JP2007278816A - 動摩擦係数測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被測定路面で自動的に測定可能で且つ装置全体がコンパクトで狭い場所での測定を可能とし、精度の高い測定データの取得が可能とする。
【解決手段】路面に固定設置される台枠（１）と、該支持台（７）により上下動可能に支持された車輪駆動用モータ（Ｍ１）、フレーム回転用モータ（Ｍ２）、測定車輪（１６）、ならびに測定車輪（１６）の車軸（１５）を支持する車軸支持フレーム（１４）と、車輪駆動用モータ（Ｍ１）と車軸（１５）を連結する第１の動力伝達手段（２３）と、フレーム回転用モータ（Ｍ２）と車軸支持フレーム（１４）を連結しトルクセンサ（Ｓｔ）を介装した第２の動力伝達手段（３８）と、測定車輪（１６）の接地圧調整バネ（４３）と、測定路面の動摩擦係数を演算する制御手段（Ｂ）とで構成され、該制御手段（Ｂ）はトルクセンサ（Ｓｔ）からの出力信号により動摩擦係数を演算する。
【選択図】図１

Description

本発明は、路面と車輪との間の動摩擦力をスリップ率に応じて連続的に測定できる動摩擦係数測定装置に関する。

自動車や航空機等の移動物体の路面に対する絶対速度をＶ０とし、自動車や航空機等の移動物体の車輪の回転速度をＶ１としたときに、スリップ率ＳはＳ＝（Ｖ０−Ｖ１）／Ｖ０で表される。そして一般的に路面と車輪との間の動摩擦係数μはＳが１０％〜１５％位が最大であることは知られている。

近時電子制御の発展に伴い、動摩擦係数の最大値を求めることにより極めて好適な制動作業を行うことが可能となった。したがって、動摩擦係数が最大となるスリップ率を求めることが要望されるようになった。このようにすることによって、例えばＡＢＳ（Ａｎｔｉ Ｌｏｃｋ Ｂｒａｋｅ Ｓｙｓｔｅｍ）を最適に設計できるからである。
一般に路面の動摩擦係数を測定する技術は知られている（例えば特許文献１参照）。

しかしながら、上記前者の公知の技術ではスリップ率と動摩擦係数との関係を求めることは困難である。
従来、このようにスリップ率と動摩擦係数との関係を調べるためには、トレーラのような大型の車両を用い、大型の装置で何回も測定作業を行う必要があり、作業が面倒であり非効率的であった。

そのために本出願人は特許文献２に開示された動摩擦係数測定装置を開発した。しかしながら、この装置はそれ自体有効なものであるが、スリップ率と動摩擦係数との相関グラフが比較的平坦であるためピークの位置が不明瞭であり、高い測定精度が得られないことが解った。
特公平３−３９５７７号公報。 特開２００５−８３７８３号公報。

したがって、本発明の目的は、比較的に簡単な構成でスリップ率と動摩擦係数との関係を求め、以って動摩擦係数が最大値となるスリップ率を高い精度で求めることが出来る動摩擦係数測定装置を提供することにある。

本発明の動摩擦係数測定装置は、路面に対して固定設置される台枠１と、該台枠１に上下動可能に設けられた支持台７と、該支持台７により支持された測定車輪駆動用モータＭ１、車軸支持フレーム回転用モータＭ２、接地回転する測定車輪１６、ならびに該測定車輪１６の車軸１５を回転自在に支持する車軸支持フレーム１４と、前記測定車輪駆動用モータＭ１と車軸１５を駆動連結する第１の駆動力伝達手段２３と、前記車軸支持フレーム回転用モータＭ２と車軸支持フレーム１４を駆動連結し途中にトルクセンサＳｔを介装した第２の駆動力伝達手段３８と、前記測定車輪１６の接地圧を調整する接地圧調整バネ４３と、前記測定車輪１６が接地回転する路面の動摩擦係数を演算する制御手段Ｂとで構成され、該制御手段Ｂは前記トルクセンサＳｔからの出力信号によって、動摩擦係数を演算することを特徴としている。

前記トルクセンサＳｔは第２の駆動力伝達手段３８に作用する駆動力によって捩り歪を起こし、その捩り歪を電気信号として前記制御手段Ｂに発信するように構成されている。

ここで、制御手段Ｂは、変換部Ｂ１と演算部Ｂ２と出力制御部Ｂ３とデータベースＢ４とによって構成されることが好ましい。
そのように構成されることによって、前記トルクセンサＳｔから発信された信号は変換部Ｂ１において捩り歪量である電気信号が摩擦力Ｆに変換され、演算部Ｂ２において変換された摩擦力「Ｆ」即ち、測定車輪の接線方向（回転の逆方向）に発生した摩擦力を、予め車輪に負荷された垂直荷重「Ｗ」で除することによって動摩擦係数「μ」が求められる。
即ち、動摩擦係数「μ」は以下の式によって導かれている。
μ＝Ｆ／Ｗ
また、トルクセンサＳｔとして、例えば既存のロードセルを用いても良い。或いは第２の駆動力伝達手段３８の軸体表面の軸芯に対して４５度方向に歪ゲージを張って、捩り方向の歪から車輪の接線方向の作用力を求めても良い。

前記第２の駆動力伝達手段３８の一部は、前記第１の駆動力伝達手段２３を内部に挿通する筒状体３４で構成されている。

前記車軸１５の一端と前記第１の駆動力伝達手段２３の先端とには傘歯車１７、２２が固着されており、ともに傘歯車が噛合うことで直角方向の回転方向を変換するように構成されている。

後述の図７（イ）、（ロ）を対比すると解る通り本発明によれば、動摩擦係数μのピークが明瞭であり、精度の高い測定結果を得ることができる。
何故に本発明によれば、このような結果が得られるか明らかでないが、車輪支持フレームを駆動する第１の駆動手段に近い所にトルクセンサを設けた方が駆動系の弾性に対する影響が少ないものと推定される。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。
図１、２において、本発明を実施した動摩擦係数測定装置は、路面に対して固定設置される台枠１を備え、前記台枠１は、枠部材２と該枠部材２に立設された４本のガイド支柱３を有する。ガイド支柱３の下端はボルトＢｔ１により枠部材２に固定され、各ガイド支柱３の上端は、一部が図示される係止板４をボルトＢｔ２により固定することにより互いに係止されている。

枠部材２は底部を上方に向けた４本の溝形鋼が、井桁状に溶接されて枠体が形成され、その井桁状に組まれた枠体の４隅には溝形鋼の開口部を塞ぐ部材２ａの中央に例えば硬質ゴムで形成された設置用座２ｂが固定されている。

また、前記ガイド支柱３には、上部水平部材５と該上部水平部材５に連結された下部水平部材６を有する支持台７が上下摺動自在に設けられている。上部水平部材５はリニアブッシュ８を介して、下部水平部材６はリニアブッシュ９を介して、それぞれガイド支柱３に摺動自在に支持されている。

下部水平部材６の上方に下部脚柱１１およびボルトＢｔ３、Ｂｔ４により、中間支持部材１２が固設され、該中間支持部材１２に上部脚柱１３およびボルトＢｔ５、Ｂｔ６により測定車輪駆動用モータＭ１が固定されている。該測定車輪駆動用モータＭ１は測定装置の中央部Ｏに配設することが好ましい。

下部水平部材６の下方に配設された車軸支持フレーム１４に、一対の車軸１５が対称的に、軸受を介して回転自在に支持されている。該車軸支持フレーム１４は例えば管状に形成される。車軸１５の外端に接地回転する測定車輪１６が設けられ、車軸１５の内端に傘歯車１７が設けられている。

測定車輪駆動用モータＭ１からの動力伝達軸２０の中間にはカップリング２１が介装され、該動力伝達軸２０の下端に前記車軸１５の傘歯車１７に係合する傘歯車２２が設けられている。動力伝達軸２０は第１の駆動力伝達手段２３を構成する。

前記車軸支持フレーム１４を回転する車軸支持フレーム回転用モータＭ２は、測定車輪駆動用モータＭ１から離れた位置で中間支持部材１２に固定支持されている。

車軸支持フレーム回転用モータＭ２からの動力伝達軸３０にはカップリング３１が介装され、該カップリング３１の内部（あるいはカップリングの表面）には、図示では明確には示していないが、カップリング３１に生じる捩り歪に反応作用するトルクセンサＳｔが取り付けられている。

即ちそのトルクセンサＳｔは例えばカップリングに駆動力が作用した場合に、駆動力の大きさに比例して捩り方向に歪が生じることによってトルクセンサＳｔがその歪を検知するように構成されている。
そしてその歪は例えば電流信号となって信号ラインＬｓを介してコントロールユニットＢに発信される。

動力伝達軸３０の下端には小径歯車３２が設けられ、該小径歯車３２は前記中央部Ｏを軸心として回転する大径歯車３３と噛合っている。該大径歯車３３の中心部には垂直下方に延在する円筒状体３４が嵌着され、該円筒状体３４の中心孔内に前記測定車輪駆動用モータＭ１の動力伝達軸２０が挿通されている。

上記のように、動力伝達軸２０の下端には前記車軸１５に固着された傘歯車１７に噛合う傘歯車２２が固着されている。
図６は、それら傘歯車２２、１７の噛合い、及び動力伝達軸２０と車軸１５の回転方向の関係を平面的に図示したものである。図示の例では、動力伝達軸２０が矢印Ｒ１方向に回転すれば右左の車軸１５は夫々Ｒ２、Ｒ３の方向に回転する。従って一対の車輪１６、１６は中心点Ｏに対して時計回りに円運動をするようにＲ４の軌跡を描く。

前記車軸支持フレーム回転用のモータＭ２は、車軸支持フレーム１４の回転駆動の他に、モータＭ２自身の回転速度、即ち、車軸支持フレーム１４の回転速度を常に検出可能で速度センサの機能も果たしており、信号ラインＬｍを介して前記コントロールユニットＢに検出信号を発信している。

該円筒状体３４は下部水平部材６に固定された軸受３５に回転自在に支持され、また、該円筒状体３４の下端は傘歯車１７，２２を包囲するハウジング３７の上部に固定されている。該ハウジング３７に前記車軸支持フレーム１４が連結されている。

上記構成により、大径歯車３３が下部水平部材６に垂直方向には移動不能に支持され、該大径歯車３３が円筒状体３４を介して車軸支持フレーム１４に連結されているので、測定車輪１６は下部水平部材６ないし支持台７に間接的に支持され、該支持台７と同期して上下動する。

測定車輪１６の設置圧は、設置圧調整バネ４３により調整される。該設置圧調整バネ４３は、例えば図２に示されるように、枠部材２に立設された支柱４０から水平に延びる片持ち梁４１と支持台７の一部の板体４２との間に設けられた設置圧調整バネ４３が用いられる。

該設置圧調整バネ４３は、帯状のバネ板をロール状に巻回したもので、バネ板の中心部を片持ち梁４１に、その外周端部を支持台７に固定し（またはその逆に固定し）、バネ圧を調整自在とし、結果として測定車輪１６の設置圧が調整される。なお、このようなロール状バネ自体は公知であり図示を省略する。

上記バネをバネ圧調整手段により調整し、車輪に作用する垂直荷重を調節するように構成することによって、許容荷重の異なる車輪（タイヤ）にも適用が可能である。このバネ圧調整手段は、例えば、ロール状板バネの外端を固定状態として、芯軸を左右何れかの方向に回転することにより、バネの反発力を強弱調節するものであるが、それ自体公知のもので図示を省略する。

前記車軸支持フレーム回転用モータＭ２から車軸支持フレーム１４に至る動力伝達経路、即ち、動力伝達軸３０、小径歯車３２、大径歯車３３、円筒状体３４は、第２の駆動力伝達手段３８を構成する。

次にコントロールユニットＢの構成及び各構成の機能について図３を参照して説明する。
コントロールユニットＢは変換部Ｂ１と演算部Ｂ２と出力制御部Ｂ３とデータベースＢ４とによって構成されている。
前記トルクセンサＳｔは信号ラインＬｓを介して変換部Ｂ１と、また、速度センサの機能を有する車軸支持フレーム回転用モータＭ２（速度センサＳｖ１）及び測定車輪駆動用モータＭ１（速度センサＳｖ２）は信号ラインＬｍを介してデータベースＢ４と夫々接続されている。

そして、変換部Ｂ１は前記トルクセンサＳｔと接続され、トルクセンサＳｔから発信された信号は変換部Ｂ１において捩り歪量である電気信号が摩擦力「Ｆ」に変換され、演算部Ｂ２において、変換された摩擦力「Ｆ」、即ち測定車輪１６の接線（回転）方向に発生した摩擦力を、予め測定車輪１６に負荷された垂直荷重「Ｗ」で除することによって動摩擦係数「μ（＝Ｆ／Ｗ）」を求める。

求めた動摩擦係数「μ」は出力制御部Ｂ３においてモニタＭへ出力するか、プリンタＰへ出力するか、或いは一端データベースＢ４に記憶されるか、が選択判断されるように構成されている。またデータベースＢ４は車軸支持フレーム回転用モータＭ２からの速度情報によって、測定した動摩擦係数がどの速度で計測されたかが記憶される。

ここで、求めるべき測定データとしては、動摩擦係数μの他に、最大動摩擦係数μ_ｍａｘ及びその時の車輪速度Ｖｗ、車両速度Ｖｃの代替である車軸支持フレーム１４の速度、及びその車輪速度Ｖｗ、車両速度Ｖｃから求められるスリップ率λである。尚、λは次式で求められる。
λ＝（Ｖｃ−Ｖｗ）／Ｖｃ。
然るに、一般的なタイヤにおいて動摩擦係数が最大値となるようなスリップ率は凡そ１０〜１５％の間に有る。
そこでＶｃは具体的には４０ｋｍ／ｈとして測定を開始し、４０ｋｍ／ｈから例えば２ｋｍ／ｈづつ速度を増加させ或いは速度を減少させて所定の車速まで測定すればよい。

そこで、演算部Ｂ２では車軸支持フレーム回転用モータＭ２（速度センサＳｖ１）及び車輪駆動用モータＭ１（速度センサＳｖ２）からの情報に基づいて、スリップ率λを演算している。

次に図４及び図５を用い、図１をも参照して計測の（制御）手順について説明する。

先ず、接地圧調整バネ４３を調整し、測定車輪１６の接地圧を調整する（ステップＳ１）。そして、車軸支持フレーム回転用モータＭ２及び測定車輪駆動用モータＭ１を同時に所定の速度Ｖ１で回転させる（ステップＳ２）。

次にトルクセンサＳｔをＯＮにし（ステップＳ３）、測定車輪駆動用モータＭ１の速度を０まで下げる（ステップＳ４）。同時に車輪１６の速度も検出する（ステップＳ５）。

次にトルクセンサＳｔから動力伝達軸３０に作用するトルクが検出される（ステップＳ６）。
次のステップＳ７では、コントロールユニットＢの変換部Ｂ１は発信された捩り歪量である電気信号を摩擦力「Ｆ」に変換する。
演算部Ｂ２において、変換された摩擦力「Ｆ」、即ち測定車輪１６の接線（回転）方向に発生した摩擦力を、予め車輪に負荷された垂直荷重「Ｗ」で除することによって動摩擦係数「μ」を求める。
更に速度Ｖ１（Ｖｃ；車両速度Ｖｃの代替である車軸支持フレーム１４の特定な速度）及び検出した車輪速度Ｖｗからスリップ率λを算出する。

ステップＳ８では、コントロールユニットＢは次の速度、Ｖ２で計測を行うか否かが判断され、そうであれば（ステップＳ８のＹＥＳ）、次のテスト、即ち別の速度Ｖ２（例えばＶ１よりも２ｋｍ／ｈ値の大きな速度、或いは、Ｖ１よりも２ｋｍ／ｈ値の小さな速度）で再度ステップＳ１から測定を行う。
一方、例えば全ての速度での測定が終了した場合は、次の測定が無い（ステップＳ８のＮＯ）ので、制御を終了する。
そのようにして順次測定パターンを増やし、図５に進む。

図５では、コントロールユニットＢは全ての車速で測定が終了したか否かを判断し（ステップＳ１１）、全ての車速で測定が終了した段階（ステップＳ１１のＹＥＳ）で、最大動摩擦係数「μ_ｍａｘ」とその時の車輪速度「Ｖｗ」及び／又は車軸支持フレーム１４の速度（車速相当）「Ｖｃ」とスリップ率「λ」とを算出し、モニタＭの画面に表示する（ステップＳ１２）。

次にコントロールユニットＢはスリップ率λと動摩擦係数μの関係を示すグラフを作成したいのか否かを判断して（ステップＳ１３）、作成したくなければ（ステップＳ１３のＮＯ）そのまま制御は終了し、作成したいのであれば（ステップＳ１３のＹＥＳ）、当該グラフを作成する（ステップＳ１４）。

更にコントロールユニットＢは作成したグラフをモニタＭに表示したいか否かを判断して（ステップＳ１５）、表示しないのであれば（ステップＳ１５のＮＯ）、そのまま制御を終了し、表示したいのであれば（ステップＳ１５のＹＥＳ）、モニタＭの画面に表示した（ステップＳ１６）後、制御全てを終了する。

上述のように構成された実施形態によれば、第１の駆動力伝達手段２３を構成する動力伝達軸２０の先端の傘歯車２２が直交する一対の車軸１５端部の傘歯車１７に噛合って回転が伝達される。そして動力伝達軸２０の軸中心、即ち当該測定装置の中心点Ｏ周りで被測定路面上を円運動するように構成されているので、装置全体がコンパクトに出来る。即ち、当該測定装置は一旦一箇所に設置したならば、定地のまま連続して動摩擦係数、最大動摩擦係数、スリップ率等の測定が可能である。

尚、モータＭ１及びモータＭ２の出力を同等として測定車輪１６及び車軸支持フレーム１４を駆動した際に生じるトルクセンサ出力によって、静摩擦係数を測定することが可能である。

定地で移動することなく測定出来、しかも装置の占有面積が狭くて済むため、例えば、測定しようとする路面を採取し、実験室内に当該測定装置を持ち込んで測定することも出来る。

また、車軸１５及び第１の駆動力伝達手段２３の動力伝達部には金属部品である傘歯車を使用し、第１の駆動力伝達手段２３全体が高剛性の例えば鋼製で形成される。測定に利用するトルクセンサＳｔは、一種の歪計であり構成及び構造がシンプルであり、装着位置は測定車輪（タイヤ）１６を駆動する剛性の高い金属製の駆動軸１５上であるため、装着作業は簡単で且つ測定精度も高い。

測定車輪１６に作用する垂直荷重をバネ４３により自由に調節することが出来るので、例えば許容加重が異なる測定車輪（測定用タイヤ）１６に対しても容易に対応出来る。

次に図８を参照して第１実施形態のその他の実施例について説明する。
図１〜図５の第１実施例では、測定の制御手段としてコントロールユニット（通常のパソコンで可能）を用い、モニタＭ及び／又はプリンタＰに出力する構成である。
これに対して図８の第１実施形態のその他の実施例では、従来タイプの測定器本体ＥにＸ−ＹレコーダＲを接続するように構成した実施例である。測定の基本原理は図１〜図５の第１実施例と実質的に同じである。

図７は本発明の効果を示すグラフであり、図７（イ）は本発明による測定結果を示し、図７（ロ）は前記特許文献２記載の装置による測定結果を示すグラフである。いずれも横軸にすべり率％を、そして縦軸に動摩擦係数μを示している。
図７（イ）においては、明らかにすべり率が１０％位の所に極大値（最大値）が現れているが、従来例の図７（ロ）では１０％位から７０％位まで平坦な曲線が示されており、極大値がどの辺にあるか不明瞭である。
したがって、本発明によれば、高精度の動摩擦係数を求めることができる。

本発明の実施形態の全体構成を説明する正面縦断面図。 本発明の実施形態の全体構成を説明する側面縦断面図。 本発明の実施形態の一実施例に係る測定（制御）部の構成を示したブロック図。 本発明の実施形態の測定制御の手順を示したフローチャート。 本発明の全データの処理を行う手順を示したフローチャート。 本発明の実施形態の測定時の測定車輪の軌跡を示した平面図。 本発明による測定結果（イ）および従来技術による測定結果（ロ）を示すグラフ。 本発明の実施形態の他の実施例に係る測定（制御）部の構成を示したブロック図

符号の説明

１・・・台枠
２・・・枠部材
３・・・ガイド支柱
５・・・上部水平部材
６・・・下部水平部材
７・・・支持台
８，９・・・リニアブッシュ
１２・・・中間支持部材
１４・・・フレーム
１５・・・車軸
１６・・・測定車輪
１７、２２・・・傘歯車
２０・・・動力伝達軸
２１、３１・・・カップリング
２３・・・第１の動力伝達手段
３２・・・小径歯車
３３・・・大径歯車
３４・・・円筒状体
３７・・・ハウジング
３８・・・第２の動力伝達手段
４０・・・支柱
４３・・・接地圧調整バネ
Ｂ・・・コントロールユニット
Ｍ１・・・車輪駆動用モータ
Ｍ２・・・フレーム回転用モータ
Ｓｔ・・・トルクセンサ

Claims (4)

1. 路面に対して固定設置される台枠と、該台枠に上下動可能に設けられた支持台と、該支持台により支持された測定車輪駆動用モータ、車軸支持フレーム回転用モータ、接地回転する測定車輪、ならびに該測定車輪の車軸を回転自在に支持する車軸支持フレームと、前記測定車輪駆動用モータと車軸を駆動連結する第１の駆動力伝達手段と、前記車軸支持フレーム回転用モータと車軸支持フレームを駆動連結し途中にトルクセンサを介装した第２の駆動力伝達手段と、前記測定車輪の接地圧を調整する接地圧調整バネと、前記測定車輪が接地回転する路面の動摩擦係数を演算する制御手段とで構成され、該制御手段は前記トルクセンサからの出力信号によって、動摩擦係数を演算することを特徴とする動摩擦係数測定装置。
2. 前記トルクセンサは第２の駆動力伝達手段に作用する駆動力によって捩り歪を起こし、その捩り歪を電気信号として前記制御手段に発信するように構成されている請求項１の動摩擦係数測定装置。
3. 前記第２の駆動力伝達手段の一部は、前記第１の駆動力伝達手段を内部に挿通する筒状体で構成されている請求項１、２の何れかの動摩擦係数測定装置。
4. 前記車軸の一端と前記第１の駆動力伝達手段の先端とには傘歯車が固着されており、ともに傘歯車が噛合うことで直角方向の回転方向を変換するように構成された請求項１〜３の何れかの動摩擦係数測定装置。

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