JP2015102445A - タイヤ偏摩耗推定方法及びタイヤ偏摩耗推定装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】少ないセンサー数で、ショルダー部の偏摩耗を精度よく推定する方法とその装置を提供する。
【解決手段】タイヤ偏摩耗推定装置10を、タイヤトレッドの内面に配置されてタイヤ径方向加速度を計測する加速度センサー11と、加速度センサーの出力信号からから蹴り出し後領域の加速度波形を抽出する加速度波形抽出手段12と、抽出した加速度波形から偏摩耗メジャー帯域の振動レベルαと基準化帯域の振動レベルβとを算出する手段と、前記振動レベルαと前記振動レベルβとから、偏摩耗の判定を行うための指標である偏摩耗判定指標γを算出する偏摩耗判定指標算出手段16と、前記偏摩耗判定指標γの大きさから、タイヤショルダー部の端部が偏摩耗しているか否かを判定する判定手段18とから構成した。
【選択図】図1

Description

本発明は、タイヤトレッドの内面側に配置された加速度センサーの出力信号から、ショルダー部の端部が偏摩耗しているか否かを推定する方法とその装置に関する。
タイヤは、走行中に路面との摩擦によりトレッド表面が摩耗していく。タイヤの性能面からは、トレッド表面が均一に摩耗することで接地形状が大きく変化しないことが望ましいが、旋回時や加減速時には、タイヤの進行方向に対して横方向の力や前後方向の力が作用するので、タイヤトレッドのセンター部とショルダー部とで摩耗量が異なる場合がある。
これらの偏った摩耗が積み重なると、タイヤショルダー部の端部が著しく摩耗したタイヤになってしまう。このような偏った摩耗が積み重なったタイヤを、トレッド表面が均一に摩耗したタイヤである正常摩耗タイヤに対し偏摩耗タイヤという。
極端な偏摩耗が起こっているタイヤを使用し続けると、タイヤ本来の性能が発揮できなくなる。特にスタッドレスタイヤでは、路面のグリップ不足が発生しやすくなるといった問題点がある。
また、偏摩耗タイヤは、タイヤの接地形状が理想としている状態から外れていることから、燃費性能もトレッド表面が均一に摩耗している正常摩耗タイヤに比べて低下する。
従来、タイヤトレッドの内面側の幅方向中心部とショルダー部とにそれぞれ加速度センサーを配置し、これらの加速度センサーの出力信号を用いてショルダー部の端部が偏摩耗しているか否かを推定する方法が知られている(例えば、特許文献1参照)。詳細には、各加速度センサーにより検出した幅方向中心部の加速度波形とショルダー部のタイヤ径方向の加速度波形とをそれぞれ微分して、幅方向中心部の加速度微分波形とショルダー部の加速度微分波形とを求めた後、各加速度微分波形から算出される接地端部のピーク値であるセンター部微分ピーク値とショルダー部微分ピーク値との比である微分ピーク値比を演算し、この演算された微分ピーク値比と予め求めておいたショルダー部の端部に偏摩耗が起きていないタイヤにおける微分ピーク値比とを比較して、タイヤショルダー部の端部が偏摩耗しているか否かを判定する。
このように、前記特許文献1では、タイヤトレッドの内面側の幅方向中心部とショルダー部とに配置された加速度センサーの出力信号からそれぞれ算出したセンター部微分ピーク値とショルダー部微分ピーク値との比を用いてショルダー部の偏摩耗を推定しているので、走行速度の変化による偏摩耗推定の精度低下を防ぐことができる。
特開2013−136297号公報
しかしながら、前記特許文献1では、最低でも3個の加速度センサーを使用する必要がある。使用する加速度センサーの数が増えると、コストの上昇、データ処理数の増加、メンテナンス面での信頼性の低下など様々な問題が生じる。
そこで、センサーの数を減らしつつ、ショルダー部の偏摩耗の推定精度を高める手法の開発が望まれている。
本発明は、従来の問題点に鑑みてなされたもので、少ないセンサー数で、ショルダー部の偏摩耗を精度よく推定する方法とその装置を提供することを目的とする。
本発明者が鋭意検討した結果、タイヤ径方向加速度波形のうち蹴り出し後領域の加速度波形では、特定周波数領域(800〜1200Hz)の振動レベルがタイヤショルダー部の端部の偏摩耗状態の変化により大きく変動することから、この特定周波数領域(以下、偏摩耗メジャー帯域という)の振動レベルを算出するとともに、この偏摩耗メジャー帯域の振動レベルを、ノイズが少なく、かつ、タイヤショルダー部の端部の偏摩耗状態の変化の影響の殆どない周波数領域(以下、基準化帯域という)の振動レベルで基準化し、この基準化した振動レベルを偏摩耗判定のメジャーにすれば、少ないセンサー数で、偏摩耗状態の変化を確実に検知できるとともに、走行速度の変化による影響を大幅に低減することができることを見出し本発明に到ったものである。
すなわち、本願発明は、加速度センサーを用いて検出したタイヤ径方向の加速度波形からタイヤの偏摩耗を推定する方法であって、タイヤトレッドの内面に配置された加速度センサーの走行時における出力信号から蹴り出し後領域のタイヤ径方向の加速度波形を抽出するステップ(a)と、前記抽出された加速度波形から800〜1200Hzの周波数帯域の加速度の大きさであるメジャー振動レベルαを算出するステップ(b)と、前記抽出された加速度波形から2000〜2400Hzの周波数帯域の加速度の大きさである基準振動レベルβを算出するステップ(c)と、前記メジャー振動レベルαと前記基準振動レベルβとからタイヤの偏摩耗の判定を行うための指標である偏摩耗判定指標γを算出するステップ(d)と、前記算出された偏摩耗判定指標γの大きさからタイヤショルダー部の端部が偏摩耗しているか否かを判定するステップ(e)と、を備えたことを特徴とする。
このように、タイヤショルダー部の端部の偏摩耗状態の変化により大きく変動する偏摩耗メジャー帯域の振動レベルを、ノイズも小さく、かつ、偏摩耗状態の変化の影響の殆どない基準化帯域の振動レベルで基準化した値から偏摩耗判定のメジャーとなる指標を算出し、この指標を用いてタイヤショルダー部の端部が偏摩耗しているか否かを判定したので、少ないセンサー数で、偏摩耗状態の変化を確実に推定できるとともに、走行速度の変化による影響を大幅に低減することができる。
なお、蹴り出し後領域の加速度波形としては、例えば、加速度センサーの走行時における出力信号のうち、加速度センサーの設置点が路面から離れる点(蹴り出し点)以降の出力信号波形で、かつ、蹴り出し後領域出力信号の大きさが所定の信号レベルよりも小さくなった時点までの波形を用いたり、蹴り出し点からタイヤ一周分の1/5〜2/5程度の時間領域までの波形を用いればよい。
また、タイヤショルダー部の端部とは、トレッド幅方向外側に位置する周方向溝よりも外側に位置する陸部の、トレッド幅方向外側の端部を指す。
また、本願発明は、前記偏摩耗判定指標γを、γ=α/βとしたものである。
これにより、簡単な計算で走行速度の影響を除くことのできる偏摩耗判定指標γを算出することができる。
また、ステップ(e)において、前記偏摩耗判定指標γと、予め求めておいた閾値もしくは、予め求めておいた偏摩耗が起きていない正常タイヤにおける偏摩耗判定指標である基準判定指標γ0とを比較して、タイヤショルダー部の端部が偏摩耗しているか否かを判定するようにしたので、タイヤショルダー部の端部の偏摩耗を更に精度良く推定できる。
また、本願発明は、加速度センサーを用いて検出したタイヤ径方向加速度からタイヤ偏摩耗を推定するタイヤ偏摩耗推定装置であって、タイヤトレッドの内面に配置されてタイヤ径方向加速度を計測する加速度センサーと、前記加速度センサーの出力信号から蹴り出し後領域の加速度波形を抽出する加速度波形抽出手段と、前記抽出した加速度波形から800〜1200Hzの周波数帯域の加速度の大きさであるメジャー振動レベルαを算出する偏摩耗メジャー帯域値算出手段と、前記抽出した加速度波形から2000〜2400Hzの周波数帯域の加速度の大きさである基準振動レベルβを算出する基準化帯域値算出手段と、前記メジャー振動レベルαと前記基準振動レベルβとから、偏摩耗の判定を行うための指標である偏摩耗判定指標γを算出する偏摩耗判定指標算出手段と、前記算出された偏摩耗判定指標γの大きさから、タイヤショルダー部の端部が偏摩耗しているか否かを判定する判定手段と、を備えたことを特徴とする。
このような構成を採ることにより、少ないセンサー数で、タイヤショルダー部の端部の偏摩耗を精度よく推定することのできるタイヤ偏摩耗推定装置を実現することができる。
なお、前記発明の概要は、本発明の必要な全ての特徴を列挙したものではなく、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となり得る。
本実施の形態に係るタイヤ偏摩耗推定装置の構成を示す図である。 加速度センサーの取付け例を示す図である。 タイヤ径方向加速度波形の一例を示す図である。 蹴り出し後領域のタイヤ径方向加速度の周波数スペクトルを示す図である。 ショルダーエッジ摩耗の状態を示す図である。 走行速度とメジャー振動レベルとの関係を示す図である。 走行速度と偏摩耗判定指標との関係を示す図である。
図1はタイヤ偏摩耗推定装置10の構成を示す機能ブロック図で、タイヤ偏摩耗推定装置10は、加速度センサー11と、加速度波形抽出手段12と、加速度波形分離手段13と、周波数解析手段14と、帯域値算出手段15と、偏摩耗判定指標算出手段16と、記憶手段17と、判定手段18とを備え、タイヤショルダー部の端部が偏摩耗しているか否かを推定する。ここで、タイヤショルダー部の端部とは、図2のタイヤ1を例に採ると、タイヤトレッド3に形成された周方向溝4a,4bのうちのタイヤ幅方向外側に位置する周方向溝であるショルダー溝4bにより区画された陸部(ショルダー陸部)3cの、タイヤ幅方向外側の端部を指す。なお、図2において、符号3aは、2本の周方向溝4a,4aにより区画されたセンター陸部、符号3bは周方向溝4a,4bにより区画された外側陸部である。また、タイヤショルダー部の端部が偏摩耗とは、同図の符合Zで示すような、タイヤショルダー部の端部のゴムが摩耗によりなくなっている状態をいう。以下、この偏摩耗をショルダーエッジ摩耗という。
加速度センサー11は、タイヤ1のインナーライナー部2の同図のCLで示すタイヤ幅方向中心に、検出方向がタイヤ径方向になるように配置されて、タイヤトレッド3のセンター部に入力するタイヤ径方向加速度を検出する。
加速度センサー11がタイヤ偏摩耗推定装置10のセンサー部を構成し、加速度波形抽出手段12から判定手段18までの各手段が記憶・演算部を構成する。
記憶・演算部を構成する各手段は、例えば、コンピュータのソフトウェアにより構成され図示しない車体側に配置される。なお、記憶手段17は、RAM等のメモリーにより構成される。
また、加速度センサー11の出力信号を演算部に送る構成としては、例えば、タイヤ内部やもしくは図示しないホイールに増幅器及び送信器を設置して、加速度センサー11の出力信号を増幅した後、無線にて車体側に送信する構成とすることが好ましい。なお、記憶・演算部をタイヤ側に設けて判定手段18の判定結果を車体側の図示しない車両制御装置に送信する構成としてもよい。
加速度波形抽出手段12は、加速度センサー11の出力信号からタイヤ接地面近傍のタイヤ径方向加速度の時系列波形である径方向加速度波形を抽出する。
加速度波形分離手段13は、加速度波形抽出手段12で抽出された径方向加速度波形から、蹴り出し後領域の加速度波形(以下、蹴り出し後波形という)を分離して抽出する。
図3は、加速度センサー11で検出した径方向加速度波形の一例を示す図で、横軸は時間[sec.]、縦軸は径方向加速度の大きさ[G]である。加速度センサー11の走行時における出力信号は、加速度センサー11の設置点(厳密には、加速度センサー11の設置された箇所のタイヤ径方向外側に位置するトレッドの表面)が路面に接地した点(踏み込み点)Pfと、路面から離れる点(蹴り出し点)Pkにおいて0となる。加速度波形分離手段13では、径方向加速度波形から、蹴り出し点Pkよりも後の時間領域(蹴り出し後領域)にある加速度波形のみを抽出し、これを蹴り出し後波形として、周波数解析手段14に送る。
なお、踏み込み点Pfと蹴り出し点Pkの位置は、上記の径方向加速度波形を微分した加速度微分波形の2つのピーク値の位置からそれぞれ特定される。
また、本例では、蹴り出し後領域を、蹴り出し点Pkと蹴り出し点Pkからタイヤ一周分の30%だけ後の時間領域までとした。
周波数解析手段14は、例えば、FFTアナライザーなどの周波数解析装置から構成され、加速度波形分離手段13で抽出された蹴り出し後波形をFFT処理して、蹴り出し後波形の周波数スペクトルを求める。
図4は、蹴り出し後波形の周波数スペクトルの一例を示す図で、横軸は周波数 [Hz]、縦軸は径方向加速度の大きさ(加速度スペクトルレベル)[dB]である。同図の太い実線がショルダーエッジ摩耗の起こったタイヤ(以下、偏摩耗品)のデータで、細い実線がショルダーエッジ摩耗の起きていないタイヤ(正常摩耗品)のデータである。
偏摩耗品は、図5の太い線で示すような、ショルダー陸部3cのタイヤ幅方向外側の端部が著しく摩耗して、ゴムがなくなっている状態のタイヤである。一方、正常摩耗品は、同図の細い線で示すように、摩耗はしているが、偏摩耗品のように、ゴムが極端になくなってはいない。なお、図5のタイヤは、後述する実車試験に用いたタイヤである。
図4に示すように、RMで示す周波数が800〜1200Hzの領域(偏摩耗メジャー帯域)では、偏摩耗品の加速度スペクトルレベルが正常摩耗品の加速度スペクトルレベルよりも大きくなっている。一方、RNで示す周波数が2000〜2400Hzである領域(基準化帯域)では、偏摩耗品の加速度スペクトルレベルと正常摩耗品の加速度スペクトルレベルとはほぼ等しい。
帯域値算出手段15は、偏摩耗メジャー帯域値算出部15aと、基準化帯域値算出部15bとを備え、周波数解析手段14で演算した蹴り出し後波形の周波数スペクトルから偏摩耗メジャー帯域における加速度スペクトルレベルのR.M.S.値(メジャー振動レベル)αと、基準化帯域における加速度スペクトルレベルのR.M.S.値(基準振動レベル)βとを算出する。
偏摩耗判定指標算出手段16は、帯域値算出手段15で算出したメジャー振動レベルαと基準振動レベルβとを用いて、ショルダーエッジ摩耗が起きているか否かを判定するための指標である偏摩耗判定指標γを算出する。本例では、γ=α/βとした。
記憶手段17は、予め求めておいた正常摩耗品を走行させて測定した偏摩耗判定指標である基準判定指標γ0を記憶する。
判定手段18は、偏摩耗判定指標算出手段16で算出された偏摩耗判定指標γと、基準判定指標γ0とを比較して、ショルダーエッジ摩耗が起こっているか否かを判定する。
次に、タイヤ偏摩耗推定方法について説明する。
まず、加速度センサー11により、タイヤトレッド3の変形に伴って変形するインナーライナー部2のセンター部におけるタイヤ径方向加速度の時系列波形を検出する。
次に、加速度波形抽出手段12により径方向加速度波形を抽出した後、加速度波形分離手段13にて、径方向加速度波形から蹴り出し後波形を分離して抽出し、周波数解析手段14にて、蹴り出し後波形の周波数スペクトルを求める。
図4に示すように、RMで示す偏摩耗メジャー帯域では、偏摩耗品の加速度スペクトルレベルが正常摩耗品の加速度スペクトルレベルよりも大きく、RNで示す基準化帯域では、偏摩耗品の加速度スペクトルレベルが正常摩耗品の加速度スペクトルレベルとほぼ等しい。そこで、帯域値算出手段15にて、蹴り出し後波形の周波数スペクトルから偏摩耗メジャー帯域の振動レベルであるメジャー振動レベルαと、基準化帯域における振動レベルである基準振動レベルβとを算出した後、これらの比であるγ=α/βを算出してこれをショルダーエッジ摩耗が起きているか否かを判定するための指標である偏摩耗判定指標γとする。
そして、この算出された偏摩耗判定指標γと、記憶手段17に記憶しておいた基準判定指標γ0とを比較してショルダーエッジ摩耗が起こっているか否かを判定する。判定方法としては、例えば、Δ=γ−γ0を算出し、Δが予め設定した閾値Δkを超えた場合に、ショルダーエッジ摩耗が起こっていると判定し、Δが閾値Δk以下の場合には、ショルダーエッジ摩耗は起こっていないと判定する。
[実施例]
タイヤのインナーライナー部のタイヤ幅方向中心に、加速度センサーを、検出方向がタイヤ径方向になるように配置した試験タイヤを搭載した車両を、速度60 km/hr〜80km/hrにて走行させるとともに、加速度センサーの出力信号を処理する記憶・演算部を車体側に搭載して、タイヤ径方向加速度波形と蹴り出し後波形の周波数スペクトルを求めた。図3が試験車両を速度80km/hrで走行させたときのタイヤ径方向加速度波形で、図4が蹴り出し後波形の周波数スペクトルである。
試験タイヤのタイヤサイズは315/70R22.5である。
また、試験車両として、「積車」と「半積車」の2種類の車両をそれぞれ走行させて、荷重による影響についても調べた。「積車」の荷重は2.85[t]、「半積車」の荷重は2.4[t]である。
図4から明らかなように、蹴り出し後波形の周波数スペクトルでは、800〜1200Hz帯域において、偏摩耗品の加速度スペクトルレベルが正常摩耗品の加速度スペクトルレベルよりも増加していることが分かる。
図6(a),(b)は、走行速度とメジャー振動レベルαとの関係を示す図で、(a)図は荷重が「積車」である場合のメジャー振動レベルαで、(b)図は荷重が「半積車」である場合のメジャー振動レベルαである。荷重が「積車」である場合も「半積車」である場合も、偏摩耗品のメジャー振動レベルαは、正常摩耗品のメジャー振動レベルαよりも増加していることが分かる。
メジャー振動レベルαの大きさからショルダーエッジ摩耗を推定することも可能であるが、本願発明のように、メジャー振動レベルαと、基準化帯域における振動レベルである基準振動レベルβとの比である偏摩耗判定指標γ(γ=α/β)を算出し、この偏摩耗判定指標γを用いてショルダーエッジ摩耗が起きているか否かを判定すれば、ショルダーエッジ摩耗を更に精度よく推定できる。
すなわち、図7(a),(b)に示すように、正常摩耗品においては、荷重が「積車」である場合も「半積車」である場合も、偏摩耗判定指標γはほぼ一定である。一方、偏摩耗品の偏摩耗判定指標γは、走行速度が増加すると増加するが、正常摩耗品の偏摩耗判定指標γよりも常に大きい。したがって、ショルダーエッジ摩耗が起きているか否かを判定するための、走行速度に依存しない閾値Kを設定することができるので、偏摩耗判定指標γと閾値Kとを比較すれば、ショルダーエッジ摩耗が起きているか否か精度よく推定できることが分かる。
以上、本発明を実施の形態及び実施例を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は前記実施の形態及び実施例に記載の範囲には限定されない。前記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者にも明らかである。そのような変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲から明らかである。
例えば、前記実施の形態では、抽出された蹴り出し後波形をFFT処理して得られる周波数スペクトルからメジャー振動レベルαと基準振動レベルβとを求めたが、蹴り出し後波形をバンドパスフィルタに通して得られる800〜1200Hzの周波数成分のみを含む加速度波形を取出してR.M.S.平均値を算出し、これをメジャー振動レベルαとするとともに、別のバンドパスフィルタに通して得られる2000〜2400Hzの周波数成分のみを含む加速度波形を取出してR.M.S.平均値を算出し、これを基準振動レベルβとしてもよい。
また、前記実施の形態では、偏摩耗判定指標γと基準判定指標γ0とを比較してショルダーエッジ摩耗が起こっているか否かを判定したが、前記実施例のように、予め偏摩耗判定用の閾値Kを設定しておき、偏摩耗判定指標算出手段16で算出された偏摩耗判定指標γと上記閾値Kとを比較し、γ>Kである場合にショルダーエッジ摩耗が起こっていると判定してもよい。
また、前記実施の形態では、偏摩耗判定指標γとしてα/βを用いたが、γはこれに限るものではなく、例えば、a・α−b・β(a,bは定数)などのような、αとβとの演算値であればよい。なお、演算値を求めるための式は、実験等により適宜決定すればよい。
また、前記実施の形態では、加速度センサー11を、センター陸部3aの中心のタイヤ径方向内側に設置したが、外側陸部3bのタイヤ径方向内側にそれぞれ設置してもよい。
また、加速度センサー11を、タイヤ周方向に複数個設置してもよい。
1 タイヤ、2 インナーライナー部、3 タイヤトレッド、3a センター陸部、
3b 外側陸部、3c ショルダー陸部、4a,4b 周方向溝、
10 タイヤ偏摩耗推定装置、11 加速度センサー、12 加速度波形抽出手段、
13 加速度波形分離手段、14 周波数解析手段、15 帯域値算出手段、
15a 偏摩耗メジャー帯域値算出部、15b 基準化帯域値算出部、
16 偏摩耗判定指標算出手段、17 記憶手段、18 判定手段。

Claims (5)

  1. 加速度センサーを用いて検出したタイヤ径方向の加速度波形からタイヤの偏摩耗を推定するタイヤ偏摩耗推定方法であって、
    タイヤトレッドの内面に配置された加速度センサーの走行時における出力信号から蹴り出し後領域のタイヤ径方向の加速度波形を抽出するステップ(a)と、
    前記抽出された加速度波形から800〜1200Hzの周波数帯域の加速度の大きさであるメジャー振動レベルαを算出するステップ(b)と、
    前記抽出された加速度波形から2000〜2400Hzの周波数帯域の加速度の大きさである基準振動レベルβを算出するステップ(c)と、
    前記メジャー振動レベルαと前記基準振動レベルβとからタイヤの偏摩耗の判定を行うための指標である偏摩耗判定指標γを算出するステップ(d)と、
    前記算出された偏摩耗判定指標γの大きさからタイヤショルダー部の端部が偏摩耗しているか否かを判定するステップ(e)と、
    を備えたことを特徴とするタイヤ偏摩耗推定方法。
  2. 前記偏摩耗判定指標γを、γ=α/βとすることを特徴とする請求項1に記載のタイヤ偏摩耗推定方法。
  3. 前記ステップ(e)では、
    前記偏摩耗判定指標γと、予め求めておいた閾値とを比較して、タイヤショルダー部の端部が偏摩耗しているか否かを判定することを特徴とする請求項1または請求項2に記載のタイヤ偏摩耗推定方法。
  4. 前記ステップ(e)では、
    前記偏摩耗判定指標γと、予め求めておいた偏摩耗が起きていない正常タイヤにおける偏摩耗判定指標である基準判定指標γ0とを比較して、タイヤショルダー部の端部が偏摩耗しているか否かを判定することを特徴とする請求項1または請求項2に記載のタイヤ偏摩耗推定方法。
  5. タイヤトレッドの内面に配置されてタイヤ径方向加速度を計測する加速度センサーと、
    前記加速度センサーの出力信号から蹴り出し後領域の加速度波形を抽出する加速度波形抽出手段と、
    前記抽出した加速度波形から800〜1200Hzの周波数帯域の加速度の大きさであるメジャー振動レベルαを算出する偏摩耗メジャー帯域値算出手段と、
    前記抽出した加速度波形から2000〜2400Hzの周波数帯域の加速度の大きさである基準振動レベルβを算出する基準化帯域値算出手段と、
    前記メジャー振動レベルαと前記基準振動レベルβとから、偏摩耗の判定を行うための指標である偏摩耗判定指標γを算出する偏摩耗判定指標算出手段と、
    前記算出された偏摩耗判定指標γの大きさから、タイヤショルダー部の端部が偏摩耗しているか否かを判定する判定手段と、を備えるタイヤ偏摩耗推定装置。
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