JP7576259B2

JP7576259B2 - ゴム構造体の構造およびゴム構造体の使用方法

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Publication number: JP7576259B2
Application number: JP2020139321A
Authority: JP
Inventors: 隆太郎中川; 覚前川; 文広糸魚川; 亮介桝谷
Original assignee: Nagoya Institute of Technology NUC; Yokohama Rubber Co Ltd
Current assignee: Nagoya Institute of Technology NUC; Yokohama Rubber Co Ltd
Priority date: 2020-08-20
Filing date: 2020-08-20
Publication date: 2024-10-31
Anticipated expiration: 2040-08-20
Also published as: JP2022035184A

Description

本発明は、ゴム構造体の構造およびゴム構造体の使用方法に関し、さらに詳しくは、使用初期において接触する対象面に不要な傷を付けることなく、対象面に対する動摩擦力を向上させることができる汎用性が高いゴム構造体の構造およびゴム構造体の使用方法に関するものである。

タイヤなどのゴム構造体は、道路などの対象面に接触して使用される。このようなゴム構造体は、対象面に対する動摩擦力の大きさが、性能を示す１つの指標になっている。例えば、氷雪などの対象面に対する動摩擦力を大きくするために、種子の殻などの硬質粒子をトレッドゴムに添加して、引っ掻き効果により摩擦力を向上させるタイヤが知られている。しかしながら、このような硬質粒子がトレッド面に露出する構造では、道路路面を過度に傷つけて損傷させるデメリットがある。

或いは、湿潤路面に対するタイヤの摩擦力を向上させるために、例えば、ゴム組成物に配合する配合剤および添加物が種々工夫されている（例えば、特許文献１参照）。即ち、従来、摩擦力を向上させるために特別なゴム組成物を開発している。換言すると、タイヤに限らず様々なゴム構造体において、接触表面に汎用の加硫ゴムなどが用いられる構造の場合は、対象面に対して動摩擦力を向上させることが難しい。それ故、接触する対象面に不要な傷を付けることなく、対象面に対する動摩擦力を向上させる汎用性が高いゴム構造体を実現するには改善の余地がある。

特開２００１－３３５６６４号公報

本発明の目的は、使用初期において接触する対象面に不要な傷を付けることなく、対象面に対する動摩擦力を向上させることができる汎用性が高いゴム構造体の構造およびゴム構造体の使用方法を提供することにある。

上記目的を達成するため本発明のゴム構造体は、加硫ゴムとこの加硫ゴムに埋設された剛体とを備えて、使用時に対象面に接触する接触表面を有するゴム構造体の構造であって、前記剛体が埋設されている前記加硫ゴムからなる前記接触表面から所定深さの前記接触表面の近傍領域に前記剛体が前記接触表面から露出しない状態で散在していて、前記剛体のヤング率が前記加硫ゴムのヤング率の５０％以下または２００％以上であることを特徴とする。

本発明の別のゴム構造体の構造は、加硫ゴムとこの加硫ゴムに埋設された剛体とを備えて、使用時に対象面に接触する接触表面を有するゴム構造体の構造であって、前記剛体が埋設されている前記加硫ゴムからなる前記接触表面から所定深さの前記接触表面の近傍領域に前記剛体が前記接触表面から露出しない状態で散在していて、前記剛体の密度が前記加硫ゴムの密度の７０％以下または１３０％以上であることを特徴とする。

本発明のゴム構造体の使用方法は、上記のゴム構造物の構造を備えたゴム構造体の使用方法であって、前記剛体の直径相当寸法が、前記対象面の算術平均高さＳａの３０％以上、前記所定深さが１ｍｍ未満であり、前記対象面に対して前記接触表面を摺動させるように前記ゴム構造体を前記対象面に対して相対移動させることを特徴とする。

本発明のゴム構造体の構造では、前記加硫ゴムに埋設された前記剛体が、前記接触表面から所定深さの前記接触表面の近傍領域に前記接触表面から露出しない状態で散在していて、前記剛体のヤング率または前記剛体の密度を、前記加硫ゴムに対して顕著に変化させている。このようにゴム構造体において接触表面の近傍領域での剛性（ヤング率）や密度を周囲の加硫ゴムとは顕著に異なる構造にすることで、接触表面を対象面に摺動させると、剛体が埋設されていない場合に比して、ゴム構造体のヒステリシスロスが大きくなる。これに伴い、接触表面に汎用の加硫ゴムが用いられていても対象面に対する動摩擦力が向上する。また、剛体は接触表面に露出していないので、ゴム構造体の使用初期においては、剛体によって対象面に不要な傷を付けることがない。

本発明のゴム構造体の使用方法では、前記剛体の直径相当寸法が、前記対象面の算術平均高さＳａの３０％以上、前記所定深さが１ｍｍ未満の条件にする。この条件下で、前記対象面に対して前記接触表面を摺動させるように前記ゴム構造体を前記対象面に対して相対移動させることで、対象面に対する動摩擦力をより効果的に向上させることができる。

本発明の構造が採用されているゴム構造体を、断面視で模式的に例示する説明図である。図１のＡ矢視図である。図１のゴム構造体の接触表面を対象面に接触させた状態を拡大して模式的に例示する説明図である。ゴム構造体であるタイヤの右半分を、幅方向断面視で例示する説明図である。図３のゴム構造体を対象面に対して相対移動させている状態を模式的に例示する説明図である。ゴム構造体の対象面に対する動摩擦力と剛体のヤング率との関係を例示するグラフ図である。ゴム構造体の対象面に対する動摩擦力と剛体の密度との関係を例示するグラフ図である。ゴム構造体の対象面に対する動摩擦力と剛体の接触表面からの深さ位置との関係を例示するグラフ図である。ゴム構造体の対象面に対する動摩擦力と剛体の直径との関係を例示するグラフ図である。

本発明のゴム構造体の構造およびゴム構造体の使用方法を、図に示した実施形態に基づいて説明する。

図１～図３に例示する実施形態のゴム構造体１には本発明の構造が採用されていて、使用時に対象面５に接触する接触表面２を有し、対象面５に対する動摩擦力が大きいことが特徴である。即ち、このゴム構造体１の構造を採用することで、動摩擦係数を高くすることが可能になっている。この動摩擦係数はＪＩＳＫ７１２５に規定された試験方法に準拠して測定することができる。

ゴム構造体１は、加硫ゴム３と加硫ゴム３に埋設された剛体４とを備えている。接触表面２から所定深さｈの接触表面２の近傍領域Ｒには剛体４が接触表面２から露出しない状態で散在している。剛体４が埋設されている接触表面２の近傍領域Ｒとは、所定深さｈ（剛体４と接触表面２との最短距離）が例えば、接触表面２から０．０５ｍｍ以上１ｍｍ未満の範囲である。尚、適切な所定深ｈは、剛体４の大きさや対象面５の粗さに応じて異なることがあり、包括的にいえば１０ｍｍ以下の範囲になる。

この近傍領域Ｒよりも深い領域にも剛体４が埋設されていてもよいが、近傍領域Ｒよりも深い領域に剛体４が埋設されていても、ゴム構造体１の動摩擦力の向上をそれ程期待できない。したがって、この実施形態では剛体４は、近傍領域Ｒのみに埋設されている。また、この実施形態では、多数の剛体４が上下二層の状態で散在しているが、多層状態や単層状態で散在してもよい。

第１の実施形態では剛体４のヤング率は、加硫ゴム３のヤング率の５０％以下または２００％以上に設定されている。加硫ゴム３のヤング率は概ね０．９ＭＰａ以上１．１ＭＰａ以下の範囲である。加硫ゴム３は汎用のゴム組成物で形成することができる。

したがって、第１の実施形態ではゴム構造体１は、接触表面２の近傍領域Ｒが周囲とは顕著にヤング率を異ならせた剛性分布を有する構造になっている。接触表面２の近傍領域Ｒが周囲とは顕著にヤング率を小さくした剛性分布を有する構造にすることも、顕著にヤング率を大きくした剛性分布を有する構造にすることもできる。

剛体４としては、金属粒子、樹脂粒子、無機充填剤粒子を例示できる。具体的には、金属粒子としては、加硫ゴム３よりも硬い鋼球、アルミニウム球などを用いることができる。樹脂粒子としては、加硫ゴム３よりも硬い硬質樹脂球、加硫ゴム３よりも柔らかい軟質樹脂球などを用いることができる。無機充填剤粒子としては加硫ゴム３よりも硬いシリカなどを用いることができる。

剛体４は粒状体（球状体）に限らず、棒状体であってもよい。剛体４の断面形状は円形、楕円形の他に、三角形、四角形などの様々な多角形であってもよいが、できるだけ表面には角（特に鋭角な角）がない形状にすることが好ましい。剛体４の表面に角が存在していると、加硫ゴム３の傷の起点になり易いためである。

剛体４の直径ｄ（直径相当寸法ｄ）は例えば、０．１ｍｍ以上２．０ｍｍ以下である。円形断面以外の剛体４を対象にした直径相当寸法ｄとは、その断面形状の外接円の直径の８０％である。

すべての剛体４を同じ仕様にして、例えば同じ材質で同じ断面形状および直径相当寸法にすることもできる。或いは、異なる仕様の剛体４を混在させることもできる。例えば、同じ材質で直径相当寸法ｄを０．１ｍｍ以上２．０ｍｍ以下の範囲で異ならせた剛体４を混在させることもできる。

それぞれの剛体４は、隣り合って配置されるどうしの間隔ｍが剛体４の直径相当寸法ｄ（隣り合う剛体４のうちより小さい直径相当寸法ｄ）の５０％以上２００％以下程度にして散在させるとよい。剛体４の配置密度が高過ぎても低過ぎてもゴム構造体１の摩擦力を向上させ難くなるためである。

ゴム構造体１の形状はブロック状体に限らず、図４に例示するように、円環状のタイヤ１Ａの場合もある。図４中の一点鎖線ＣＬはタイヤ幅方向中心を示している。タイヤ１Ａでは、接触表面２はトレッド面２Ａとなる。タイヤ１Ａの場合の対象面５は、トレッド面２Ａが接地するアスファルト路面等になる。ゴム構造体１としては、その他にブレーキパッド、シール材（パッキン）などを例示できる。

ゴム構造体１の構造の第２の実施形態としては、第１の実施形態の剛体４のヤング率を特定した構造に代えて、剛体４の密度を特定した構造にすることもできる。

第２の実施形態では、接触表面２から所定深さｈの接触表面２の近傍領域Ｒに剛体４が接触表面２から露出しない状態で散在していて、剛体４の密度が加硫ゴム３の密度の７０％以下または１３０％以上に設定されている。剛体４の密度の上限は例えば加硫ゴム３の密度の２５００％程度である。加硫ゴム３の密度は概ね９００ｋｇ／ｍ³以上１５００ｋｇ／ｍ³以下の範囲である。

したがって、第２の実施形態ではゴム構造体１は、接触表面２の近傍領域Ｒが周囲とは顕著に密度を異ならせた密度分布を有する構造になっている。接触表面２の近傍領域が周囲とは顕著に密度を小さくした密度分布を有する構造にすることも、顕著に密度を大きくした密度分布を有する構造にすることもできる。ゴム構造体１のその他の構成は、第１の実施形態で説明した同様のアレンジを第２の実施形態においても適用することができる。

上述したそれぞれの実施形態のゴム構造体１の使用方法は、以下のとおりである。

対象面５は表面に様々な凹部６ａ、凸部６ｂを有する凹凸面になっている。ゴム構造体１の使用条件は、剛体４の直径相当寸法ｄが対象面５の算術平均高さＳａの３０％以上、かつ、剛体４が埋設されている所定深さｈが、０．０５ｍｍ以上１ｍｍ未満であることが望ましい。この条件を満たす凹凸を有する対象面５にすることで、ゴム構造体１の動摩擦力をより効果的に向上させることができる。

そして、図３に例示するように対象面５に接触表面２を接触させたゴム構造体１を、図５に例示するように、対象面５に向かって所定圧力で押圧した状態にする。この時の押圧力は、ゴム構造体１の使用条件に応じた圧力になる。これにより、接触表面２が対象面５に押し込まれた状態になる。詳述すると、対象面５の凸部６ｂに接触表面２が押し込まれた状態（凸部６ｂが接触表面２に喰い込んだ状態）になる。対象表面５の凹凸具合、ゴム構造体１に付与される押圧力などに応じて、近傍領域Ｒの変形具合は異なる。

この状態で、対象面５に対して接触表面２を摺動させるようにゴム構造体１を対象面５に対して相対移動させる。相対移動方向は、図５の矢印で示すように対象面５の面に沿った方向である。対象面５を固定してゴム構造体１を移動させてもよく、ゴム構造体１を固定して対象面５を移動させることもできる。ゴム構造体１は近傍領域Ｒを変形させながら相対移動して、その際の抵抗力として動摩擦力が生じる。

ゴム構造体１がタイヤ１Ａの場合は、接触表面２はトレッド面２Ａとなる。そして、路面などの対象面５にトレッド面２Ａが押圧された状態で、タイヤ１Ａを転動させる。即ち、トレッド面２Ａを対象面５に沿った接線方向に移動させてタイヤ１Ａを対象面５に摺動させるようにする。

第１の実施形態では、接触表面２の近傍領域Ｒでは剛性が周囲の加硫ゴム３と顕著に異なっていることに起因して、接触表面２を対象面５に摺動させると、剛体４が埋設されていない場合に比して、ゴム構造体１（近傍領域Ｒ）のヒステリシスロスが大きくなる。これに伴い、接触表面２の周辺では発熱が促進されて、ゴム構造体１に汎用の加硫ゴム３が用いられていても対象面５に対する動摩擦力が向上する。

第２の実施形態では、接触表面２の近傍領域では密度が周囲の加硫ゴム３と顕著に異なっていることに起因して、接触表面２を対象面５に摺動させると、剛体４が埋設されていない場合に比して、ゴム構造体１（近傍領域Ｒ）のヒステリシスロスが大きくなる。これに伴い、接触表面２の周辺では発熱が促進されて、ゴム構造体１に汎用の加硫ゴム３が用いられていても対象面５に対する動摩擦力が向上する。

また、それぞれの実施形態では、剛体４は接触表面２に露出していない。それ故、それぞれの剛体４を覆っている加硫ゴム３が摩耗して剛体４が露出するまでの期間、即ち、少なくともゴム構造体１の使用初期においては、剛体４によって対象面５に不要な傷を付けることがない。

したがって、ゴム構造体１がタイヤ１Ａの場合は、タイヤ１Ａの少なくとも使用初期では、道路路面に不要な傷を付けることなく、優れたグリップ力を発揮する。ゴム構造体１がブレーキパッドやシール材の場合はそれぞれ、少なくともその使用初期では、対象面５に不要な傷を付けることなく、優れた制動性能、優れたシール性能を発揮する。

また、それぞれの実施形態において、相対移動速度は概ね０．１ｍ／ｓ以上の範囲である。相対移動速度の上限値はゴム構造体１が実用上、耐え得る速度である。相対移動速度が速くなるに連れて動摩擦力が向上する傾向がある。

第１の実施形態の動摩擦力に対する剛体４のヤング率による影響（一般的な傾向）を、図６に基づいて説明する。図６に記載されているデータは、ゴム構造体１に埋設された球状の剛体４のヤング率のみを異ならせて、共通条件下で対象面５に対して接触表面２を摺動させるようにゴム構造体１を対象面５に沿って相対移動させた場合に生じる動摩擦力を算出したものである。対象面５の算術平均高さＳａは１．０ｍｍ、接触表面２を対象面５に対して０．２ｍｍ程度押し込んだ設定にした。縦軸は動摩擦力の大きさを指数で示していて、数値が大きくなるに連れて（矢印の方向に向かって）動摩擦力が大きいことを意味する。加硫ゴム３のヤング率は１ＭＰａであり、ゴム構造体１に剛体４が埋設されていない場合のデータを△で示している。即ち、図６の破線で示す動摩擦力の大きさが、剛体４が埋設されていないゴム構造体１での動摩擦力である。図６に示すように、ヤング率が加硫ゴム３に対して顕著に異なる剛体４が近傍領域Ｒに埋設されることで、剛体４が埋設されていな場合に比して動摩擦力が向上する。尚、剛体４のヤング率を過剰に大きくしても動摩擦力が大幅に向上することはない。

第２の実施形態の動摩擦力に対する剛体４の密度による影響（一般的な傾向）を、図７に基づいて説明する。図７に記載されているデータは、ゴム構造体１に埋設された球状の剛体４の密度のみを異ならせて、共通条件下で対象面５に対して接触表面２を摺動させるようにゴム構造体１を対象面５に沿って相対移動させた場合に生じる動摩擦力を算出したものである。対象面５の算術平均高さＳａは１．０ｍｍ、接触表面２を対象面５に対して０．２ｍｍ程度押し込んだ設定にした。加硫ゴム３の密度は１５００ｋｇ／ｍ³であり、ゴム構造体１に剛体４が埋設されていない場合のデータを△で示している。即ち、図７の破線で示す動摩擦力の大きさが、剛体４が埋設されていないゴム構造体１での動摩擦力である。図７に示すように、密度が加硫ゴム３に対して顕著に異なる剛体４が近傍領域Ｒに埋設されることで、剛体４が埋設されていな場合に比して動摩擦力が向上する。尚、剛体４の密度を過剰に大きくすると、ある程度までは相応に動摩擦力も大きくなる。

それぞれの実施形態の動摩擦力に対する剛体４の深さ位置による影響（一般的な傾向）を図８に基づいて説明する。この深さ位置とは、剛体４と接触表面２との最短距離である。図８に記載されているデータは、ゴム構造体１に埋設された球状の剛体４の深さ位置のみを異ならせて、共通条件下で対象面５に対して接触表面２を摺動させるようにゴム構造体１を対象面５に沿って相対移動させた場合に生じる動摩擦力を算出したものである。対象面５の算術平均高さＳａは１．０ｍｍ、接触表面２を対象面５に対して０．２ｍｍ程度押し込んだ設定にした。ゴム構造体１に剛体４が埋設されていない場合のデータを△で示している。即ち、図８の破線で示す動摩擦力の大きさが、剛体４が埋設されていないゴム構造体１での動摩擦力である。図８に示すように、深さ位置が小さい程、剛体４が埋設されていな場合に比して動摩擦力が向上する。尚、深さ位置がある程度大きくなると、動摩擦力を向上させる効果がなくなる。

それぞれの実施形態の動摩擦力に対する剛体４の大きさ（直径ｄ）による影響（一般的な傾向）を図９に基づいて説明する。図９に記載されているデータは、ゴム構造体１に埋設された球状の剛体４の直径のみを異ならせて、共通条件下で対象面５に対して接触表面２を摺動させるようにゴム構造体１を対象面５に沿って相対移動させた場合に生じる動摩擦力を算出したものである。。対象面５の算術平均高さＳａは１．０ｍｍ、接触表面２を対象面５に対して０．２ｍｍ程度押し込んだ設定にした。ゴム構造体１に剛体４が埋設されていない場合のデータを△で示している。即ち、図９の破線で示す動摩擦力の大きさが、剛体４が埋設されていないゴム構造体１での動摩擦力である。図９に示すように、剛体４の直径ｄが大きい程、剛体４が埋設されていな場合に比して動摩擦力が向上する。

球状の剛体をゴム構造体の接触表面の近傍領域に、剛体の中心どうしの間隔を１ｍｍにして単層状に埋設したゴム構造体のシミュレーションモデルにおいて、加硫ゴムのヤング率を１ＭＰａ、対象面の算術平均高さＳａを０．５ｍｍ（高さ０．５ｍｍの凸部が連続する凹凸面）、対象面に対する接触表面の押込み量を０．２ｍｍ、ゴム構造体の内部減衰比を１×１０^-6にしたことを共通条件として、剛体の仕様を表１のように異ならせて、ゴム構造体を対象面に沿って相対移動速度１０ｍ／ｓで摺動させた場合のゴム構造体の動摩擦力を算出した。その結果は、表１に示すとおりである。表１中の動摩擦力は、剛体が埋設されていないゴム構造体の従来例の動摩擦力を基準の１００として指数で示した。指数の数値が大きくなるに連れて動摩擦力が大きいことを意味する。

表１の結果から、剛体のヤング率を加硫ゴムのヤング率に対して顕著に異ならせるとともに、剛体の深さ位置を１ｍｍ未満かつ直径を０．２ｍｍ以上にしたケースＮｏ．５～１３は、従来例（剛体の埋設無し）に比して、動摩擦力が向上することが分かる。

さらに、球状の剛体をゴム構造体の接触表面の近傍領域に、剛体の中心どうしの間隔を１ｍｍにして単層状に埋設したゴム構造体のシミュレーションモデルにおいて、加硫ゴムの密度を１５００ｋｇ／ｍ³、対象面の算術平均高さＳａを０．５ｍｍ（高さ０．５ｍｍの凸部が連続する凹凸面）、対象面に対する接触表面の押込み量を０．２ｍｍ、ゴム構造体の内部減衰比を１×１０^-6にしたことを共通条件として、ゴム構造体に埋設された球状の剛体の仕様を表２のように異ならせて、ゴム構造体を対象面に沿って相対移動速度１０ｍ／ｓで摺動させた場合のゴム構造体の動摩擦力を算出した。その結果は、表２に示すとおりである。表２中の動摩擦力は、剛体が埋設されていないゴム構造体の従来例の動摩擦力を基準の１００として指数で示した。指数の数値が大きくなるに連れて動摩擦力が大きいことを意味する。

表２の結果から、剛体の密度を加硫ゴムの密度に対して顕著に異ならせるとともに、剛体の深さ位置を１ｍｍ未満かつ直径を０．２ｍｍ以上にしたケースＮｏ．１、３～８、１０～１３は、従来例（剛体の埋設無し）に比して、動摩擦力が向上することが分かる。

１ゴム構造体
１Ａタイヤ
２接触表面
２Ａトレッド面
３加硫ゴム
４剛体
５対象面
６ａ凹部
６ｂ凸部

Claims

加硫ゴムとこの加硫ゴムに埋設された剛体とを備えて、使用時に対象面に接触する接触表面を有するゴム構造体の構造であって、
前記剛体が埋設されている前記加硫ゴムからなる前記接触表面から所定深さの前記接触表面の近傍領域に前記剛体が前記接触表面から露出しない状態で散在していて、前記剛体のヤング率が前記加硫ゴムのヤング率の５０％以下または２００％以上であることを特徴とするゴム構造体の構造。
加硫ゴムとこの加硫ゴムに埋設された剛体とを備えて、使用時に対象面に接触する接触表面を有するゴム構造体の構造であって、
前記剛体が埋設されている前記加硫ゴムからなる前記接触表面から所定深さの前記接触表面の近傍領域に前記剛体が前記接触表面から露出しない状態で散在していて、前記剛体の密度が前記加硫ゴムの密度の７０％以下または１３０％以上であることを特徴とするゴム構造体の構造。
前記所定深さが、前記接触表面から０．０５ｍｍ以上１ｍｍ未満の範囲である請求項１または２に記載のゴム構造体の構造。
前記剛体が金属粒子、樹脂粒子、無機充填剤粒子のいずれかである請求項１～３のいずれかに記載のゴム構造体の構造（ただし、それぞれの前記粒子の表面に金属のコーティング層を有するものを除く）。
前記ゴム構造体がタイヤであり、前記接触表面がトレッド面である請求項１～４のいずれかに記載のゴム構造体の構造。
請求項１～５のいずれかに記載のゴム構造物の構造を備えたゴム構造体の使用方法であって、
前記剛体の直径相当寸法が、前記対象面の算術平均高さＳａの３０％以上、前記所定深さが１ｍｍ未満であり、前記対象面に対して前記接触表面を摺動させるように前記ゴム構造体を前記対象面に対して相対移動させることを特徴とするゴム構造体の使用方法。