JP5721312B2

JP5721312B2 - タイヤ内部故障判定方法、及び、タイヤ内部故障判定装置

Info

Publication number: JP5721312B2
Application number: JP2009025859A
Authority: JP
Inventors: 剛真砂
Original assignee: Bridgestone Corp
Current assignee: Bridgestone Corp
Priority date: 2009-02-06
Filing date: 2009-02-06
Publication date: 2015-05-20
Anticipated expiration: 2029-02-06
Also published as: JP2010181319A

Description

本発明は、走行中のタイヤ内部の故障を検知する方法とその装置に関する。

タイヤは、カーカスプライやベルトなどの繊維または金属のコードをゴムでコーティングした部材を積層した構造を有している。このため、車両走行中に前記部材の接着部に過大な負荷が入力すると、コード端部とコーティングゴムとが剥離してゴムに亀裂が生じるソケッティングと呼ばれる現象が発生する。タイヤ周上の各部に発生したソケッティングが結合していくと、積層した部材同士が剥離するセパレーションへと発展する。
また、ベルト間のセパレーションはベルトの幅方向両端部のせり上がりを引き起こし、その結果、操縦安定性能が低下する恐れがある。

ところで、タイヤにセパレーションなどの内部故障が発生すると故障箇所の発熱が多くなり、故障箇所近傍の温度が上昇する。
そこで、タイヤショルダー部に温度センサーを埋め込んで走行中のタイヤの温度を計測し、この温度変化からタイヤの内部故障を検知する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、タイヤの環状部分に、所定温度範囲にキューリー点を有する感温フェライトを周方向に沿って所定ピッチで配設し、車体側に環状部分と交差する環状磁路を形成する磁石と環状磁路の外周に巻き付けられたコイルとを設け、タイヤの回転に伴う磁束密度変化によってコイルに励起される起電力を測定して、この測定波形からタイヤのショルダー部の変形を間接的に検出してタイヤの環状部分に異常な歪みを検知し、タイヤの内部故障を検出する方法も提案されている（例えば、特許文献２参照）。

また、走行中のタイヤのショルダー部の変形を直接検出してタイヤの内部故障を検出する方法も提案されている。
具体的には、タイヤショルダー部に、タイヤの周方向の加速度を測定する加速度センサーとタイヤの幅方向の加速度を測定する加速度センサーとを埋設して、走行中のタイヤショルダー部のタイヤ周方向の変形量とタイヤ幅方向の変形量とを算出した後、これら２方向の変形量を用い、タイヤショルダー部の時系列の変形を、タイヤ周方向とタイヤ幅方向をそれぞれｘ軸及びｙ軸とした直交座標系での軌跡として表し、この軌跡からタイヤショルダー部の変形の大きさや形態を検知して、タイヤの内部故障を検知する（例えば、特許文献３参照）。

特開２００５−６７４４７号公報特開２００４−６９４６２号公報特開２００７−１９１０３８号公報

しかしながら、従来のタイヤ内部故障の検知方法では、センサーをセパレーションの発生するベルト端部の近傍であるショルダー部に埋設しているので、センサーと周りのゴムとの境界面が新たなゴムの亀裂の核となってタイヤ故障を誘発する恐れがある。
また、センサーをタイヤの転動時に大きな応力が作用するベルト端部に配置した場合には、かえってベルト端部が破壊されてセパレーションを引き起こす可能性が大きい。

本発明は、従来の問題点に鑑みてなされたもので、タイヤの挙動に影響を与えることなく、セパレーションによるタイヤ内部故障が発生しているか否かを精度よく判定することのできるタイヤ内部故障判定方法とその装置を提供することを目的とする。

本発明者は、鋭意検討の結果、セパレーションによる内部故障が発生しているタイヤでは、走行中にタイヤトレッドからホイールに伝達される当該ホイールの幅方向の振動を周波数分析して得られた振動スペクトルの３５０Ｈｚ〜３９０Ｈｚの周波数帯域内にある周波数成分の大きさ（以下、帯域値という）が正常なタイヤに比べて大幅に減少していることから、前記帯域値をセパレーションのメジャーに用いれば、タイヤ内部故障の有無を精度よく判定できることを見出し本発明に到ったものである。

すなわち、本願発明は、タイヤにセパレーションによる内部故障が発生しているか否かを判定する方法であって、ホイールのディスク部に設けられたスポークに取付けられた加速度センサーにより走行中の当該ホイールの幅方向の加速度を検出する検出ステップと、前記加速度センサーの出力信号から得られるホイール幅方向加速度波形の３５０Ｈｚ〜３９０Ｈｚの周波数帯域内にある周波数成分の大きさである帯域値を演算する演算ステップと、前記演算ステップで演算された帯域値と、予め測定しておいた正常なタイヤを前記ホイールに装着して走行したときの帯域値及びベルト層の端部にセパレーションが発生したタイヤを前記ホイールに装着して走行したときの帯域値とを比較し、当該タイヤに前記セパレーションによる内部故障が発生しているか否かを判定する判定ステップと、を備えることを特徴とする。
なお、「セパレーション」は、一般に、タイヤを構成しているゴムとベルトやゴムとゴムとが剥離損傷する現象を指すもので、コード端部とコーティングゴムとが剥離するソケッティング現象も「セパレーション」に含まれる。

また、本願発明は、前記タイヤ内部故障判定方法であって、前記加速度センサーがホイールのスポークに取付けられていることを特徴とするものである。

また、本願発明は、タイヤにセパレーションによる内部故障が発生しているか否かを判定する装置であって、ホイールのディスク部に設けられたスポークに取付けられて当該ホイール幅の方向の加速度を検出する加速度センサーと、前記加速度センサーの出力信号からホイール幅方向加速度波形を抽出する幅方向加速度波形抽出手段と、前記ホイール幅方向加速度波形から、３５０Ｈｚ〜３９０Ｈｚの周波数帯域内にある周波数成分の大きさである帯域値を演算する帯域値演算手段と、予め計測しておいた正常なタイヤを前記ホイールに装着して走行したときの帯域値とベルト層の端部にセパレーションが発生したタイヤを前記ホイールに装着して走行したときの帯域値とに基づいて設定された閾値を記憶する記憶手段と、前記演算された帯域値と前記閾値とを比較し、前記演算された帯域値が前記閾値を超えたときに当該タイヤにセパレーションによる内部故障が発生していると判定する判定手段とを備えたことを特徴とする。
また、本願発明は、前記タイヤ内部故障判定装置であって、前記判定手段がタイヤに内部故障が発生していると判定した場合に、運転者に警報を発する警報手段を設けたことを特徴とする。

また、本願発明は、タイヤにセパレーションによる内部故障が発生しているか否かを判定する装置であって、ホイールのディスク部に設けられたスポークに取付けられてホイールの幅方向の加速度を検出する加速度センサーと、前記加速度センサーの出力信号からホイール幅方向加速度波形を抽出する幅方向加速度波形抽出手段と、前記ホイール幅方向加速度波形から、３５０Ｈｚ〜３９０Ｈｚの周波数帯域内にある周波数成分の大きさである帯域値を演算する帯域値演算手段と、予め作成しておいた正常なタイヤを前記ホイールに装着して走行したときの帯域値とベルト層の端部に大きさの異なるセパレーションが発生した複数個のタイヤをそれぞれ前記ホイールに装着して走行したときの各帯域値との関係を示すテーブルを記憶する記憶手段と、前記演算された帯域値と前記記憶手段に記憶されたテーブルとに基づいて、当該タイヤにセパレーションによる内部故障が発生していると判定する判定手段とを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、ホイールのディスク部に設けられたスポークに取付けた加速度センサーから出力される当該ホイールの幅方向加速度波形の３５０Ｈｚ〜３９０Ｈｚの周波数帯域内にある周波数成分の大きさから、タイヤ内部のベルト層の端部にセパレーションによる内部故障が発生していると判定するようにしたので、タイヤの挙動に影響を与えることなく、当該タイヤにセパレーションによるタイヤ内部故障が発生しているか否かを判定することができる。このとき、判定に用いる閾値を、正常なタイヤを装着して計測した帯域値とベルト層の端部にセパレーションが発生したタイヤを装着して計測した帯域値とに基づいて設定したので、セパレーションの発生を確実に判定できる。
したがって、タイヤ内部故障が発生していると判定した場合に、これを運転者に警報するようにすれば、車両の走行安定性を向上させることができる。

また、正常なタイヤを装着して走行したときの帯域値とベルト層の端部に大きさの異なるセパレーションが発生した複数個のタイヤをそれぞれ装着して走行したときの帯域値との関係を示すテーブルを予め求めておき、演算された帯域値とテーブルとに基づいて、当該タイヤにセパレーションによる内部故障が発生していると判定するようにしたので、運転者にタイヤ内部故障の状態を的確に知らせることができる。また、上記テーブルと前記演算された帯域値とを比較することにより、タイヤ内部故障の状態の詳細がわかるので、セパレーションの発生を早期に知ることができる。したがって、車両の走行安全性を更に向上させることができる。

なお、前記発明の概要は、本発明の必要な全ての特徴を列挙したものではなく、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となり得る。

本実施の形態に係るタイヤ内部故障判定装置の構成を示す図である。タイヤの構成を示す断面図である。セパレーションの発生箇所を示す図である。加速度センサーの取付け位置の一例を示す図である。セパレーション発生の有無による幅方向加速度の周波数スペクトルの違いを示す図である。セパレーションの大きさと帯域値との関係を示す図である。本発明によるタイヤ内部故障判定方法を示すフローチャートである。本発明によるタイヤ内部故障推定装置の他の構成を示す図である。加速度センサーの取付け位置の他の例を示す図である。

以下、実施の形態を通じて本発明を詳説するが、以下の実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものでなく、また、実施の形態の中で説明される特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１は、本実施の形態に係るタイヤ内部故障判定装置１０の構成を示す図である。
タイヤ内部故障判定装置１０は加速度センサー１１と、加速度波形抽出手段１２と、周波数分析手段１３と、帯域値演算手段１４と、故障判定手段１５と、警報手段１６とを備える。

図２は、タイヤ２０の構成を示す断面図である。
同図において、２１はビード部、２１ｃはビードコア、２２はカーカス層、２３は第１ベルト層、２４は第２ベルト層、２５はトレッド、２６はインナーライナーである。
カーカス層２２は、タイヤ２０の骨格を成す部材であって、ビード部２１に配置された１対のビードコア２１ｃにトロイド状をなして跨るように設けられる。カーカス層２２のクラウン部のタイヤ径方向外側には、２枚のベルト層（第１及び第２のベルト層）２３，２４が配置される。第１及び第２のベルト層２３，２４は、それぞれ、スチールコードもしくは有機繊維を撚ったコードが、赤道方向に対して２０°〜７０°の角度で交錯するように配置されたもので、タイヤ径方向内側に配置される第１のベルト層２３はタイヤ径方向外側に配置される第２のベルト層２４よりも幅広に形成されており、第１のベルト層２３のコードの延長方向と第２のベルト層２４のコードの延長方向とは互いに交錯している。
コード端部とコーティングゴムとが剥離してゴムに亀裂が生じるソケッティングは、主に、第１及び第２のベルト層２３，２４の端部で発生し、これが進展すると、図３に示すように、タイヤショルダー部２７において、第１のベルト層２３と第２のベルト層２４とが剥離するセパレーションへと発展する。

本例では、図４（ａ），（ｂ）に示すように、加速度センサー１１を、ホイール３０のディスク部３１に設けられたスポーク３１ｓに取付けるとともに、加速度センサー１１は検出方向がホイール幅方向になるように配置され、路面からトレッド２５の接地面に入力してホイール３０に伝搬される振動を検出する。
なお、加速度センサー１１は、走行中に小石などが当たらないように、スポーク３１ｓの意匠面の裏側に取付けることが好ましい。

加速度波形抽出手段１２は、加速度センサー１１の出力信号からホイール幅方向加速度の時系列波形（以下、幅方向加速度波形）を抽出する。
周波数分析手段１３は、加速度波形抽出手段１２により抽出された幅方向加速度波形を周波数解析して周波数スペクトルを求める。

以下、セパレーションが発生した故障タイヤにおける幅方向加速度の周波数スペクトルの特徴について説明する。
図５は、スポークに加速度センサーを取付けたホイールに、以下のNo.１〜No.５で示す試験タイヤをそれぞれ搭載し、これらのタイヤを、フラットベルト試験機上で６０km/hrで走行させたときに求めたホイール幅方向加速度の周波数スペクトルを示す図である。横軸は周波数（Ｈｚ）、縦軸は幅方向加速度レベル（ｄＢ）である。
なお、故障の大きさについては、図３に示す、第１ベルト層２３と第２ベルト層２４とのセパレーションが発生している領域の広さ＝（幅方向長さＷ；ｍｍ）×（周方向長さＬ；ｍｍ）で表わす。
No.１のタイヤ（太い実線）；新品時タイヤ
No.２のタイヤ（一点鎖線）；Ｗ×Ｌ＝３０×２００
No.３のタイヤ（破線）；Ｗ×Ｌ＝３０×３００
No.４のタイヤ（細かい破線）；Ｗ×Ｌ＝３０×半周
No.５のタイヤ（太い破線）；Ｗ×Ｌ＝３０×全周
No.の大きい方が故障の大きさが大である。

図５に示すホイール幅方向加速度の周波数スペクトルにおいて、３５０Ｈｚ〜３９０Ｈｚの周波数帯域に注目すると、ホイール幅方向加速度の大きさは、故障の大きさが大きいほど小さいことがわかる。
図６は、セパレーションの周方向長さと周波数スペクトルの３５０Ｈｚ〜３９０Ｈｚの周波数帯におけるホイール幅方向加速度の大きさ（以下、帯域値Ｐという）との関係を示す図である。同図から明らかな通り、セパレーションの周方向長さが大きいほど帯域値Ｐが小さくなることがわかる。
したがって、ホイール幅方向加速度の周波数スペクトルの３５０Ｈｚ〜３９０Ｈｚの周波数帯域の帯域値Ｐを求めることにより、タイヤにどの程度の大きさのセパレーションが発生したか否かを推定することができる。

帯域値演算手段１４は、周波数分析手段１３により求められた周波数スペクトルから、３５０Ｈｚ〜３９０Ｈｚの周波数帯域の帯域値Ｐを演算する。
なお、帯域値Ｐを特定の周波数における幅方向加速度レベルとすると誤差が生じ易いので、帯域値Ｐとしては、３５０Ｈｚ〜３９０Ｈｚ帯域のうちの複数の周波数における幅方向加速度レベルの平均値か、あるいは、予め設定した３５０Ｈｚ〜３９０Ｈｚ帯域のうちの所定の周波数帯域（例えば、３７０Ｈｚ〜３９０Ｈｚ）における幅方向加速度レベルの総和もしくは積分値を用いることが好ましい。

故障判定手段１５は、帯域値演算手段１４により演算された帯域値Ｐと、予め設定した閾値Ｋとを比較し、演算された帯域値Ｐが閾値Ｋ未満であった場合に、当該タイヤにセパレーションによる内部故障が発生していると判定する。
なお、故障判定のための閾値Ｋとしては、図５のNo.１の帯域値Ｐ（１）〜No.５の帯域値Ｐ（５）の間のいずれかの値を選択すればよいが、タイヤ内部故障の早期判定のためには、閾値Ｋとしては、例えば、図５のNo.２の帯域値Ｐ（２）程度のように、セパレーションの程度が小さい時の帯域値Ｐを用いることが好ましい。
警報手段１６は、タイヤ２０に内部故障が発生したときに、運転席近傍に配置されるランプなどを点滅させたり、スピーカーから警戒音を発生させたりすることで、運転者に警報を発する。

次に、本発明によるタイヤ内部故障判定装置１０の動作について、図７のフローチャートを参照して説明する。
まず、加速度センサー１１にて走行中のホイール３０の幅方向の振動を検出し（ステップＳ１１）、その出力信号からホイール幅方向加速度の時系列波形である幅方向加速度波形を抽出する（ステップＳ１２）。
次に、幅方向加速度波形を周波数解析して周波数スペクトルを求め（ステップＳ１３）、この周波数スペクトルから、３５０Ｈｚ〜３９０Ｈｚの周波数帯域内にある周波数成分の大きさである帯域値Ｐを演算する（ステップＳ１４）。
そして、この演算した帯域値Ｐと予め設定した閾値Ｋとを比較し（ステップＳ１５）、帯域値Ｐが閾値Ｋ未満である場合には、「故障」と判定し、この判定結果を運転者に報知する（ステップＳ１６）。

本実施の形態では、ホイール３０のスポーク３１ｓに取付けた加速度センサー１１の出力波形から、路面からトレッド２５の接地面に入力してホイール３０に伝達される振動のうちのホイール幅方向加速度の時系列波形を抽出した後、これを周波数分析して得られた周波数スペクトルから、３５０Ｈｚ〜３９０Ｈｚの周波数帯域内にある周波数成分の大きさである帯域値Ｐを演算する。そして、この帯域値Ｐと、正常なタイヤを装着して計測した帯域値とタイヤ内部に大きさの異なるセパレーションが発生したタイヤを装着して走行したときの帯域値とに基づいて設定した閾値Ｋとを比較して、当該タイヤ２０にセパレーションによる内部故障が発生しているか否かを判定するようにしたので、タイヤの挙動に影響を与えることなく、セパレーションによるタイヤ内部故障が発生しているか否かを判定することができる。

なお、前記実施の形態では、演算された帯域値Ｐと比較する閾値Ｋを一個としたが、複数個設けてもよい。これにより、タイヤ内部故障の発生を複数の段階に分けて運転者に警告することが可能になる。
あるいは、図８に示すように、予め求めておいた正常なタイヤを装着して走行したときの帯域値と、内部に大きさの異なるセパレーションが発生した複数個のタイヤをそれぞれ装着して走行したときの帯域値との関係を示すテーブル４１Ｔを記憶する記憶手段４１を設ける。そして、演算された帯域値Ｐとテーブル４１Ｔとに基づいて、タイヤに生じたセパレーションの大きさ、すなわち、タイヤの内部故障の程度を推定する故障程度推定手段４２を設けて、タイヤの内部故障の程度を推定し、この推定されたタイヤの内部故障の程度に応じて、タイヤが故障しているか否かを判定するようにしてもよい。

具体的には、図５に示すように、タイヤの内部故障の程度を５段階に設定し、故障の程度の推定値を１〜５の数字に置き換えておく。そして、故障程度推定手段４２では、テーブル４１Ｔを参照して、演算された帯域値Ｐをタイヤの内部故障の程度の推定値に置き換えて故障判定手段１５に出力する。
故障判定手段１５では、推定したタイヤの内部故障の程度の推定値と、予め設定した閾値Ｋとを比較して、タイヤにセパレーションによる内部故障が発生しているか否かを判定する。例えば、閾値Ｋを３、すなわち、セパレーションがタイヤ周方向に３００ｍｍの長さに生じたときを「故障」と設定したとする。そして、故障程度推定手段４２で推定した内部故障の程度の推定値が２、すなわち、セパレーションがタイヤ周方向に２００ｍｍの長さにわたって生じていると推定された場合には、故障判定手段１５は「故障」と判定しない。
逆に、閾値Ｋを２、すなわち、セパレーションがタイヤ周方向に２００ｍｍの長さにわたって生じたときを「故障」と設定した場合には、故障程度推定手段４２で推定した内部故障の程度の推定値が３と推定されると、故障判定手段１５は「故障」と判定する。
故障判定手段１５が「故障」と判定した場合には、この判定結果は警報手段１６に送られ、タイヤに内部故障が発生したことが運転者に報知される。

また、上記例では、周波数分析手段１３を用いて得られた幅方向加速度の周波数スペクトルから帯域値Ｐを求めたが、周波数分析手段１３に代えて、バンドパスフィルタを用いてもよい。具体的には、タイヤ幅方向加速度の時系列波形から３５０Ｈｚ〜３９０Ｈｚの周波数帯域の時系列波形を取り出すフィルタを設け、フィルタの出力信号のＲＭＳ値を帯域値Ｐとすればよい。
また、帯域値Ｐを演算する周波数帯域については、タイヤ種、サイズ、車輪速、タイヤ内圧等により変更してもよい。

また、加速度センサー１１の取付け箇所は、ホイール３０のスポーク３１ｓに限定されるものではなく、例えば、図９（ａ），（ｂ）に示すように、ホイール３０のリム部３２のリムフランジ３２ａやリムベース部３２ｂなど、トレッド２５の振動が伝播されやすい箇所に設置すればよい。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は前記実施の形態に記載の範囲には限定されない。前記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者にも明らかである。そのような変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲から明らかである。

このように、本発明によれば、タイヤの挙動に影響を与えることなく、タイヤ内部の破壊を精度よく検知することができるので、タイヤの故障を事前に検出することができ、車両の安全性を向上させることができる。

１０タイヤ内部故障判定装置、１１加速度センサー、１２加速度波形抽出手段、１３周波数分析手段、１４帯域値演算手段、１５故障判定手段、１６警報手段、
２０タイヤ、２１ビード部、２１ｃビードコア、２２カーカス層、
２３第１ベルト層、２４第２ベルト層、２５トレッド、２６インナーライナー、２７タイヤショルダー部、３０ホイール、３１ディスク部、３１ｓスポーク、
３２リム部、３２ａリムフランジ、３２ｂリムベース部、
４１記憶手段、４１Ｔテーブル、４２故障程度推定手段。

Claims

ホイールのディスク部に設けられたスポークに取付けられた加速度センサーにより走行中の当該ホイールの幅方向の加速度を検出する検出ステップと、
前記加速度センサーの出力信号から得られるホイール幅方向加速度波形の３５０Ｈｚ〜３９０Ｈｚの周波数帯域内にある周波数成分の大きさである帯域値を演算する演算ステップと、
前記演算ステップで演算された帯域値と、予め測定しておいた正常なタイヤを前記ホイールに装着して走行したときの帯域値及びベルト層の端部にセパレーションが発生したタイヤを前記ホイールに装着して走行したときの帯域値とを比較し、当該タイヤに前記セパレーションによる内部故障が発生しているか否かを判定する判定ステップと、
を備えることを特徴とするタイヤ内部故障判定方法。
ホイールのディスク部に設けられたスポークに取付けられ、当該ホイールの幅方向の加速度を検出する加速度センサーと、
前記加速度センサーの出力信号からホイール幅方向加速度波形を抽出する幅方向加速度波形抽出手段と、
前記ホイール幅方向加速度波形から、３５０Ｈｚ〜３９０Ｈｚの周波数帯域内にある周波数成分の大きさである帯域値を演算する帯域値演算手段と、
予め計測しておいた正常なタイヤを前記ホイールに装着して走行したときの帯域値とベルト層の端部にセパレーションが発生したタイヤを前記ホイールに装着して走行したときの帯域値とに基づいて設定された閾値を記憶する記憶手段と、
前記演算された帯域値と前記閾値とを比較し、前記演算された帯域値が前記閾値を超えたときに当該タイヤに前記セパレーションによる内部故障が発生していると判定する判定手段とを備えたことを特徴とするタイヤ内部故障判定装置。
前記判定手段がタイヤに内部故障が発生していると判定した場合に、運転者に警報を発する警報手段を設けたことを特徴とする請求項２に記載のタイヤ内部故障判定装置。
ホイールのディスク部に設けられたスポークに取付けられ、当該ホイールの幅方向の加速度を検出する加速度センサーと、
前記加速度センサーの出力信号からホイール幅方向加速度波形を抽出する幅方向加速度波形抽出手段と、
前記ホイール幅方向加速度波形から、３５０Ｈｚ〜３９０Ｈｚの周波数帯域内にある周波数成分の大きさである帯域値を演算する帯域値演算手段と、
予め作成しておいた正常なタイヤを前記ホイールに装着して走行したときの帯域値とベルト層の端部に大きさの異なるセパレーションが発生した複数個のタイヤをそれぞれ前記ホイールに装着して走行したときの各帯域値との関係を示すテーブルを記憶する記憶手段と、
前記演算された帯域値と前記記憶手段に記憶されたテーブルとに基づいて、当該タイヤに前記セパレーションによる内部故障が発生していると判定する判定手段とを備えたことを特徴とするタイヤ内部故障判定装置。