JP5060506B2 - タイヤのころがり抵抗測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、広い意味でタイヤ試験装置に係り、特にタイヤのころがり抵抗測定装置に関するものである。

トラック、乗用自動車および他の車両用タイヤの性質および性能を測定するにあたり、重要な測定項目の一つとしてタイヤのころがり抵抗がある。タイヤのころがり抵抗は、タイヤと地面との間に作用する接線方向の力であり、タイヤ試験装置において試験用タイヤと走行ドラム等に形成された走行模擬路面との間に接線方向に作用する力Ｆｘ（押し付け荷重Ｆｚを変化させた際のころがり抵抗力Ｆｘの変化）として計測される。
ころがり抵抗力Ｆｘは、一定の回転速度で回転させた走行ドラムにタイヤを押し付けた際に計測される走行ドラムの回転トルクを計測し、この計測された回転トルクを走行ドラムの半径で割ることにより求めることができる。しかし、このようにして得られたころがり抵抗力Ｆｘ’は、走行模擬路面を走行する際に発生する真のころがり抵抗力Ｆｘでない可能性が高い。なぜならば、走行ドラムの軸受には回転摩擦が必ず存在し、計測された回転トルクにも軸受の回転摩擦に由来するトルク（以下、回転摩擦トルクという）が加わっているからである。

そこで、このような走行ドラムの回転摩擦トルクを計測された回転トルクから変換行列を用いたデジタル演算補正により除去して真のころがり抵抗力Ｆｘを算出する方法（例えば、特許文献１）や、走行ドラムの軸受に回転摩擦の小さい流体軸受を用いて真のころがり抵抗力Ｆｘを求める方法（例えば、特許文献２）が提案されている。

特開２００３−４５９８号公報 特公平５−５４０５８号公報

しかしながら、走行ドラムの回転摩擦トルクは、軸受の温度上昇や経年劣化等で変化するものであり、正確に測定又は計算できるものではない。それゆえ、特許文献１のように回転摩擦トルクを正確に予測して、計測された回転トルクに対する走行ドラムの回転摩擦トルクの影響を完全に排除した状態で真のころがり抵抗力Ｆｘを算出することは困難である。
一方、特許文献２のように流体軸受を用いた場合には、流体軸受は設備の構造が複雑であり価格も高いので、ころがり抵抗測定装置の価格を高騰させやすいという問題がある。

本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、簡単な構造でありながら回転トルクに対する走行ドラムの回転摩擦トルクの影響を排除して、ころがり抵抗Ｆｘを正確に計測することができるタイヤのころがり抵抗測定装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明は次の技術的手段を講じている。
即ち、本発明のタイヤのころがり抵抗測定装置は、水平軸心回りに駆動回転する走行ドラムと、該走行ドラムに形成された走行模擬路面にタイヤが押し付けられた際に前記走行ドラムの回転トルクを計測することにより、該タイヤのころがり抵抗を測定するころがり抵抗計測手段とを有するころがり抵抗測定装置において、前記走行模擬路面に高圧空気を噴出させて前記走行ドラムに加わる荷重を低減させる荷重低減手段が配備されていることを特徴とするものである。

発明者らは、走行ドラムの自重や押し付け荷重が軸受に加わらないようにすれば走行ドラムの軸受に回転摩擦が発生し難くなってころがり抵抗計測手段で計測される回転トルクに回転摩擦トルクが影響しなくなるのではないかと考えた。そして、走行模擬路面に高圧空気を噴出させて走行ドラムの軸受に加わる荷重を低減させることにより、ころがり抵抗力を精度良く計測することを知見して本発明を完成させたのである。
それゆえ、上述のタイヤのころがり抵抗測定装置においては、回転トルクに対する回転摩擦トルクの影響を排除して、ころがり抵抗を正確に計測することができる。

なお、前記走行ドラムに対してタイヤを上方から押しつける構成とされている場合には、前記荷重低減手段は、前記走行ドラムの下方側に配備されているとよい。
また、前記走行ドラムに対してタイヤを水平方向に押しつける構成とされている場合は、前記荷重低減手段は、前記走行ドラムの下方側と走行ドラムを挟んで前記タイヤとは反対側とに設けられているとよい。
前記荷重低減手段は、前記走行模擬路面に沿って且つ走行模擬路面から隙間をあけるように配備された壁面部と、当該壁面部に形成された複数の空気孔と、を備えており、前記空気孔から高圧空気が噴出するように構成されているとよい。

前記走行ドラムの軸受には、当該走行ドラムの軸心に加わる荷重を計測する荷重計測部が設けられており、前記荷重低減手段は、前記荷重計測部で計測される鉛直方向及び／又は前記タイヤの押し付け方向の荷重がそれぞれ最小となるように前記高圧空気の圧力を調整する構成を採用することは非常に好ましい。
前記荷重低減手段は、前記ころがり抵抗計測手段で計測される走行ドラムの回転トルクが最小となるように、前記高圧空気の圧力を調整するようにしてもよい。

本発明のタイヤのころがり抵抗測定装置により、回転トルクに対する走行ドラムの回転摩擦トルクの影響を排除して、ころがり抵抗を正確に計測することができる。

第１実施形態のころがり抵抗測定装置の正面図及び側面図である。 第２実施形態のころがり抵抗測定装置の正面図及び側面図である。 第２実施形態のころがり抵抗測定装置の制御ブロックを示した図である。 第２実施形態のころがり抵抗測定装置の制御ブロックの別例を示した図である。

以下、本発明のタイヤのころがり抵抗測定装置（以下、単に装置１という）を図面に基づき説明する。
図１（ａ）及び図１（ｂ）に示されるように、本発明の装置１は、タイヤＴを回転自在に支持するスピンドル軸２と、このスピンドル軸２の下方に配備される円筒状又は円柱状の走行ドラム３とを備えている。走行ドラム３の外周面にはタイヤＴを走行させる走行模擬路面４が形成されており、またスピンドル軸２は、走行ドラム３の上方側に配備され、上下方向（鉛直方向）に昇降自在して走行ドラム３に形成された走行模擬路面４にタイヤＴを押し付けられるようになっている。

また、装置１には、走行ドラム３の回転トルクを計測するころがり抵抗計測手段５（トルク計）が設けられており、ころがり抵抗計測手段５で走行ドラム３の回転トルクを計測することによりタイヤＴのころがり抵抗力Ｆｘを測定することができる構成となっている。
以下の説明において、図１（ａ）の上下を装置１を説明する際の上下、図１（ａ）の左右を装置１を説明する際の左右とする。また、図１（ｂ）の左右を装置１を説明する際の前後とする。

走行ドラム３は、水平軸心回りに回転する円筒状又は円柱状に形成されており、その外周面にはタイヤＴを走行させるための走行模擬路面４が形成されている。走行ドラム３には水平方向に沿って設けられた軸部６が備えられており、この軸部６は軸受７で回転自在に支持されている。走行ドラム３の軸部６には駆動モータ８が連結されており、駆動モータ８により走行ドラム３を所定の速度で回転できるようになっている。
上述の構成を備えた装置１でころがり抵抗力Ｆｘを計測する場合は、スピンドル軸２に装着されたタイヤＴを鉛直下方に向かって移動させ、駆動モータ８により回転している走行ドラム３の走行模擬路面４に押し付けると、タイヤＴの押し付け方向と垂直な方向（タイヤＴおよび回転ドラムの接線方向、図例では左右方向）にころがり抵抗力Ｆｘが発生する。ころがり抵抗力Ｆｘはころがり抵抗計測手段５で計測される走行ドラム３の回転トルクに重畳するため、計測された走行ドラム３の回転トルクより求めることができる。

ところが、上述のように走行ドラム３の回転トルクは軸受７の温度上昇や経年劣化等で変化し、これを計算で正確に求めることはできない。それゆえ、走行ドラム３の回転トルクからころがり抵抗力Ｆｘを正確に算出することは困難である。
そこで、本発明の装置１では、走行模擬路面４に高圧空気を噴出させて走行ドラム３の軸受７に加わる鉛直方向の荷重（自重）を低減させる荷重低減手段９を配備し、この荷重低減手段９により走行ドラム３の自重が軸受７に加わらないようにしている。このように走行ドラム３の自重が軸受７に加わらないようにすれば、軸受７で発生する回転摩擦トルクを極力抑えることができ、ころがり抵抗計測手段５で計測される走行ドラム３の回転トルクに対する回転摩擦トルクの影響を排除することができ、ころがり抵抗力Ｆｘを精度良く計測することができる。

具体的には、第１実施形態の荷重低減手段９は以下に説明するような構成を備えている。
荷重低減手段９は、その内部が中空とされたタンク構造とされており、供給配管１０を通じて図示しないコンプレッサなどから高圧空気を供給することで、内部に高圧空気を蓄えられるようになっている。荷重低減手段９の上面は壁面部１１とされている。
壁面部１１は、下方に向かって凸状に湾曲する曲面状に形成されており、走行模擬路面４に沿った形状とされている。また、壁面部１１は、走行模擬路面４の下方側であって、走行模擬路面４からの距離が周方向のどの位置でも等しくなるように配備されている。すなわち、壁面部１１は走行模擬路面４から一定の隙間をあけて配備されている。

壁面部１１と走行模擬路面４との間に形成された隙間は、低い空気圧で走行ドラム３の支持できるように狭くする（例えば、１ｍｍ以下）ほど良い。
壁面部１１は、走行ドラム３の軸心を挟んで右側と左側とが対称になるように配備されており、その左右長さが同じとなるように設定されている。また壁面部１１には荷重低減手段９の内外を連通する複数の空気孔１２が備えられている。
空気孔１２は、荷重低減手段９の内部に蓄えられた高圧空気を走行模擬路面４に向かって噴出させることができるようになっている。空気孔１２は、走行模擬路面４側の壁面部１１に形成された有底のポケット１３（座ぐり）と、このポケット１３の底部に形成されると共にポケット１３より小径に形成された細孔１４とからなる。ポケット１３は走行模擬路面４側に向かって開口しており、このポケット１３の底面に形成される細孔１４は荷重低減手段９の内側（タンク側）に向かって開口しており、荷重低減手段９内の高圧空気を荷重低減手段９の外部に導けるようになっている。

複数の空気孔１２は壁面部１１上面に等間隔をあけて均等に配設されており、また空気孔１２のポケット１３や細孔１４はどの空気孔１２でも同じサイズとなるように形成されている。それゆえ、荷重低減手段９の内部に高圧空気を送り込むことにより、各空気孔１２から同じ流速で同量の空気が走行模擬路面４に向かって噴出される。
このように走行ドラム３の外周面に形成された走行模擬路面４に直接高圧空気を噴出する荷重低減手段９を用いれば、流体軸受の場合のように小径なドラム軸に空気を噴き付けるのに比べて、高圧空気が噴き付けられる面積をより大面積とすることが可能となる。それゆえ、流体軸受に比べて高圧空気の圧力を下げることが可能となり、耐圧などのための複雑な構造が必要なくなって、簡単で安価な構造でありながら回転トルクに対する走行ドラム３の回転摩擦トルクの影響を排除することが可能となる。

次に、上述の装置１を用いたタイヤＴのころがり抵抗力Ｆｘ測定方法について説明する。
例えば、所定の押し付け荷重Ｆｚにおいて、タイヤＴのころがり抵抗力Ｆｘを測定する際には、まず、走行ドラム３を回転させ、タイヤＴを走行模擬路面４に上方から押し付けるようにする。その状態で、高圧空気を荷重低減手段９の内部に供給し、空気孔１２から高圧空気を噴出させる。このとき荷重低減手段９の内部に蓄えられた高圧空気の空気圧を徐々に大きくすれば、噴出された高圧空気の勢いが大きくなり、走行ドラム３の自重ならびにタイヤＴの押し付け荷重がキャンセルされて、軸受７に作用する回転摩擦トルクが小さくなり、ころがり抵抗計測手段５で計測される走行ドラム３の回転トルクが徐々に小さくなる。

荷重低減手段９が作動していない状況下では、ころがり抵抗計測手段５で計測される走行ドラム３の回転トルクは「回転摩擦トルク＋タイヤ転がり抵抗によるモーメント」であるが、高圧空気の空気圧を徐々に大きくし走行ドラム３を浮上させるようにすれば、走行ドラム３の軸受７に発生する回転摩擦トルクの値を略０とすることができ、「計測される回転トルク≒タイヤ転がり抵抗によるモーメント」となって、走行ドラム３の回転トルクに対する回転摩擦トルクの影響を排除することができる。それゆえ、走行ドラム３の回転トルクからタイヤＴのころがり抵抗力Ｆｘを精度良く求めることができる。
「第２実施形態」
次に、第２実施形態のタイヤのころがり抵抗測定装置について説明する。

図２に示されるように、第２実施形態の装置１が第１実施形態と異なっている点は、装置１が走行ドラム３に対してタイヤＴを水平方向に押しつける構成とされており、水平方向に作用するタイヤＴの押し付け荷重Ｆｚと鉛直方向に作用する走行ドラム３の自重との合成荷重が傾斜方向に走行ドラム３の軸受７に作用している点である。つまり、第２実施形態では鉛直方向の荷重に加えて水平方向の荷重を低減する必要がある。
そのため、第２実施形態の装置１では、空気孔１２が走行ドラム３の下方の外周面に対面する壁面部１１（以下、第１の壁面部２１という）と走行ドラム３を挟んでタイヤＴとは反対側の外周面に対面する壁面部１１（以下、第２の壁面部１７という）との少なくとも２つが設けられており、各壁面部１１から噴出される高圧空気の圧力を独立して調整する荷重低減手段９が備えられている。

詳しくは、図３に示されるように、第２実施形態の荷重低減手段９は、第１実施形態と同様な構成を備えた第１の荷重低減手段９ａと、この第１の荷重低減手段９ａの右側に隣接して配備される第２の荷重低減手段９ｂとを備えている。そして、第１の荷重低減手段９ａ及び第２の荷重低減手段９ｂのそれぞれから噴出される高圧空気の圧力をそれぞれ調整する制御部１６を備えている。
第２の荷重低減手段９ｂは、第１の荷重低減手段９ａと同様に内部が中空とされたタンク構造を備えており、その上面には第２の壁面部１７が形成されている。そして、この第２の壁面部１７には第１の壁面部２１と同様に高圧空気を噴出する複数の空気孔１２が形成されている。

第２の荷重低減手段９ｂの空気孔１２は、噴出される高圧空気の向きがタイヤＴ押し付け方向とほぼ反対方向に向いており、走行ドラム３をタイヤＴ押し付け方向とは反対方向に向かって押し返せるように構成されている。それゆえ、第１の壁面部２１の空気孔１２から噴出される高圧空気の圧力と第２の壁面部１７の空気孔１２から噴出される高圧空気の圧力とをそれぞれ調整することにより、上述の押し付け荷重Ｆｚと走行ドラム３の自重とをそれぞれ打ち消すことができる。
さらに、走行ドラム３の軸部６に設けられた左右一対の軸受７には、それぞれロードセル１８（荷重計測部）が取り付けられている。このロードセル１８は、走行ドラム３の軸受７に作用する垂直方向の力成分と水平方向の力成分と計測される。

制御部１６は、ロードセル１８から出力される電圧信号を基に鉛直方向及び水平方向の荷重を計算する荷重計算部１９と、荷重計算部１９で計算された鉛直方向及び水平方向の荷重に基づいて第１の荷重低減手段９ａと第２の荷重低減手段９ｂとの空気圧を独立に調整可能なコントローラ２０と、を備えており、コンピュータなどで構成されている。
すなわち、図３の制御部１６は、第１実施形態で例示したように走行ドラム３の回転トルクに基づいて空気圧を調整するものではなく、ロードセル１８で計測される鉛直方向及び水平方向の荷重に基づいて空気圧を調整する構成となっている。

次に、制御部１６で行われる処理、言い換えれば第２実施形態のころがり抵抗計測方法を説明する。
図３に示されるように、第２実施形態の装置１を用いてタイヤＴのころがり抵抗力Ｆｘを測定する際には、第１実施形態と同様に、走行ドラム３を回転させ、タイヤＴを走行模擬路面４に上方から押し付けるようにする。ロードセル１８で計測される垂直方向の荷重と水平方向の荷重とがそれぞれ０又は最小になるようにフィードバック制御を行って、第１の荷重低減手段９ａに蓄えられた高圧空気の空気圧と第２の荷重低減手段９ｂに蓄えられた高圧空気の空気圧とを個別に調整する。このようにすれば、水平方向に作用するタイヤＴの押し付け荷重Ｆｚと鉛直方向に作用する走行ドラム３の自重とがそれぞれ最小又は０となる。

第１の荷重低減手段９ａ及び第２の荷重低減手段９ｂの空気圧を調整した状態で、ころがり抵抗計測手段５によりころがり抵抗力Ｆｘを計測すれば、走行ドラム３の自重とタイヤＴによる押し付け荷重Ｆｚとがそれぞれ走行ドラム３の軸受７に加わらないので、軸受７に発生する回転摩擦トルクによる影響を排除してころがり抵抗力Ｆｘを精度良く計測することができる。
なお、走行ドラム３の軸受７にロードセル１８を配備し、このロードセル１８で計測される鉛直方向の荷重と水平方向の荷重とがそれぞれ０又は最小になるように、荷重低減手段９を制御する方法は、前述した第１実施形態の装置にも適用可能である。

逆に、第１実施形態で行っていた荷重低減手段９の制御手法を第２実施形態の装置１に適用することも可能である。つまり、走行ドラム３の回転トルクをころがり抵抗計測手段５で計測しておき、計測された走行ドラム３の回転トルクに基づいてタイヤＴの押し付け荷重Ｆｚと走行ドラム３の自重とを低減して（第１の荷重低減手段９ａ、第２の荷重低減手段９ｂからの高圧空気の噴出量をコントロールして）、ころがり抵抗力Ｆｘを精度良く計測することもできる。
例えば、図４に示されるように、壁面部１１の空気孔１２から高圧空気が噴出されないように第２の荷重低減手段９ｂの内部に蓄えられた高圧空気の圧力を０とした状態で、まず最小値評価部２２で評価される走行ドラム３の回転トルクが最小になるように第１の荷重低減手段９ａの内部に蓄えられる高圧空気の圧力をコントローラ２０（制御部１６）で調整する。そして、走行ドラム３の回転トルクが最小になる第１の荷重低減手段９ａの最適空気圧が求められたら、次に第１の荷重低減手段９ａの内部に蓄えられた圧力を最適空気圧とした状態で、最小値評価部２２で評価される走行ドラム３の回転トルクが最小になるように第２の荷重低減手段９ｂの内部に蓄えられる高圧空気の圧力をコントローラ２０（制御部１６）で調整する。

こうすることでも、軸受７に発生する回転摩擦トルクによる影響を排除してころがり抵抗力Ｆｘを精度良く計測することができる。
本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、発明の本質を変更しない範囲で各部材の形状、構造、材質、組み合わせなどを適宜変更可能である。

１ 装置（ころがり抵抗測定装置）
２ スピンドル軸
３ 走行ドラム
４ 走行模擬路面
５ ころがり抵抗計測手段
６ 軸部
７ 軸受
８ 駆動モータ
９ 荷重低減手段
９ａ 第１の荷重低減手段
９ｂ 第２の荷重低減手段
１０ 供給配管
１１ 壁面部
１２ 空気孔
１３ ポケット
１４ 細孔
１６ 制御部
１７ 第２の壁面部
１８ 荷重計測部（ロードセル）
１９ 荷重計算部
２０ コントローラ
２１ 第１の壁面部
２２ 最小値評価部
Ｆｘ ころがり抵抗力
Ｆｚ 押し付け荷重
Ｔ タイヤ

Claims (6)

1. 水平軸心回りに駆動回転する走行ドラムと、該走行ドラムに形成された走行模擬路面にタイヤが押し付けられた際に前記走行ドラムの回転トルクを計測することにより、該タイヤのころがり抵抗を測定するころがり抵抗計測手段とを有するころがり抵抗測定装置において、
   前記走行模擬路面に高圧空気を噴出させて前記走行ドラムに加わる荷重を低減させる荷重低減手段が配備されていることを特徴とするタイヤのころがり抵抗測定装置。
2. 前記走行ドラムに対してタイヤを上方から押しつける構成とされており、
   前記荷重低減手段は、前記走行ドラムの下方側に配備されていることを特徴とする請求項１に記載のタイヤのころがり抵抗測定装置。
3. 前記走行ドラムに対してタイヤを水平方向に押しつける構成とされており、
   前記荷重低減手段は、前記走行ドラムの下方側と走行ドラムを挟んで前記タイヤとは反対側とに設けられていることを特徴とする請求項１に記載のタイヤのころがり抵抗測定装置。
4. 前記荷重低減手段は、前記走行模擬路面に沿って且つ走行模擬路面から隙間をあけるように配備された壁面部と、当該壁面部に形成された複数の空気孔と、を備えており、前記空気孔から高圧空気が噴出するように構成されていることを特徴とする請求項２又は３に記載のタイヤのころがり抵抗測定装置。
5. 前記走行ドラムの軸受には、当該走行ドラムの軸心に加わる荷重を計測する荷重計測部が設けられており、
   前記荷重低減手段は、前記荷重計測部で計測される鉛直方向及び／又はタイヤの押し付け方向の荷重がそれぞれ最小となるように前記高圧空気の圧力を調整することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のタイヤのころがり抵抗測定装置。
6. 前記荷重低減手段は、前記ころがり抵抗計測手段で計測される走行ドラムの回転トルクが最小となるように、前記高圧空気の圧力を調整することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のタイヤのころがり抵抗測定装置。

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