JP2017156295A - タイヤの摩耗寿命推定システム - Google Patents

Abstract

【課題】効率的に高精度にタイヤの摩耗量を予測し得るタイヤの摩耗寿命推定システムを提供する。【解決手段】 加減速および転がりの各走行パターンでの走行を繰り返しながら、直線区間または曲線区間を始点から終点に至る走行路上を走行する車両の車速、前記走行パターン、タイヤの操舵量等の車両パラメータに関するデータを生成・記憶する車両走行データ生成部と、前記走行路に関する勾配、曲線長等のデータを生成・記憶している軌道情報生成部と、車両の諸元を生成・記憶する車両データ生成部と、走行モード毎の摩擦エネルギーを、前記走行パターンの各区間毎に、前記車両走行データ生成部と前記軌道情報生成部と前記車両データ生成部とが記憶しているデータに基づき演算するとともに、各区間毎の摩擦エネルギーを積算して前記走行路の全区間における前記タイヤの全摩擦エネルギーを演算する摩擦エネルギー演算部とを有する。【選択図】 図１

Description

本発明はタイヤの摩耗寿命推定システムに関し、特にタイヤを走行輪とする新交通システムに適用される軌条式車両のタイヤの寿命推定に適用して有用なものである。

最近注目されている新交通システムの車両である軌条式車両では走行輪にゴムのタイヤを使用している。かかるゴムのタイヤを走行車輪とする車両では、定期的（例えば３月毎）にタイヤ溝の深さ寸法の測定を実施してこれを管理している。ゴムのタイヤは、長期間の運用で、走行路との摩擦によってゴムが摩耗するためである。従来におけるタイヤの溝深さ寸法は、人が実測している。このため所定のメンテナンスコストが発生する。特に管理すべき車両の台数が増加すれば、大変な作業となり、その分のコストも高騰する。

タイヤ摩耗を実測する従来技術に係る公知文献として特許文献１が存在する。特許文献１では、あらかじめ複数の荷重条件（フリーローリング、横力、制動、駆動）で、摩擦エネルギーを計算しておき、荷重頻度から摩耗量を予測している。すなわち、特許文献１において、トレッ ドの踏面の全摩擦エネルギーＥを算出する全摩擦エネル ギー算出工程では、所与の荷重条件Ｌｃｉにおけるトレッドの踏面の摩擦エネルギー である荷重条件摩擦エネルギーＥｃｉと、所与の荷重条件Ｌｃｉでのタイヤの使用頻度である荷重条件使用頻度 Ｆｃｉとを、複数の荷重条件について算出して、トレッ ドの踏面の全摩擦エネルギーＥを算出している。

特願２０１４−１３３５２７号公報

ところで、走行区間によっては軌道の勾配があり、駆動力、制動力に影響があるばかりでなく、加速距離や減速距離も区間によって異なる。また、横力は曲線半径、走行速度、タイヤ操舵量で変化する。そのため、特許文献１の手法で高精度に摩耗量を正確に予測するためには、膨大なケースの摩擦エネルギーの計算が必要となる。このため、高精度にタイヤの摩耗量を検出しようとすれば、著しいコストの高騰を招来する。また、特許文献1では、摩擦エネルギーの所定の演算を行った区間を車両の走行位置との関係において特定することはできないので、どこの区間で摩擦エネルギーが大きいか、すなわち摩耗量が大きいかという分析は困難である。

本発明は、上記従来技術の課題に鑑み、走行モードの各区間における摩擦エネルギーを演算し得るとともに、効率的に高精度にタイヤの全摩耗量を予測し得るタイヤの摩耗寿命推定システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明の態様は次の通りである。
１） 加速、減速および加速も減速もしない転がりの各走行パターンでの走行を繰り返しながら、直線区間または曲線区間を始点から終点に至る走行路上を走行する車両の少なくとも車速、前記走行パターン、タイヤの操舵量に関するデータを含む車両パラメータに関するデータを生成して記憶している車両走行データ生成部と、
前記走行路に関する少なくとも勾配、曲率半径、曲線長を含むデータを生成して記憶している軌道情報生成部と、
前記車両における各種の諸元および摩擦エネルギーの演算に必要なパラメータを生成して記憶している車両モデル生成部と、
前記走行パターンと、直線区間または曲線区間の何れかの区間の走行であるかを組み合わせて規定される走行モード毎の前記摩擦エネルギーを、前記走行パターンのそれぞれが持続する距離として規定される区間毎に、前記車両走行データ生成部と前記軌道情報生成部と前記車両モデル生成部とが記憶しているデータに基づき演算するとともに、各区間毎の摩擦エネルギーを積算して前記走行路の全区間における前記タイヤの全摩擦エネルギーを演算する摩擦エネルギー演算部とを有する。

本態様によれば、走行モード毎の摩擦エネルギーを、走行パターンのそれぞれが持続する距離として規定される区間毎に演算したので、どこの区間で摩擦エネルギーが大きいかの内訳を検出することができる。また、曲線区間の摩擦エネルギーの演算においては、走行路に関する曲率半径、曲線長を含むデータと、操舵量に関するデータとを利用し得るので、曲線区間の摩擦エネルギーを、特に容易かつ高精度に演算することができる。

２） 前記摩擦エネルギー演算部は、前記走行パターンが加減速走行のときには、加減速走行に応じた第１摩擦エネルギーＥ１を、前記走行パターンが転がり走行のときには、転がり走行に応じた第２摩擦エネルギーＥ２を、前記曲線区間を走行しているときには前記第１摩擦エネルギーＥ１または前記第２摩擦エネルギーＥ２に、曲線走行に応じた第３摩擦エネルギーＥ３を加えて演算する。

本態様によれば、加減速走行、転がり走行、曲線走行の各走行モード毎にそれぞれの摩擦エネルギーを的確に演算することができる。

３） 前記車両走行データ生成部は、
実測した車両速度に基づき距離情報を生成するとともに、前記車両速度を微分して得る加速度αに基づき加速度α＞0の時には加速、加速度α＝0の時には（一定速）、加速度α＜0の時には減速と、前記走行パターンを判断して、それぞれのデータを生成する。

本態様によれば、車両が加減走行か、転がり走行かの走行パターンのいずれであるかを容易かつ的確に特定し得る。

４） 前記第１摩擦エネルギーＥ１は、Ｅ１＝Ｆｘ×Ｌ×η、〔ここで、前後力Ｆｘ＝ｍ・α÷Ｎ（ただし、ｍ＝車両の重量、α＝加速度、Ｎ＝車両のタイヤの本数）、Ｌ＝当該区間での走行距離、η＝タイヤのスリップ率である。〕により演算する。

本態様によれば、加減速走行時の摩擦エネルギーを容易かつ高精度に演算することができる。

５） 前記第２摩擦エネルギーＥ２は、Ｅ２＝Ｆｘ１×Ｌ×η（ここで、Ｆｘ1＝走行抵抗（車速に対して一意に定まる）、Ｌ＝当該区間での走行距離、η＝タイヤのスリップ率である。）により演算する。

本態様によれば、転がり走行時の摩擦エネルギーを容易かつ高精度に演算することができる。

６） 第３摩擦エネルギーＥ３は、操舵量に基づく横力Ｆｙおよび横すべり量Ｌｙで表される摩擦エネルギーＥ３（＝Ｆｙ×Ｌｙ）である。

本態様によれば、曲線走行時の摩擦エネルギーを容易かつ高精度に演算することができる。

７） 前記操舵量は、所定のセンサを用いた実測により検出することができる。

８） 前記操舵量は、前記車両の走行シミュレーションにより求めることができる。

９） 前記操舵量は、前記車両が曲線を通過する際の遠心力を求めるとともに、前記遠心力に基づき前記タイヤに作用する横力を演算し、前記横力に基づき演算により求めることができる。

１０）前記操舵量は、前記走行路における前記曲線区間の曲率半径と、前記操舵量との関係に基づき用意しておいたルックアップテーブルを参照して求めることができる。

１１）前記摩擦エネルギーとタイヤの摩耗量とが比例関係にあることを利用して前記全摩擦エネルギーに基づきタイヤの摩耗量を演算・推定するタイヤ摩耗量演算部を有する。

本態様によれば、摩擦エネルギーに基づきタイヤの摩耗量を容易かつ的確に演算・推定し得る。

１２）所定の走行を終えた車両のタイヤの溝の実測データを記憶するタイヤ摩耗量実測データベースと、
前記実測データと、前記摩擦エネルギー演算部で演算して得る前記全摩擦エネルギーとを入力して両者を比較し、その差を小さくするような係数を演算により生成する補正係数演算部とを有する一方、
タイヤ摩耗量演算部は、前記全摩擦エネルルギーに前記係数を乗じることで前記全摩擦エネルギーを補正するように構成する。

本態様によれば、所定の演算によるタイヤ摩耗量と実際のタイヤ摩耗量との誤差を補正してタイヤ摩耗量をより高精度に推定し得る。ちなみに、実際のタイヤ摩耗量は、製品バラツキ、車両走行面の凹凸、天候（気温、雨）等の要因でバラツキを生起するが、本態様によれば、かかる諸条件により生起される誤差を補正することができる。

１３）前記タイヤ摩耗量実測データベースに入力する前記実測データを自動的に生成する自動実測装置を有し、
前記自動実測装置は、前記走行路に配設されて斜め上方に、タイヤ幅方向に関する所定の広がりを有する線状のレーザ光を照射してタイヤの表面の各部までの距離を測定するレーザセンサと、
前記レーザセンサが計測した距離情報を距離情報取得部を介してタイヤ摩耗量検知部に入力するとともに、前記距離に関し前記タイヤの幅方向で隣接する部位との変化量である差分を検知して前記タイヤの表面の凹凸を検出することで前記凹凸形状の凹部の底までの距離を検出することで前記実測データを生成する。

本態様によれば、タイヤ溝の実測データを自動的に収集することができ、かかるデータ収集の省力化を実現することで、コストの低減に寄与し得る。

１４）タイヤ摩耗量に関するデータに基づき所定の演算を行うことにより前記タイヤが残りどの程度の期間でタイヤ溝が規定値を超えて摩耗するかに関するタイヤ寿命の演算、複数台の車両のタイヤの組み合わせに関するローテーション計画の策定、および前記寿命に基づく前記タイヤの交換時期の演算を行うタイヤ寿命、ローテーション計画、交換時期演算部を有する。

本態様によれば、タイヤ寿命、ローテーション計画の策定およびタイヤの交換時期に関する的確なデータを提供し得る。

１５） 将来の運行計画に沿う運行パターンに関するデータをタイヤ寿命、ローテーション計画、交換時期演算部に入力する運行計画運入力部を有する。
本態様によれば、将来の運行計画に沿う運行パターンに関する的確なデータを提供し得る。

本発明によれば、走行モード毎の摩擦エネルギーを、所定の区間毎に演算したので、どこの区間で摩擦エネルギーが大きいかの内訳を検出することができる。この結果、タイヤ摩耗量を低減するための対策、例えば走行路の路面状況の改善、区間ごとの車速の見直し等を検討する際の有用な資料を提供し得る。また、曲線区間の摩擦エネルギーの演算においては、走行路に関する曲率半径、曲線長を含むデータと、操舵量に関するデータとを利用し得るので、曲線区間の摩擦エネルギーを、特に容易かつ高精度に演算することができる。

この結果、車両の走行パターン等の各種情報に基づき曲線区間の摩擦エネルギーを含めてタイヤ摩耗量に相関する全摩擦エネルギーを高精度に検出し得るので、タイヤ摩耗量の内訳を高精度に求めることができる。また、省力化も実現し得る。

さらにタイヤ摩耗量の演算値をその実測値と比較することで、タイヤの使用状況や特性を加味した正確な摩耗量に補正することもできる。このとき、タイヤ摩耗量の実測を自動的に行うこともでき、この場合には、当該実測作業の省力化を図ることもできる。

本発明の原理を説明するための図で、（ａ）は軌条式車両の走行距離に対する速度の関係を示す特性図、（ｂ）は（ａ）の特性を走行距離に応じて各走行パターンで区分した各区間のタイヤの摩擦エネルギーを示す特性図である。 本発明の実施形態に係るタイヤの摩耗寿命推定システムを示すブロック図である。 車両を概念的に示す模式図である。 車両が直線走行する際のスリップ率の特性を示す特性図である。 曲線走行モードでタイヤに作用する力を説明するための図で、（ａ）が横力を説明するための模式図、（ｂ）が操舵量（スリップ角）を説明するための模式図、（ｃ）が操舵量と横力Ｆｙとの関係を示す特性図である。 曲線走行モードでタイヤに作用する力を説明するための図で、図（ａ）が横力を説明するための模式図、（ｂ）が操舵量（スリップ角）を説明するための模式図、（ｃ）が操舵量と横力Ｆｙとの関係を示す特性図である。 操舵量を実測する場合に適用する軌条車両の台車を示す平面図である 走行路の傾斜部分を走行する車両に作用する力を説明するための車両の模式図である。 操舵量を求めるためのルックアップテーブルを示す特性図である。 複数の車両における各タイヤの摩耗量が異なる状態を概念的に示す模式図である。 図１０の車両のタイヤを適宜入れ替えた場合の効果を示すグラフである。 タイヤ溝の自動実測装置を示す図で、（ａ）はその構造を概念的に示す模式図、（ｂ）そのレーザセンサ２００の配設部分近傍を斜視的に示す模式図、（ｃ）はその信号処理系を示すブロック図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
なお、以下に示す実施形態はあくまでも例示に過ぎず、以下の実施形態で明示しない種々の変形や技術の適用を排除する意図はない。以下の実施形態の各構成は、それらの趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができるとともに、必要に応じて取捨選択することができ、あるいは適宜組み合わせることが可能である。また、以下の実施形態では、タイヤを走行輪とする車両として、軌道の諸元が予め決められている軌条式車両を例に採り説明するが、これに限定するものではない。走行経路に関する所定のパラメータが得られれば、通常の路線バスをはじめ、タイヤを走行輪とする車両であれば一般に適用できる。

図１は本発明の原理を説明するための図で、（ａ）はタイヤを走行輪とする軌条式車両の走行距離に対する速度の関係を示す特性図である。同図に示すように、当該車両は加速、転がり（加速も減速もしない一定速）、減速の各走行パターンでの走行を繰り返しながら、直線区間または曲線区間を始点ＳＰから終点ＥＰに至る所定の軌道上を走行する。図1（ｂ）は図1（ａ）の特性を走行距離に応じて各走行パターンで区分し、区分した区間Ａ１〜Ａ７ごとにタイヤの摩擦エネルギーを示したものである。各区間Ａ１〜Ａ７の摩擦エネルギーを積算することで始点ＳＰから終点ＥＰに至る全区間Ａ１〜Ａ７でのタイヤの全摩擦エネルギーを求めることができ、この全摩擦エネルギーに基づき当該走行におけるタイヤの摩耗量を演算・推定することができる。

ここで、図１（ｂ）における区間Ａ１は直線区間での加速モード、Ａ２は直線区間での転がりモード、区間Ａ３は直線区間での加速モード、区間Ａ４は直線区間での転がりモード、区間Ａ５は直線区間での減速モード、区間Ａ６は直線区間に曲線区間Ｂ１を含む転がりモード、区間Ａ７は直線区間での減速モードをそれぞれ示している。

なお、後に詳述するが、曲線区間Ｂ１では、曲線走行に伴い車両のタイヤは、横力（コーナリングフォース）およびこれに伴なう所定の横滑り量に起因しても摩耗する。したがって、曲線区間Ｂ１では、転がり走行による摩擦エネルギーＥ２（後述する）に、横力および横滑り量に伴う曲線区間Ｂ１に固有の摩擦エネルギーＥ３（後述する）を加算する必要がある。なお、図示はしないが、加速走行または減速走行が曲線区間で行われた場合も、加減速の直線走行モードにおける摩擦エネルギーＥ１（後述する）に、前記摩擦エネルギーＥ３を加算する。

上述のように、加減速および転がり走行パターンと、直線区間または曲線区間のいずれの区間の走行であるかを組合わせて、以下走行モードと呼称する。

図２は上記原理に基づく本発明の実施形態に係るタイヤの摩耗寿命推定システムを示すブロック図である。同図に示すように、本実施形態における車両走行データ生成部は、車両走行データ入力部１と車両走行履歴データベース２で構築されている。ここで、車両走行データ入力部１は、車両の速度、走行モード（加速、転がり、減速）、モータートルク（通常車両の場合はエンジントルク）、乗客重量、タイヤの操舵量（スリップ角；以下同じ）に関するデータを生成する。

本実施形態において、車両速度は速度センサで実測している。そこで、車両走行データ入力部１では、実測した車両速度に基づき距離情報を生成するとともに、車両速度を微分して得る加速度αに基づき図１の走行パターンのいずれであるかの情報を生成する。具体的には、次のような基準により分類する。
加速度α＞0の時、加速
加速度α＝0の時、転がり（一定速）
加速度α＜0の時、減速

ただし、モーター駆動なし（モータートルクがゼロ）で惰行する際は、走行抵抗で減速するため、厳密に加速度＝０の時、転がり（一定速）としなくても良い。また、惰行の時の減速は転がりとみなしてよい。

軌道の勾配の影響で、モーター駆動なしで下り坂の時は加速したり、上り坂の時は減速したりするので、これらの場合には転がりと見なすことができる。さらに、転がりを定義する際には、閾値で設定することもできる。例えば、加速度αが＋Ａ〜−Ｂの範囲は転がりとし、＋Ａを超える場合は下り坂での加速、−Ｂ未満の場合は、上り坂での減速、走行抵抗による減速とする。すなわち、モーターを含む駆動源のトルクがゼロである状態に基づき転がり走行モードを特定する。車両走行データ入力部１には、実質的に図１（ａ）に示すグラフと同様のグラフが生成されているので、これを利用することにより各区間Ａ１〜Ａ７ごとの走行パターンを生成する。なお。区間Ａ４が転がりの走行パターンであることはモータートルクがゼロの期間での加減速である点を考慮して決定する。

車両走行データ入力部１では、車両の操舵量（後に詳述する）を上記走行パターンと対応させることにより直線区間での走行であるか、曲線区間での走行であるかを検出してその情報も生成する。また同時に、車速に走行時間を乗じることにより走行距離の情報も生成する。

車両走行履歴データベース２には、車両走行データ入力部１に入力された各種センサからのデータおよび車両走行データ入力部１での所定の処理により生成されたデータが記憶されている。具体的には、走行パターン、モータートルク、車両速度、タイヤの操舵量および乗客重量に関する各データ等である。

本形態における軌道情報生成部は、軌道情報入力部３と、軌道情報データベース４で構築されている。ここで、軌道情報入力部３には、走行経路に沿う軌道の勾配、傾斜角（カント角）、各曲線の曲率半径、曲線長、直線長に関するデータが入力される。軌道情報データベース４には、軌道情報入力部３から入力される走行経路に沿う軌道の勾配、曲率半径、曲線長、直線長に関するデータを記憶している。ここで、本実施形態における車両は軌条走行車両で、所定の軌道情報を設計情報として得ることができる。すなわち、軌道の勾配、傾斜角、各曲線半径、曲線距離、直線距離が決まっているので、あらかじめ軌道情報データベース４に登録しておくことができる。そこで、対象となる車両が、それ以外の、例えば路線バス等である場合は、対象となる走行路を実走行して所定の軌道情報を予め収集し、軌道情報入力部３を介して軌道情報データベース４に記憶しておく。

本実施形態における車両モデル生成部は、車両モデル入力部５と、車両モデルデータベース６とで構築されている。ここで、車両モデル入力部５は、車両の諸元や、後に詳述する車両の特性に関するデータ（本実施形態では、図４、図５、図６（ｃ）、図７、図９にそれぞれ示す特性）を生成する。車両モデルデータベース６には、車両モデル入力部５で生成した各種のデータが記憶されている。

摩擦エネルギー演算部７は車両走行履歴データベース２、軌道情報データベース４および車両モデルデータベース６が記憶している各種データに基づき、図１（ｂ）に示す走行モード毎に摩擦エネルギーを演算する。具体的には、次の３つの場合に応じた所定の演算式により演算する。なお、摩擦エネルギーの演算において、後述のようにＸ，Ｙ，Ｚ方向にかかる各値（Ｆｘ、Ｆｙ、Ｍｚ、Ｖｘ、Ｖｙ）は、いずれも正負を区別せずにスカラー量として扱う。

１）加速、減速の直線走行の際の走行モードにおける摩擦エネルギー（Ｅ１）
この場合には、図３に示す車両１００に駆動力Ｆ＝ｍ・αが発生する。この結果、各タイヤ１００Ａにはタイヤ前後力Ｆｘ＝ｍ・α÷Ｎ（＝タイヤ１００Ａの本数）がそれぞれ作用する。ここで、ｍは車両１００の車両重量であり、車両１００の乗客を含む重量として空気バネの圧力や、荷重センサの検出値として車両走行データ入力部１を介して車両走行履歴データベース２に記憶されている。そこで、この記憶データを利用する。同様に加速度αは車両速度を微分することにより得るとともに、その他の必要な数値データに関しては、車両走行履歴データベース２に記憶されている値を利用する。

また、かかる加減速の直線走行の場合には、タイヤ１００Ａにその特性に起因するスリップが生起される。この場合のスリップ率は、一般にタイヤ１００Ａごとにタイヤ前後力Ｆｘとの関係において図４の特性で与えられる。したがって、この場合のスリップ率ηは、図４に示すように、タイヤ１００Ａの一輪の駆動力である前後力Ｆｘに対応するスリップ率として与えられる。この場合のスリップ率ηは図４においてタイヤ前後力Ｆｘが単調に増加するスリップ率が１５〜２０％までの領域を使用する。この結果、図２に示す各区間Ａ１，Ａ３，Ａ５，Ａ７における摩擦エネルギーＥ１は、Ｅ１＝Ｆｘ×Ｌ×ηの演算により与えられる。ここで、Ｌは各区間Ａ１，Ａ３，Ａ５，Ａ７における車両１００の走行距離である。なお、図４の特性に関するデータは車両モデル入力部５で生成され、車両モデルデータベース６に記憶されている。

２）転がりでの直線走行の際の走行モードにおける摩擦エネルギー（Ｅ２）
この場合は、車両１００の走行抵抗に基づきタイヤ１００Ａの摩擦エネルギーを求めることができる。ここで、走行抵抗Ｆｘ１は、車速Ｖとの関係で図５に示す特性図から求まる。すなわち、車両走行履歴データベース２に記憶されている車速Ｖとの関係で、図５に基づき走行抵抗Ｆｘ１を求めればよい。すなわち、各区間Ａ２，Ａ４，Ａ６における摩擦エネルギーＥ２は、Ｅ２＝Ｆｘ１×Ｌ×ηの演算により与えられる。ここで、Ｌは各区間Ａ１，Ａ２，Ａ４，Ａ６における車両１００の走行距離、ηは図４を参照して同様に求まるスリップ率である。なお、図５の特性に関するデータは車両モデル入力部５で生成され、車両モデルデータベース６に記憶されている。

３）曲線走行を含む走行モードにおける摩擦エネルギー（Ｅ３）
曲線走行の場合には、タイヤ１００Ａの操舵に伴う操舵量に応じた横力（コーナリングフォース）Ｆｙが発生するとともに、横力Ｆｙに起因する横滑り量Ｌｙが発生する。そこで、この場合には、横力Ｆｙと横滑り量Ｌｙに起因する摩擦エネルギーＥ３も考慮する必要がある。ここで、Ｅ３＝Ｆｙ×Ｌｙを演算することにより求められる。

図６は曲線走行モードでタイヤに作用する力を説明するための図で、同図（ａ）が横力を説明するための模式図、（ｂ）が操舵量（スリップ角）を説明するための模式図、（ｃ）が操舵量と横力Ｆｙとの関係を示す特性図である。図６（ａ）では、タイヤ前後方向をＸ、タイヤ横方向をＹ、ＸＹ方向に直角な方向をＺとする。同図に示すように、曲線部分を走行するタイヤ１００Ａにはタイヤ前後力Ｆｘの他に、操舵により垂直軸Ｚ回りに回転モーメントＭｚが発生し、この回転モーメントＭｚにより前後力Ｆｘに直交する横力Ｆｙが発生する。また、図６（ｂ）に示すように、曲線走行に伴い車両進行方向Ｘの速度成分Ｖｘと車両進行方向Ｘに直交する車幅方向Ｙの速度成分Ｖｙによりｔａｎ^−１（Ｖｙ／Ｖｘ）で規定される操舵量θでタイヤ１００Ａを操舵する必要がある。かかる旋回操舵によりタイヤ１００Ａには横力Ｆｙが作用するが、この横力Ｆｙは図６（ｃ）の特性を利用することにより操舵量θが求まれば特定される。なお、図６（ｃ）の特性に関するデータは車両モデル入力部５で生成され、車両モデルデータベース６に記憶されている。また、横滑り量Ｌｙは車幅方向Ｙの速度成分Ｖｙを曲線区間（例えば、図２（ｂ）のＢ１）の積算値として式１により求める。

操舵量θを求める方法としては、ａ）実測、ｂ）走行シミュレーションでの計算、ｃ）曲線部分の通過中の条件に基づく計算、ｄ）所定のルックアップテーブルの参照等、が考えられる。以下、ａ）〜ｄ）のそれぞれに関して詳説する。なお、操舵量θが求まれば、図６（ｃ）の特性を利用して横力Ｆｙを求めることもできる。

ａ）操舵量を実測する。
まず、この場合のセンサの取り付け、操舵量が検出される軌条式車両の台車を説明する。図７は軌条式車両の台車を示す平面図である。同図に示すように、路面２２を走行する 台車２１には、車幅方向Ｙに延びる車軸２６を有しており、この車軸２６の両端部にタイヤ１００Ａが回転可能に取り付けられている。車軸２６には中心Ｏを旋回中心として鉛直軸回りに旋回する旋回ベアリング２７を介して案内枠２４が旋回可能に固定されている。また、案内枠２４は、走行方向Ｘに延びる２本の縦梁２８と、車幅方向Ｘに延びる２本の横梁２９とを有している。さらに詳言すると、縦梁２８は車幅方向Ｙに関し中心Ｏの左右両側において走行方向に延び、横梁２９は走行方向Ｘに関し中心Ｏの前後において車幅方向Ｙに延びるように構成されている。

各横梁２９の車幅方向Ｙの両端部には、車幅方向Ｙに延びる２本の案内アーム３０が設けられており、走行時に案内レール２３に接して転動する各案内輪２５は、回転軸３１を介して揺動可能に案内アーム３０に取付けられている。かくして当該軌条式車両の走行に伴い台車２１が車幅方向Ｙに移動して案内輪２５が案内レール２３に当接した際には回転軸３１を揺動中心として案内輪２５の回転中心が時計方向または反時計方向に揺動する。かかる案内輪２５の揺動は、揺動方向と反対側への弾性部材（図示せず）等による付勢力に抗して行なうことで案内輪２５が案内レール２３に当接した際の衝撃を吸収する。

ａ−１） 台車２１において、車体（図示せず）に加速度センサを取り付けて、遠心加速度α１を計測するとともに、これに車両重量ｍをかけて遠心力Ｆを、Ｆ＝ｍ・α１の演算で求める。ここで、曲線走行時の横力Ｆｙは、遠心力Ｆと釣り合うと考えることができる。したがって、各タイヤ１００Ａに作用する横力Ｆｙは、Ｆｙ＝Ｆ÷Ｎ（＝タイヤ１００Ａの本数）で求まる。

ａ−２） 操舵量の実測方法として、図７に示すように、各台車２１において、車軸２６のタイヤ１００Ａとの間にそれぞれセンサ３５Ａ、３５Ｂを配設する場合と、旋回ベアリング２７の旋回軸の角度を検出するように配設する場合とが考えられる。前者では、タイヤ１００Ａの操舵量を直接実測することができ、後者では、案内枠２４の旋回角度を介してタイヤ１００Ａの操舵量を検出することができる。

ｂ）走行シミュレーションで計算する。
車両１００の各種データを、計算モデルにインプットして、計算機で走行シミュレーションを行い、横力Ｆｙおよびタイヤ１００Ａの操舵量を計算する。すなわち、次の手順の各処理を実行する。すなわち、車両１００の各種データ入力⇒走行シミュレーション⇒横力Ｆｙを求める。

ｃ）図８に示す傾斜部分（カント角β）を曲線走行する車両１００の条件（曲線半径Ｒ、車両速度Ｖ、遠心力Ｆ、横力Ｆｙ、タイヤ特性）から計算する。
ステップｃ−１）遠心力Ｆ＝ｍ・α１を求める。
ステップｃ−２）横力Ｆｙと操舵量を求める。すなわち、曲線走行時の横力Ｆｙは、遠心力Ｆと釣り合うと考える。この結果、Ｆ＝Ｆ÷Ｎ（＝タイヤ１００Ａの数）となる。そこで、図６（ｃ）に示す特性図における横力Ｆｙを特定し、これに対応する操舵量を検出する。

ｄ）あらかじめ曲率半径と操舵量のデータベースを用意しておいて参照する。
上記１）〜３）の図９に示すようなルックアップテーブルを準備しておき、このルックアップテーブルを参照することにより、走行する曲線軌道の曲率半径からタイヤ１００Ａの操舵量を求める。なお、図９に示すルックアップテーブルの内容に関するデータは車両モデル入力部５で生成され、車両モデルデータベース６に記憶されている。

曲線走行の際は、遠心力Ｆでタイヤ１００Ａのうちの内輪と外輪の荷重差が発生する。すなわち、荷重が大きい外輪の方がより摩耗する。そこで、荷重補正を行う。例えば、内輪に作用する荷重を１.０とするとき、外輪に作用する荷重は内輪の１.１倍として所定の演算を行う。ここで、内輪および外輪の荷重差は傾斜角βが小さくなるほど大きく、また車速Ｖが大きいほど大きい。そこで、傾斜角β、車速Ｖをパラメータとして係数を変化させることでより適正化を図ることができる。

上述の如く、本実施形態における摩擦エネルギー演算部７では、特に曲線走行部での横力Ｆｙを充分正確に勘案して走行モード毎に、摩擦エネルギーを演算するとともに、それらを合算して走行経路の始点ＳＰから終点ＥＰに至る全摩擦エネルギーを求めている。タイヤ摩耗量演算部８では、走行経路の始点ＳＰから終点ＥＰに至る全域でタイヤ１００Ａに発生し、摩擦エネルギー演算部７で演算した全摩擦エネルギーに基づき各タイヤ１００Ａの摩耗量を演算・推定する。これは、タイヤ１００Ａの摩擦エネルギーと摩耗量が比例関係（シャルマック摩耗理論）にあることが知られており、これを利用することにより所定の演算および推定を適格に実行することができる。

タイヤ溝実測入力部９は、所定の走行を終えた車両１００のタイヤ１００Ａの溝を実測してタイヤ摩耗量実測データベース１０に入力する。この結果、タイヤ摩耗量実測データベース１０に実測したタイヤ１００Ａのタイヤ溝のデータが記憶されている。

実際のタイヤ摩耗量は、製品バラツキ、車両走行面の凹凸、天候（気温、雨）等の要因でバラツキを生起する。そこで、実測したタイヤ溝のデータに基づくタイヤ摩耗量のデータと、演算により求めた摩擦エネルギーとを比較して、その差をタイヤ摩耗量演算部８におけるタイヤ摩耗量の演算に反映させることで、演算したタイヤ摩耗量をより実測値に近いものに補正することができる。そこで、本実施形態では補正係数演算部１１に、タイヤ摩耗量の実測データと、演算により求めた摩擦エネルギーとを入力して両者を比較し、その差を小さくするような補正係数を演算により生成している。ここで、補正係数（ｍｍ／Ｊ）＝（実測した摩耗量（ｍｍ））÷（全摩擦エネルギー（Ｊ））で演算することができる。すなわち、補正係数は単位摩擦エネルギー当たりの摩耗量（ｍｍ／Ｊ）として与えられる。また、この係数は、補正係数演算部１１で生成された後、タイヤ摩耗量演算部８に出力される。

したがって、タイヤ摩耗量演算部８では摩擦エネルギー演算部７で演算した摩擦エネルギーが所定の係数を掛けて補正される。この結果、タイヤ摩耗量演算部８の演算により得るタイヤ摩耗量は、実際のタイヤ溝をより正確に反映したものとすることができる。なお、本実施形態におけるかかる補正機能は必須の構成要件ではない。タイヤ溝実測入力部９、タイヤ摩耗量実測データベース１０および補正係数演算部１１は設けなくても構わない。

ただ、タイヤ溝実測入力部９、タイヤ摩耗量実測データベース１０および補正係数演算部１１を設けることで、タイヤ摩耗量演算部８で演算するタイヤ摩耗量の演算値がより適格に実際のタイヤ溝の状態を反映したものとなる点については、論を俟たない。なお、本実施形態におけるタイヤ溝の実測は、補正係数を決定するためのものであり、タイヤ摩耗の管理自体はタイヤ摩耗量演算部８が演算する摩耗量に準拠して行うので、実測によりタイヤ溝の管理を行っていた従来に較べれば、その頻度は大幅に少なくなる。例えば、従来は３月周期程度で実測作業を実施していたが、本実施形態によれば、年に１〜２回程度の実測で済む。

所定の演算によりタイヤ摩耗量を生成したタイヤ摩耗量演算部８は、タイヤ寿命、ローテーション計画、交換時期演算部１２に生成したタイヤ摩耗量に関するデータを入力する。タイヤ寿命、ローテーション計画、交換時期演算部１２は、タイヤ摩耗量に関するデータに基づき所定の演算を行うことによりタイヤ１００Ａの寿命、すなわち残りどの程度の期間でタイヤ溝が規定値を超えて摩耗するかを演算する。また、ローテーション計画の策定を行う。ここで、ローテーション計画とは、複数の車両１００の各タイヤ１００Ａの摩耗量を検出することで、タイヤ１００Ａの寿命が検知できるので、タイヤ１００Ａの組み合わせを複数の車両１００間で適宜変更して複数車両間のタイヤ１００Ａの全体としての寿命を可及的に延ばすべく、組み合わせを工夫することをいう。さらに詳言すると、図１０（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように、各４本のタイヤ１００Ａを有する車両１００が３台あった場合、各車両１００の各タイヤ１００Ａの摩耗量はタイヤ摩耗量演算部８から推定データとして与えられる。その結果、図１０（ａ）〜（ｃ）にそれぞれ示すように、摩耗が早いタイヤ１００Ａと、摩耗が遅いタイヤ１００Ａの分布が分かる。かかる分布が分かると、全体として平均化された摩耗が進行するようにタイヤ１００Ａの組み合わせを変えることができる。

摩耗が早いタイヤ１００Ａと遅いタイヤ１００Ａとの組み合わせを変えた場合、図１１に示すように、実測時期Ｐ１にタイヤ溝深さＤ１であったタイヤ１００Ａ（以下、これを１００Ａ（Ｄ１）と表す）が、実測時期Ｐ１にタイヤ深さＤ２（＞Ｄ１）であったタイヤ１００Ａ（以下、これを１００Ａ（Ｄ２）と表す）と交換したことで、予想時期Ｐ３まで寿命が延びたことを表している。すなわち、摩耗が早いタイヤ１００Ａ（Ｄ１）は寿命予想時期が予想時期Ｐ２から予想時期Ｐ３まで，時間Ｔ１だけ延びている。一方、実測時期Ｐ１では摩耗が遅かったタイヤ１００Ａ（Ｄ２）は本来の予想時期Ｐ４が予想時期Ｐ３まで時間Ｔ２だけ短縮されている。このように、タイヤ１００Ａ（Ｄ２）の寿命は短縮されるが、その分タイヤ１００Ａ（Ｄ２）の寿命は延長される。一方のタイヤ１００Ａ（Ｄ２）の寿命の犠牲において他方のタイヤ（Ｄ１）の寿命を延ばした方が短期に寿命が来てしまうタイヤ１００Ａが増加するよりも全体としては合理的であるとする考え方がローテーションの考え方である。事実、一個でも寿命がきたタイヤ１００Ａがあれば、残りのタイヤ１００Ａはすべて廃棄することになっている現状に鑑みれば、ローテーション方式は経済的な合理性を有するものであるといい得る。そこで、タイヤ寿命、ローテーション計画、交換時期演算部１２の演算で生成されたデータはディスプレイ出力部１３を介してディスプレイ（図示せず）に送出され、ディスプレイで可視化される。

このように、タイヤ寿命、ローテーション計画、交換時期演算部１２が出力する情報により、タイヤローテションの時期、タイヤの交換時期が予測できる。また、車両編成の全てのタイヤの摩耗量が予測できるため、どのようにローテーションすれば、全てのタイヤが均等に摩耗して、無駄なく使用することができるかを予測することが可能になる。

本実施形態では、必ずしも必要なものではないが、運行入力計画入力部１４を備えている。運行計画入力部１４は、車両のタイヤ摩耗に関するものが中心となるが、将来の運行計画に沿う運行パターンに関するデータをタイヤ寿命、ローテーション計画、交換時期演算部１２に入力する。将来の運行計画に沿う運行パターンに関するデータが入力されたタイヤ寿命、ローテーション計画、交換時期演算部１２では、当該運行パターンに基づくタイヤ寿命の予測等を演算により推定してその結果をディスプレイ出力部１３を介して所定のディスプレイ上に表示する。運行入力計画入力部１４から入力しようとする運行データは、計画段階にあるものではあるが、車両１００の車速、走行パターン（加速、減速、転がり）、モータートルク、乗客重量、天候等に関するデータであり、データの種類としては、車両走行データ入力部１で生成されるデータと類似のものである。ただ、実現性の予測、費用の予測等将来の生起される事柄を対象とする点で異なる。

運行入力計画入力部１４を備えた場合、将来計画されている、車両の運行パターンから、タイヤにかかる荷重を積算し、タイヤの摩耗寿命を計算するようにすることもできる。この場合の摩耗寿命の計算結果から、ローテーションの計画や、タイヤ交換の時期を計画することも可能になる。

かかる将来の運行パターンにおける例えば乗客重量、天候等、不確定要素を多く含み、バラツキが考えられるものに関しては、係数を掛ける等の処理を行うのも有効である。

さらにタイヤ溝の実測は、これを自動化することもできる。図１２はタイヤ溝の自動実測装置を示す図で、（ａ）はその構造を概念的に示す模式図、（ｂ）はそのレーザセンサ２００の配設部分近傍を斜視的に示す模式図、（ｃ）はその信号処理系を示すブロック図である。両図に示すように、路面のうちタイヤ１００Ａが走行する位置には、タイヤ１００Ａの幅Ｄ１よりも狭い幅Ｄ２の穴が設けられ、穴の中に、レーザセンサ２００が設けられている。レーザセンサ２００は、タイヤ１００Ａにおいて幅Ｄ３（＜Ｄ１）の広がりを有する線状のレーザ光を照射し、レーザセンサ２００からタイヤ１００Ａの溝（凹凸形状の凹の底）を含む表面までの距離を測定する。したがって、レーザセンサ２００は、タイヤ２００の幅方向に線状に、レーザセンサ２００からタイヤ１００Ａの表面の各部までの距離を測定するとともに、その距離情報を距離情報取得部２０１を介しタイヤ摩耗量検知部２０２に送出する。

ここで、例えば、タイヤ１００Ａの幅Ｄ１が３００ｍｍ程度であるのに対し、穴の幅Ｄ２は１０〜２０％程度とする。レーザセンサ２００は、レーザ光の照射距離が４５０ｍｍ程度となるタイヤ１００Ａの位置において、２５０ｍｍ程度の幅Ｄ３について各部までの距離を測定する。かかる距離を表す距離信号は距離情報取得部２０１を介してタイヤ摩耗量検知部２０２に入力される。この結果、タイヤ摩耗量検知部２０２において、レーザセンサ２００が測定する距離についてタイヤ１００Ａの幅方向の変化量（隣との差分）を検知することで、タイヤ１００Ａの表面の凹凸を検出することができる。これにより、タイヤ摩耗量検知部２０２は、タイヤ１００Ａの表面に設けられた溝の深さを算出する。かかる溝の深さに関するデータがタイヤ摩耗量実測データベース１０に記憶される。

ここで、レーザセンサ２００は、軌道の下方に設けられて、鉛直方向に対して車両進行方向に傾きを有する上方に位置するタイヤ１００Ａまでの距離を測定するように設置されている。このように、レーザセンサ２００が、鉛直方向に対して車両進行方向に傾きを有する向きに位置するタイヤ１００Ａまでの距離を測定することで、タイヤ１００Ａが地面に接していない状態、したがってタイヤ１００Ａが重みで潰れていない状態で測定を行うことができる。これにより、タイヤ摩耗量検知部２０２は、タイヤ１００Ａの溝の深さを、タイヤ１００Ａが車体１００の重量で潰れた状態で算出する場合よりも正確に算出することができる。また、レーザセンサ２００およびこれを設置するための穴は、例えば車両１００が一日の営業運転を終了して車庫に帰る際に計測し得るように、車庫の入口等に設置するのが好適である。

上述の如くタイヤ溝深さを自動実測装置で計測した場合には、計測にかかる人件費（メンテナンスコスト）を大幅に削減することができる。

Ａ１〜Ａ７ 区間
ＳＰ 始点
ＥＰ 終点
Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３ 摩擦エネルギー
１ 車両走行データ入力部
２ 車両走行履歴データベース
３ 軌道情報入力部
４ 軌道情報データベース
５ 車両モデル入力部
６ 車両モデルデータベース
７ 摩擦エネルギー演算部
８ タイヤ摩耗量演算部
９ タイヤ溝実測部
１０ タイヤ摩耗量実測データベース
１１ 補正係数演算部
１２ タイヤ寿命、ローテーション計画、交換時期演算部
１３ ディスプレイ出力部
１４ 運行計画入力部
１００ 車両
１００Ａ タイヤ
２００ レーザセンサ
２０１ 距離情報取得部
２０２ タイヤ摩耗量検知部

Claims (15)

1. 加速、減速および加速も減速もしない転がりの各走行パターンでの走行を繰り返しながら、直線区間または曲線区間を始点から終点に至る走行路上を走行する車両の少なくとも車速、前記走行パターン、タイヤの操舵量に関するデータを含む車両パラメータに関するデータを生成して記憶している車両走行データ生成部と、
   前記走行路に関する少なくとも勾配、曲率半径、曲線長を含むデータを生成して記憶している軌道情報生成部と、
   前記車両における各種の諸元および摩擦エネルギーの演算に必要なパラメータを生成して記憶している車両モデル生成部と、
   前記走行パターンと、直線区間または曲線区間の何れかの区間の走行であるかを組み合わせて規定される走行モード毎の前記摩擦エネルギーを、前記走行パターンのそれぞれが持続する距離として規定される区間毎に、前記車両走行データ生成部と前記軌道情報生成部と前記車両モデル生成部とが記憶しているデータに基づき演算するとともに、各区間毎の摩擦エネルギーを積算して前記走行路の全区間における前記タイヤの全摩擦エネルギーを演算する摩擦エネルギー演算部とを有することを特徴とするタイヤの摩耗寿命推定システム。
2. 前記摩擦エネルギー演算部は、前記走行パターンが加減速走行のときには、加減速走行に応じた第１摩擦エネルギーＥ１を、前記走行パターンが転がり走行のときには、転がり走行に応じた第２摩擦エネルギーＥ２を、前記曲線区間を走行しているときには前記第１摩擦エネルギーＥ１または前記第２摩擦エネルギーＥ２に、曲線走行に応じた第３摩擦エネルギーＥ３を加えて演算することを特徴とする請求項１に記載するタイヤの摩耗寿命推定システム。
3. 前記車両走行データ生成部は、
   実測した車両速度に基づき距離情報を生成するとともに、前記車両速度を微分して得る加速度αに基づき加速度α＞0の時には加速、加速度α＝0の時には転がり（一定速）、加速度α＜0の時には減速と、前記走行パターンを判断して、それぞれのデータを生成することを特徴とする請求項１または請求項２に記載するタイヤの摩耗寿命推定システム。
4. 前記第１摩擦エネルギーＥ１は、Ｅ１＝Ｆｘ×Ｌ×η、〔ここで、前後力Ｆｘ＝ｍ・α÷Ｎ（ただし、ｍ＝車両の重量、α＝加速度、Ｎ＝車両のタイヤの本数）、Ｌ＝当該直線区間での走行距離、η＝タイヤのスリップ率である。〕により演算することを特徴とする請求項１〜請求項３の何れか一項に記載するタイヤの摩耗寿命推定システム。
5. 前記第２摩擦エネルギーＥ２は、Ｅ２＝Ｆｘ１×Ｌ×η（ここで、Ｆｘ１＝車速に対して一意に定まる走行抵抗、Ｌ＝当該直線区間での走行距離、η＝タイヤのスリップ率である。）により演算することを特徴とする請求項１〜請求項４の何れか一項に記載するタイヤの摩耗寿命推定システム。
6. 第３摩擦エネルギーＥ３は、操舵量に基づく横力Ｆｙおよび横すべり量Ｌｙで表される摩擦エネルギーＥ３（＝Ｆｙ＋Ｌｙ）であることを特徴とする請求項１〜請求項５の何れか一項に記載するタイヤの摩耗寿命推定システム。
7. 前記操舵量は、所定のセンサを用いた実測により検出することを特徴とする請求項６に記載するタイヤの摩耗寿命推定システム。
8. 前記操舵量は、前記車両の走行シミュレーションにより求めることを特徴とする請求項６に記載するタイヤの摩耗寿命推定システム。
9. 前記操舵量は、前記車両が前記曲線区間を通過する際の遠心力を求めるとともに、前記遠心力に基づき前記タイヤに作用する横力を演算し、前記横力に基づき演算により求めることを特徴とする請求項６に記載するタイヤの摩耗寿命推定システム。
10. 前記操舵量は、前記走行路における前記曲線区間の曲率半径と、前記操舵量との関係に基づき用意しておいたルックアップテーブルを参照して求めることを特徴とする請求項６に記載するタイヤの摩耗寿命推定システム。
11. 前記摩擦エネルギーとタイヤの摩耗量とが比例関係にあることを利用して前記全摩擦エネルギーに基づきタイヤの摩耗量を演算・推定するタイヤ摩耗量演算部を有することを特徴とする請求項１〜請求項１０の何れか一項に記載するタイヤの摩耗寿命推定システム。
12. 所定の走行を終えた車両のタイヤの溝の実測データを記憶するタイヤ摩耗量実測データベースと、
    前記実測データと、前記摩擦エネルギー演算部で演算して得る前記全摩擦エネルギーとを入力して両者を比較し、その差を小さくするような係数を演算により生成する補正係数演算部とを有する一方、
    タイヤ摩耗量演算部は、前記全摩擦エネルギーに前記係数を乗じることで前記全摩擦エネルギーを補正するように構成したことを特徴とする請求項１〜請求項１１の何れか一項に記載するタイヤの摩耗寿命推定システム。
13. 前記タイヤ摩耗量実測データベースに入力する前記実測データを自動的に生成する自動実測装置を有し、
    前記自動実測装置は、前記走行路に配設されて斜め上方に、タイヤ幅方向に関する所定の広がりを有する線状のレーザ光を照射してタイヤの表面の各部までの距離を測定するレーザセンサと、
    前記レーザセンサが計測した距離情報を距離情報取得部を介してタイヤ摩耗量検知部に入力するとともに、前記距離に関し前記タイヤの幅方向で隣接する部位との変化量である差分を検知して前記タイヤの表面の凹凸を検出することで前記凹凸形状の凹部の底までの距離を検出することで前記実測データを生成することを特徴と請求項１２に記載するタイヤの摩耗寿命推定システム。
14. タイヤ摩耗量に関するデータに基づき所定の演算を行うことにより前記タイヤが残りどの程度の期間でタイヤ溝が規定値を超えて摩耗するかに関するタイヤ寿命の演算、複数台の車両のタイヤの組み合わせに関するローテーション計画の策定、および前記寿命に基づく前記タイヤの交換時期の演算を行うタイヤ寿命、ローテーション計画、交換時期演算部を有することを特徴とする請求項１〜請求項１３の何れか一項に記載するタイヤの摩耗寿命推定システム。
15. 将来の運行計画に沿う運行パターンに関するデータをタイヤ寿命、ローテーション計画、交換時期演算部に入力する運行計画運入力部を有することを特徴とする請求項１〜請求項１４の何れか一項に記載するタイヤの摩耗寿命推定システム。

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