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JP4086397B2 - 車輪の動荷重特性計測装置 - Google Patents

車輪の動荷重特性計測装置 Download PDF

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は自動車の車輪（タイヤ）の動荷重特性計測装置、特に、走行中の自動車の車輪にかかる荷重（動荷重）を計測する動荷重特性計測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、走行中の自動車の４輪にかかる荷重、即ち動荷重の計測が困難であった為、タイヤにどの程度の負荷がかかっているのかを簡便に且つ十分に把握することができず、一般には、走行後のタイヤの磨耗の程度やタイヤトレッドの表面温度等を測定することにより、これらの測定値からタイヤの動荷重を推測するしか方法がなかった。
【０００３】
また、車両の運動特性に大きな影響を与えているとされている、左右車輪の動荷重移動量によるロール変化率、動荷重ごとのタイヤ実車コーナリング特性、或いはタイヤと路面との限界摩擦係数等を、定量的に把握することは困難であった。
近年のますます高度化した自動車の旋回特性、制動特性、ＷＥＴ性能を要求されるレース用タイヤの開発にあたっては、上記のような実車の動的荷重特性を定量的に把握することが重要であり、必然的に４輪の動荷重計測が不可欠となってきている。
【０００４】
特開平６−２２７２２５号公報では、車両の懸架装置又は支持装置に、力を加えると電荷を発生する水晶圧電素子を組み込み、この水晶圧電素子で計測した負荷の大きさと方向により、路面又は軌条等の凹凸を検知すると共に、その検知した情報に基づいてサーボ機構で油圧又は空圧機構を制御して、路面又は軌条等の凹凸による車体の揺れを抑制することが開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平６−２２７２２５号公報に開示されているような水晶圧電素子を用いることは高価であり、車両の適当な部位への取付けが困難であり、また水晶圧電素子の設置場所によっては、走行中の車輪の動荷重特性を十分正確に把握することが困難となっていた。
【０００６】
上記のような事情に鑑み、本発明では、車両本体と車輪との間で路面からの力を受ける部位への設置が比較的容易であり、且つ安価で十分正確に走行中の車輪の動荷重特性を把握することが可能な、車輪の動荷重特性計測装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を達成するために、本発明によれば、車両本体と車輪との間で、路面からの力を受ける部位に組み込まれた、車輪の動荷重を検出するワッシャー型歪みセンサと、車速を検出するセンサと、操舵角を検出するセンサと、横方向の重力加速度（Ｇ）及び縦方向の重力加速度（Ｇ）を検出するセンサと、車輪のヨー角を検出するセンサと、ダンパーストロークを検出するセンサと、これらのセンサからの信号を入力し、これらのデータにより、車両が限界横Ｇで走行していると仮定した場合の、接地面におけるタイヤの進行方向と直交の方向に発生している力としてのタイヤコーナリングフォース、車両が旋回中に発生するタイヤと路面と摩擦係数、及び車体重心の真横を中心として定常円旋回した場合のタイヤスリンプ角を求め、タイヤ実車コーナリング特性を出力するデータロガーと、を具備することを特徴とする車輪の動荷重特性計測装置が提供される。ワッシャー型歪みセンサは、車輪が路面から受ける動荷重に応じて歪み、その歪みに対応した電圧を発生する。
【０００８】
本発明において、ワッシャー型歪みセンサは、車両の懸架装置のショックアブソーバの本体側取付部に組み込まれていることを特徴とする。この場合において、ワッシャー型歪みセンサは、車両の懸架装置のショックアブソーバの本体側と、下端が車輪側ロアーシートに接するスプリングとの間に取り付けられている。また、ワッシャー型歪みセンサは、前記ショックアブソーバの本体側との間に第１アタッチメントを挟み、かつスプリングとの間に第２アタッチメントを挟むように保持されている。これにより、ワッシャー型歪みセンサには、路面から受ける動荷重、即ちスプリングが受ける荷重を直接受けることができる。
【０００９】
第１アタッチメントのワッシャー型歪みセンサと接する面には、該ワッシャー型歪みセンサと接する外周部分の除き、窪み部が形成されている。これと対応して、ワッシャー型歪みセンサの第１アタッチメントの接する面には、該ワッシャー型歪みセンサと接する外周部分の除き、窪み部が形成されている。これにより、車輪の等荷重によりワッシャー型歪みセンサが歪みを生じても、このワッシャー型歪みセンサの歪みにより変形しても、それ自体が第１アタッチメントと干渉することが避けられる。
【００１０】
ワッシャー型歪みセンサの第２アタッチメントと接する面は、外周部分の除き突起した面を有し、該突起した面が第２アタッチメントと接する。これにより、ワッシャー型歪みセンサはスプリングからの荷重をこの突出した面で直接受けることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。
まず、図１及び図２において、本発明の車輪の動荷重特性計測装置を組み込む、自動車の懸架装置のショックアブソーバについて説明する。
図１は一般に使用されている自動車のショックアブソーバ１０を示すもので、その上側は自動車の本体フレーム（クロスメンバ）１２に固定され、下側はフレーム１２に枢着されたロア・アーム１４を介してアクスル（車軸）１６に固定されている。
【００１２】
ショックアブソーバ１０はよく知られているように、スプリング１８が衝撃などにより圧縮される際は圧縮を和らげるように作用し、スプリングが延びるときはスプリングの跳ね返りを抑えるように作用して、スプリングの延び縮みによるばねのはね返りを取り除き、減衰力を働かせて車体を安定に保つ作用をする。スプリング１８は、図２に示すように、通常、ショックアブソーバ１０の本体側アッバーシート２０と車輪側ロアーシート２２との間に設けられている。
【００１３】
本発明では、ワッシャー型歪みセンサ２４（ロードセル）が動荷重を計測する自動車の前後４輪の各車輪の路面からの力を受ける部位に組み込まれる。例えば、図３においては、ワッシャー型歪みセンサ２４を、ショックアブソーバのスプリング１８を受けるアッパーシート２０の部分に挾み込まれている状態を示す。即ち、ワッシャー型歪みセンサ２４は、ショックアブソーバの本体側に固定された第１アタッチメント２６とスプリング１８に接する第２アタッチメント２８との間に挟まれるように保持される。このようなワッシャー型歪みセンサ２４は自動車の４輪の各々に取付けられる。
【００１４】
第１アタッチメント２６は、ワッシャー型歪みセンサ２４が路面からの応力によって歪む際に、ワッシャー型歪みセンサ２４自体の変位に干渉することのないようにされる。このため、例えば、第１アタッチメント２６のワッシャー型歪みセンサ２４の取付側は、外周部２６ａのみを残し他の部分は窪んだ凹形状２６ｂとされており、一方、ワッシャー型歪みセンサ２４の第１アタッチメント２６側はその外周部２４ａのみを残し他の部分は窪んだ凹形状２４ｂとされている。これにより、例えばワッシャー型歪みセンサ２４が路面からの応力により上下方向に撓んでとしても歪みセンサ２４自体がその変位により第１アタッチメント２６の凹状部２６ｂの内側面に干渉して、計測誤差を生ずることがなくなる。
【００１５】
また、スプリング１８側の第２アタッチメント２８は、路面からの応力をワッシャー型歪みセンサ２４に伝達するべく、平面状に形成されており、一方、ワッシャー型歪みセンサ２４の第２アタッチメント２８側はその外周部２４ｃのみを残し他の部分は突出した凸形状の面２４ｄとされている。これにより、路面からタイヤに伝わる応力は第２アタッチメント２８より、ワッシャー型歪みセンサ２４の凸形状の面２４ｄ（荷重入力面）を介して直接伝達される。
【００１６】
図４は、図３と同様、ワッシャー型歪みセンサ（ロードセル）２４をショックアブソーバ１０のスプリング１８を受けるアッバーシート２０の部分に組み込むと共に、同じショックアブソーバ１０にダンパーストロークセンサ３０をも組み込んだ状態を示す。
ダンパーストロークセンサ３０は、ショックアブソーバ１０の車体側のアッパーシート２０と、スプリング１８を受ける車輪側のロアシートとの間に組み込まれ、自動車の走行中のショックアブソーバ１０のストロークの変化を検出する。
【００１７】
図５（ａ）及び（ｂ）は本実施形態で使用するワッシャー型歪みセンサ２４を示す。
このワッシャー型歪みセンサ２４は略リング状であって、リング状の部分がセンサ部で、軸方向の一方の面（図５（ａ）の下面）はその外周部２４ａのみを残し内側部分が軸方向に窪んだ凹形状２４ｂとされ、他方の面（図５（ａ）の上面）はその外周部２４ｃのみを残し他の部分が突出した凸形状２４ｄとされている。リング状の部分がセンサ部であって、ケーブル２４ｆが接続されていて、歪みによる電気的な検出信号が取り出される。
【００１８】
図６は車輪の動荷重移動量によるロール変化率、動荷重毎のタイヤ実車コーナリング特性、タイヤと路面との限界摩擦係数、等を計測するためのシステム構成を示す図である。車速を検出するための車速トリガセンサ３２、操舵角を検出するための操舵角センサ３４、車両の横方向の重力加速度（Ｇ）及び前後方向の重力加速度（Ｇ）を検出する横Ｇ・前後Ｇセンサ３６、車輪のヨー角速度を検出するヨー角速度センサ３８、並びに図４に示したワッシャー型歪みセンサ２４及びダンパーストロークセンサ３０が設けられ、各センサの出力はアンプ４０を介してデータロガー４２に入力され、上記の実車データが得られる。
【００１９】
【実施例】
図７は実車計測の手順をフローチャートで示す。
まず、ワッシャー型歪みセンサ２４として、株式会社共和電業製のＬＣＷ−ＣＳ（ワッシャー型ロードセル）（２トン用）を使用し、次の手順によりキャリブレーションを行った。ワッシャー型歪みセンサ２４を単体でブレス機（図示せず）に挟み一定応力を加え、その時に発生している歪みを電圧で検出した。プレス機での応力検出は１０点で行い、ワッシャー型歪みセンサ２４で発生している歪み（電圧）を一次式でプロットしワッシャー型歪みセンサ２４のキャリブレーションを行った。
【００２０】
次に、ワッシャー型歪みセンサ２４のオフセットを行った。ワッシャー型歪みセンサ２４を各単体についてキャリブレーションを行った後、ワッシャー型歪みセンサ２４が検出した荷重値を、車両に装着した状態で４輪の下に設置した荷重計に合わせ、ワッシャー型歪みセンサ２４のオフセットを行った。
次に、上述のようなワッシャー型歪みセンサ２４を車両の４輪に取付け、現場（サーキット）にて実際に計測を行い、４輪動荷重、動荷重毎のタイヤ実車コーナリング特性、タイヤと路面との限界摩擦係数を求めた。タイヤ実車コーナリング特性を図８に、タイヤと路面との限界摩擦係数を図９にそれぞれ示す。なお、実験にあたっての測定条件は次のとおりであった。
【００２１】
Figure 0004086397
現場（サーキット）での計測は、上記の車両に実際に搭載した計測システムを利用して行った。計測装置としては、イギリス製の「Ｐｉシステム」を使用した。この「Ｐｉシステム」は、ロガー４２と各種センサとを含むハードウェアと、摂取したデータを解析するソフトウェアとを一体化したシステムである。計測項目によっては、「Ｐｉシステム」既成のセンサでは車両とのマッチングが不適であるため、「Ｐｉシステム」以外の既に知られているセンサも使用した。
【００２２】
データロガー４２は車内の空いているスペースで熱の発生のない部位に設置した。車速トリガーセンサ３２は、ホイール回転を検出するトヨタＴＲＤ製のトリガーをブレーキキャリパー（図示せず）の内側に設置した。操舵角センサ３４は、操舵輪（ステアリング）を回転することによって変異するステアリングストロークロッド（図示せず）に設置した。このセンサのキャリブレーションにて、ストローク変異を角度に変換する。
【００２３】
横Ｇ及び前後Ｇセンサ３６は、車両の中心線上で、できるだけ車両重心に近い位置に設置した。ダンパーストロークセンサ３０は、図４に示したように、ショックアブソーバ１０のアッパーシート２０とロアーシート２２との間に設置し、アッパーシート２０とロアーシート２２間の相対的変位を検出した。４輪動荷重センサ（ワッシャー型歪みセンサ）２４は前述のように、ショックアブソーバ１０のアッパーシートの部位で、スプリングの荷重を受ける部分に挟まれるように設置した。
【００２４】
上記の「Ｐｉシステム」にて採取した実車データは、テキストファイルへダウンロードした後、所定のプログラムにて「タイヤ実車コーナリング特性」を出力した。
車両の「タイヤ実車コーナリング特性」に関する関係式は次のとおりである。
（１） タイヤコーナリングフォース（横力、ＣＦ特性）
車両が限界横Ｇで走行していると仮定し、タイヤの接地面におけるタイヤの進行方向と直角の方向に発生している力
（２） 車両が旋回中に発生するタイヤと路面との摩擦係数μ（横力係数）
μ＝横力／動荷重（計測値）
＝横Ｇ×静荷重／動荷重
（３） タイヤスリップ角（車体が重心真横を中心として定常円旋回、即ち一定半径の円周上を同一速度で回転していると仮定）
タイヤの向きと車両の進行方向との角度：
フロントスリップ角： βｆ＝−γ×Ｌｆ／ｖ＋θ／Ｎ
リヤースリップ角： βｒ＝γ×Ｌｒ／ｖ
ここで、Ｖは車速、γはヨーレート（旋回角速度［ deg／sec ］）、θは舵角（ステアリング・ハンドルを切った角度）、Ｌｆはフロント車軸とヨーレートとの間の距離、Ｌｒはヨーレートとリヤー車軸との距離、Ｎはステアリングギア比（ステアリングを切ることによって生ずる実際の車軸に加わる角度変化の比）である。
【００２５】
図８及び図９において、横軸はフロントスリップ角（°）であり、縦軸は摩擦係数（μ）である。図８は鈴鹿サーキットでの結果であり、動荷重毎のタイヤ実車コーナリング特性を示す。図９における（ａ）は鈴鹿、（ｂ）は富士、（ｃ）は十勝の各鈴鹿サーキットでの結果であり、タイヤと路面との限界摩擦係数を示す。
【００２６】
以上、添付図面を参照して本発明の実施形態及び実施例について詳細に説明したが、本発明は上記の実施形態や実施例に限定されるものではなく、本発明の精神ないし範囲内において種々の形態、変形、修正等が可能であることに留意すべきである。
【００２７】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明によれば、車両の走行中の４輪動荷重を正確に計測することが可能となり、タイヤへの負荷、動荷重毎のタイヤ実車コーナリング特性、タイヤと路面との限界摩擦係数を数値にて把握することができ、より高度化した旋回特性、制動特性、ＷＥＴ性能等についてタイヤ仕様間での定量評価を行うことが可能になった。
【図面の簡単な説明】
【図１】一般に使用されている自動車のショックアブソーバを示す図である。
【図２】従来のショックアブソーバの概略図である。
【図３】ワッシャー型歪みセンサを組み込んだ本発明に係るショックアブソーバの概略図である。
【図４】ワッシャー型歪みセンサ及びダンパーストロークセンサを有する組み込んだ本発明に係るショックアブソーバの概略図である。
【図５】ワッシャー型歪みセンサの側面図（ａ）及び平面図（ｂ）である。
【図６】車輪の動荷重特性を計測するためのシステム構成を示す図である。
【図７】実車計測のフローチャートである。
【図８】動荷重毎のタイヤ実車コーナリング特性の測定結果を示す図である。
【図９】タイヤと路面との限界摩擦係数の測定結果を示す図である。
【符号の説明】
１０…ショックアブソーバ
１２…車体フレーム
１４…ロアアーム
１６…アクスル
１８…スプリング
２０…アッパーシート
２２…ロアーシート
２４…ワッシャー型歪みセンサ
２６…第１アタッチメント
２８…第２アタッチメント
３０…ダンパーストロークセンサ

Claims (7)

  1. 車両本体と車輪との間で、路面からの力を受ける部位に組み込まれた、車輪の動荷重を検出するワッシャー型歪みセンサと、車速を検出するセンサと、操舵角を検出するセンサと、本車両の横方向の重力加速度（Ｇ）及び前後方向の重力加速度（Ｇ）を検出するセンサと、車輪のヨー角を検出するセンサと、ショックアブソーバのダンパーストロークを検出するセンサと、これらのセンサからの信号を入力し、これらのデータにより、車両が限界横Ｇで走行していると仮定した場合の、接地面におけるタイヤの進行方向と直交の方向に発生している力としてのタイヤコーナリングフォース、車両が旋回中に発生するタイヤと路面と摩擦係数、及び車体重心の真横を中心として定常円旋回した場合のタイヤスリンプ角を求め、タイヤ実車コーナリング特性を出力するデータロガーと、を具備することを特徴とする車輪の動荷重特性計測装置。
  2. ワッシャー型歪みセンサは、車両の懸架装置のショックアブソーバの本体側取付部に組み込まれていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
  3. ワッシャー型歪みセンサは、車両の懸架装置のショックアブソーバの本体側と、下端が車輪側ロアーシートに接するスプリングとの間に取り付けられ、スプリングの荷重を直接受けるように配置されていることを特徴とする請求項２に記載の装置。
  4. ワッシャー型歪みセンサは、前記ショックアブソーバの本体側との間及び前記スプリングとの間で、第１及び第２アタッチメントをそれぞれ介在させて保持されていることを特徴とする請求項３に記載の装置。
  5. 第１アタッチメントのワッシャー型歪みセンサと接する面には、該ワッシャー型歪みセンサと接する外周部分の除き、窪み部が形成されていることを特徴とする請求項４に記載の装置。
  6. ワッシャー型歪みセンサの第１アタッチメントの接する面には、該ワッシャー型歪みセンサと接する外周部分の除き、窪み部が形成されていることを特徴とする請求項４又は５に記載の装置。
  7. ワッシャー型歪みセンサの第２アタッチメントと接する面は、外周部分の除き突起した面を有し、該突起した面が第２アタッチメントと接することを特徴とする請求項４に記載の装置。
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