JP2007083912A - タイヤ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 車両の走行状態に応じてタイヤ接地面の特性を変化させる。
【解決手段】 タイヤ２６の踏面２２には、複数のトレッドブロック４４がタイヤの周方向に分割形成されている。トレッドブロック４４と踏面２２との間は電圧印加により伸縮する圧電素子４２で接合される。圧電素子４２は、トレッドブロック４４をタイヤ幅方向に変位させるように配置される。走行状態検出部は、車両の旋回を検出する。圧電素子制御部は、車両の旋回が検出されたとき、圧電素子４２に印加する電圧を制御して、旋回方向外側にトレッドブロック４４を変位させる。
【選択図】 図１

Description

本発明はタイヤ制御装置に関し、より詳細には車両の走行状態に応じてタイヤ接地面の特性を変化させるタイヤ制御装置に関する。

車両の走行状態を改善したりタイヤから発生する騒音を低減したりするために、タイヤ表面のトレッドの形状を工夫することが行われている。例えば特許文献１には、ピッチ長さの異なるパターン要素をタイヤトレッド面の周方向に連設したトレッドパターンが開示されている。
特開２００４−２９９６５２号公報 特開平７−３０９１０５号公報 特開２００３−２８５６１２号公報 特開２００４−３５９２０３号公報 特開２００３−２８５６１２号公報

しかしながら、上記特許文献１では、トレッドパターンが固定されているため車両の走行状態に応じた特性を得ることはできない。

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、車両の走行状態に応じてタイヤ接地面の特性を変化させる技術を提供することにある。

本発明のある態様は、タイヤゴムの踏面に分割形成された複数のトレッドブロックと、前記トレッドブロックと前記タイヤゴムとの間または前記トレッドブロック間を接合し電圧印加により伸縮する伸縮部材と、車両の走行状態を検出する走行状態検出手段と、検出した走行状態に応じて前記伸縮部材に印加する電圧を制御して前記トレッドブロックと前記タイヤゴムとの相対位置を変化させる制御手段と、を備えることを特徴とするタイヤ制御装置である。

この態様によると、走行状態に応じてタイヤの特性を変化できる。

前記トレッドブロックは少なくともタイヤの幅方向に分割されており、前記伸縮部材は前記トレッドブロックをタイヤ幅方向に変位させるように配置され、前記走行状態検出手段により車両の旋回が検出されたとき、前記制御手段は、旋回方向外側に前記トレッドブロックを変位させてもよい。これによると、旋回時のグリップ力を向上させることができる

前記トレッドブロックは少なくともタイヤの周方向に分割されており、前記伸縮部材は前記トレッドブロックをタイヤ周方向に変位させるように配置され、前記走行状態検出手段により車両の制動または加速が検出されたとき、前記制御手段は、タイヤ接地面圧の分布に合わせて前記トレッドブロックを変位させてもよい。これによると、制動時、加速時にグリップ力を向上させることができる。

前記タイヤゴムの踏面と前記トレッドブロックとの間を接合し、該トレッドブロックをタイヤの径方向に変位させる第２伸縮部材をさらに備えてもよい。この場合、前記制御手段は、前記第２伸縮部材に電圧を印加して、前記トレッドブロックに発生する接地面圧が略均一になるように該トレッドブロックを変位させてもよい。これによると、接地面圧を均等化してグリップ力を向上させてもよい。

本発明によるタイヤ制御装置によれば、車両の走行状態に応じてタイヤ接地面の特性を制御することができる。

図１（ａ）は、本発明の第１実施形態に係るタイヤを装着した車輪１１０の構造を示す。車輪１１０は、車両に装着される４つの車輪のうち任意のひとつを表している。図１には、車輪１１０を構成する種々の要素のうち、タイヤ２６、ホイールリム３０およびホイール３２の断面が示されている。

ホイールリム３０と接するビード部２８は、タイヤ２６をホイールに固定する部分であり、タイヤ２６の全周にわたるリング状の構造をしている。カーカス３６は、ナイロンまたはポリエステルなどの繊維で成形されるコード層であり、タイヤ構造を保持する役割を有する。ホイールリム３０には、空気調整バルブ３４が取り付けられている。

タイヤ２６の踏面２２の両サイドには、タイヤ２６の全周にわたって側面突出部３８が形成されている。二つの側面突出部３８の間には直方体形状のトレッドブロック４４が配置され、このトレッドブロック４４は圧電素子４２によって両側の側面突出部３８と接合される。圧電素子４２は電圧印加により圧縮または伸張する素子である。図１（ａ）では、圧電素子４２の圧縮／伸張方向がトレッドブロック４４の長手方向になるように、トレッドブロック４４と側面突出部３８に接合される。

図１（ｂ）は、車輪１１０を路面側から見たときのトレッドブロックの配置を示す。トレッドブロック４４は、ゴムやシリコンなどで形成され、路面と車輪１１０が接する部分である。短冊状のトレッドブロック４４は、周方向に一定の間隔でタイヤ２６の全周にわたり多数配置されるが、図１（ｂ）にはその一部のみを示している。トレッドブロック４４はタイヤ２６の踏面２２とは接着されておらず、長手方向の両側の圧電素子４２のみによって、タイヤ２６の側面突出部３８と個別に接合されている。そのため、両側の圧電素子４２を圧縮、伸張させることで、トレッドブロック４４をタイヤの幅方向に変位させることが可能である。

図２は、車輪１１０を車軸方向から見たときの模式図であり、タイヤ２６とホイール３２を簡略化して示す。タイヤ２６の外周には、図１で説明したトレッドブロック４４が圧電素子４２で接合されている。

ホイール３２の内側には、アンプ５２と受信部５４が設置される。アンプ５２には、図示しない車載のバッテリから集電部５０を介して電力が供給される。集電部５０は、車軸とともに回転するブラシを車体に設けられた電極と接触させることで電力を車輪側に供給するように構成される。代替的に、ホイール３２の内部にバッテリを設けてもよい。

受信部５４は、車体に設置されるタイヤ制御部（図３参照）からアンテナ５６を介して制御信号を受け取り、アンプ５２に渡す。アンプ５２は、制御信号にしたがって、タイヤゴム内部に張り巡らされた電線５８を介して各圧電素子４２に電圧を印加する。圧電素子４２は電圧印加により圧縮または伸張し、これによってトレッドブロック４４がタイヤ踏面に対して変位する。

図３は、第１実施形態に係るタイヤ制御部７０の機能ブロック図である。ここに示す各ブロックは、ハードウェア的には、コンピュータのＣＰＵやメモリをはじめとする素子や機械装置で実現でき、ソフトウェア的にはコンピュータプログラム等によって実現されるが、ここでは、それらの連携によって実現される機能ブロックとして描いている。したがって、これらの機能ブロックはハードウェア、ソフトウェアの組合せによっていろいろなかたちで実現できることは、当業者には理解されるところである。

車輪速センサ９０は、図示しない車輪の近傍に設置される。車輪速センサ９０は、車軸とともに回転する歯車の歯数をカウントし、その情報をタイヤ制御部７０に送る。加速度センサ９２は図示しない車体に設置され、車体に発生する前後加速度、横加速度などの情報を検出し、その情報をタイヤ制御部７０に送る。操舵角センサ９４は、図示しないステアリングホイールの基部に設置され、ドライバーによるステアリングホイールの操舵角を検出してその情報をタイヤ制御部７０に送る。

タイヤ制御部７０は、速度情報取得部７２、回転情報取得部７４、走行状態検出部７６、車両モデル格納部７８、圧電素子制御部８０、送信部８２を含む。

速度情報取得部７２は、車輪速センサ９０からの情報を基にして車速を算出する。車速情報は走行状態検出部７６に入力される。回転情報取得部７４は、車輪速センサ９０からの情報を基にして車輪の回転位相を推定し、タイヤ２６のいずれの回転角にあるトレッドブロックが路面に接しているかを判定する。この情報は圧電素子制御部８０に入力される。

車両モデル格納部７８には、車両の運動特性を計算するための車両モデルが格納されている。この車両モデルに対して各種センサで検出された情報を入力することによって、車両の走行状態およびタイヤ接地面の状態を推測することができる。走行状態検出部７６は、速度情報取得部７２から得た車速、加速度センサ９２から得た加速度、操舵角センサ９４から得た操舵角の情報を車両モデルに入力することによって、車両の現在の走行状態を推測するとともに、タイヤの接地面に発生する横力や摩擦力を推定する。

圧電素子制御部８０は、走行状態検出部７６で推測された走行状態およびタイヤ接地面の状態に基づきトレッドブロックを変位させて所望の接地面特性が得られるように、圧電素子の圧縮量または伸張量を計算する。このとき、車輪の周方向に配置された各トレッドブロックに対して異なる圧縮量または伸張量を与えるために、回転情報取得部７４から与えられる回転位相情報を利用して、所望の位置にあるトレッドブロックに接合された圧電素子に対して圧縮量または伸張量を与える。送信部８２は、圧電素子制御部８０で計算された圧縮量または伸張量をアンテナ８４を介して車輪側の受信部５４に送信する。

なお、タイヤ制御部７０は、車両の他の機能を制御するＥＣＵと一体に構成されても、別の構成要素であってもよい。代替的に、タイヤ制御部７０をホイール３２の内部に設けてもよい。

図４は、タイヤの接地面圧分布を表すグラフである。横軸はタイヤの前後方向の位置を表し、縦軸は接地面圧を表す。図示するように、接地面圧はタイヤの前後方向に均一にならない。これは、以下のような理由による。一般にタイヤは、タイヤにかかる荷重と路面との摩擦係数から理論的に計算される静止摩擦力と同じ大きさの動摩擦力を発生することはできない。すなわち、タイヤの摩擦力はタイヤゴムの変形に比例して発生するため、摩擦力は接地面の前端から後端に向けて線形的に増大する。一方、タイヤの接地面圧は、図４に示すように、タイヤ前後方向で接地面の中心を最大とする円弧状の分布をなす。これは、荷重が接地面の中心にかかること、およびタイヤが円形形状であることによる。したがって、タイヤと路面との間の静止摩擦力は、接地面の中心が最大となる。

車両の旋回時、車両の進行方向とタイヤの向きとは必ずしも一致しないため、スリップ角が生じる。静止摩擦力を超えない範囲においては、トレッドゴムが路面に追従するため、接地の開始点から接地の終了点に向かうにしたがってトレッドゴム（またはトレッドブロック）が変位し、これに合わせて静止摩擦力が発生する。トレッドゴムの変位が大きくなって静止摩擦力を超えると、トレッドゴムと路面との間ですべりが生じ、タイヤと路面との間は動摩擦力に変化して、摩擦力は減少する。したがって、接地面で最大摩擦力を発生できるのはタイヤ前後方向の一点のみとなる。

本実施の形態では、タイヤ制御部７０が車両の走行状態に合わせてトレッドブロックを変位させることによって、タイヤの摩擦力を最大限に活用するようにした。

図１に戻り、走行状態検出部７６が操舵角センサ９４によって車両の旋回を検出すると、圧電素子制御部８０は、図１（ｂ）に示すように、トレッドブロック４４をタイヤ幅方向に変位させるように圧電素子４２を制御する。図では、接地面４６の範囲でトレッドブロック４４がタイヤ幅方向（図では上方）に変位している。この際、接地面４６のトレッドブロック４４のすべてを同じ量だけ変位させるのではなく、車両運動モデルにしたがってタイヤ接地面に発生する横力を計算し、タイヤ前後方向の摩擦力の分布が同じくタイヤ前後方向の接地面圧分布と近似するように、トレッドブロック４４を変位させる。これにより、接地面においてすべりの発生が減少するので、タイヤの摩擦力の利用率が向上しグリップ力を増大させることができる。

図５（ａ）は、本発明の第２実施形態に係るタイヤを装着した車輪１２０の断面図であり、図５（ｂ）は車輪１２０を路面側から見たときのトレッドブロック１２４の配置を示す図である。この実施形態では、トレッドブロック１２４をタイヤの周方向に変位させるように圧電素子１２２が設けられている。なお、車輪１２０のトレッドブロック１２４および圧電素子１２２以外の構造、およびタイヤ制御部は、上述の第１実施形態と同様であるので説明を省略する。

短冊状のトレッドブロック１２４は、平板状の圧電素子１２２でタイヤの踏面２２の外周側に接合されている。圧電素子１２２は、タイヤの周方向にトレッドブロック１２４を変位させる方向に伸縮する。

走行状態検出部７６が加速度センサ９２によって車両の制動または加速を検出すると、圧電素子制御部８０は、図５（ｂ）に示すように、トレッドブロック１２４をタイヤ前後方向に変位させるように圧電素子１２２を制御する。図では、接地面４６の範囲でトレッドブロック１２４がタイヤ前後方向（図では左方）に変位している。なお、図中の斜線はトレッドブロックの変位量を表す。この際、車両運動モデルにしたがってタイヤ接地面に発生する制動力または駆動力を計算し、タイヤ前後方向の摩擦力の分布が同じくタイヤ前後方向の接地面圧分布と近似するように、トレッドブロック１２４をタイヤの周方向に変位させる。これにより、接地面のグリップ力が向上するので、制動距離を短縮したり、加速時のスリップ限界を高めることができる。

図６（ａ）は、本発明の第３実施形態に係るタイヤを装着した車輪１３０の断面図であり、図６（ｂ）は車輪１３０を路面側から見たときのトレッドブロックの配置を示す図である。この実施形態では、第１実施形態で述べたタイヤの幅方向にトレッドブロック１３４を変位させる圧電素子１３２に加えて、タイヤの径方向にトレッドブロック１３４を変位させる圧電素子１３６も設けられている。

図６（ｃ）は、車輪１３０の接地面近傍でのトレッドブロック１３４の変位を示す。圧電素子制御部８０は、圧電素子１３６を伸縮させて、接地面近傍の複数のトレッドブロック１３４が均等に路面に接するようにトレッドブロック１３４を変位させる。これにより、接地面圧が略均一の分布になる。接地面圧を均一にすることで、接地面におけるすべりの発生が抑制されるので、タイヤ摩擦力の利用率が向上しグリップ力を増大することができる。

図７（ａ）は本発明の第４実施形態に係るタイヤを装着した車輪１４０の断面図であり、図７（ｂ）は車輪１４０を路面側から見たときのトレッドブロックの配置を示す図である。また、図７（ｃ）は、車輪１４０の接地面近傍でのトレッドブロック１４４の変位を示す。この実施形態では、ひとつの圧電素子１４２を伸縮させることで、トレッドブロック１４４をタイヤ周方向および径方向にトレッドブロックを変位させる。この構成により、これにより、第２実施形態と第３実施形態を合わせた効果が期待できる。

図８（ａ）は、本発明の第５実施形態に係るタイヤを装着した車輪１５０の断面図である。この実施形態では、タイヤの幅方向に複数のトレッドブロック１５４を配置し、それらトレッドブロック１５４の間を圧電素子１５２で接合している。圧電素子１５２の右端は、タイヤゴムの側面突出部１５６と接合される。この構成により、トレッドブロック１５４をタイヤ幅方向に変位させることができる。

車両旋回中のタイヤ幅方向の接地面圧分布は、図８（ａ）中に表すように、旋回外側で面圧が高くなる分布となる（図は右旋回時）。走行状態検出部７６が操舵角センサ９４によって車両の旋回を検出すると、圧電素子制御部８０は、車両運動モデルにしたがってタイヤ接地面に発生する横力を計算し、タイヤ幅方向の摩擦力の分布がタイヤ幅方向の接地面圧分布と近似するように、トレッドブロック１５４を変位させる。図８（ｂ）は各トレッドブロック１５４の変位量を表すグラフであり、横軸はタイヤ幅方向のトレッドブロックの位置、縦軸はタイヤ幅方向の変位量を表す。これにより、接地面においてすべりの発生が減少するので、タイヤの摩擦力の利用率が向上しグリップ力を増大させることができる。

図９（ａ）は、本発明の第６実施形態に係るタイヤを装着した車輪１６０の断面図である。図９（ｂ）は、各トレッドブロックの変位量を表すグラフであり、横軸はタイヤ幅方向のトレッドブロックの位置、縦軸はタイヤ径方向の変位量を表す。この実施形態では、第５実施形態で述べたタイヤの幅方向にトレッドブロック１６４を変位させる圧電素子１６２に加えて、タイヤの径方向にトレッドブロック１６４を変位させる圧電素子１６６も設けられている。圧電素子１６６は、図９（ｂ）に示すように、旋回内側の接地荷重が増えるようにトレッドブロック１６４をタイヤ径方向に変位させる。これにより、タイヤ幅方向の接地面圧が略均一の分布になる。接地面圧を均一にすることで、接地面におけるすべりの発生が抑制されるので、タイヤ摩擦力の利用率が向上しグリップ力を増大することができる。

図１０（ａ）は、本発明の第７実施形態に係るタイヤを装着した車輪１７０の断面図であり、図１０（ｂ）は車輪１７０を路面側から見たときのトレッドブロック１７４の配置を示す図である。この実施形態では、図１０（ｂ）に示すようにトレッドブロック１７４を格子状に配置する。さらに、トレッドブロック１７４のタイヤ幅方向を接合する圧電素子１７２、トレッドブロック１７４のタイヤ前後方向を接合する圧電素子１７８、およびトレッドブロック１７４とタイヤの踏面を接合する圧電素子１７６を設ける。これにより、各トレッドブロック１７４をタイヤの前後方向、幅方向、および径方向に変位させることができるため、上述の各実施形態で述べた効果の全てを発揮させることが可能である。

図１１は、第１ないし第７実施形態における制御をまとめた表である。表中の各列は、摩擦力の分布方向、制御する摩擦力の方向、および接地面圧を均等化するか否かを表している。

以上説明したように、本発明によれば、タイヤのトレッドブロックを分割して接地面における横方向、前後方向、および垂直方向の力を分布的に制御することによって、タイヤの摩擦力を有効に利用することができる。

以上、実施の形態をもとに本発明を説明した。これらの実施形態は例示であり、各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

第１実施形態では、トレッドブロックの両側に圧電素子を接合してトレッドブロックをタイヤ幅方向に変位させることを述べたが、図１２に示すように、タイヤの片側にのみ側面突出部１８６を設け、そこからタイヤ踏面の幅より短く幅方向に延びる圧電素子１８２を配置し、圧電素子１８２の反対側にトレッドブロック１８４の一端１８８を接合するように構成してもよい。こうすると、圧電素子の数を半分にすることができる。

実施の形態では、トレッドブロックを変位させる要素として圧電素子を用いた例を説明した。しかしながら、トレッドブロックを変位させるのに圧電素子以外のものを利用してもよく、例えば、リニアモータ、ソレノイド、超音波モータ、ボールネジなどでもよい。

図１３は、トレッドブロックを機械的に変位させる変形例を示す。車輪２００の幅方向に延びる短冊状のトレッドブロック２０４は、同方向に延びる棹２０６に固定される。棹２０６は、タイヤの踏面２２に回転可能に取り付けられたローラ２０８を介してタイヤ踏面と接触しており、これにより棹２０６はタイヤの幅方向に移動自在となっている。図１３（ｂ）に示すように、トレッドブロック２０４はタイヤの全周にわたって配置される。

棹２０６の片側にはＵ字溝２１２が形成されている。このＵ字溝２１２には、半円形状のカム２１４が係合しており、カム２１４は回転体２１６の端に固定される。回転体２１６を図示しないモータにより回転駆動すると、カム２１４の位置が変化し、これによりＵ字溝２１２を介して棹２０６およびトレッドブロック２０４がタイヤ幅方向に変位される（図１３（ｃ）参照）。

また、円弧面を有し、電圧をかけることで拡張する電歪ポリマーを用いてタイヤの外周面を形成してもよい。この場合、タイヤ制御部は、車両の走行状態に応じて電歪ポリマーに電圧を印加して、タイヤ接地面が最適の荷重分布になるように制御してもよい。これにより、操縦安定性の向上や燃費の向上が期待される。また、この構成では、各電歪ポリマーから発生する電圧を検出することで、タイヤが路面から受ける力を検知することもできる。この検知した力にしたがって、タイヤ接地面の荷重分布を制御してもよい。

上述の実施形態のようにタイヤ表面にトレッドブロックを分割形成する代わりに、圧電素子などのアクチュエータによりタイヤの表面部分のみを変形させて、接地面圧分布を制御してもよい。

（ａ）は本発明の第１実施形態に係るタイヤを装着した車輪の断面図であり、（ｂ）は（ａ）の車輪を路面側から見たときのトレッドブロックの配置を示す図である。 車輪を車軸方向から見たときの模式図である。 タイヤ制御部の機能ブロック図である。 タイヤの接地面圧分布を表すグラフである。 （ａ）は本発明の第２実施形態に係るタイヤを装着した車輪の断面図であり、（ｂ）は（ａ）の車輪を路面側から見たときのトレッドブロックの配置を示す図である。 （ａ）は本発明の第３実施形態に係るタイヤを装着した車輪の断面図であり、（ｂ）は（ａ）の車輪を路面側から見たときのトレッドブロックの配置を示す図であり、（ｃ）は接地面近傍のトレッドブロックの変位を示す図である。 （ａ）は本発明の第４実施形態に係るタイヤを装着した車輪の断面図であり、（ｂ）は（ａ）の車輪を路面側から見たときのトレッドブロックの配置を示す図であり、（ｃ）は接地面近傍のトレッドブロックの変位を示す図である。 （ａ）は本発明の第５実施形態に係るタイヤを装着した車輪の断面図であり、（ｂ）は各トレッドブロックの変位量を表すグラフである。 （ａ）は本発明の第６実施形態に係るタイヤを装着した車輪の断面図であり、（ｂ）は各トレッドブロックの変位量を表すグラフである。 （ａ）は本発明の第７実施形態に係るタイヤを装着した車輪の断面図であり、（ｂ）は（ａ）の車輪を路面側から見たときのトレッドブロックの配置を示す図である。 第１ないし第７実施形態における制御をまとめた表である。 第１実施形態の変形例を示す図である。 （ａ）〜（ｃ）は、トレッドブロックを機械的に変位させる変形例を示す図である。

符号の説明

２２ 踏面、 ２６ タイヤ、 ３８ 側面突出部、 ４２ 圧電素子、 ４４ トレッドブロック、 ４６ 接地面、 ７０ タイヤ制御部、 ７２ 速度情報取得部、 ７４ 回転情報取得部、 ７６ 走行状態検出部、 ７８ 車両モデル格納部、 ８０ 圧電素子制御部、 ９０ 車輪速センサ、 ９２ 加速度センサ。

Claims (6)

1. タイヤゴムの踏面に分割形成された複数のトレッドブロックと、
   前記トレッドブロックと前記タイヤゴムとの間または前記トレッドブロック間を接合し電圧印加により伸縮する伸縮部材と、
   車両の走行状態を検出する走行状態検出手段と、
   検出した走行状態に応じて前記伸縮部材に印加する電圧を制御して前記トレッドブロックと前記タイヤゴムとの相対位置を変化させる制御手段と、
   を備えることを特徴とするタイヤ制御装置。
2. 前記トレッドブロックは少なくともタイヤの幅方向に分割されており、
   前記伸縮部材は前記トレッドブロックをタイヤ幅方向に変位させるように配置され、
   前記走行状態検出手段により車両の旋回が検出されたとき、前記制御手段は、旋回方向外側に前記トレッドブロックを変位させることを特徴とする請求項１に記載のタイヤ制御装置。
3. 前記トレッドブロックは少なくともタイヤの周方向に分割されており、
   前記伸縮部材は前記トレッドブロックをタイヤ周方向に変位させるように配置され、
   前記走行状態検出手段により車両の制動または加速が検出されたとき、前記制御手段は、タイヤ接地面圧の分布に合わせて前記トレッドブロックを変位させることを特徴とする請求項１に記載のタイヤ制御装置。
4. 前記タイヤゴムの踏面と前記トレッドブロックとの間を接合し、該トレッドブロックをタイヤの径方向に変位させる第２伸縮部材をさらに備え、
   前記制御手段は、前記第２伸縮部材に電圧を印加して、前記トレッドブロックに発生する接地面圧が略均一になるように該トレッドブロックを変位させることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のタイヤ制御装置。
5. 前記伸縮部材は圧電素子であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載のタイヤ制御装置。
6. 前記伸縮部材は電歪ポリマーであることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載のタイヤ制御装置。

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