JP2014202592A - 路面摩擦係数測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成で精度よく路面と試験輪との間のすべり抵抗値を測定すること。【解決手段】路面摩擦係数測定装置１０は、試験輪１０２が装着される第１車軸１０４と、一対の補助輪１０６が装着される第２車軸１０８との間に回転差を発生させ、第１車軸１０４と第２車軸１０８との回転角差を検出し、この回転角差を用いて、試験輪１０２と路面との間のすべり抵抗値μを算出する。試験輪１０２は１輪であり、第２車軸１０８の略中心位置の延長線上に前後方向に配置される。また、所定時間継続して検出された第１車軸１０４および第２車軸１０８の回転角差を用いて所定時間分の摩擦係数μ’を算出し、摩擦係数μ’の所定周期内におけるピーク値を抽出してすべり抵抗値μを算出する。【選択図】図１

Description

本発明は、路面と試験輪との間のすべり抵抗値を測定する路面摩擦係数測定装置に関する。

従来、路面のすべり抵抗値（最大摩擦係数）を測定する路面摩擦係数測定装置として、たとえば、互いに遊動可能とした左右の車軸と、この両車軸に強制的に回転差を発生させる回転差発生手段と、左右の車軸の回転差により発生するトルクを検出するトルク検出手段と、検出されたトルクからタイヤと路面間のすべり抵抗を変換するすべり抵抗変換手段と、すべり抵抗値を表示する表示手段とからなる路面すべり抵抗測定装置が開示されている（下記特許文献１参照）。

特開平４−６２４５６号公報

しかしながら、上述した従来技術では、すべり抵抗値の測定にトルクセンサ等のフォースセンサからの出力信号を用いているため、装置が大掛かりになるという問題点がある。また、このように装置が大掛かりになる結果として、すべり抵抗値の測定精度が低下する可能性があるという問題点がある。また、上述した従来技術では、左右２つの試験輪の間に回転差を生じさせて測定をおこなうため、常に車体に対して回転モーメントが発生し、測定装置が偏向するので、測定精度が低下する可能性があるという問題点がある。さらに、上述した従来技術では、左右２つの試験輪のどちらがすべるかわからないため、測定が不安定になるという問題点がある。

本発明は、上述した従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、簡易な構成で精度よく路面と試験輪との間のすべり抵抗値を測定することを目的とする。

上述した問題を解決し、目的を達成するため、本発明にかかる路面摩擦係数測定装置は、牽引力が加えられることによって路面上を回転する試験輪と、前記試験輪が装着され、前記試験輪とともに回転する第１車軸と、前記試験輪と前後方向に間隔をおいて配置され前記牽引力が加えられることによって前記路面上を前記試験輪と同一方向に回転し、かつ互いに同期回転する一対の補助輪と、前記一対の補助輪が装着され、前記補助輪とともに回転する第２車軸と、前記第１車軸と前記第２車軸との間に回転差を発生させる回転差発生手段と、前記第１車軸および前記第２車軸からそれぞれの回転角が伝達されるとともに、前記第１車軸と前記第２車軸とを連結するプロペラシャフトと、前記プロペラシャフト上において前記第１車軸と前記第２車軸との回転角差を検出する回転角差検出手段と、前記回転角差検出手段によって検出された回転角差を用いて、前記試験輪と前記路面との間のすべり抵抗値を算出するすべり抵抗値算出手段と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、試験輪が装着される第１車軸と一対の補助輪が装着される第２車軸との回転角差を測定して試験輪と路面との間のすべり抵抗値を算出するので、フォースセンサ等を用いずに簡易な構成ですべり抵抗値を測定することができる。また、本発明によれば、試験輪と補助輪とを進行方向に対して前後方向に配置しているので、測定装置に対する回転モーメントを生じさせることなく精度よく測定をおこなうことができる。

実施の形態にかかる路面摩擦係数測定装置１０の要部の構成を示す説明図である。 路面摩擦係数測定装置１０による測定を模式的に示す説明図である。 試験輪１０２の配置位置の一例を示す説明図である。 路面摩擦係数測定装置１０の他の構成例を示す説明図である。 所定の測定期間内における摩擦係数μ’の変化の一例を示すグラフである。 （Ａ）は差動制限装置付き差動装置１１４の構成を模式的に示す平面図、（Ｂ）は同斜視図である。

以下に添付図面を参照して、本発明にかかる路面摩擦係数測定装置の好適な実施の形態を詳細に説明する。

（実施の形態）
図１は、実施の形態にかかる路面摩擦係数測定装置１０の要部の構成を示す説明図である。また、図２は、路面摩擦係数測定装置１０による測定を模式的に示す説明図である。路面摩擦係数測定装置１０は、路面と試験輪１０２との間のすべり抵抗値を計測する装置である。より詳細には、路面摩擦係数測定装置１０は、試験輪１０２と、互いに等速回転する一対の補助輪１０６との間に回転差を生じさせ、両輪をつなぐ軸上に生じるトルクを測定することによって、路面Ｇと試験輪１０２との間のすべり抵抗値を計測する。

図１に示すように、試験輪１０２と一対の補助輪１０６は前後方向に間隔をおいて配置されている。
試験輪１０２は第１車軸１０４に装着されている。本実施の形態では、試験輪１０２は１輪である。
また、路面摩擦係数測定装置１０には、互いに同期回転する２輪以上の一対の補助輪１０６（補助輪１０６ａ，１０６ｂ）が装着される第２車軸１０８（１０８ａ，１０８ｂ）が備えられている。本実施の形態では、一対の補助輪１０６は左右１輪ずつとするが、一対の補助輪１０６は左右２輪ずつなどの複輪対であってもよい。
第１車軸１０４と第２車軸１０８とは、プロペラシャフト１１６によって連結されている。

図２に示すように、路面摩擦係数測定装置１０は、エンジン等の駆動力によって自走するのではなく、たとえば牽引車から牽引されることによって路面Ｇ上を走行する。また、路面摩擦係数測定装置１０は、図１に示す構成の他、差動角検出装置１２２および処理部１３０（すべり抵抗値算出部１３２およびトルクマップＭ）を含んで構成される。なお、図２では、図示の便宜上試験輪１０２と補助輪１０６ａ（または１０６ｂ）とが進行方向に対して一直線上に並んでいるように図示しているが、実際には試験輪１０２と補助輪１０６ａとは進行方向に対して垂直にずれた位置となる。また、図２では試験輪１０２が前輪側に位置するように牽引されているが、これに限らず一対の補助輪１０６が前輪側に位置するように牽引をおこなってもよい。

牽引車から牽引力が加えられると試験輪１０２が路面Ｇ上を回転し、試験輪１０２の回転に伴って第１車軸１０４が回転する。同時に、牽引車から牽引力が加えられると一対の補助輪１０６も路面Ｇ上を回転し、一対の補助輪１０６の回転に伴って第２車軸１０８が回転する。なお、図１に示すように、第２車軸１０８には補助輪１０６ａ，１０６ｂの回転差を吸収する差動装置１１０が設けられている。より詳細には、差動装置１１０は、補助輪１０６ａに接続される第２車軸１０８ａおよび補助輪１０６ｂに接続される第２車軸１０８ｂの間に設けられている。

なお、図３に示すように、試験輪１０２の幅方向の中心は、一対の補助輪１０６ａ，１０６ｂの間の略中心位置Ｃを通り前後方向に延在する仮想線（中心線）Ｌ上に配置されることが好ましい。これは、試験輪１０２には常に制駆動力がかかっているため、第２車軸１０８の略中心位置Ｃを通る中心線Ｌからずらした位置に配置すると、中心線Ｌ方向に対する回転モーメントが発生することになるためである。試験輪１０２を第２車軸１０８の略中心位置Ｃを通る中心線Ｌ上に配置することによって、中心線Ｌ方向に対する回転モーメントの発生を抑え、路面摩擦係数測定装置１０の偏向を防ぐことができる。

第１車軸１０４および第２車軸１０８の回転角、すなわち試験輪１０２および一対の補助輪１０６の回転角は、プロペラシャフト１１６（１１６ａ，１１６ｂ）に伝達される。より詳細には、図１に示すように、第１車軸１０４の試験輪１０２と反対側の端部に設けられた傘歯車１１２ａと、プロペラシャフト１１６の第１車軸１０４が設けられた側（プロペラシャフト１１６ａ）の端部に設けられた傘歯車１１８とを噛合させることにより、試験輪１０２の回転角がプロペラシャフト１１６に伝達される。また、差動装置１１０のファイナルギア（傘歯車）１１０ａと、プロペラシャフト１１６の第２車軸１０８が設けられた側（プロペラシャフト１１６ｂ）の端部に設けられた傘歯車１１２ｂとを噛合させることにより、一対の補助輪１０６の回転角がプロペラシャフト１１６に伝達される。

なお、図１において符号１１０２は、ファイナルギア（リングギア）１１０ａと一体に回転するケース、符号１１０４ａは、第２車軸１０８ａと一体に回転する傘歯車（サイドギア）、符号１１０４ｂは、第２車軸１０８ｂと一体に回転する傘歯車（サイドギア）、符号１１０６はそれら傘歯車１１０４ａ、１１０４ｂに噛合するとともにケース１１０２で回転可能に支持された傘歯車（ピニオンギア）を示している。

ここで、路面摩擦係数測定装置１０が牽引車によって直線上を牽引されている場合、通常は試験輪１０２と一対の補助輪１０６とは同期回転することになり、回転差は生じない。一方、路面摩擦係数測定装置１０では、試験輪１０２と一対の補助輪１０６との間、すなわち第１車軸１０４と第２車軸１０８との間に回転差を生じさせる回転差発生手段を設けている。本実施の形態では、回転差発生手段として、第１車軸１０４の端部に設けられた傘歯車１１２ａと、プロペラシャフト１１６ｂの端部に設けられた傘歯車１１２ｂとのギア比を変更することによって、試験輪１０２と一対の補助輪１０６との間、すなわち第１車軸１０４と第２車軸１０８との間に回転差を生じさせている。
なお、たとえば試験輪１０２と一対の補助輪１０６との外径を変えることによって回転差を発生させる方法も考えられるが、より確実に所望の回転差を生じさせるためには、上述したギア比を変更する方法が好ましい。

また、試験輪１０２と一対の補助輪１０６との間の回転差は、試験輪１０２の車輪の回転数に対して補助輪１０６の回転数の差を±１〜１５％とするのが好ましい。これは、回転数の差が１％未満の場合には、試験輪１０２と一対の補助輪１０６とが同期回転している状態に近くなり、後述する試験輪１０２のスリップが生じにくくなるためである。また、回転数の差が１５％を超えると、試験輪１０２のスリップが頻繁に生じてしまい、摩擦係数のピークがとりづらくなるとともに、試験輪１０２の摩耗が進みやすくなるためである。

試験輪１０２と一対の補助輪１０６との間の回転差は、第１車軸１０４と第２車軸１０８との回転角差として回転角差検出手段によって検出される。本実施の形態では、回転角差検出手段として差動制限装置付き差動装置１１４および差動角検出装置１２２（図２参照）を設けている。
差動制限装置付き差動装置１１４は、回転差の吸収（トルクの等分配）を一定の条件下でのみおこなうための装置であり、試験輪／路面間最大摩擦力になるまでは、両輪（本実施の形態では試験輪１０２と一対の補助輪１０６）の回転差を許容し、それによりトルクが増加する。両輪の回転差により増加したトルクが試験輪／路面間最大摩擦力を超えると差動制限トルクとして機能し、両輪の回転差を制限する。また、差動制限装置付き差動装置１１４には、ピニオンギア１１４ｃの自転軸の傾きを示す差動角θを検出する差動角検出装置１２２が設けられている。

図６（Ａ）、（Ｂ）は、差動制限装置付き差動装置１１４の構成を模式的に示す説明図である。図６に示すように、差動制限装置付き差動装置１１４は、第１車軸１０４側のプロペラシャフト１１６ａと一体に回転するサイドギア１１４ａと、第２車軸１０８側のプロペラシャフト１１６ｂと一体に回転するサイドギア１１４ｂと、それらサイドギア１１４ａ、１１４ｂに噛合された一対のピニオンギア１１４ｃと、ケース１１４ｄとを備えている。一対のピニオンギア１１４ｃは単一の支軸１１４ｃ−１上で回転可能に支持されている。支軸１１４ｃ−１は、プロペラシャフト１１６ａ、１１６ｂに直交する面上でケース１１４ｄに対して、プロペラシャフト１１６ａ、１１６ｂの軸心を中心に傾動可能に支持されている。なお、一対のピニオンギア１１４ｃの支軸１１４ｃ−１は、ピニオンギア１１４ｃの自転軸Ｘでもある。

試験輪１０２と一対の補助輪１０６とが回転すると、２つのサイドギア１１４ａ、１１４ｂもプロペラシャフト１１６ａ、１１６ｂを回転軸として回転する。
試験輪１０２と一対の補助輪１０６との回転数が一致している場合には、２つのサイドギア１１４ａ、１１４ｂの回転数も一致するため、ピニオンギア１１４ｃは自転せずに公転のみをおこない、ケース１１４ｄは、プロペラシャフト１１６ａ、１１６ｂの軸心を中心に回転する。この場合に、一対のピニオンギア１１４ｃの支軸１１４ｃ−１はケース１１４ｄに対して静止した状態（初期位置）でケース１１４ｄと共に回転し、ケース１１４ｄに対してピニオンギア１１４ｃの自転軸Ｘは傾動しない。
一方、試験輪１０２と一対の補助輪１０６との回転数が一致しない場合には、２つのサイドギア１１４ａ、１１４ｂの回転数が一致せず、ピニオンギア１１４ｃは自転しつつ公転し、一対のピニオンギア１１４ｃの支軸１１４ｃ−１はケース１１４ｄと共に回転する。
この場合、図６（Ｂ）に示すように、ケース１１４ｄ内において自転軸Ｘは前記の静止した状態（初期位置）から傾いて自転軸Ｙとなる。なお、このような構成の差動制限装置付き差動装置１１４は、従来公知の構造である。
すなわち、サイドギア１１４ａ、１１４ｂの回転数が一致している場合の自転軸Ｘと、サイドギア１１４ａ、１１４ｂの回転数が一致していない場合の自転軸Ｙとの間に差動角θが生じる。この差動角θと、第１車軸１０４および第２車軸１０８の回転差によって生じているトルク（以下、差動制限トルクという）との関係は既知であり、後述するトルクマップＭに記録されている。
差動角検出装置１２２は、たとえばセンサ等によってケース１１４ｄに対するピニオンギア１１４ｃの自転軸Ｙの傾きを検出することによって差動角θを検出する。

なお、差動角θが一定以上になる、すなわち、差動制限トルクが一定以上になると、差動制限装置付き差動装置１１４が作動して第１車軸１０４の試験輪１０２がスリップし、差動制限トルクが解放される。このとき、補助輪１０６ではなく試験輪１０２がスリップするのは、補助輪１０６が２輪であるのに対して試験輪１０２は１輪であり、補助輪１０６の摩擦力＞＞試験輪１０２の摩擦力となるためである。これにより、路面摩擦係数測定装置１０では、確実に試験輪１０２をスリップさせてすべり抵抗値を計測することができる。

処理部１３０は、ＣＰＵ、制御プログラムなどを格納・記憶するＲＯＭ、制御プログラムの作動領域としてのＲＡＭ、各種データを書き換え可能に保持するＥＥＰＲＯＭ、周辺回路等とのインターフェースをとるインターフェース部などを含んで構成される。処理部１３０は、ＲＯＭにトルクマップＭを記録するとともに、前記ＣＰＵが前記制御プログラムを実行することによりすべり抵抗値算出部１３２を実現する。

トルクマップＭには、差動角θと第１車軸１０４および第２車軸１０８との回転差によって生じているトルク（差動制限トルク）との関係が記録されており、トルクマップＭを参照することによって、差動角θを差動制限トルクに変換することができる。

すべり抵抗値算出部１３２は、検出された差動角θを差動制限トルクに変換して摩擦係数μ’を算出する。すべり抵抗値算出部１３２は、差動角検出装置１２２によって検出された差動角θを、トルクマップＭを参照して差動制限トルクに変換する。そして、下記式（１）を用いて摩擦係数μ’を算出する。なお、下記式（１）において、Ｗは試験輪１０２にかかる荷重、Ｔは差動制限トルク、ｒは試験輪１０２の半径である。なお、試験輪１０２の半径ｒは既知の値であり、また試験輪荷重Ｗはあらかじめ測定しておく。

図５は、所定の測定期間内における摩擦係数μ’の変化の一例を示すグラフである。図５のグラフにおいて、縦軸は摩擦係数μ’、横軸は路面摩擦係数測定装置１０の移動距離である。図５のように、所定時間継続して測定をおこなった場合、その間の摩擦係数μ’の値は鋸刃状となる。これは、一般的に摩擦係数の高い路面においては、試験輪１０２がスティックスリップをくり返すことになるためであり、鋸刃状の摩擦係数μ’のピーク値は、試験輪１０２がスリップする直前の最大摩擦係数、すなわちすべり抵抗値μである。

よって、測定時間内の摩擦係数μ’のピーク値を抽出することによって、すべり抵抗値μを得ることができる。すなわち、すべり抵抗値算出部１３２は、回転角差検出手段によって所定時間継続して検出された第１車軸１０４および第２車軸１０８の回転角差を用いて所定時間分の摩擦係数μ’を算出し、摩擦係数μ’の所定周期内におけるピーク値を抽出してすべり抵抗値μを算出する。

なお、図５では摩擦係数μ’μを算出してピーク値を抽出しているが、差動制限トルクのピーク値を抽出して、上記式（１）による演算をおこなうことによりすべり抵抗値μを算出してもよい。また、測定時間内の任意の区間の摩擦係数μ’のピーク値を平均してすべり抵抗値μの最確値を算出してもよい。

このように算出されたすべり抵抗値μは、道路管理（施工した道路の性能評価や使用中の道路の摩耗状況の調査等）やタイヤの性能評価、車両の安定制御などに用いられる。
なお、差動制限装置付き差動装置１１４としては、両輪の回転角差に対して線形にトルクが増加する多板クラッチ式の差動制限装置付き差動装置を用いるのが望ましい。また、差動制限装置付き差動装置１１４として、プロペラシャフト１１６に介設された（プロペラシャフト１１６ａ、１１６ｂを連結する）トーションバーと、トーションバーに発生するねじれトルクを検出するトルク検出装置を用いてもよい。この場合、すべり抵抗値算出部１３２は、検出されたねじりトルクを用いてすべり抵抗μを算出する。

また、本実施の形態では、第１車軸１０４には試験輪１０２のみを装着するようにしたが、図４に示すように、試験輪１０２が装着される第１車軸１０４に、試験輪１０２と対になる補助輪１０６ｃを設けてもよい。この場合、補助輪１０６ｃは遊動輪とする。このような構成とすることによって、車輪の配置が前後左右対称となり、路面摩擦係数測定装置１０の荷重を任意に設定しやすくなる。

以上説明したように、実施の形態にかかる路面摩擦係数測定装置１０は、試験輪１０２が装着される第１車軸１０４と一対の補助輪１０６が装着される第２車軸１０８との回転角差を測定して試験輪１０２と路面Ｇとの間のすべり抵抗値μを算出するので、車速センサ等を用いずに簡易な構成ですべり抵抗値μを測定することができる。また、本発明によれば、試験輪１０２と補助輪１０６とを進行方向に対して前後方向に配置しているので、測定装置に対する回転モーメントを生じさせることなく精度よく測定をおこなうことができる。

また、路面摩擦係数測定装置１０は、２輪以上の補助輪に対して試験輪１０２は１輪であるので、補助輪に発生する摩擦力が試験輪１０２に発生する摩擦力よりも大きくなるので、確実に試験輪１０２のみをスリップさせることができる。また、路面摩擦係数測定装置１０は、第２車軸１０８の略中心位置の延長線上に第１車軸１０４が配置されているので、中心線方向への回転モーメントを生じさせることなく、安定して測定をおこなうことができる。

また、路面摩擦係数測定装置１０は、所定時間測定を継続して得られた摩擦係数μ’のうち、ピーク値を抽出してすべり抵抗値μを算出する。これにより、試験輪１０２がスリップする直前の摩擦係数、すなわち最大摩擦係数をすべり抵抗値μとして算出することができる。

また、路面摩擦係数測定装置１０は、差動角θと差動制限トルクとの関係が既知な差動制限装置付き差動装置やトーションバーを用いて、第１車軸１０４および第２車軸１０８との回転差によって生じているトルクを測定し、すべり抵抗値μを算出するので、簡易な構成ですべり抵抗値μを測定することができる。

１０……路面摩擦係数測定装置、１０２……試験輪、１０４……第１車軸、１０６（１０６ａ，１０６ｂ）……補助輪、１０８（１０８ａ，１０８ｂ）……第２車軸、１１０……差動装置、１１２ａ，１１２ｂ，１１８……傘歯車、１１４……差動制限装置付き差動装置、１１４ａ，１１４ｂ……サイドギア、１１４ｃ……ピニオンギア、１１４ｄ……ケース、１１６（１１６ａ，１１６ｂ）……プロペラシャフト、１２２……差動角検出装置、１３０……処理部、１３２……抵抗値算出部。

Claims (5)

1. 牽引力が加えられることによって路面上を回転する試験輪と、
   前記試験輪が装着され、前記試験輪とともに回転する第１車軸と、
   前記試験輪と前後方向に間隔をおいて配置され前記牽引力が加えられることによって前記路面上を前記試験輪と同一方向に回転し、かつ互いに同期回転する一対の補助輪と、
   前記一対の補助輪が装着され、前記補助輪とともに回転する第２車軸と、
   前記第１車軸と前記第２車軸との間に回転差を発生させる回転差発生手段と、
   前記第１車軸および前記第２車軸からそれぞれの回転角が伝達されるとともに、前記第１車軸と前記第２車軸とを連結するプロペラシャフトと、
   前記プロペラシャフト上において前記第１車軸と前記第２車軸との回転角差を検出する回転角差検出手段と、
   前記回転角差検出手段によって検出された回転角差を用いて、前記試験輪と前記路面との間のすべり抵抗値を算出するすべり抵抗値算出手段と、
   を備えることを特徴とする路面摩擦係数測定装置。
2. 前記試験輪は１輪であり、かつ前記試験輪の幅方向の中心は、前記一対の補助輪の間の中心を通り前後方向に延在する仮想線上に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の路面摩擦係数測定装置。
3. 前記すべり抵抗値算出手段は、前記回転角差検出手段によって所定時間継続して検出された前記第１車軸および前記第２車軸の前記回転角差を用いて前記所定時間分の摩擦係数を算出し、前記摩擦係数の所定周期内におけるピーク値を抽出して前記すべり抵抗値を算出することを特徴とする請求項１または２に記載の路面摩擦係数測定装置。
4. 前記第１車軸と一体に回転するサイドギアと前記第２車軸と一体に回転するサイドギアとの２つのサイドギアの回転数が一致している場合に、それらサイドギアに噛合するピニオンギアの自転軸は、この自転軸を支持するケースに対して静止した状態で前記ケースと共に回転し、前記２つのサイドギアの回転数が一致していない場合に、前記自転軸は前記ケースと共に回転すると共に前記ケースに対して傾き、
   前記回転角差検出手段は、前記自転軸の傾きを示す差動角と、前記第１車軸と前記第２車軸との回転角差によって生じるトルクとの関係が既知な差動制限装置付き差動装置と、前記差動制限装置付き差動装置の前記差動角を検出する差動角検出装置であり、
   前記すべり抵抗値算出手段は、検出された前記差動角を前記トルクに変換して前記すべり抵抗値を算出することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の路面摩擦係数測定装置。
5. 前記回転差検出手段は、前記プロペラシャフトに介設されたトーションバーと、前記トーションバーに発生するねじれ角を検出する回転角差検出装置であり、
   前記すべり抵抗値算出手段は、検出された前記ねじれ角を用いて前記すべり抵抗値を算出することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の路面摩擦係数測定装置。

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