JP2011191249A - バランス試験における監視方法及び動バランス計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】動バランス計測装置を用いてタイヤの動バランスを計測するバランス試験において誤った動バランスの計測を防止する。
【解決手段】タイヤ２を回転させた際に発生する荷重を測定することによって当該タイヤ２の動バランスを計測するバランス試験において、荷重を周波数成分に分解し、前記周波数成分中の高次成分に基づいて前記動バランス試験に影響を与える外乱を検出する。高次成分は、２次以上の高次成分である。外乱は、動バランス計測装置１の機械特性の変化により生じるものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、タイヤを回転させたときの不釣合い力を検出するバランス試験における監視方法及び動バランス計測装置に関する。

従来より、タイヤ生産ラインの最終工程のおいて、タイヤの動バランス試験が行われている。実際のバランス試験では、タイヤ非装着状態でもタイヤの回転に同期した荷重が存在し、補正無しではタイヤのみの正しいバランス計測ができないため、種々の検出荷重の補正手段が講じられている。
タイヤを装着していない状態でも、タイヤの回転に同期した荷重が発生する原因として、回転軸偏心によるアンバランスと、回転軸の回転摩擦ムラ等などがあり、これらの機械的要因により生じる荷重変動（以降これらを機械荷重ということがある）の外乱がバランス計算誤差になる。

上下リム一体のタイプの動バランス計測装置では、タイヤ非装着状態で運転を行うことで、タイヤのアンバランス以外の機械の影響を示す機械荷重データを採取できる。そしてタイヤ装着時に回転させた実際の試験データから上記機械荷重データの差を取ることにより、タイヤのバランス計算結果を算出することができる。
一方、上下リム分割タイプの動バランス計測装置では、タイヤを取り付けてタイヤの膨張力で上下リムを圧接することで上下リムが相対移動しない状態として上記機械荷重データを取る必要がある。そこで、リムに対するタイヤ取付位相を０ｄｅｇ、１８０ｄｅｇとした２回のデータをとり、これらのデータを合算することでタイヤのアンバランスカを相殺して機械荷重を求める。

特許文献１では、この従来手法に対してタイヤ非装着で上下分割リムを一体として回転させる構造を提案し、タイヤ取付誤差等を受けずに正確に測定できるようにしている。

特許３４２９３４６号公報

実際の動バランス計測装置では、リム構造のタイプに関係なく、繰り返し測定を行う間に温度変化やベルトの張力変化などによって、機械荷重が変化する場合がある。この場合、補正のための基準データが変化し、正しいバランス計算結果が得られなくなる。量産されるタイヤを次々に計測していく実運転時では、タイヤによってアンバランスは異なるために、機械荷重の変化に気づかず、間違った動バランス計測を行うという問題がある。

本発明は、上記問題点に鑑み、タイヤを回転させた際に発生する荷重を監視することによって、誤った動バランスの計測を防止することができるバランス試験における監視方法及び動バランス計測装置を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明においては以下の技術的手段を講じた。即ち、タイヤを回転させた際に発生する荷重を測定する動バランス計測装置を用いて当該タイヤの動バランスを計測するバランス試験において、前記荷重を周波数成分に分解し、前記周波数成分中の高次成分に基づいて前記動バランスに影響を与える外乱を検出する点にある。
前記高次成分は、２次以上の高次成分である。また、外乱は、前記動バランス計測装置の機械特性の変化により生じるものである。

本発明の他の手段は、タイヤを回転自在に支持するタイヤ回転軸と、タイヤを回転させた際に発生する荷重を測定する荷重測定器と、前記荷重測定器にて測定した荷重に基づいて動バランスを演算する演算制御部とを備えた動バランス計測装置において、前記演算制御部は、前記荷重を周波数成分に分解する周波数分析部と、この周波数分析部にて分解された周波数成分中に高次成分に基づいて動バランスに影響を与える外乱の検出を行う外乱検出部と、を備えている点にある。

前記外乱検出部は、２次以上の高次成分の変化が所定値以上であるときに前記外乱の検出を行うことが好ましい。

本発明によれば、タイヤを回転させた際に発生する荷重を監視することによって、誤った動バランスの計測を防止することができる。

動バランス計測装置の構成を示す概略図である。 動バランスの求め方を説明する説明図である。 動バランス計測装置におけるバランス試験の流れを示した図である。 荷重を周波数分析したときの周波数と荷重との関係図である。 タイヤのアンバランスが変化した場合の周波数と荷重の変化との関係図である。 アンバランスが一定での周波数と荷重の変化との関係図である。

以下、本発明の実施形態を、図を基に説明する。
本発明の動バランス計測装置１は、動バランス測定が行われるタイヤ２が取り付けられるタイヤ回転軸３と、このタイヤ回転軸３を回転自在に支持するハウジング４を有している。さらに、動バランス計測装置１は、タイヤ回転軸３に駆動力を付与する回転駆動装置６と、この回転駆動装置６の駆動力をタイヤ回転軸３に伝える駆動ベルト７と、タイヤ２の動バランスを計測する荷重測定器８ａ、８ｂを有している。

図１に示すように、タイヤ回転軸３は、軸心が上下方向を向くように配備され、上下開放となっている筒状のハウジング４により支持されている。このタイヤ回転軸３は、ハウジング４の上端よりも上方に突出しており、その上端側にタイヤリムが設けられ、このタイヤリムに試験対象であるタイヤ２が装着される。また、タイヤ回転軸３は、ハウジング４の下端よりも下方に突出しており、タイヤ回転軸３の下部突出側に、回転駆動力を受けるプーリ（従動プーリ）１０が取り付けられると共に、回転計測器１１が取り付けられている。

ハウジング４は、ベースフレーム９に支持され、当該ハウジング４の内部にはタイヤ回転軸３を回転自在に支持する軸受（ベアリング）等が配備されている。
回転駆動装置６は、タイヤ回転軸３に平行に配備された駆動軸を有するモータ２１と、駆動軸の先端に取り付けられた駆動プーリ１２とを備えている。
モータ２１はベースフレーム９に固定されている。モータ２１に備えられた駆動プーリ１２には、駆動ベルト７が巻き掛けられていて、この駆動ベルト７は前述したタイヤ回転軸３に設けられた従動プーリ１０にも巻き掛けられている。そのため、モータ２１が作動し、駆動軸の先端に取り付けられた駆動プーリ１２が回転すると、駆動ベルト７を介して従動プーリも回転し、タイヤ回転軸３が回転駆動する。

この動バランス計測装置１は、タイヤ２の動バランスを計測するものであり、そのために幾つかの計測手段を備えている。
計測手段の１つとして、動バランス計測装置１は、タイヤ回転軸３の回転数（すなわち計測対象であるタイヤ２の回転数）などを検出する回転計測器１１を有する。
回転計測器１１は、エンコーダ１３及び基準角検出器１４を含んで構成されており、タイヤ回転軸３の回転を検出してその検出タイミングに合わせてパルス信号を発すると共に、基準角となる所定の回転角ごとにパルス信号を発するユニットである。回転計測器１１は、タイヤ回転軸３の下端に配備されている。

加えて、計測手段として荷重測定器８ａ、８ｂを有している。荷重測定器８ａ、８ｂは、タイヤ回転軸３からハウジング４に伝わるタイヤ２のアンバランス荷重を検出するユニットであり、例えばロードセル等で構成されている。荷重測定器８ａ、８ｂは、ハウジング４とベースフレームの間に設けられている。なお、この荷重測定器８ａ、８ｂは、駆動ベルト７の張力が荷重検出方向に直接作用しないように、駆動プーリ１２の回転軸と従動プーリ１０の回転軸とを結ぶ直線に垂直な方向の荷重のみを計測するものとなっている。

回転計測器１１や荷重測定器８ａ、８ｂからの出力（計測結果）は、動バランス計測装置１に備えられた演算制御部１５に伝えられる。演算制御部１５は、入力された計測結果より、タイヤ２のアンバランスや動特性を算出すると共に、モータ２１の制御等も同時に行う。
このような動バランス計測装置１において、バランス試験を行うには、まず、モータ２１を駆動させて駆動ベルト７を介して、タイヤ回転軸３を回転駆動させる。そして、タイヤ２を回転させた際に発生する荷重を２つの荷重測定器８ａ、８ｂにて測定しすることにより、タイヤ２の動バランスを計測することができる。

例えば、図２に示すように、タイヤ２の上面側のバランス荷重をＢ１、タイヤ２の下面側のバランス荷重をＢ２、一方の荷重測定器８ａ（タイヤ２に近い側）の測定荷重をＦ１、他方の荷重測定器８ｂの測定荷重Ｆ２としたとき、力の釣り合いは式（１）となり、モーメントの釣り合いは式（２）となる。式（１）及び式（２）より、上面側のバランス荷重は式（３）に示すものとなり、下面側のバランス荷重は式（４）に示すものとなり、これにより、動バランスを求めることができる。なお、式（１）及び式（２）に示すように、測定荷重は、データの周波数分析から振幅と位相を有する複素数で求めることができる。

上述したように、動バランス計測装置１においては、荷重測定器８ａ、８ｂによってタイヤ２を回転させた際に発生する荷重（Ｆ１、Ｆ２）を測定することにより動バランスを計測することができる。ここで、例えば、測定を繰り返し行うと、駆動ベルト７の張力変化、タイヤ回転軸３の摩擦ムラ等の機械的な要因によって機械荷重の変化が生じる。このように、バランス試験中に機械荷重が変化してしまうと、正しいバランス試験の計測結果が得られないことがある。量産されるタイヤ２についてのバランス試験を次々に行うと、機械荷重の変化に気づかず間違った動バランスを計測してしまう場合がある。

本発明では、このように機械的な要因によって機械荷重の変化が生じると、バランス試験（動バランス）に悪影響を及ぼすことから、動バランス計測装置１の機械特性の変化により生じる外乱を即座に検出することとしている。以下、詳しく説明する。
演算制御部１５は、周波数分析部１６と、外乱検出部１７とを備えている。この周波数分析部１６は、荷重測定器８ａ、８ｂによって測定した荷重（Ｆ１、Ｆ２）を高速フーリエ変換によって周波数成分に分解するものであってコンピュータプログラム等から構成されている。

外乱検出部１７は、周波数分析部１６にて分解された周波数成分中に高次成分に基づいて試験に影響を与える外乱の検出を行うものでコンピュータプログラム等から構成されている。具体的には、外乱検出部１７は、バランス試験を行っている際での荷重（Ｆ１、Ｆ２）を周波数成分に分解したときに、その周波数成分中に２次以上の高次成分の変化を逐次監視しておき、２次以上の高次成分の変化が所定値以上となったときに、バランス試験に影響を与える外乱が発生したと検出する。

さらに詳しくは、図４に示すように、周波数分析部１６によって荷重（Ｆ１、Ｆ２）を分解すると、荷重の周波数成分中には、タイヤ回転周波数に対して１倍だけでなく、２倍、３倍・・・ｎ倍の高次成分が現れる。ここで、２次以上の高次成分においては、タイヤ２回転数とは異なる別の機械特性が現れているものと考えられる。２次以上の高次成分において荷重の変化（荷重振幅）の変化がなければ、機械的な要因によって機械荷重の変動が生じていないものと思われる。一方、荷重振幅が変化すると、機械的な要因によって機械荷重の変化が生じたものと考えられることから、外乱検出部１７では、２次以上の高次成分において荷重振幅が２０％以上変化したときに、外乱が発生したものと検出している。例えば、２次成分の荷重振幅の変化は、式（５）にて求め、当該荷重振幅の変化が式（５）を満たすときに外乱が発生したものと検出する。

式（５）では、通常時のタイヤ回転周波数の２次成分の荷重振幅をＦ０₂、機械荷重変化後のタイヤ回転周波数の２次成分の荷重振幅をＦ１₂とし、タイヤ回転周波数の２次成分の荷重振幅の評価基準（外乱を検知するためのしきい値であって、例えば、２０％）をＢとしている。
なお、演算制御部１５は、外乱検出部１７によって外乱を検出すると、モータ２１に指令を出力してモータ２１の停止、即ち、動バランス計測装置１の自動停止を行う。

図３は、動バランス計測装置１におけるバランス試験の流れを示したものである。バランス試験の説明に併せて演算制御部１５による処理についても説明する。
まず、タイヤ２をタイヤ回転軸３（リム）に装着し、タイヤ回転軸３を回転させ、荷重測定器８ａ、８ｂ（ロードセル）の検知信号を取得（演算制御部１５に荷重データを取り込む）する（Ｓ１）。

演算制御部１５の周波数分析部１６により、取り込まれた荷重データを用いて荷重を周波数分析、高速フーリエ変換を行う（Ｓ２）。
演算制御部１５の外乱検出部１７により、周波数分析を行い上述したように２次以上の高次成分において荷重振幅の変動量（変化量）が２０％未満であるか否かを判断する（Ｓ３）。

荷重振幅の変化量が２０％未満（Ｓ３、ｙｅｓ）であれば、演算制御部１５に予め記憶していた機械荷重を用いて荷重データを補正する（Ｓ４）。
そして、上述したように、式（３）又は式（４）を用いて動バランスを求める（Ｓ５）。なお、動バランスを求めるための式（３）や式（４）など必要な関数等は、演算制御部１５内に格納されていて、動バランスは演算制御部１５によって計算される。

一方、荷重振幅の変化量が２０％以上（Ｓ３、Ｎｏ）であれば、機械特性の変化、機械的な異常が発生し、その結果、外乱が生じたものと考えられるために、モータ２１を自動的に停止する（Ｓ６）。そして、動バランス計測装置１における機械要素（例えば、軸受、駆動ベルト７、モータ２１、タイヤ回転軸３など）に異常が発生していないか否かを調べる（Ｓ７）。

異常があると認められる場合（Ｓ７、異常あり）には、対象となる部分の機械整備、調整を行う（Ｓ８）。異常が認められない場合には（Ｓ７、異常なし）、機械荷重の再設定を行う。機械荷重の再設定では、タイヤ２をタイヤ回転軸３（リム）から取り外した後に、タイヤ２を装着していない状態でタイヤ回転軸３を回転させ、荷重測定器８ａ、８ｂにて荷重データの取り直しを行い、周波数分析を行って基準となる荷重振幅の値を演算制御部１５に記憶する（Ｓ９）。

その後、タイヤ２をタイヤ回転軸３に再装着してバランス試験を再開する（Ｓ１０）。
図５は、動バランスの異なるタイヤ１及びタイヤ２についてバランス試験を行ったとき、即ち、タイヤの種類によって動バランスのみ（アンバランスのみ）が変化したときの荷重振幅を示したものである。
図５に示すように、まず、タイヤの特性により動バランスが異なる場合は、荷重振幅においてタイヤ回転周波数の１次成分が変化することになる。このように、２つのタイヤのバランス試験を行ったときに、両試験を通して機械特性が変化しなかった場合（外乱が無い）は、荷重振幅においてタイヤ回転周波数のｎ次成分には変化が現れない。

つまり、タイヤのアンバランスのみが変化して機械特性に変化がないときは、荷重振幅の１次成分のみが変化するが２次成分は変化しないと考えられる。
一方、図６は、バランス試験において、タイヤの動バランス（アンバランス）が変化せず一定である場合、例えば、同じタイヤについて試験を行った場合の荷重振幅を示したものである。

図６に示すように、バランス試験において動バランスが変化しない（例えば、同じタイヤ）にも関わらず、点線に示すように、荷重振幅においてタイヤ回転周波数の１次成分や２次成分が変化したときを考える。動バランスが変化していないのにも関わらず、タイヤ回転周波数の１次成分が変化していることから、一見するとタイヤの動バランスが変化したと思われるが、２次成分の荷重振幅の変化に着目すると、当該２次成分の荷重振幅も変化している状態にあるため、１次成分の荷重振幅の変化は機械荷重変化（機械特性の変化）により生じたものと考えられる。

ここで、図５及び図６を示すように、１次成分の変動は、動バランスの変化と機械荷重の変化とが生じたときに現れるのに対して、２次成分の変動は、機械荷重の変化のみに現れることから、特に、機械荷重変化は、荷重振幅の２次成分に顕著に現れると言える。
よって、タイヤのバランス試験において、２次成分を監視することで機械荷重変化を把握することができる。

なお、この実施形態では、２次成分を中心に説明したが、実際には機械荷重は１次成分以外のｎ次成分のどの成分が大きくなるかは装置ごとに異なるため、はじめに機械荷重が顕著に現れる成分を特定し、その変化を追うのが望ましい（ノイズとの区別を明確にするため、できるだけ大きく現れる成分を選択するのがよい）。
また、機械荷重は高次の特定の成分だけでなく、複数成分を含むもので、どの成分が大きく変化するかも装置ごとに異なるため、精度向上のためには、複数成分の変化で判断することが望ましい。

即ち、タイヤ２の動バランスの影響を受けない回転周波数のｎ（ｎ＞＝２）次成分の変化を監視することによって、機械荷重変化によるバランス計測精度悪化を即座に捕らえることができ、機械荷重の取り直しや機械メンテナンスを行うことで、機械荷重の変化によるバランス計測誤差を補正できると共に、簡易的な機械装置異常発生の可能性を示す指標としても利用できる。これによって間違ったバランス計測結果を出さないようにできる。大掛かりな装置の追加などは必要なく、現行の機器のまま荷重のｎ次成分を確認するだけで、機械の状態の変化を把握することができる。

なお、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 動バランス計測装置
２ タイヤ
３ タイヤ回転軸
４ ハウジング
６ 回転駆動装置
７ 駆動ベルト
８ａ 荷重測定器
８ｂ 荷重測定器
１０ 従動プーリ
１１ 回転計測器
１２ 駆動プーリ
１３ エンコーダ
１４ 基準角検出器
１５ 演算制御部
１６ 周波数分析部
１７ 外乱検出部

Claims (5)

1. タイヤを回転させた際に発生する荷重を測定する動バランス計測装置を用いて当該タイヤの動バランスを計測するバランス試験において、
   前記荷重を周波数成分に分解し、前記周波数成分中の高次成分に基づいて前記動バランスに影響を与える外乱を検出することを特徴とするバランス試験における監視方法。
2. 前記高次成分は、２次以上の高次成分であることを特徴とする請求項１に記載のバランス試験における監視方法。
3. 前記外乱は、前記動バランス計測装置の機械特性の変化により生じるものであることを特徴とする請求項１又は２に記載のバランス試験における監視方法。
4. タイヤを回転自在に支持するタイヤ回転軸と、タイヤを回転させた際に発生する荷重を測定する荷重測定器と、前記荷重測定器にて測定した荷重に基づいて動バランスを演算する演算制御部とを備えた動バランス計測装置において、
   前記演算制御部は、前記荷重を周波数成分に分解する周波数分析部と、この周波数分析部にて分解された周波数成分中に高次成分に基づいて動バランスに影響を与える外乱の検出を行う外乱検出部と、を備えていることを特徴とする動バランス計測装置。
5. 前記外乱検出部は、２次以上の高次成分の変化が所定値以上であるときに前記外乱の検出を行うことを特徴とする請求項４に記載の動バランス計測装置。

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