2016/7/5 ソフトマター工学・第10回 2016年7月5日（火） タイヤの力学とトライボロジー 九州大学大学院工学研究院機械工学部門 准教授 山口 哲生 1 本日のおはなし １．前回の復習 -接着・粘着とは？ -粘着剤引離し過程の解析 ２．レポートに関するコメント ３．機械工学におけるソフトマターの適用例 -タイヤの力学とトライボロジー ４．まとめ 2 1 2016/7/5 １．接着・粘着とは？ 接着とは？ 「同種または異種の固体の面を貼り合わせて一体化した状態」 粘着とは？ 「接着の一種で，一時的な接着．（中略）常温で短時間，わずかな力を加 えただけで接着でき，また，凝集力と弾性をもっているので強く接着する 反面，硬い平滑面からはがすこともできる」性質のこと（日本工業規格） 固体 硬化時間 接着の強さ ゲル状 接着剤 粘着剤 液体 施工後の時間 塗工後短時間で接着力を発揮 図：接着力の時間変化 （中前他著、接着・粘着の化学と応用より） 3 剥離過程におけるキャビテーション Stress-strain curve in probe-tack experiment H. Lakrout, ph.D thesis, Creton et al. (1999), Crosby et al. (2000), (iii) キャビティ成長 (ii) キャビテーション σ 界面亀裂 V0 Cf.蜂の巣状剥離パターン (i) 均一変形 (iv) フィブリレーション x / h0 中前他著，接着・粘着の 化学と応用（1998） 内部にできた多数の微小界面亀裂が破壊エネルギーをさらに増幅する． 4 2 2016/7/5 粘着テープの剥離試験と応力解析 f 粘着テープの剥離モデル 右図のように，粘着テープの基材を 梁，粘着剤を線形バネとして，力と M F F + dF M + dM モーメントの釣り合いの式を立てる． X 力の釣り合い 1 dF h( x ) Ea 0 wa dx ha F(x)：せん断力 Ｘ X + dX wa：粘着テープ幅 M(x)：モーメント h(x)：粘着テープの変形量 モーメントの釣り合い F ( x) ha：粘着テープ初期厚み dM ( x) dx 応力分布 モーメントの構成関係 M ( x) E f I f d 2 h( x ) dx 2 If h 3f wa 12 Ef：基材の弾性率 If：基材の断面2次モーメント O x 5 ３．機械システムにおけるソフトマターの適用例 機械システムにはソフトマターを活用した例が数多く 見られる． 防音，制振：防音材，ショックアブソーバ，ブッシュ 潤滑：潤滑剤 シール：Oリング 摩擦：タイヤ，ワイパー ここでは，ソフトマターの重要性を示す例として， タイヤに関する説明を行なう． 3 2016/7/5 ゴムタイヤとは？ ゴムタイヤとは，衝撃の緩和や安定性の 向上などを目的に，車輪（ホイール）の 外周にはめ込むゴム製の部品．自動車， 自転車，オートバイ，モノレールや新交 通システム，地下鉄などの一部の鉄道車 両，航空機（飛行機）,建設機械など地 上を移動する多方面の輸送機器に使用さ れる（Wikipedia）． 7 タイヤの歴史 以前は，金属や木製の車輪が使われていた． 1867：車輪の外周にゴムを取り付けた．ただし，当時 のゴムタイヤは空気入りではなく，ソリッドゴム（総ゴ ム）タイヤ． 1888：スコットランドの獣医師ジョン・ボイド・ダン ロップが自転車用の空気入りタイヤを実用化． 1895：フランス人のアンドレ・ミシュラン、エドゥ アール・ミシュランのミシュラン兄弟が，パリからボル ドーまでを往復する全行程1200kmのレースに使用． このレースでミシュラン兄弟は100回近いパンクにもめ げず，規定時間を超過しながらも完走． 耐久性に問題があったとは言え，乗り心地，グリップ力， 安定性に格段に優れていることを証明した空気入りタイ ヤは，これ以降急速に普及した． 8 4 2016/7/5 タイヤの構造 タイヤの断面図（ラジアルタイヤ） -タイヤは，1種類のゴムからできているわけ ではなく，複数のゴム，金属，プラスチック などからなる複合材料である． -タイヤは，その構造から2種類に分けられる． ラジアルタイヤ：コードが進行方向に対して 90度に配向．トレッドにベルトを有し，より フラットに接触するよう設計． バイアスタイヤ：コードが斜めに配置． 9 タイヤに求められる性能 車の基本性能には次の３つがある． 「走る・曲がる・止まる」 そのいずれにおいても，タイヤは不可欠． タイヤに求められる性能として以下のものがある． 制音・制振・・・静かで乗り心地が良い状態を実現する 耐久性・・・できるだけ長持ちさせる グリップ・・・曲がれたり止まれるようにする 低燃費・・・転がり抵抗を軽減し，できるだけ少ない燃料 で長い距離を走れるようにする 5 2016/7/5 グリップ性能と転がり抵抗 グリップ性能と転がり抵抗は相反する性能のよう に見える． グリップ性能・・・曲がったり止まったりすると きにすべり摩擦係数を大きくして，すべりをなる べく少なくしたい ヒステリシス摩擦：地面の表面粗さをゴムが通過 することによってMHｚ程度の加振を受け，ゴム 内部でダンピングすることによって摩擦が発生． B.N.J. Persson, J. Chem. Phys. (2001) 低燃費・・・転がり抵抗をなるべく低減したい 転がり抵抗：タイヤが回転（転動）する際にタイ ヤが周期的に（10Hz程度）変形を受け，エネル ギー散逸する． 転がり抵抗の試験風景 ゴムのすべり摩擦 粗さを持った表面でのゴムの摩擦 様々な温度で測定 シフトファク ターを掛けて 横軸を移動 Ludema & Tabor, Wear (1966) ゴムの粘弾性が重要？ 6 2016/7/5 ゴムのヒステリシス摩擦 ヒステリシス摩擦 右図のように，基板に周期的な表面粗さ があるとする． ここでは，大雑把に摩擦係数を表現して みる． ゴムのヒステリシス摩擦 Perssonのゴムの摩擦理論(2001) フラクタルな粗さを持った表面の上を ゴムが通過するときの摩擦係数を理論 的に求めた． C(q):粗さのパワースペクトル，P(q): 真実接触 に関する因子，E(ω)：ゴムの複素弾性率 摩擦係数のすべり 速度依存性 B.N.J. Persson, J. Chem. Phys. (2001) 7 2016/7/5 ゴムの周波数分散と性能の両立 ゴムの周波数分散を最適化することで，性能の両立が可能． rolling , sliding FS ~ tan ( ) FN tan δ 転がり抵抗：低周波（10Hz程度）の tanδをできるだけ下げる tan δ(ω) グリップ性能：高周波（MHz程度）の tanδをできるだけ上げる ωRolling～10Hz ωSliding～MHz ω ゴム内部に充填剤（filler）を 配合するなどして，G”の コントラストを導入すること は可能．⇒タイヤメーカー各社 が精力的に研究中． グリップの阻害要因 グリップを阻害する要因はいくつか存在する． -湿潤路面（境界潤滑）：路面が濡れることにより， 凝着が損なわれ，ヒステリシスロス摩擦が減少する． -ハイドロプレーニング（流体潤滑）： 水溜りに乗り上げてグリップを失う． -雪道：せん断抵抗が小さい雪が タイヤに張り付いてしまう． -アイスバーン：路面の雪が 融けて氷の膜が張るとグリップ が著しく損なわれる． 16 8 2016/7/5 スタッドレスタイヤの研究開発 流体-構造-熱 の連成によるゴム-氷摩擦係数予測モデルの開発 •流体（修正レイノルズ方程式） 圧力分布・氷の融解量 ⇒ せん断応力（潤滑膜厚） •構造（FEM） せん断応力 ⇒ 圧力分布（ゴムブロックの変形） •熱（エネルギー保存則・熱伝導方程式） せん断応力 ⇒ 氷の融解量（摩擦熱量） ゴムブロック 圧力分布 冬季の路面（札幌市内） 膜厚分布 水膜 氷に流入する 摩擦熱 氷路面 融解によって生じた 水の流れ ゴムブロック-水膜-氷モデルの概略 アイスバーンでのブレーキ時 ・発進時の摩擦係数を予測！ 17 ４．本日のまとめと次回の予告 本日のまとめ 本日は， -タイヤとは？ -タイヤの転がり抵抗とグリップ性能 について学んだ． 次回の予告 次回は以下のような内容のお話をする予定． -（仮）ゲルの変形ダイナミクスと超低摩擦メカニズム 18 9
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