中間支持体12、一側支持体13、他側支持体14の高さ(厚み)は3〜50mmとしている。これにより、測定した粘弾性材をタイヤに使用した際の耐疲労特性を好適に予測できる。

0032

図2に示す試験用サンプルを上述の装置にセットし、本発明の疲労試験法を行うことが可能である。具体的には、図3に示すように、一側支持体13、他側支持体14をそれぞれ、円柱軸方向(図3のX方向)中間支持体12側へ押しこむことにより、試験片11A、11Bへ両側から圧縮変形が印加される。さらに、中間支持体12を、円柱軸方向と垂直方向(図3のZ方向)に、周期的に往復動振動)させることにより、試験片11A、11Bへ周期的なせん断変形が加えられる。
上述のように、圧縮変形が車重による変形に、周期的なせん断変形(周期変形)が路面から受ける変形にそれぞれ対応している。

0033

圧縮変形、せん断変形を試験片11A、11Bへ与え続けて、試験片11A、11Bが破壊するまでの時間を測定することにより、試験片11A、11Bと同一の組成の粘弾性材をタイヤに使用した際のタイヤの耐疲労特性を予測できる。なお、本発明において、破壊するまでの時間とは、完全に試験片が破壊されるまでの時間に限定されず、試験片に亀裂等が生じるまでの時間も含む概念である。

0034

なお、図2に示す試験用サンプルにおいて、試験片の支持体(中間支持体12、一側支持体13、及び他側支持体14)への固定は、円柱軸方向(図3のX方向)に加えられる圧縮荷重により行うことができるが、金属−粘弾性材(ゴム)間の剥離を防ぐために、金属−粘弾性材間接着する化学物質を用いることが好ましい。これにより、測定した粘弾性材をタイヤに使用した際の耐疲労特性を好適に予測できる。該化学物質としては、接着剤として通常使用されるものであれば特に限定されないが、例えば、エポキシ系の接着剤、ウレタン系の接着剤、加硫接着剤等を用いることができる。

0035

図2に示す試験用サンプルでは、中間支持体及び両側支持体が円柱形状である場合について説明したが、本発明においては、中間支持体及び両側支持体が角柱形状であってもよい。この場合、試験片を、支持体と同一の断面形状とすることが好ましい。

0036

試験用サンプルとして、粘弾性材からなる一対の試験片と、試験片を両側端面に配置する中間支持体と、試験片を挟んで中間支持体の両側に配置され、中間支持体と直線上に配列する一対の両側支持体とからなる試験用サンプルを用いて、圧力(圧縮荷重)を試験片に両側から印加し、周期的なせん断ひずみを圧縮方向とは垂直方向に試験片に印加することにより、より実際のタイヤの疲労に近い変形形態における粘弾性材(特に、インナーライナーに用いられる加硫ゴム)の耐疲労特性を評価でき、測定した粘弾性材をタイヤに使用した際のタイヤの寿命に対してより精密な予測ができる。

0037

実施例に基づいて、本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらのみに限定されるものではない。

0038

以下、実施例及び比較例で使用した各種薬品について、まとめて説明する。
天然ゴム:TSR#20
クロロブチル:JSR(株)製の塩素化ブチルゴムHT1066
再生ブチル岡ゴム工業(株)製のブチルチューブ再生ゴム
カーボンブラック:三菱化学(株)製のダイアブラックN660
アロマオイル:(株)ジャパンエナジー製のJOMOプロセスX140
老化防止剤RD:川口化学工業(株)製のアンテージ RD
ステアリン酸:日油(株)製のステアリン酸
酸化亜鉛:三井金属鉱業(株)製の亜鉛華1号
硫黄:鶴見化学(株)製の粉末硫黄
加硫促進剤:大内新興化学工業(株)製のノクセラーDM

0039

加硫ゴム組成物試験用タイヤの調製)
表1に示す配合処方にしたがい、バンバリーミキサーを用いて、硫黄及び加硫促進剤以外の材料を排出温度140℃の条件下で4分間混練りし、混練り物を得た。得られた混練り物に硫黄及び加硫促進剤を添加し、オープンロールを用いて、80℃の条件下で2分間練り込み、未加硫ゴム組成物を得た。得られた未加硫ゴム組成物を150℃で30分間加硫することにより、加硫ゴム組成物(加硫ゴムシート)を得た。
次に、得られた未加硫ゴム組成物をタイヤ成型機上でインナーライナー形状に成形し、他のタイヤ部材と貼り合わせて未加硫タイヤを作製した。未加硫タイヤを180℃で10分間加硫することにより試験用タイヤを製造した。

0040

0041

配合A、Bの各加硫ゴム組成物、各試験用タイヤについて下記の評価を行った。結果を表2に示す。

0042

(実施例)
(本発明の方法による加硫ゴム組成物の評価)
試料片の準備>
得られた加硫ゴム組成物(加硫ゴムシート)から、直径10mm、厚み2mmの円盤状に切り出した一対の試験片を、同径、高さ10mmの真鍮性の円柱に接着剤(Henkel社製、ロックタイト407)を用いて、図2と同様に貼り付けたものを試験用サンプルとした。
試験条件
得られた試験用サンプルを用いて、温度23℃、相対湿度55%の条件下で、株式会社ヨシミズ製の大変形粘弾性試験装置を用いて、試験片に対して、圧縮変形(圧縮荷重)を印加しながら、圧縮方向とは垂直方向に周期変形を与え続け、試験片が破壊されるまでの時間を指標とする評価を行った。なお、圧縮荷重、せん断ひずみ振幅(周期変形の振幅)、せん断ひずみ周期(周期変形の周期)は、表2に示す条件で行った。
なお、実施例1〜4の圧縮荷重は、それぞれ、普通乗用車、軽自動車、大型トラックの車重相当の荷重である。

0043

(比較例)
(デマチャ屈曲亀裂試験による加硫ゴム組成物の評価)
得られた加硫ゴム組成物(配合A、配合B)について、JIS K6260「加硫ゴム及び熱可塑性ゴムのデマチャ屈曲亀裂試験方法」に準じて、温度23℃、相対湿度55%の条件下で、加硫ゴム試験片サンプルに関して、亀裂成長が1mmになるまでの回数を測定した。試験結果は、配合Aが23万回、配合Bが22万回であり、配合AとBの間に有意な差は見られなかった。

0044

実車評価
得られた試験用タイヤを普通乗用車に、配合Aの試験用タイヤと配合Bの試験用タイヤとがたすきになるように装着して、6000km走行させ、走行後のタイヤ内面(インナーライナー)におけるクラックの発生の有無を確認した。その結果、配合Aの試験用タイヤではクラックは確認できなかったが、配合Bの試験用タイヤでは複数のクラックが確認できた。

0045

((配合Aの結果/配合Bの結果)−1)
各例の結果について、(配合A(新品)の結果/配合B(再生品)の結果)−1の値を算出した。算出結果((配合Aの結果/配合Bの結果)−1)が大きいほど、配合A、Bの結果の差が大きく、新品と再生品の耐疲労特性(耐疲労破壊性)の差を明確に評価できることを示す。(配合Aの結果/配合Bの結果)−1)の値が0.5以上の場合に、有意な差があると判断した。

0046

実施例

0047

試験片に対して、圧縮変形を印加しながら、圧縮方向とは垂直方向に周期変形を与え続け、試験片が破壊されるまでの時間を指標とした疲労試験法により評価した実施例では、配合A、Bの結果に有意な差が見られ、実車評価の結果とも相関性が見られた。一方、デマチャ屈曲亀裂試験により評価した比較例では、配合A、Bの結果に有意な差が見られなかった。

0048

1試験用サンプル
11A、11B試験片
12中間支持体
13 一側支持体
14 他側支持体

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