JP2005121405A - 車両用自重計 - Google Patents

Abstract

【課題】タイヤ接地面の変化による影響を低減し精度良く荷重を計測することができる車両用自重計を提供すること。
【解決手段】車両のアクスル４における荷重の作用点と一方の端部との間における該アクスル４の側面に取り付けられ、アクスル４に作用するせん断力によるひずみを検出する第１のひずみ検出手段３Ａと、車両のアクスル４における荷重の作用点と他方の端部との間における該アクスルの側面に取り付けられ、アクスルに作用するせん断力によるひずみを検出する第２のひずみ検出手段３Ｂと、第１および第２のひずみ検出手段３Ａ，３Ｂの検出出力を加算する加算手段８と、加算手段８の加算出力に基づいて荷重を求める演算手段９とを備えている。
【選択図】図６

Description

本発明は、車両用自重計に関するものである。

まず、従来の車両用自重計の構成例について図７および図８を参照して説明する。図７は、従来の車両用自重計が取り付けられた車両のアクスル付近の略図、図８はアクスルの斜視図である。

図７および図８において、トラック等の車両における後輪としてのダブルタイヤを構成する内側タイヤ１および外側タイヤ２が、それぞれ、中央に円孔６を有するアクスル４の両端に取り付けられている。アクスル４の円孔６と端部間の中間付近には、リーフスプリング取付部５ａが設けられており、このリーフスプリング取付部５ａの上面に、リーフスプリング５が取り付けられている。また、アクスル４の端部とリーフスプリング取付部５ａ間のアクスル４の上面に、車両用自重計を構成するひずみ検出手段としてのひずみ検出センサ３が、それぞれ取り付けられている。車両の荷重（荷台上の積載重量）は、リーフスプリング５を介してアクスル４に支持される。アクスル４は、荷重により曲げモーメントを受ける。ひずみ検出センサ３は、この曲げモーメントを検出して積載重量を計測する。

このように、アクスル４の上面にひずみ検出センサ３を設けてアクスル４の曲げモーメントを検出する構成を有する車両用自重計では、後輪のダブルタイヤの路面へのタイヤ接地点が変化しなければ、曲げモーメントは荷重に比例するため、荷重計測値に誤差は生じない。ここで、タイヤ接地点とは、内側タイヤ１および外側タイヤ２からなるダブルタイヤにおいて１点に集中させた場合の接地点を意味する。

しかし、タイヤ接地点は、路面状態やタイヤ空気圧変動で容易に変動するため、荷重が同一であっても、曲げモーメントが変動して検出ひずみも変動する。このため、荷重計測値に誤差が生じていた。

以下、荷重計測値に誤差が生じる理由について述べる。まず、断面が軸方向に一様な真直ばり（図７、８のアクスル４に相当）が、一様な曲げモーメントのみを受ける場合を考える。

図９は、このような場合の真直ばりの曲がりと曲げ応力分布およびせん断応力分布を示す図である。図９において、真直ばりの伸縮しない中立面ＮＮ₁ からの距離ｙの部分に発生する縦ひずみεは、以下の式（１）で表される。
ε＝（Ｍ／ＥＩ）ｙ・・・（１）
ここで、Ｍは曲げモーメント、Ｅは縦弾性係数、Ｉは断面二次モーメントである。曲げひずみは、真直ばりの下面で最大引張ひずみε₁ を生じ、上面で最大圧縮ひずみε₂ を生じる。

一般に、はりが横荷重を受けるとき、その断面には曲げモーメントとせん断力が作用する。図９の例では、ＣＤ間のバネ内では曲げモーメントが、ＡＣ間あるいはＤＢ間のバネ外ではせん断力と曲げモーメントが作用する。せん断応力τの分布は、中立面で最大となり、上下縁でゼロとなる。

図７、８に示す従来のひずみ検出センサ３の取り付け位置は、アクスル４の上面であり、曲げモーメントによる圧縮ひずみを検出している。実際上のアクスル４を見ると、リーフスプリング取付部５ａから端部に向けて断面積が減少している。このため、リーフスプリングの外側（端部方向）では、断面二次モーメントは小さく、曲げモーメントの大きさが同じであれば、ひずみは大きく現れる。したがって、リーフスプリング取付部に近いリーフスプリングの外側（端部方向）では、ひずみの検出が容易となる。

積載荷重は、リーフスプリング取付部５ａの位置を作用点としてアクスル４に作用し、これに対する曲げモーメントが生じると共に、反力がタイヤ接地点に生じる。この状態を、単純支持ばり（アクスル４）に積載重量による集中荷重Ｗ_A ，Ｗ_B が作用点に作用するものとみなして、単純支持ばりに掛かる力の関係を図１０の説明図に示す。

図１０（Ａ）において、タイヤ接地点に生じる反力Ｒ_A ，Ｒ_B は、
Ｒ_A ＝｛Ｗ_A （ｂ＋ｃ）＋Ｗ_B ・ｂ｝／（ａ＋ｂ＋ｃ）・・・（２）
Ｒ_B ＝｛Ｗ_A ・ａ＋Ｗ_B （ａ＋ｃ）｝／（ａ＋ｂ＋ｃ）・・・（３）
と表すことができる。ここで、ａは単純支持ばりの一方の端部におけるタイヤ接地点Ａから作用点Ｃまでの距離、ｂは単純支持ばりの他方の端部におけるタイヤ接地点Ｂから作用点Ｄまでの距離、ｃはＣＤ間の距離である。

そこで、せん断力Ｆ、接地点反力Ｒおよび曲げモーメントＭの関係を示すと、作用点Ｃから作用点Ｄ方向への任意の距離をｘとすれば、
（１）ＡＣ間（−ａ≦ｘ≦０）
Ｆ（せん断力）＝Ｒ_A ・・・（４）
Ｍ＝Ｒ_A （ｘ＋ａ）・・・（５）
（２）ＣＤ間（０≦ｘ≦ｃ）
Ｆ＝Ｒ_A −Ｗ_A ・・・（６）
Ｍ＝Ｒ_A （ｘ＋ａ）＋Ｗ_A ・ｘ＝Ｒ_A ・ａ＋（Ｒ_A ＋Ｗ_A ）ｘ・・・（７）
（３）ＤＢ間（ｃ≦ｘ≦ｂ＋ｃ）
Ｆ＝Ｒ_A −Ｗ_A −Ｗ_B ＝−Ｒ_B ・・・（８）
Ｍ＝Ｒ_B （ｂ＋ｃ−ｘ）・・・（９）
となる。

荷重が均等に作用する場合は、Ｗ_A ＝Ｗ_B ＝Ｗとして
Ｒ_A ＝Ｗ（２ｂ＋ｃ）／（ａ＋ｂ＋ｃ）・・・（１０）
Ｒ_B ＝Ｗ（２ａ＋ｃ）／（ａ＋ｂ＋ｃ）・・・（１１）
Ｍ_A ＝Ｗ・ａ（２ｂ＋ｃ）／（ａ＋ｂ＋ｃ）・・・（１２）
Ｍ_B ＝Ｗ・ｂ（２ａ＋ｃ）／（ａ＋ｂ＋ｃ）・・・（１３）
となる。

タイヤ接地点は、路面の凹凸や傾斜、あるいはタイヤの空気圧状態により容易に変化する。そこで、図１０（Ｂ）に示すように、接地点Ａ，ＢがＡ′（＞Ａ），Ｂ′（＞Ｂ）に変化すると、接地点反力Ｒ_A と曲げモーメントＭ_A は影響を受ける。

距離ａ，ｂが、それぞれ、距離ａ′＝ａ＋Δａ，ｂ′＝ｂ＋Δｂに変化した場合の曲げモーメントの変化量ΔＭを求めると、
ΔＭ_A ＝（∂Ｍ_A ／∂ａ）Δａ＋（∂Ｍ_A ／∂ｂ）Δｂ
＝Ｗ｛（ｂ＋ｃ）（２ｂ＋ｃ）Δａ＋ａ（２ａ＋ｃ）Δｂ｝／（ａ＋ｂ＋ｃ）² ・・・（１４）
ΔＭ_B ＝（∂Ｍ_B ／∂ａ）Δａ＋（∂Ｍ_B ／∂ｂ）Δｂ
＝Ｗ｛ｂ（ｂ＋ｃ）Δａ＋（ａ＋ｃ）（２ａ＋ｃ）Δｂ｝／（ａ＋ｂ＋ｃ）² ・・・（１５）
ΔＭ_A ＋ΔＭ_B ＝Ｗ｛（２ｂ＋ｃ）² Δａ＋（２ａ＋ｃ）² Δｂ｝／（ａ＋ｂ＋ｃ）² ・・・（１６）

上記式（１４）、（１５）および（１６）から、ひずみ検出センサ３でアクスル４の１箇所もしくは２箇所で検出した曲げモーメントによる圧縮ひずみの検出出力に基づいて荷重を算出する場合には、タイヤ接地点の変化による誤差は避けられないことが分かる。

そこで本発明は、上述した従来の問題点に鑑み、タイヤ接地面の変化による影響を低減し精度良く荷重を計測することができる車両用自重計を提供することを目的とする。

請求項１記載の発明の車両用自重計は、車両のアクスルにおける荷重の作用点と一方の端部との間における該アクスルの側面に取り付けられ、前記アクスルに作用するせん断力によるひずみを検出する第１のひずみ検出手段と、車両のアクスルにおける荷重の作用点と他方の端部との間における該アクスルの側面に取り付けられ、前記アクスルに作用するせん断力によるひずみを検出する第２のひずみ検出手段と、前記第１および第２のひずみ検出手段の検出出力を加算する加算手段と、前記加算手段の加算出力に基づいて前記荷重を求める演算手段とを備えたことを特徴とする。

請求項１記載の発明は、請求項１記載の車両用自重計において、前記第１および第２のひずみ検出手段は、前記アクスルの側面の曲げモーメント中立面に取り付けられることを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項２記載の車両用自重計において、前記第１および第２のひずみ検出手段は、前記アクスルの軸線方向から所定角度傾けて取り付けられることを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項３記載の車両用自重計において、前記所定角度は４５度であることを特徴とする。

請求項１記載の発明によれば、タイヤ接地面の変化による誤差を低減し精度良く荷重を計測することができる。

請求項２記載の発明によれば、曲げモーメントの影響を受けることなく、精度良く荷重を計測することができる。

請求項３記載の発明によれば、せん断力による圧縮ひずみを検出して精度良く荷重を計測することができる。

請求項４記載の発明によれば、せん断力による圧縮ひずみを最も感度良く検出して荷重を計測することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明に係る車両用自重計が取り付けられた車両のアクスル付近の略図、図２はアクスルの斜視図である。

図１および図２において、トラック等の車両における後輪としてのダブルタイヤを構成する内側タイヤ１および外側タイヤ２が、それぞれ、中央に円孔６を有するアクスル４の両端に取り付けられている。アクスル４の円孔６と両端部間の中間付近には、それぞれ、リーフスプリング取付部５ａが設けられており、このリーフスプリング取付部５ａの上面に、リーフスプリング５が取り付けられている。車両の荷重（荷台上の積載重量）は、リーフスプリング５を介してアクスル４に支持される。

また、アクスル４の一方の端部と一方のリーフスプリング取付部５ａ間、およびアクスル４の他方の端部と他方のリーフスプリング取付部５ａ間のアクスル４の側面に、本発明の車両用自重計を構成するひずみ検出手段としてのひずみ検出センサ３Ａおよび３Ｂが、それぞれ取り付けられている。すなわち、２つのひずみ検出センサ３Ａおよび３Ｂは、アクスル４の円孔６から各々の端部方向へ等距離の位置、言い換えれば円孔６の中心を基準点とする線対称的な位置にそれぞれ取り付けられている。

図３は、図１の部分拡大図である。図３に示すように、ひずみ検出センサ３Ａは、アクスル４の側面の曲げモーメント中立面に、アクスル４の軸線（言い換えると、水平線）に対して所定の角度θだけ傾けて取り付けられている。この所定の角度θは、任意の角度でよいが、図３ではもっとも好適な４５度とされている。なお、ひずみ検出センサ３Ｂも同様に４５度の角度で取り付けられている。

図４は、ひずみ検出センサ３Ａおよび３Ｂの構成例を示す分解斜視図である。このひずみ検出センサ３Ａおよび３Ｂの構成例は、たとえば特開２００２−７１４３７号公報に開示されている。図４に示すように、ひずみ検出センサ３は、直方体状の外形を構成するケース３０、回路基板３１、ベースアッシー３２、支持部材３６Ａおよび３６Ｂを有する。

ベースアッシー３２には、歪検出用のセンシング素子３５が実装されている。このセンシング素子３５は、基本的にステンレス等の金属材料により長尺の扁平板状に形成された基板の表面に金属箔歪ゲージを形成して構成される。このセンシング素子３５は、金属箔歪ゲージの抵抗値が金属材料基板にかかる荷重に応じて変化することを利用して、歪検出を行う。この金属材料基板にかかる荷重は、ベースアッシー３２の端部に延出して一体形成された固定片３２Ａおよび３２Ｂに溶着固定される取付部材の変形に応じて伝達される。そして、このベースアッシー３２には２つのピン孔３２Ｃおよび３２Ｄが設けられており、このピン孔３２Ｃおよび３２Ｄに支持部材３６Ａ及び３６Ｂの端部が挿入されて、ベースアッシー３２が回路基板３１に連結される。

回路基板３１は、支持部材３６Ａおよび３６Ｂの端部が挿入されるピン孔３１Ａおよび３１Ｂが設けられており、これらに支持部材３６Ａおよび３６Ｂの端部が挿入される。また、回路基板３１上にはセンシング素子３５からの検出出力を増幅するアンプ１８Ａ等が実装されている。

そして、ケース３０は、上述のように連結された回路基板３１およびベースアッシー３２を覆うようにして装着される。装着の際には、ベースアッシー３２の固定片３２Ａが、ケース３０の側壁の開口縁に形成された凹状の切欠部３０Ａに挿着され、固定片３２Ｂが図示しない対向する側壁の開口縁に形成された凹状の切欠部に挿着される。また、このケース３０には、荷重検出信号を伝送するリード線３４が、固定金具３３を介して電気的に接続されている。

図４に示す構成を有するひずみ検出センサ３Ａおよび３Ｂは、センシング素子３５の長尺方向が、図３に示すアクスル４の軸線に対して４５度の角度をなすように取り付けられている。

ひずみ検出センサ３は、このように取り付けられているので、荷重によってアクスル４に作用するせん断力によるひずみを最も感度良く検出することができる。

すなわち、図５に示すように、アクスル４の一部を側面から見た場合の頂点ＡＢＣＤからなる長方形において、ＡＢ辺（タイヤ接地点に相当）が固定され、ＣＤ辺（作用点に相当）に荷重が作用した場合、ＡＢ辺が支持された片持ちばりのＣＤ辺に、せん断力が働いたとみなすことができる。

このような場合、このＡＢＣＤ長方形は、せん断力によりアクスル４の内部断面にせん断応力τが生じ、ＡＢＣ′Ｄ′からなる平行四辺形に変形する。このせん断変形によるＡＢＣＤ長方形からのＡＢＣ′Ｄ′平行四辺形の傾きが、せん断ひずみγとなる。

また、ＡＤまたはＢＣ辺に対して４５度の方向に、せん断力による圧縮ひずみε₃ が生じる。ひずみ検出センサ３Ａおよび３Ｂは、上述したように、センシング素子３５の長尺方向が、図３に示すアクスル４の軸線に対して４５度の角度をなすように取り付けられているので、このせん断力による圧縮ひずみε₃ を検出することができる。

ところで、図１０（Ａ）および（Ｂ）に示すように、距離ａ，ｂが、それぞれ、距離ａ′＝ａ＋Δａ，ｂ′＝ｂ＋Δｂに変化した場合の接地点反力の変化量ΔＲを求めると、
ΔＲ_A ＝（∂Ｒ_A ／∂ａ）Δａ＋（∂Ｒ_A ／∂ｂ）Δｂ
＝Ｗ・｛−（２ｂ＋ｃ）Δａ＋（２ａ＋ｃ）Δｂ｝／（ａ＋ｂ＋ｃ）²・・・（１７）
ΔＲ_B ＝（∂Ｒ_B ／∂ａ）Δａ＋（∂Ｒ_B ／∂ｂ）Δｂ
＝Ｗ｛（２ｂ＋ｃ）Δａ−（２ａ＋ｃ）Δｂ｝／（ａ＋ｂ＋ｃ）² ・・・（１８）
ΔＲ_A ＋ΔＲ_B ＝０・・・（１９）

上記式（１６）および（１７）と上記式（４）および（８）の関係から、ひずみ検出センサ３でアクスル４の側面の１箇所で検出したせん断力による圧縮ひずみの検出出力に基づいて荷重を算出しようとすると、上述の従来技術と同様に、タイヤ接地点の変化による誤差は避けられないことが分かる。

しかし、上記式（１９）と上記式（４）および（８）の関係から、アクスル４の一方の端部と一方のリーフスプリング取付部５ａ間、およびアクスル４の他方の端部と他方のリーフスプリング取付部５ａ間のアクスル４の側面にそれぞれ取り付けられたひずみ検出センサ３Ａおよび３Ｂで検出したせん断力による圧縮ひずみの検出出力を加算すれば、タイヤ接地点の変化による反力の変化量が相殺され、したがってせん断力の変化量も相殺されることになる。

よって、ひずみ検出センサ３Ａおよび３Ｂの検出出力を加算した加算信号に基づいて荷重、すなわち荷台上の積載重量を算出すれば、タイヤ接地点の変化による誤差はなくなることになる。

そこで、図６の回路図に示すように、２つのひずみ検出センサ３Ａおよび３Ｂからの検出出力をそれぞれアンプ７Ａ，７Ｂで増幅後、加算手段としての加算回路８で加算し、加算された加算出力信号が演算手段としての演算回路９に供給される。演算回路９は、加算回路８からの加算出力信号に基づいて荷重（荷台上の積載重量）を演算する。演算回路９で演算された荷重は、表示器１０で表示される。

以上の通り、本発明の最良の形態について説明したが、本発明はこれに限らず、種々の変形、応用が可能である。

たとえば、ひずみ検出センサ３Ａおよび３Ｂは、上述の説明では最良な取付形態として、アクスル４の側面の曲げモーメント中立面に、アクスル４の軸線（言い換えると、水平線）に対して４５度の角度だけ傾けて取り付けられているが、これに限らず、側面の曲げモーメント中立面以外の場所に取り付けても良いし、４５度以外の角度（ただし、０度と９０度を除く）に傾けて取り付けても良い。

また、上述の説明では後輪のダブルタイヤ用のアクスルにおけるせん断力によるひずみ検出センサ３Ａおよび３Ｂの検出出力の加算信号に基づいて荷台上の積載重量を計測しているが、前輪アクスル側にもひずみ検出センサ（図示しない）を設けて、このひずみ検出センサからの検出出力も演算回路９に供給することにより、車両の自重および／または積載重量を計測することもできる。この場合、前輪アクスルにはシングルタイヤが取り付けられるため、タイヤ接地点の変動は小さく、前輪アクスル側では、本発明のせん断力によるひずみを検出する必要はなく、従来の曲げモーメントによる圧縮ひずみの検出で構成することもできる。

なお、演算回路９は、マイクロコンピュータ等で構成することができ、マイクロコンピュータの内部メモリに予め車両自重を記憶させておくことにより、車両用自重計として車両の総重量を演算、表示させることもできる。

本発明と従来例を比較検討するため、上記各式に実際に数値を代入して誤差率を求めてみる。ａ＝ｂ＝３００ｍｍ、ｃ＝１０１０ｍｍであって、タイヤ接地点の微小変化が、（１）Δａ＝１５ｍｍ、Δｂ＝１５ｍｍ、（２）Δａ＝１５ｍｍ、Δｂ＝０、（３）Δａ＝１５ｍｍ、Δｂ＝−１５ｍｍのそれぞれの場合について、誤差率ΔＲ_A ／Ｒ_A 、ΔＲ_B ／Ｒ_B 、ΔＲ_A ＋ΔＲ_B ／Ｒ_A ＋Ｒ_B 、ΔＭ_A ／Ｍ_A 、ΔＭ_B ／Ｍ_B 、ΔＭ_A ＋ΔＭ_B ／Ｍ_A ＋Ｍ_B を求めたところ、下記表のようになった。

この表から、次のことが分かる。
（１）左右ともにタイヤ接地点が外側に変化した場合、曲げモーメントは大きく影響を受けている。
（２）片側のみタイヤ接地点が外側に変化した場合、曲げモーメントへの影響は半減している。
（３）左右方向に傾斜している路面等、タイヤ接地点間の距離に変化がない場合は、曲げモーメントの左右合計から荷重を算出しても、誤差は相殺される。
（４）接地点反力の加算値から荷重を算出すると、タイヤ接地点が変化しても誤差は生じない。

本発明に係る車両用自重計が取り付けられた車両のアクスル付近の略図である。 図１におけるアクスルの斜視図である。 図１の部分拡大図である。 図１におけるひずみ検出センサの構成例を示す分解斜視図である。 せん断力の作用を説明するための図である。 本発明に係る車両用自重計の回路図である。 従来の車両用自重計が取り付けられた車両のアクスル付近の略図である。 図７におけるアクスルの斜視図である。 真直ばりの曲がりと曲げ応力分布およびせん断応力分布を示す図である。 単純支持ばりに掛かる力の関係を示す説明図である。

符号の説明

１ 内側タイヤ
２ 外側タイヤ
３Ａ ひずみ検出センサ（ひずみ検出手段）
３Ｂ ひずみ検出センサ（ひずみ検出手段）
４ アクスル
５ リーフスプリング
５ａ リーフスプリング取付部
６ 円孔
７Ａ アンプ
７Ｂ アンプ
８ 加算回路（加算手段）
９ 演算回路（演算手段）
１０ 表示器

Claims (4)

1. 車両のアクスルにおける荷重の作用点と一方の端部との間における該アクスルの側面に取り付けられ、前記アクスルに作用するせん断力によるひずみを検出する第１のひずみ検出手段と、
   車両のアクスルにおける荷重の作用点と他方の端部との間における該アクスルの側面に取り付けられ、前記アクスルに作用するせん断力によるひずみを検出する第２のひずみ検出手段と、
   前記第１および第２のひずみ検出手段の検出出力を加算する加算手段と、
   前記加算手段の加算出力に基づいて前記荷重を求める演算手段と
   を備えたことを特徴とする車両用自重計。
2. 前記第１および第２のひずみ検出手段は、前記アクスルの側面の曲げモーメント中立面に取り付けられる
   ことを特徴とする請求項１記載の車両用自重計。
3. 前記第１および第２のひずみ検出手段は、前記アクスルの軸線方向から所定角度傾けて取り付けられる
   ことを特徴とする請求項２記載の車両用自重計。
4. 前記所定角度は４５度である
   ことを特徴とする請求項３記載の車両用自重計。

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