JP5303991B2 - 車輪入力測定装置および車輪入力測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、車輪に入力される力を、６分力計を用いて正確に検出することができる車輪入力測定装置および車輪入力測定方法に関する。

従来、車両の走行試験を行なうに当たって、車輪が路面から受ける力を６分力計と称される計測器を用いて測定することが広く行なわれている。６分力計は、下記特許文献１に示されているように、車輪に固定される本体と、本体の中心に同心状にかつ回転自在に支持されるスリップリングとを有している。前記本体のケーシングの内部には、多数の歪ゲージが貼り付けられており、歪ゲージが出力する信号によって、直交座標系の３軸（Ｘ、Ｙ、Ｚ）方向とこれら３軸を中心とする回転方向のモーメント（Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚ）との６分力（Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚ）を測定する。

６分力計を用いてホイールの回転位置を検出する装置及びホイールに作用する力を検出する装置としては下記特許文献２に記載されているようなものがある。引用文献２に記載されている発明は、回転位置検出装置がホイール回転部と非回転部の両方に取り付けられ、ホイールの回転位置を検出できるようにしたものである。

また、６分力計の測定精度を向上させるスリップリングの支持構造としては、下記特許文献３に示されているようなものがある。特許文献３に記載されている発明は、６分力計のスリップリングを、サスペンションのばね下に設けられホイールハブの回転に対して固定側となる車軸部材に連結支持させたものである。この支持構造によって、スリップリングの初期水平設定を容易に行ない、測定精度を向上させることができるようにしたものである。

さらに、車輪の姿勢角計測装置としては、下記特許文献４に示されているようなものがある。特許文献４に示されている発明は、車輪の回転軸上に配設された被拘束部材の回転だけを完全に拘束し、その他の動きを許容して車輪の姿勢角を精度良く計測できるようにしたものである。

また、車両の車軸試験装置に使用される荷重付与組立体としては、下記特許文献５に示されているようなものがある。特許文献５に示されている発明は、６分力計を車輪アダプタハウジングおよび車輪に取り付けることができるようにしたものである。６分力計はサスペンションの各軸線に対する加重を測定することができる。

そして、車両スピンドルの変位を計測するためのトランスジューサーとしては、下記特許文献６に示されているようなものがある。特許文献６に示されている発明は、複数の加速度計で計測された加速度を特定の座標系での変位を示す変位信号に変換するものである。
特許第３３６５０３４号明細書 特許第３４２６５６９号明細書 特開平７−２８６９１９号公報 特開平５−１２６５５８号公報 特表２００２−５４３４１７号公報 特表２００４−５２３７５０号公報

６分力計を用いてホイールに作用する力を正確に検出するためには、６分力計の３軸方向の傾きおよびその３軸を中心とした回転方向のモーメントを高精度で検出する必要がある。

しかしながら、上述した従来の技術では、引用文献２に示したように、非回転部はブレーキブラケットまたはアクスルで支持させている。このため、非回転部の位置は、サスペンションのストロークの影響およびハンドルの転舵によるアクスルハウジングの傾きの影響により一定ではなくなる。したがって、６分力計の入力軸が変動し、ホイールに作用する力を正確に検出することができなくなる。

また、上述した従来の技術では、引用文献３に示されているように、初期の水平設定は容易に行なうことができる。しかし、複雑な構造の治具が必要になり取り付け工数が増大する。アクスルハウジングにスリップリング支持具を取り付けた場合、アクスルハウジングの傾きがサスペンションのストロークによって変化する。また、治具を取り付けることでばね下重量が増加する。このため、６分力計の入力軸が変動し、また、ばね下重量が増加することから、ホイールに作用する力を正確に検出することができなくなる。

さらに、上述した従来の技術では、引用文献４に示されているように、複雑な構造の治具が必要になることから支持部材の取り付けに工数が増大する。また、計測できる車輪の姿勢角は車体に対しての座標系に基づくものになるため、車体がピッチングなどの動きをすると、その車体の動きに合わせて計測の座標が動いてしまう。したがって、その座標の動きが計測誤差となってしまう。

また、上述した従来の技術では、引用文献５に示されているように、６分力計はサスペンションの各軸線に対する加重を測定することができる。しかし、制動時や駆動時の入力、その他走行時の入力が、６分力計の入力軸の傾きが発生するような状態で正確に測定できない。

そして、上述した従来の技術では、引用文献６に示されているように、車両スピンドルの変位を特定の座標系における変位信号に変換することができる。しかし、制動時や駆動時の入力、その他走行時の入力が、６分力計の入力軸の傾きが発生するような状態で正確に測定できない。

本発明は、このような従来の技術の問題点を解消するためになされたものであり、６分力計を用いてホイールに作用する力を正確に検出することができる車輪入力測定装置および車輪入力測定方法の提供を目的とする。

上記目的を達成するための本発明に係る車輪入力測定装置は、車輪に入力される直交座標系の３軸（Ｘ、Ｙ、Ｚ）方向と当該３軸を中心とする回転方向のモーメント（Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚ）との６分力（Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚ）を測定する６分力計を有している。前記６分力計には、６分力計の対地座標系に対する傾斜角を検出する傾斜角センサと、前記６分力計の対地座標系に対する角速度を検出するジャイロセンサとが取り付けられる。補正手段は、前記傾斜角センサによって検出された前記６分力計の対地座標系に対する傾斜角と前記ジャイロセンサによって検出された前記６分力計の対地座標系に対する角速度とに基づいて、前記６分力計によって検出された前記車輪に入力された前記直交座標系の６分力を対地座標系に対する６分力に補正する。

上記目的を達成するための本発明に係る車輪入力測定方法では、まず、車輪に入力される直交座標系の３軸（Ｘ、Ｙ、Ｚ）方向と当該３軸を中心とする回転方向のモーメント（Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚ）との６分力（Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚ）を測定する６分力計を用意する。次に、前記６分力計の対地座標系に対する傾斜角を検出する傾斜角センサと前記６分力計の対地座標系に対する角速度を検出するジャイロセンサとを前記６分力計のスリップリングに取り付けられる支持部材に固定する。そして、前記傾斜角センサによって検出された前記６分力計の対地座標系に対する傾斜角と前記ジャイロセンサによって検出された前記６分力計の対地座標系に対する角速度とに基づいて、前記６分力計によって検出された前記車輪に入力された前記直交座標系の６分力を対地座標系に対する６分力に補正する。

本発明の車輪入力測定装置および車輪入力測定方法によれば、傾斜角センサとジャイロセンサで６分力計によって検出された直交座標系の６分力を対地座標系の６分力に補正することができる。このため、サスペンションのストロークの影響やハンドルの転舵によるアクスルハウジングの傾きの影響を受けることなく、車輪に入力される６分力を正確に測定することができる。

以下に、本発明に係る車輪入力測定装置および車輪入力測定方法を実施形態１と実施形態２に分けて詳細に説明する。
［実施形態１］
図１は車輪入力測定装置の概略構成図、図２はジャイロセンサの支持構造を示す図、図３は６分力計の取り付け構造を示す図、図４は６分力計の取り付け構造の分解斜視図である。

図１に示すように、６分力計は、車輪に固定される本体１０と、本体１０の中心に同心状にかつ回転自在に支持されるスリップリング２０とを有している。６分力計は、車輪に入力される直交座標系の３軸（Ｘ、Ｙ、Ｚ）方向と当該３軸を中心とする回転方向のモーメント（Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚ）との６分力（Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚ）を測定できるものである。６分力計は現在では一般的に用いられているものであり、その構成や作用は公知であるので、６分力計のここでの説明は省略する。

６分力計のスリップリング２０には６分力計アンプ３０が接続されている。６分力計アンプ３０は、６分力計の本体１０から出力される信号に基づいて車輪に入力される６分力を計測するものである。

６分力計のスリップリング２０の支持部材２５には傾斜角センサ４０とジャイロセンサ５０とが取り付けられる。傾斜角センサ４０は、６分力計の対地座標系に対する初めの傾斜角を検出する。つまり、６分力計の座標系が地面に対する座標系に対して初めにどの方向にどの程度傾いているのかをスリップリング２０、支持部材２５を介して検出する。また、ジャイロセンサ５０は、６分力計の対地座標系に対する初めからの角速度を検出する。つまり、６分力計の座標系が地面に対する座標系に対して初めの位置からどの方向にどの程度の角度を移動したのかをスリップリング２０、支持部材２５を介して検出する。

傾斜角センサ４０は、サーボ傾斜角センサ、静電容量傾斜角センサなど、支持部材２５に取り付けることができる程度の大きさの傾斜角センサであれば、どのようなタイプのものであっても使用可能である。また、ジャイロセンサ５０は、ガス型ジャイロセンサ、光学式ジャイロセンサなど、傾斜角センサ４０と同様に、支持部材２５に取り付けることができる程度の大きさのジャイロセンサであれば、どのようなタイプのものであっても使用可能である。

傾斜角センサ４０およびジャイロセンサ５０は、６分力計アンプ３０に接続されている。６分力計アンプ３０は、傾斜角センサ４０によって検出された６分力計の対地座標系に対する傾斜角とジャイロセンサ５０によって検出された６分力計の対地座標系に対する角速度とに基づいて、６分力計によって検出された本体１０に入力された直交座標系（６分力計の座標系）の６分力を対地座標系に対する６分力に補正する補正手段として機能する。つまり、補正手段は、６分力計から入力された６分力（Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚ）を、傾斜角センサ４０とジャイロセンサ５０とから入力した現時点の６分力計の傾き具合で補正する。

このように、傾斜角センサ４０とジャイロセンサ５０で６分力計によって検出された直交座標系の６分力を対地座標系の６分力に補正するので、サスペンションのストロークやハンドルの転舵によるアクスルハウジングの傾きなどのバネ下の影響を受けることなく、車体の動きとは無関係に、車輪に入力される６分力を正確に測定することができる。また、スリップリングをアクスル軸に固定するなど物理的固定点を持たないため、スリップリング支持構造が極めて単純であり、さらに、
また、傾斜角センサ４０とジャイロセンサ５０とを６分力計のスリップリング２０に取り付けられる支持部材２５に固定することによって、ばね下の重量を増加させることなくセンサの装着が可能となり、車輪に入力される６分力を正確に測定することができると共に、センサの取り付けのための工数を低減することができる。

図２はジャイロセンサ５０の支持構造を示す図である。ジャイロセンサ５０は支持部材２５に取り付けられ、計測が行なわれている期間中は常に振動にさらされることから、図２に示すような支持構造によって取り付けられる。すなわち、センサ取り付け治具５２上に、緩衝材５４、５６でサンドイッチ状に挟みん込んだジャイロセンサ５０を押さえ板５８を介して取り付ける。取り付けは、緩衝材５４、５６、押さえ板５８を貫通してセンサ取り付け治具５２に螺合するビス６０Ａ、６０Ｂを介して行なわれる。

緩衝材５４、５６を介してジャイロセンサ５０を支持部材２５に固定することによって、ジャイロセンサ５０の測定誤差要因となる振動を低減することができる。また、悪路の耐久試験など高衝撃環境下でも６分力の計測を行なうことができる。さらに、耐衝撃性の低い低コストのジャイロセンサ５０でも使用することができるようになる。

図３は６分力計の取り付け構造を示す図である。

６分力計の本体１０にはリムアダプター７０を介してタイヤ８０が取り付けられる。本体１０には支持部材２５を介してスリップリング２０が取り付けられる。支持部材２５上には傾斜角センサ４０とジャイロセンサ５０が取り付けられる。傾斜角センサ４０とジャイロセンサ５０は図示されるようにセンサ取り付け５２に取り付けられる。センサ取り付け治具５２に取り付けられた傾斜角センサ４０とジャイロセンサ５０を、これらを覆うアダプターに内蔵させるようにしても良い。アダプターに内蔵すると耐環境性を高めることができる。

支持部材２５は重力方向に対して伸縮自在な弾性体であるバネ１００Ａ、１００Ｂを介して車体に取り付けられる。バネ１００Ａ、１００Ｂは一方が支持部材２５に取り付けられるスプリング支持板１１０に、他方が吸盤１２０Ａ、１２０Ｂに支持されるスプリング支持板１３０にそれぞれ取り付けられる。

支持部材２５が重力方向に対して伸縮自在なバネ１００Ａ、１００Ｂを介して車体に取り付けられるようにすると、支持部材２５の取り付けを容易に行なうことができるようになる。また、支持部材２５が常に反重力方向に引き上げられているので、ジャイロセンサ５０の検出レンジを低減することができるようになる。

図４は６分力計の取り付け構造の分解斜視図である。６分力計の本体１０は、タイヤ８０が取り付けられたリムアダプター７０の中空部分にはめ込まれる。本体１０にはスリップリング２０を支持する支持部材２５が取り付けられる。本体１０と支持部材２５の取り付けは図示しないビスによって行なわれる。傾斜角センサ４０とジャイロセンサ５０はセンサ取り付け治具５２に取り付けられる。センサ取り付け治具５２は支持部材２５上に取り付けられる。スリップリング支持板１１０の両端部にはバネ１００Ａ、１００Ｂが取り付けられる。また、スプリング支持板１３０の両端には吸盤１２０Ａおよび１２０Ｂが取り付けられる。バネ１００Ａ、１００Ｂはスプリング支持板１３０に引っ掛けられ、バネ１００Ａ、１００Ｂが支持部材２５を反重力方向に引き上げるように作用する。吸盤１２０Ａおよび１２０Ｂは車体に取り付けられる。

このように、支持部材２５をバネ１００Ａ、１００Ｂによって取り付けるようにし、また、バネ１００Ａ、１００Ｂを吸盤によって車体のフェンダーに取り付けるようにすると、バネ１００Ａ、１００Ｂで取り付けた支持部材２５を、吸盤１２０Ａ、１２０Ｂを介して車体のフェンダーに取り付けるだけで計測が可能となるので、取り付けの工数が低減される。したがって、従来のように、スリップリングを固定するためのリンクを用いた複雑な治具などは不要であり、実験準備工数の低減が図れる。さらに、６分力計の初期位置の測定用に、傾斜角センサ４０を取り付けているので、計測開始時のスリップリング２０の角度を測定することができ、初期水平設定を容易に行なうことができるようになる。そして、初期位置からのスリップリング２０の角度の変化分をジャイロセンサ５０によって検出することによって、車体、バネ下も動きから完全に独立してスリップリング２０の動きを計測することができる。そして、ジャイロセンサ５０からリアルタイムに計測を行なっているので、車輪の入力に対して６分力をリアルタイムに補正することができる。

本発明のような構成を採用することによって、サスペンションのストロークによってアクスルハウジングが傾いて、車輪の入力軸の角度が変化しても、実験値としては、車体入力測定精度が４〜７％向上する。もちろん、アクスルハウジングの傾きに対しても補正をすることができるようになる。したがって、車輪の対地入力軸が車体の動きに対してどのように変化したとしても、正確な車輪の６分力を測定することができるようになる。
［実施形態２］
図５は車輪入力測定装置の概略構成図である。本実施形態の車輪入力測定装置は、図１の支持部材２５に代えてアダプター１５０と称されるリング状の部材を６分力計の本体１０に取り付けたものである。アダプター１５０には傾斜角センサ４０、ジャイロセンサ５０が取り付けられる。その他の各部品の作用については、図１に説明したものと同一であるので、ここでの説明は省略する。

図６は第１実施形態および第２実施形態の変形例を示す図である。この実施形態ではエンコーダにスリップリング支持部材１６０を取り付ける。スリップリング支持部材１６０の一方にはスリップリング支持部材１６０を車体に取り付けるための吸盤１２０Ｃが取り付けられている。

スリップリング２０にはエンコーダが内蔵されていて、このエンコーダによって６分力計の本体１０の傾きを測定することができるようになっている。つまり、スリップリング２０にエンコーダを取り付けてエンコーダの非回転部を車体にスリップリング支持部材１６０を介して固定することによって、車体に対する６分力計の本体１０の傾きを測定することが可能となる。

図７は、本発明に係る車輪入力測定方法の手順を説明するためのフローチャートである。

本発明に係る車輪入力測定方法では、まず６分力計を用意する。６分力計は、車輪に入力される直交座標系の３軸（Ｘ、Ｙ、Ｚ）方向と当該３軸を中心とする回転方向のモーメント（Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚ）との６分力（Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚ）を測定するために用いられる（Ｓ１）。

次に、傾斜角センサとジャイロセンサとを支持部材に固定する。傾斜角センサは６分力計の対地座標系に対する傾斜角を検出する。ジャイロセンサは６分力計の対地座標系に対する角速度を検出する。傾斜角センサとジャイロセンサは６分力計のスリップリングに取り付けられる支持部材に固定される（Ｓ２）。

そして、検出された傾斜角と角速度に基づいて、検出された６分力の座標を補正する。具体的には、傾斜角センサによって検出された前記６分力計の対地座標系に対する傾斜角とジャイロセンサによって検出された６分力計の対地座標系に対する角速度とに基づいて、６分力計によって検出された車輪に入力された直交座標系の６分力を対地座標系に対する６分力に補正する（Ｓ３）。

このような手順で補正を行なうと、傾斜角センサとジャイロセンサで６分力計によって検出された直交座標系の６分力を対地座標系の６分力に補正することができる。このため、サスペンションのストロークの影響やハンドルの転舵によるアクスルハウジングの傾きの影響を受けることなく、車輪に入力される６分力を正確に測定することができる。車輪が地面から受ける衝撃を正確に測定することが可能になる。

本発明に係る車輪入力測定装置および車輪入力測定方法を利用して、本発明に係る補正を行なった場合と補正を行なわなかった場合とを比較してみると、補正をしたデータの方が、より正確な値が得られることがわかった。

本発明は、車輪に入力される力を検出する装置に適用することができる。

車輪入力測定装置の実施形態１に係る概略構成図である。 ジャイロセンサの支持構造を示す図である。 ６分力計の取り付け構造を示す図である。 ６分力計の取り付け構造の分解斜視図である。 車輪入力測定装置の実施形態２に係る概略構成図である。 第１実施形態および第２実施形態の変形例を示す図である。 車輪入力測定方法の手順を示すフローチャートである。

符号の説明

１０ ６分力計の本体
２０ スリップリング
２５ 支持部材
３０ ６分力計アンプ
４０ 傾斜角センサ
５０ ジャイロセンサ
５２ センサ取り付け治具
５４ 緩衝材
５８ 押さえ板
６０Ａ、６０Ｂ ビス
７０ リムアダプター
８０ タイヤ
１００Ａ、１００Ｂ バネ
１１０、１３０ スプリング支持板
１２０Ａ、１２０Ｂ、１２０Ｃ 吸盤
１３０ スプリング支持板
１５０ アダプター
１６０ スリップリング支持部材

Claims (6)

1. 車輪に入力される直交座標系の３軸（Ｘ、Ｙ、Ｚ）方向と当該３軸を中心とする回転方向のモーメント（Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚ）との６分力（Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚ）を測定する６分力計と、
   前記６分力計の対地座標系に対する傾斜角を検出する傾斜角センサと、
   前記６分力計の対地座標系に対する角速度を検出するジャイロセンサと、
   前記傾斜角センサによって検出された前記６分力計の対地座標系に対する傾斜角と前記ジャイロセンサによって検出された前記６分力計の対地座標系に対する角速度とに基づいて、前記６分力計によって検出された前記車輪に入力された前記直交座標系の６分力を対地座標系に対する６分力に補正する補正手段と、
   を有することを特徴とする車輪入力測定装置。
2. 前記傾斜角センサと前記ジャイロセンサとは前記６分力計のスリップリングに取り付けられる支持部材に固定することを特徴とする請求項１に記載の車輪入力測定装置。
3. 前記ジャイロセンサは、前記支持部材からの振動を低減する緩衝材を介して前記支持部材に固定することを特徴とする請求項２に記載の車輪入力測定装置。
4. 前記傾斜角センサおよび前記ジャイロセンサは、タイヤが取り付けられたリムアダプターまたは前記６分力計の本体に取り付けたリング状の部材に内蔵することを特徴とする請求項２に記載の車輪入力測定装置。
5. 前記支持部材は、重力方向に対して伸縮自在な弾性体を介して車体に取り付けられることを特徴とする請求項２または３に記載の車輪入力測定装置。
6. 車輪に入力される直交座標系の３軸（Ｘ、Ｙ、Ｚ）方向と当該３軸を中心とする回転方向のモーメント（Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚ）との６分力（Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚ）を測定する６分力計を用意する段階と、
   前記６分力計の対地座標系に対する傾斜角を検出する傾斜角センサと前記６分力計の対地座標系に対する角速度を検出するジャイロセンサとを前記６分力計のスリップリングに取り付けられる支持部材に固定する段階と、
   前記傾斜角センサによって検出された前記６分力計の対地座標系に対する傾斜角と前記ジャイロセンサによって検出された前記６分力計の対地座標系に対する角速度とに基づいて、前記６分力計によって検出された前記車輪に入力された前記直交座標系の６分力を対地座標系に対する６分力に補正する段階と、
   を含むことを特徴とする車輪入力測定方法。

Images