JP5414564B2 - タイヤ試験装置 - Google Patents

Description

本発明は、タイヤの各種特性の試験に用いられるタイヤ試験装置に関するものである。

タイヤ試験装置としては、モータによって回転するローラと、回転可能に軸受されたスピンドルと、スピンドルに加わるトルクを検出するロードセルとを備え、スピンドルに固定したタイヤをローラの周面に圧接させてローラと共に回転させながらロードセルで検出したトルクに基づいて、タイヤの転がり抵抗を計測する装置が知られている（たとえば、特許文献１）。

また、一本の油圧サーボシリンダを用いて自動車のサスペンションを模擬し、実車におけるタイヤの路面への圧接を模擬するように、タイヤをローラの周面に圧接する技術も知られている（たとえば、特許文献２）。

特開２００４-００４５９８号公報 特開平０５-５６７７号公報

一般的に、油圧サーボシリンダにおいて高圧力（出力）と高速度はトレードオフの関係にあるため、上述した、一本の油圧サーボシリンダを用いて自動車のサスペンションを模擬する技術によれば、自動車の重量による大きな荷重と、当該荷重の自動車の挙動変化による高速な変動の双方を精度良く模擬することが困難であった。

そこで、本発明は、タイヤ試験装置において、自動車の重量による大きな荷重と、当該荷重の自動車の挙動変化による高速な変動の双方を精度良く模擬することを課題とする。

前記課題達成のために、本発明は、タイヤの試験に用いられる、周面に前記タイヤが圧接されるローラを備えたタイヤ試験装置に、前記タイヤに対して、前記ローラの径方向の力を加える第１シリンダと、前記タイヤに対して、前記ローラの径方向の力を加える第２シリンダと、前記第１シリンダと第２シリンダを制御するシリンダ制御部とを備えたものである。ここで、前記第１シリンダは前記第２シリンダよりも出力が大きく、前記第２シリンダは前記第１シリンダよりも高速な応答性を備え、前記シリンダ制御部は、前記第１シリンダを制御して、当該第１シリンダによって、前記タイヤに、仮想した車両の静状態における前記タイヤの軸重の相当分の力を加えると共に、前記第２シリンダを制御して、当該第２シリンダによって、前記タイヤに、前記仮想した車両の動状態における前記タイヤの軸重の前記静状態からの変動量相当分の力を加えるものである。

このようなタイヤ試験装置によれば、高出力であるが低速度で応答性の低い第１シリンダを用いて車両が静止状態にあるときの軸重を模擬し、高速度で応答性が高いが低圧力の第２シリンダを用いて、車両の挙動の変化による軸重の静止状態からの変動を模擬するので、実際に走行する車両においてタイヤに加わる大きな軸重を、当該軸重の高速な変動分を含め、より正確に精度良く模擬することができるようになる。

ここで、このようなタイヤ試験装置は、前記タイヤを支持する、前記ローラに対して遠近する方向に移動可能なステージを備え、前記第１シリンダと前記第２シリンダは、前記ステージに対して、前記ローラに対して遠近する方向の力を加えることにより、前記タイヤに対して、前記ローラの径方向の力を加えるものとしてもよい。

また、このようなタイヤ試験装置は、前記シリンダ制御部を、前記仮想した車両の動状態における前記タイヤの軸重の前記静状態からの変動量を、前記仮想した車両の所定の運動モデルに、前記ローラの周速度の加速度を前記仮想した車両の加速度として適用して算出するものとしてもよい。

また、このようなタイヤ試験装置において、前記第１のシリンダと前記第２のシリンダはエアシリンダであってよい。また、この場合には、前記シリンダ制御部は、前記タイヤの軸重と前記タイヤに当該軸重相当分の力を加える前記第１シリンダの空気圧との関係を表す第１テーブルを用いて、前記第１シリンダの空気圧が、前記仮想した車両の静状態における前記タイヤの軸重の相当分の力を加える空気圧となるように、前記第１シリンダを制御し、前記タイヤの軸重の変動量と前記タイヤに当該変動量相当分の力を加える前記第２シリンダの空気圧との関係を表す第２テーブルを用いて、前記第２シリンダの空気圧が、前記仮想した車両の動状態における前記タイヤの軸重の前記静状態からの変動量相当分の力を加える空気圧となるように、前記第２シリンダを制御するものとしてもよい。

以上のように本発明によれば、タイヤ試験器において、自動車の重量による大きな荷重と、当該荷重の自動車の挙動変化による高速な変動の双方を精度良く模擬することができる。

本発明の実施形態に係るタイヤ試験装置の構成を示す図である。 本発明の実施形態に係るタイヤ試験装置のシリンダの動作を示す図である。 本発明の実施形態に係るタイヤ試験装置の制御部の構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態に係る軸重算出部の動作を示す図である。 シリンダ駆動部の構成を示すブロック図である。

以下、本発明の実施形態について説明する。
図１ａ１-ａ４に、本実施形態に係るタイヤ試験装置の構成を示す。
ここで、図１ａ４はタイヤ試験装置の斜視図であり、図１ａ４中に示すように上下前後左右を定義するものとして、図１ａ１はタイヤ試験装置を右方より見たようすを、図１ａ２はタイヤ試験装置を上方より見たようすを、図１ａ３はタイヤ試験装置を左方より見たようすを表している。

図示するように、タイヤ試験装置は、ベース１、ローラ２、ローラ２に連結されたローラシャフト３、ローラシャフト３を回動可能に支持する、ベース１に固定されたローラシャフト軸受４、ローラシャフト３に加わる軸回り（捻れ方向）のトルクを検出するローラ軸トルク計５、ローラシャフト３の回転速度を検出するローラ回転計６、ローラシャフト３に固定されたローラ用プーリ７、ベース１に固定されたローラモータ８、ローラモータ８の回転軸に固定されたローラモータプーリ９とローラ用プーリ７とに巻回されたローラ用ベルト１０とを備えている。そして、このような構成によって、ローラモータ８の発生トルクがローラ２に伝達され、ローラモータ８の回転に伴いローラ２が回転するようになっている。

また、タイヤ試験装置は、二本のガイドシャフト１１によりベース１に対する前後方向に移動が案内される、空気圧により浮遊せしめたステージ１２を備えている。
そして、ステージ１２上には、被試験体であるタイヤ５０が一端に固定されるタイヤシャフト１３、タイヤシャフト１３を回動可能に支持する、ステージ１２に固定されたタイヤシャフト軸受１４、タイヤシャフト１３に加わる軸回り（捻れ方向）のトルクを検出するタイヤ軸トルク計１５、タイヤシャフト１３の回転速度を検出するタイヤ回転計１６、タイヤシャフト１３に固定されたタイヤ用プーリ１７、ステージ１２に固定されたタイヤモータ１８、タイヤモータ１８の回転軸に固定されたタイヤモータプーリ１９とタイヤ用プーリ１７とに巻回されたタイヤ用ベルト２０とを備えている。そして、このような構成によって、タイヤモータ１８の発生トルクがタイヤ５０に伝達され、タイヤモータ１８の回転に伴いタイヤ５０が回転するようになっている。

また、タイヤ試験装置は、図２ａに示すように、ベース１の内部に静荷重シリンダ３１と、動荷重シリンダ３２とを備えている。ここで、静荷重シリンダ３１と動荷重シリンダ３２は、共にエアシリンダであり、静荷重シリンダ３１としては、動荷重シリンダ３２に比べ高圧力（高出力）であるが低速度で応答性の低いエアシリンダを、動荷重シリンダ３２としては、静荷重シリンダ３１に比べ高速度で応答性が高いが、低圧力（低出力）のエアシリンダを用いる。

そして、静荷重シリンダ３１の先端は、ステージ１２の下部に固定されたロードセル３３に連結されている。また、動荷重シリンダ３２の先端も、ステージ１２の下部に固定されたロードセル３３に連結されている。
また、静荷重シリンダ３１の先端のロードセル３３への連結位置と、動荷重シリンダ３２の先端のステージ１２のロードセル３３への連結位置とは、これらシリンダによる力がステージ１２を回転させる力となることが抑制されるように、間にロードセル３３を挟んで対向した位置となっている。

そして、このような構成において、静荷重シリンダ３１と動荷重シリンダ３２とを駆動することにより、ロードセル３３を介してステージ１２を押し引きして、図２ｂ１、ｂ２に示すようにステージ１２をベース１に対して前後方向に移動して、タイヤ５０の周面をローラ２の周面に任意の力で押しつけて圧接することができるようになっている。また、この際に、静荷重シリンダ３１と動荷重シリンダ３２とによってステージ１２に加えられる前後方向の力がロードセル３３によって検出可能となっている。

ここで、このような構成によれば、静荷重シリンダ３１と動荷重シリンダ３２によって、タイヤ５０の周面をローラ２の周面に任意の力で圧接した状態で、タイヤモータ１８とローラモータ８との発生トルクを制御することにより、タイヤ５０を所望の車速相当の回転速度で、所望の負荷を与えながら回転することができるようになる。

さて、このようなローラモータ８やタイヤモータ１８や静荷重シリンダ３１や動荷重シリンダ３２の制御や、タイヤ５０の各種特性の測定を行うために、タイヤ試験装置は、図１においては図示を省略した制御部を備えている。また、静荷重シリンダ３１や動荷重シリンダ３２を駆動するための、図１においては図示を省略したシリンダ駆動部３００も備えている。

図３に、この制御部の構成を示す。
図示するように、制御部２００は、タイヤ回転速度換算部２０１、第１加算器２０２、タイヤＰＩＤ制御部２０３、駆動力算出部２０４、走行抵抗算出部２０５、ローラＰＩＤ制御部２０６、仮想駆動力算出部２０７、軸重算出部２０８、静荷重圧力制御部２０９、動荷重圧力制御部２１０、測定部２２０とを備えている。

このような構成において、測定部２２０は、ローラ回転計６が出力するローラ２の回転速度や、タイヤ回転計１６が出力するタイヤ５０の回転速度や、ローラ軸トルク計５が出力するローラシャフト３の軸トルクや、タイヤ軸トルク計１５が出力するタイヤシャフト１３の軸トルクに応じてタイヤ５０のタイヤ損失その他の各種特性を測定する。

一方、タイヤ回転速度換算部２０１は、各時点において、予め定めた車速スケジュール２５０が規定する現時点の目標車速を求めると共に、求めた目標車速をタイヤ５０の回転速度に換算し、タイヤ目標回転速度として出力する。第１加算器２０２は、タイヤ目標回転速度とタイヤ回転計１６が出力するタイヤ５０の回転速度との差分を求めて出力し、タイヤＰＩＤ制御部２０３は、ＰＩＤ制御によって、第１加算器２０２が出力する差分が大きいほどタイヤモータ１８の発生トルクを大きくするための、タイヤモータ１８の制御量を算出し、算出した制御量でタイヤモータ１８の発生トルクを制御する。

次に、タイヤ５０が装着されると想定した自動車を仮想車両として、走行抵抗算出部２０５は、ローラ回転計６が出力するローラ２の回転速度から算出されるローラ２の周速度を、仮想車両の車速として、当該車速における仮想車両の空気抵抗相当分の負荷を走行抵抗として算出する。
また、仮想車両の、仮想車両の重量をM、仮想車両の加速度をａ、仮想車両の走行抵抗（空気抵抗）をRa、仮想車両のタイヤの駆動力をＦとする仮想車両のF=Ma+Raのモデルに運動モデル基づいて、駆動力算出部２０４は、ローラ回転計６が出力するローラ２の回転速度から算出されるローラ２の周速度の加速度として求まる仮想車両の加速度に仮想車両の重量Ｍを乗じた値に走行抵抗算出部２０５が算出した走行抵抗を加算して、当該仮想車両のタイヤの駆動力を算出し、目標吸収力とする。

そして、ローラＰＩＤ制御部２０６は、目標吸収力相当のトルクを発生するようにローラモータ８の発生トルクを制御する。
一方、仮想駆動力算出部２０７は、仮想車両の重量をM、仮想車両の加速度をａ、仮想車両の走行抵抗（空気抵抗）をRa、仮想車両のタイヤの駆動力をＦとする仮想車両のF=Ma+Raの運動モデルに基づいて、予め定めた車速スケジュール２５０が規定する現時点の目標車速の加速度を仮想車両の加速度として、当該加速度に仮想車両の重量Ｍを乗じた値に、走行抵抗算出部２０５が算出した走行抵抗を加算して、当該仮想車両のタイヤの仮想駆動力として、軸重算出部２０８に出力する。

軸重算出部２０８は、予め用意した仮想車両のモデルに基づいて、仮想車両が静止している状態におけるタイヤ５０の軸重を静荷重として求め、静荷重圧力制御部２０９に出力する。
また、軸重算出部２０８は、仮想駆動力算出部２０７が出力した仮想駆動力と、予め用意した仮想車両の運動モデルに基づいて、仮想駆動力算出部２０７が算出した仮想駆動力をタイヤ５０が発生している状態におけるタイヤ５０の軸重の、静荷重からの変化量を動荷重として求め、動荷重圧力制御部２１０に出力する。

すなわち、たとえば、仮想車両が前輪駆動の自動車であるとして、静荷重は次のように求める。
すなわち、図４に示すように、Ｍが仮想車両の重量、Ｇが重心、ａが前輪中心から重心までの前後方向距離、ｂが後輪中心から重心までの前後方向距離として、前輪の静荷重Wfと後輪の静荷重Wrを、重力をgとして、
Wf=b×M×ｇ/(a+b)
Wr=a×M×ｇ/(a+b)
として求める。そして、前輪としてのタイヤ５０の特性を試験している場合にはWfを静荷重として静荷重圧力制御部２０９に出力し、後輪としてのタイヤ５０の特性を試験している場合にはWrを静荷重として静荷重圧力制御部２０９に出力する。

また、仮想車両が前輪駆動の自動車であるとして、動荷重は、大川進、本田昭監修、「自動車のモーションコントロール技術入門」、山海堂2006年PP.88-89に記載されているような車両の運動モデルを利用して求めることができる。
すなわち、図４に示すように、ｈを重心の高さ、Zを重心の高さ方向座標、θを重心回りのピッチング方向の回転角とし、仮想駆動力算出部２０７が出力した仮想駆動力を前輪の駆動力F、Iyを仮想車両の車体のピッチング慣性モーメント、Kfを前輪サスペンションのバネ定数、Cfを前輪サスペンションのアブソーバ減衰定数、Krを後輪サスペンションのバネ定数、Crを後輪サスペンションのアブソーバ減衰定数として、前輪の軸重Fsfと、後輪の軸重Fsrを下式による運動モデルによって求める。

そして、前輪としてのタイヤ５０の特性を試験している場合にはFsfと前述のように求めた静荷重の差分を動荷重として静荷重圧力制御部２０９に出力し、後輪としてのタイヤ５０の特性を試験している場合にはFsrと前述のように求めた静荷重の差分を動荷重として動荷重圧力制御部２１０に出力する。

静荷重圧力制御部２０９は、軸重算出部２０８が出力した静荷重に一致する、ローラ２方向への荷重が静荷重シリンダ３１によってタイヤ５０に加わるように、シリンダ駆動部３００を介して、静荷重シリンダ３１の圧力を制御する。一方、動荷重圧力制御部２１０は、軸重算出部２０８が出力した動荷重に一致する、ローラ２方向への荷重が動荷重シリンダ３２によってタイヤ５０に加わるように、シリンダ駆動部３００を介して、動荷重シリンダ３２の圧力を制御する。

ここで、静荷重圧力制御部２０９は、荷重と当該荷重をローラ２方向にタイヤ５０に加わる静荷重シリンダ３１の圧力との関係を予め記述したテーブル２０９ａを備えており、当該テーブル２０９ａに従って、静荷重シリンダ３１の圧力の制御値を算定する。また、同様に、動荷重圧力制御部２１０は、荷重と当該荷重をローラ２方向にタイヤ５０に加わる動荷重シリンダ３２の圧力との関係を予め記述したテーブル２１０ａを備えており、当該テーブル２１０ａに従って、動荷重シリンダ３２の圧力の制御値を算定する。

次に、シリンダ駆動部３００の構成を図５に示す。
図示するように、シリンダ駆動部３００は、メインコンプレッサ５００からのエアを清浄化するエアフィルタ３０１と、エアフィルタ３０１で清浄化されたエアを増圧する増圧弁３０２、増圧弁３０２で増圧されたエアを蓄える増圧タンク３０３、増圧タンク３０３からのエアを多少減圧して流量を増加して出力するシリンダ用レギュレータ３０４、シリンダ用レギュレータ３０４が出力するエアを増減圧して、静荷重シリンダ３１に出力し、静荷重シリンダ３１のエア圧力を静荷重圧力制御部２０９から制御された圧力とする静荷重用電空レギュレータ３０５、シリンダ用レギュレータ３０４が出力するエアを増減圧して、動荷重シリンダ３２に出力し、動荷重シリンダ３２のエア圧力を動荷重圧力制御部２１０から制御された圧力とする動荷重用電空レギュレータ３０６を備えている。

ここで、このように、増圧タンク３０３に蓄えた増圧されたエアを用いて静荷重シリンダ３１と動荷重シリンダ３２とを駆動することにより、各シリンダの、より高速な動作を実現できる。
なお、図示するように、メインコンプレッサ５００の出力するエアは、ステージ用レギュレータ５０１を介してステージ１２の下方に設けられたエア吹出口５０２からも噴出されステージ１２を浮遊させる。
以上、本発明の実施形態について説明した。
このように本実施形態によれば、高圧力（高出力）であるが低速度で応答性の低いエアシリンダである静荷重シリンダ３１を用いて車両が静止状態にあるときの軸重を模擬し、高速度で応答性が高いが、低圧力（低出力）のエアシリンダである動荷重シリンダ３２を用いて、車両の挙動の変化による軸重の静止状態からの変動を模擬するので、実際に走行する車両においてタイヤ５０に加わる軸重をより正確に精度良く模擬することができるようになる。

１…ベース、２…ローラ、３…ローラシャフト、４…ローラシャフト軸受、５…ローラ軸トルク計、６…ローラ回転計、７…ローラ用プーリ、８…ローラモータ、９…ローラモータプーリ、１０…ローラ用ベルト、１１…ガイドシャフト、１２…ステージ、１３…タイヤシャフト、１４…タイヤシャフト軸受、１５…タイヤ軸トルク計、１６…タイヤ回転計、１７…タイヤ用プーリ、１８…タイヤモータ、１９…タイヤモータプーリ、２０…タイヤ用ベルト、５０…タイヤ、３１…静荷重シリンダ、３２…動荷重シリンダ、３３…ロードセル、２００…制御部、２０１…タイヤ回転速度換算部、２０２…第１加算器、２０３…タイヤＰＩＤ制御部、２０４…駆動力算出部、２０５…走行抵抗算出部、２０６…ローラＰＩＤ制御部、２０７…仮想駆動力算出部、２０８…軸重算出部、２０９…静荷重圧力制御部、２１０…動荷重圧力制御部、２２０…測定部、２５０…車速スケジュール、３００…シリンダ駆動部、３０１…エアフィルタ、３０２…増圧弁、３０３…増圧タンク、３０４…シリンダ用レギュレータ、３０５…静荷重用電空レギュレータ、３０６…動荷重用電空レギュレータ、５００…メインコンプレッサ、５０１…ステージ用レギュレータ、５０２…エア吹出口。

Claims (5)

1. タイヤの試験に用いられる、周面に前記タイヤが圧接されるローラを備えたタイヤ試験装置であって、
   前記タイヤに対して、前記ローラの径方向の力を加える第１シリンダと、
   前記タイヤに対して、前記ローラの径方向の力を加える第２シリンダと、
   前記第１シリンダと前記第２シリンダを制御するシリンダ制御部とを備え、
   前記第１シリンダは前記第２シリンダよりも出力が大きく、
   前記第２シリンダは前記第１シリンダよりも高速な応答性を備え、
   前記シリンダ制御部は、
   前記第１シリンダを制御して、当該第１シリンダによって、前記タイヤに、前記タイヤを装着した仮想の車両である仮想車両の静状態における前記タイヤの軸重の相当分の力を加えると共に、
   前記仮想車両の現在の動状態における前記タイヤの軸重の前記静状態からの変動量を算出し、前記第２シリンダを制御して、当該第２シリンダによって、前記タイヤに、前記算出した変動量相当分の力を加えることを特徴とするタイヤ試験装置。
2. 請求項１記載のタイヤ試験装置であって、
   前記タイヤを支持する、前記ローラに対して遠近する方向に移動可能なステージを有し、
   前記第１シリンダと前記第２シリンダは、前記ステージに対して、前記ローラに対して遠近する方向の力を加えることにより、前記タイヤに対して、前記ローラの径方向の力を加えることを特徴とするタイヤ試験装置。
3. 請求項１または２記載のタイヤ試験装置であって、
   前記シリンダ制御部は、前記仮想車両の現在の動状態における前記タイヤの軸重の前記静状態からの変動量を、前記仮想車両の所定の運動モデルに、前記仮想車両の加速度を適用して算出することを特徴とするタイヤ試験装置。
4. 請求項１、２または３記載のタイヤ試験装置であって、
   前記第１のシリンダと前記第２のシリンダはエアシリンダであることを特徴とするタイヤ試験装置。
5. 請求項４記載のタイヤ試験装置であって、
   前記シリンダ制御部は、前記タイヤの軸重と前記タイヤに当該軸重相当分の力を加える前記第１シリンダの空気圧との関係を表す第１テーブルを用いて、前記第１シリンダの空気圧が、前記仮想車両の静状態における前記タイヤの軸重の相当分の力を加える空気圧となるように、前記第１シリンダを制御し、前記タイヤの軸重の変動量と前記タイヤに当該変動量相当分の力を加える前記第２シリンダの空気圧との関係を表す第２テーブルを用いて、前記第２シリンダの空気圧が、前記仮想車両の現在の動状態における前記タイヤの軸重の前記静状態からの変動量相当分の力を加える空気圧となるように、前記第２シリンダを制御することを特徴とするタイヤ試験装置。