JP4606623B2

JP4606623B2 - タイヤ選定装置および方法、ならびにタイヤの選定プログラム

Info

Publication number: JP4606623B2
Application number: JP2001074314A
Authority: JP
Inventors: 幸夫中尾; 裕章川崎
Original assignee: Sumitomo Rubber Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Rubber Industries Ltd
Priority date: 2001-03-15
Filing date: 2001-03-15
Publication date: 2011-01-05
Anticipated expiration: 2021-03-15
Also published as: JP2002277353A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はタイヤ選定装置および方法、ならびにタイヤの選定プログラムに関する。さらに詳しくは、たとえばサーキットを走行するレーシングカーにおいて、レースの日の路面状態に最適なスペックのタイヤを選定することができるタイヤ選定装置および方法、ならびにタイヤの選定プログラムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、サーキットの路面は、その日の天候、気温および日照時間だけでなく前日の天候や、レースが開催される前にどのような車両が走行したかによってもコンディションが変化する。このため、タイヤメーカーは、トレッドコンパウンドやタイヤ構造が異なるスペックのタイヤを数種類準備し、レースの日の路面状態（温度や汚れ具合など）に合わせて最も適していると思われるタイヤを選定している。このときの選定には、ラップタイムおよびその持続性やドライバーの走行感覚を判断基準としている。
【０００３】
しかし、レース競技を目的とした車両用のタイヤ（レーシングタイヤ）の性能は、グリップ力とその持続性が代表的であるため、タイヤの選定には、ラップタイムでグリップ力を評価するとともに、ラップタイムの悪化で持続性を評価し、そこにドライバーフィーリングや車両データを加えて、総合的に判断される。
【０００４】
また、サーキット走行におけるラップタイムの向上には、駆動力性能の寄与が大きいことが知られており、駆動輪のタイヤが車両の駆動力性能を充分発揮できるか否かが重要なポイントである。
【０００５】
また、前記車両データには、エンジン回転やアクセル開度、区間タイム、加速度などさまざまなデータがあり、それらを分析し、組み合わせることでセッティングやタイヤの選定に利用している。
【０００６】
なお、レーシングタイヤの性能評価に関しては、前記ラップタイムが最も有効な情報として使用されるが、このラップタイムには、車両のセッティングを含めた総合的な車両要因が含まれることはいうまでもない。
【０００７】
以上のように、レーシングタイヤの選定には多くの要因があるため、レースの日のコンディションに最適なタイヤを選定するのが難しいとともに、不適切なタイヤを装着するおそれがある。
【０００８】
そこで、タイヤ性能のみを評価し、レースの日のコンディションに最適なタイヤを選定できるような方法や装置が望まれている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、叙上の事情に鑑み、サーキット走行におけるラップタイムの向上のための駆動力性能の観点から、駆動輪のタイヤのサーキット路面に対する摩擦係数の大小を評価することにより、路面を走行するのに適した最適なスペックのタイヤを客観的に選定するタイヤ選定装置および方法、ならびにタイヤの選定プログラムを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明のタイヤ選定装置は、車両に装着されるタイヤと路面とのあいだの摩擦係数を検出する摩擦係数検出手段と、複数種類のタイヤを当該種類ごとに装着して路面を走行したときの摩擦係数に基づいて、当該路面を走行するのに適したタイヤを選定するタイヤ選定手段を備えてなることを特徴とする。
【００１１】
また本発明のタイヤ選定方法は、車両の４輪のタイヤの回転速度を定期的に検出する測定値から、スリップ比を演算する工程と、該スリップ比と車両の加減速度との関係式を求める工程と、当該求められた関係式の傾きから、車両に装着されるタイヤと路面とのあいだの摩擦係数を判定する工程と、複数種類のタイヤを当該種類ごとに装着して路面を走行したときの摩擦係数に基づいて、当該路面を走行するのに適したタイヤを選定する工程を備えていることを特徴とする。
【００１２】
さらに本発明のタイヤの選定プログラムは、路面を走行するのに最適なタイヤを選定するためにコンピュータを、回転速度検出手段による測定値から、スリップ比を演算する第１演算手段、該スリップ比と車両の加減速度との関係式を求める第２演算手段、該第２演算手段により求められた関係式から１次の回帰係数と相関係数を求め、該相関係数の値が設定値以上の場合、前記関係式の傾きである１次の回帰係数の値で摩擦係数を判定する判定手段、前記１次の回帰係数の値を時系列のデータとして蓄積したのち、摩擦係数である１次の回帰係数の大小からタイヤを選定するタイヤ選定手段として機能させることを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に基づいて、本発明のタイヤ選定装置および方法、ならびにタイヤの選定プログラムを説明する。
【００１４】
図１は本発明のタイヤ選定装置の一実施の形態を示すブロック図、図２は図１にかかわるタイヤ選定装置の電気的構成を示すブロック図、図３は路面μとスリップ比との関係を示す模式図、図４は本実施の形態にかかわるフローチャート、図５はタイヤの摩擦係数の判定値比と時間との関係を示す図である。
【００１５】
図１に示すように、本発明の一実施の形態にかかわるタイヤ選定装置は、４輪車両のタイヤＦＬ、ＦＲ、ＲＬおよびＲＲにそれぞれ設けられた車輪タイヤの回転速度を定期的に検出する回転速度検出手段１を備えており、この回転速度検出手段Ｓの出力は、ＡＢＳなどのコンピュータである制御ユニット２に伝達される。
【００１６】
前記回転速度検出手段１としては、電磁ピックアップなどを用いて回転パルスを発生させてパルスの数から回転速度を測定する車輪速センサまたはダイナモのように回転を利用して発電を行ない、この電圧から回転速度を測定するものを含む角速度センサなどを用いることができる。
【００１７】
前記制御ユニット２は、図２に示されるように、外部装置との信号の受け渡しに必要なＩ／Ｏインターフェイス２ａと、演算処理の中枢として機能するＣＰＵ２ｂと、該ＣＰＵ２ｂの制御動作プログラムが格納されたＲＯＭ２ｃと、前記ＣＰＵ２ｂが制御動作を行なう際にデータなどが一時的に書き込まれたり、その書き込まれたデータなどが読み出されるＲＡＭ２ｄとから構成されている。
【００１８】
本実施の形態にかかわる装置では、車両に装着されるタイヤと路面とのあいだの摩擦係数を検出する摩擦係数検出手段と、複数種類のタイヤを当該種類ごとに装着して路面を走行したときの摩擦係数に基づいて、当該路面を走行するのに適したタイヤを選定するタイヤ選定手段を備えている。前記制御ユニット２は、前記摩擦係数検出手段として、前記回転速度検出手段１による測定値から、スリップ比（前輪タイヤの車輪速度と後輪タイヤとの車輪速度の比）を演算する第１演算手段と、該スリップ比と車両の加減速度との関係式を求める第２演算手段と、該第２演算手段により求められる関係式の傾きに基づいて、路面とタイヤとのあいだの摩擦係数μを判定する判定手段とを備えている。該摩擦係数判定手段には、前記該第２演算手段により求められる関係式の傾きと予め設定されたしきい値とを比較する比較手段を含んでいる。そして、本実施の形態におけるタイヤの選定プログラムは、制御ユニット２を、回転速度検出手段１による測定値から、スリップ比を演算する第１演算手段、該スリップ比と車両の加減速度との関係式を求める第２演算手段、該第２演算手段により求められた関係式から１次の回帰係数と相関係数を求め、該相関係数の値が設定値以上の場合、前記関係式の傾きである１次の回帰係数の値で摩擦係数を判定する判定手段、前記１次の回帰係数の値を時系列のデータとして蓄積したのち、摩擦係数である１次の回帰係数の大小からタイヤを選定するタイヤ選定手段として機能させる。
【００１９】
ここで、レーシングタイヤに要求される性能には、大きい最大横力が得られるようにタイヤと路面とのあいだの摩擦係数を大きくする必要があり、タイヤのグリップ力は、タイヤと路面のあいだの摩擦力で代表される。したがって、たとえばサーキットを走行するレーシングカーにおいて、種々のスペックのタイヤを装着し、それぞれのタイヤを装着した状態でのタイヤと路面のあいだの摩擦係数の大小を実走行状態から検出し、その摩擦係数の大小をタイヤごとに評価できれば適正なスペックのタイヤを選定することができる。
【００２０】
なお、走行中のレーシングカーのタイヤと路面とのあいだの摩擦係数の大小を検出する方法としては、前記タイヤの回転速度（車輪速）を利用し、タイヤのスリップ比と車両の加減速度の関係から摩擦係数の大小を判別する方法以外に、当該タイヤのスリップ比と車両の加減速度を車両に搭載した各種センサの情報を利用して検出することができる。たとえば車両の加減速度とスリップ比の精度を上げるために加速度センサや速度センサを利用する方法、または検出に適した状態を保つためにハンドルの舵角やヨーレートセンサの情報を利用する方法がある。また、車輪回転速を用いずに車輪にかかる前後力と荷重をセンサで検出し、その関係から摩擦係数を算出して判別することもできる。
【００２１】
本実施の形態では、前記４輪のタイヤの回転速度を０．１秒以下、好ましくは０．０５秒以下で検出する。前記車両の加減速度はＧセンサで測定することもできるが、４輪または従動輪の平均車輪速度から演算するのがコスト面から好ましい。
【００２２】
ついで前記スリップ比および車両の加減速度を一定時間分のデータ、たとえば少なくとも０．１秒分以上のデータの平均値として、サンプリング時間ごとに移動平均化して求め、この移動平均された値（一定個数のスリップ比と車両の加減速度）を元に、該スリップ比と該車両の加減速度との関係式を求める。
【００２３】
さらに前記移動平均されたスリップ比および車両の加減速度のデータ、たとえば少なくとも５個以上のデータを用いて、スリップ比と車両の加減速度との互いの１次の回帰係数と相関係数を求める。
【００２４】
ついで前記相関係数の値が設定値以上の場合、該回帰係数を更新および保持し、該回帰係数の値を時系列のデータとして蓄積する。そして実走行状態から検出した結果、数値が大きいほど摩擦係数が高いと判定し、路面を走行するのに適した最適なスペックのタイヤであると選定する。
【００２５】
以下、本実施の形態の路面摩擦係数判定装置の動作を手順▲１▼〜▲６▼に沿って説明する。
【００２６】
▲１▼車両の４輪タイヤＦＬ、ＦＲ、ＲＬおよびＲＲのそれぞれの回転速度から車輪速度（Ｖ１_n、Ｖ２_n、Ｖ３_n、Ｖ４_n）を算出する。
たとえば、ＡＢＳセンサなどのセンサから得られた車両の各車輪タイヤＦＬ、ＦＲ、ＲＬ、ＲＲのある時点の車輪速データを車輪速度Ｖ１_n、Ｖ２_n、Ｖ３_n、Ｖ４_nとする。
【００２７】
▲２▼ついで従動輪および駆動輪の平均車輪速度（Ｖｆ_n、Ｖｄ_n）を演算する。
前輪駆動の場合、ある時点の従動輪および駆動輪の平均車輪速度Ｖｆ_n、Ｖｄ_nをつぎの式（１）、（２）により求められる。
Ｖｆ_n＝（Ｖ３_n＋Ｖ４_n）／２・・・（１）
Ｖｄ_n＝（Ｖ１_n＋Ｖ２_n）／２・・・（２）
【００２８】
▲３▼ついで前記従動輪の平均車輪加減速度（すなわち車両の加減速度）Ａｆ_nを演算する。
前記従動輪の平均車輪速度Ｖｆ_nより１つ前の車輪速データから、平均車輪速度Ａｆ_n-1とすると、従動輪の平均車輪加減速度Ａｆ_nはそれぞれつぎの式（３）で求められる。
Ａｆ_n＝（Ｖｆ_n−Ｖｆ_n-1）／Δｔ／ｇ・・・（３）
ここで、Δｔは車輪速データから算出される車輪速度Ｖｆ_nとＶｆ_n-1の時間間隔（サンプリング時間）であり、ｇは重力加速度である。前記サンプルング時間としては、データのばらつきを小さくし、かつ短時間で判別するためには、０．１秒以下である必要がある。より好ましくは、０．０５秒以下である。
【００２９】
▲４▼ついで前記車両の加減速度Ａｆ_nの値に応じて、スリップ比を演算する。
まず、加速状態で、駆動輪がロック状態で車両が滑っているとき（Ｖｄ_n＝０、Ｖｆ_n≠０）や、減速状態で、車両が停止状態で駆動輪がホイールスピンを起こしているとき（Ｖｆ_n＝０、Ｖｄ_n≠０）は、起こり得ないものとして、スリップ比Ｓ_nをつぎの式（４）、（５）から演算する。
Ａｆ_n≧０およびＶｄ_n≠０である場合、
Ｓ_n＝（Ｖｆ_n−Ｖｄ_n）／Ｖｄ_n ・・・（４）
Ａｆ_n＜０およびＶｆ_n≠０である場合、
Ｓ_n＝（Ｖｆ_n−Ｖｄ_n）／Ｖｆ_n ・・・（５）
前記以外の場合は、Ｓ_n＝１とする。
【００３０】
▲５▼ついでスリップ比および車両の加減速度のデータをサンプリング時間ごとに移動平均化処理する。
実際の走行中の路面μは一定ではなく、刻々と変化するため、短時間で路面μを推定する必要がある。また直線回帰をする場合、一定以上のデータ数がなければ、得られた回帰係数の信頼性が劣る。そこで、単時間のサンプリング時間、たとえば数十ｍｓごとにデータをサンプリングし、このサンプリング時間で得られたばらつきの大きいデータを移動平均することにより、データの数を減らさずに、データのばらつきを小さくすることができる。
【００３１】
スリップ比については、
ＭＳ_n＝（Ｓ₁＋Ｓ₂＋・・・＋Ｓ_n）／Ｎ・・・（６）
ＭＳ_n+1＝（Ｓ₂＋Ｓ₃＋・・・＋Ｓ_n+1）／Ｎ・・・（７）
ＭＳ_n+2＝（Ｓ₃＋Ｓ₄＋・・・＋Ｓ_n+2）／Ｎ・・・（８）
車両の加減速度については、
ＭＡｆ_n＝（Ａｆ₁＋Ａｆ₂＋・・・＋Ａｆ_n）／Ｎ・・・（９）
ＭＡｆ_n+1＝（Ａｆ₂＋Ａｆ₃＋・・・＋Ａｆ_n+1）／Ｎ・・・（１０）
ＭＡｆ_n+2＝（Ａｆ₃＋Ａｆ₄＋・・・＋Ａｆ_n+2）／Ｎ・・・（１１）
【００３２】
▲６▼ついでスリップ比と車両の加減速度との互いの1次の回帰係数、すなわちスリップ比の車両の加減速度に対する回帰係数Ｋ１と車両の加減速度のスリップ比に対する回帰係数Ｋ２をそれぞれつぎの式（１２）、（１３）から求める。
【００３３】
【数１】

【００３４】
【表１】

【００３５】
また、相関係数Ｒは、
Ｒ＝Ｋ１×Ｋ２・・・（１４）
となる。
【００３６】
この相関係数は、設定値、たとえば０．６以上であれば、回帰係数Ｋ１の値を更新する。
【００３７】
ここで、スリップ比と車両の加減速度との関係というのは、一般的なタイヤと路面のμ−ｓ曲線と同じことで、タイヤと路面の関係（高μ状態Ｒ１、中μ状態Ｒ２、低μ状態Ｒ３）により図３のようになる。そして、前記回帰係数Ｋ１、Ｋ２とは、μ−ｓ曲線の勾配を求めたものである。このμ−ｓ曲線は、本来曲線であるが、実際の走行時に発生するスリップ比の範囲では、ほぼ直線となっている。すなわち、μ−ｓ曲線は、ｙ＝ａＸ＋ｂという方程式で表わすことができる。このときの係数ａが回帰係数（Ｋ１、Ｋ２）で、直線の勾配を意味している。ここで、ｙをスリップ比とするか、加速度とするかで、ａ＝Ｋ１であったりａ＝Ｋ２であったりする。本実施の形態では、ｙをスリップ比としてＫ１の値で路面μを判定している。もちろん回帰係数Ｋ２からも路面μを判定することもできる。
【００３８】
また、相関係数Ｒを求めている理由は、得られた回帰係数の値が適切であるか否かを判断するためである。すなわち、相関係数Ｒの値が大きい場合は、スリップ比と加速度のあいだに相関があり、得られた回帰係数は適切であるが、相関係数Ｒの値が小さい場合は、両者のあいだに相関がなく得られた回帰係数は不適切であるために、その値で路面μを判定しないようにする。
【００３９】
つぎに本発明を実施例に基づいて説明するが、本発明はかかる実施例のみに限定されるものではない。
【００４０】
【実施例】
本実施例では、回帰係数Ｋ１の値を摩擦係数の大きさの判定値として時系列で蓄積できるようにした。そしてタイヤ間の比較のために、基準タイヤで走行した際の回帰係数Ｋ１の値を基準値とし、その値との相対比較値を時系列のデータとして表示できるようにし、数値が大きいほど摩擦係数が高いことを示すようにした。
【００４１】
サーキットを１周したことの判別は、光電式のトリガ装置（ＰＩリサーチ社製のＰＩシステムに搭載されている光電式ビーコン装置）を用い、ピットウォールの特定の場所に取り付けた光電発信器と車両側に取り付けた受信機により、信号の授受を行なうようにした。
【００４２】
このことにより、各周回ごとの摩擦係数の大きさの判定値の時系列のデータが得られる。
【００４３】
つぎに鈴鹿サーキットを走行するレーシングカー（ポルシェ９９３ＲＳＲ）に装着し、つぎの３種類のスペックのタイヤＡ、Ｂ、Ｃについて、２０００年８月２５日の適正タイヤの選定を行なった。フロントタイヤのサイズは、２６０／６４０Ｒ１８ＳＬＩＣＫであり、リヤタイヤのサイズは、２９０／６７５Ｒ１８ＳＬＩＣＫである。
【００４４】
スペックＡ（基準タイヤＡ）；スペック名＝Ｄ１０（Ｈｓ＝５７＠ＲＴ）（タイヤの縦バネ常数はフロント側で３１４Ｎ／ｍｍであり、リヤ側で３４０Ｎ／ｍｍである）
スペックＢ（タイヤＢ）；コンパウンド変更オイル成分１５％増（Ｈｓ＝５１＠ＲＴ）
スペックＣ（タイヤＣ）；構造変更（ケース角１０度反ラジアル方向）（タイヤの縦バネ常数はフロント側で３３０Ｎ／ｍｍであり、リヤ側で３６０Ｎ／ｍｍである）
なお、車両セッティング条件はタイヤ評価中同一で、ガソリン量はタイヤ交換ごとに使用分を追加し、データ採取は連続走行した３ラップ目とした。
【００４５】
つぎに図４に示されるように、回転速度検出手段から出力される車輪速パルスに基づいて、車輪速度を取り込み、４０ｍｓごとの従動輪の平均車輪加減速度（車両の加減速度）および前後輪のスリップ比を計算した（スッテプＳ１、Ｓ２、Ｓ３）。ついで、従動輪の平均車輪加減速度および前後輪のスリップ比について、１秒分の２５個のデータを平均化し、サンプリング時間（４０ｍｓ）ごとに移動平均値として求めた（スッテプＳ４、Ｓ５）。そして移動平均された従動輪の平均車輪加減速度とスリップ比の５０個分のデータでスリップ比の従動輪の平均車輪加減速度に対する１次の回帰係数Ｋ１を演算した（スッテプＳ６）。さらに、このときの相関係数Ｒを演算し（ステップ７）、この相関係数Ｒが０．６以上であれば回帰係数Ｋ１の値を更新し、保持した。
【００４６】
ついでこの回帰係数Ｋ１の値を摩擦係数の大きさの判定値として時系列で蓄積し（ステップＳ８）、３種類のタイヤＡ、Ｂ、Ｃのうち、タイヤＡを基準タイヤとして周回の時系列のデータ（平均値）の相対比を演算した（ステップＳ９）。基準タイヤＡとタイヤＢ、Ｃとのデータを比較して、基準タイヤＡより摩擦係数が大きいか否かを判断する（ステップＳ１０、１１）。
【００４７】
前記タイヤＡ、Ｂ、Ｃで得られた摩擦係数の大きさの判定値の相対比（摩擦係数の判定値比）を図５に示す。図５から基準タイヤＡに対しコンパウンドを柔らかく変更したタイヤＢは、一部で交絡が見られるもののほとんどの部分で摩擦係数が高い。剛性を上げたタイヤＣはコースのすべてで摩擦係数が低く、良くないことがわかる。
【００４８】
このことにより、タイヤＢが最適であることが本実施例により客観的に評価できた。
【００４９】
さらに、各タイヤにおいて、連続周回ごとの各ラップの摩擦係数の大きさ（判定値）の推移を見れば、タイヤ性能の持続性の評価が行なえることは明らかである。
【００５０】
【発明の効果】
以上説明したとおり、本発明によれば、サーキットを走行するレーシングカーにおいて、種々のスペックのタイヤを装着した状態でのタイヤと路面のあいだの摩擦係数の大小を実走行状態から検出し、その摩擦係数の大小によって、路面を走行するのに適した最適なスペックのタイヤを選定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のタイヤ選定装置の一実施の形態を示すブロック図である。
【図２】図１におけるタイヤ選定装置の電気的構成を示すブロック図である。
【図３】路面μとスリップ比ｓとの関係を示す模式図である。
【図４】本実施の形態にかかわるフローチャートである。
【図５】タイヤの摩擦係数の判定値比と時間との関係を示す図である。
【符号の説明】
１回転速度検出手段
２制御ユニット
ＦＬ、ＦＲ、ＲＬ、ＲＲタイヤ

Claims

車両に装着されるタイヤと路面とのあいだの摩擦係数を検出する摩擦係数検出手段と、複数種類のタイヤを当該種類ごとに装着して路面を走行したときの摩擦係数に基づいて、当該路面を走行するのに適したタイヤを選定するタイヤ選定手段を備えてなるタイヤ選定装置であり、
前記摩擦係数検出手段が、車両の４輪のタイヤの回転速度を定期的に検出する回転速度検出手段と、該回転速度検出手段による測定値から、スリップ比を演算する第１演算手段と、該スリップ比と車両の加減速度との関係式を求める第２演算手段と、該第２演算手段により求められた関係式の傾きから摩擦係数を判定する判定手段からなるタイヤ選定装置。
前記判定手段が、前記関係式から１次の回帰係数と相関係数を求め、該相関係数の値が設定値以上の場合、前記関係式の傾きである１次の回帰係数の値で摩擦係数を判定する請求項１記載のタイヤ選定装置。
前記タイヤ選定手段が、前記１次の回帰係数の値を時系列のデータとして蓄積したのち、摩擦係数である１次の回帰係数の大小からタイヤを選定する請求項２記載のタイヤ選定装置。
車両の４輪のタイヤの回転速度を定期的に検出する測定値から、スリップ比を演算する工程と、該スリップ比と車両の加減速度との関係式を求める工程と、当該求められた関係式の傾きから、車両に装着されるタイヤと路面とのあいだの摩擦係数を判定する工程と、複数種類のタイヤを当該種類ごとに装着して路面を走行したときの摩擦係数に基づいて、当該路面を走行するのに適したタイヤを選定する工程を備えているタイヤ選定方法。
前記関係式を求めるに際し、移動平均されたスリップ比と車両の加減速度のデータを用いて、スリップ比と車両の加減速度との互いの１次の回帰係数と相関係数を求め、該相関係数の値が設定値以上の場合、前記関係式の傾きである１次の回帰係数の値で摩擦係数を判定する請求項４記載のタイヤ選定方法。
前記１次の回帰係数の値を時系列のデータとして蓄積したのち、摩擦係数である１次の回帰係数の大小からタイヤを選定する請求項５記載のタイヤ選定方法。
路面を走行するのに最適なタイヤを選定するためにコンピュータを、回転速度検出手段による測定値から、スリップ比を演算する第１演算手段、該スリップ比と車両の加減速度との関係式を求める第２演算手段、該第２演算手段により求められた関係式から１次の回帰係数と相関係数を求め、該相関係数の値が設定値以上の場合、前記関係式の傾きである１次の回帰係数の値で摩擦係数を判定する判定手段、前記１次の回帰係数の値を時系列のデータとして蓄積したのち、摩擦係数である１次の回帰係数の大小からタイヤを選定するタイヤ選定手段として機能させるためのタイヤの選定プログラム。