JP6144029B2

JP6144029B2 - 地盤特性取得方法、地盤特性取得装置、及び地盤特性取得プログラム

Info

Publication number: JP6144029B2
Application number: JP2012234756A
Authority: JP
Inventors: 昇司老田
Original assignee: Bridgestone Corp
Current assignee: Bridgestone Corp
Priority date: 2012-10-24
Filing date: 2012-10-24
Publication date: 2017-06-07
Anticipated expiration: 2032-10-24
Also published as: JP2014084649A

Description

本発明は、地盤特性取得方法、地盤特性取得装置、及び地盤特性取得プログラムに関する。

従来の地盤特性の評価方法は特に建築・土木の分野で研究が進み、各種地盤強度の計測・推定などに幅広く活用されている。例えば特許文献１には、一般的な地盤評価に関する土質試験として、抵抗体を地中に貫入して、地盤のせん断強度と変形係数などの地盤情報を求めて地盤調査用の地盤情報を得る調査方法が記載されている。

従来における地盤特性の評価方法は、タイヤやクローラの使用される条件を加味したものではないため、車両の走破性を評価するための土等の地盤の特性データを取得する方法としては不十分であった。

また、従来は、車両走破性と関連の強い地盤特性の評価には、土壌抵抗測定器（例えば大起理化工業株式会社製：ＤＩＫ−５５０２）や大起理化工業株式会社製：ＤＩＫ−５０００−Ｓ）もあるが、大幅な計測精度向上と人的要因の排除が達成されたにもかかわらず、本来計測したい車両の牽引性能と相関の高い地盤の特性データを取得することはできない。これは、車両走行時には従来考慮されていた圧縮特性及びせん断特性だけでなく、ゴムのような推進力伝達部品と地盤との摩擦特性が考慮されていないためである。

一般的に、車両の牽引性能としての牽引力は次の３つの成分に分解することができる。

ＮＴ（牽引力）＝ＳＴ（せん断力によるトラクション）＋ＦＴ（摩擦力によるトラクション）−ＭＲ（走行抵抗）

そして、従来手法の一つであるコーン貫入試験の結果だけでは、車両の牽引性能との相関が非常に悪い。ところが、車両の牽引力の一つの成分である走行抵抗と貫入抵抗との相関は比較的高い。これは、コーン貫入試験が主に土の圧縮特性を計測していることに加え、走行抵抗も同様に土の圧縮変形によって生じているものだからである。

このように、トラクションの成分に対応する適切な試験を行わない限り、車両の牽引性能と相関の高い地盤の特性データを取得することは不可能である。この意味において、せん断力によるトラクションＳＴに対応するせん断試験、摩擦力によるトラクションＦＴに対応する摩擦試験も正しく行う必要がある。

また、非特許文献１の摩擦特性に関する記載では、タイヤと地盤との摩擦係数に関して、土とタイヤに関しては、圧力等によって摩擦係数は変化せずに一定として摩擦特性を捉えている。

特許第４６９４５１３号公報

"オフロードタイヤ工学 −設計と性能予測の基礎−"、テラメカニックス研究会、１９９９

しかしながら、近年の農業用タイヤやクローラ等の開発段階では、より正確な地盤特性、特に摩擦特性を取得することが求められているが、上記従来技術では、正確な摩擦特性を取得することは困難であった。

本発明は、上記問題を解決すべく成されたものであり、車両走破性、すなわち牽引性能と相関の高い地盤特性を取得することができる地盤特性取得方法、地盤特性取得装置、及び地盤特性取得プログラムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、土質地盤と接触する接触部に、測定対象のタイヤに使用される環状のゴムを設けた環状の摩擦リングを、予め定めた圧力で前記摩擦リングの円形の面を前記土質地盤の表面に押圧した状態で予め定めた回転速度で予め定めた範囲を回転させながら、前記摩擦リングに作用するトルクを測定する測定ステップと、前記測定対象のタイヤの種類に応じて予め設定されたスリップ率と、前記測定対象のタイヤの半径と、前記土質地盤に対する前記測定対象のタイヤの沈下量と、に基づいて、前記測定対象のタイヤの滑り距離を算出する滑り距離算出ステップと、前記測定対象のタイヤの滑り距離に対応した前記摩擦リングの回転角度を求め、前記予め定めた範囲のうち、前記滑り距離に対応した前記回転角度の範囲で測定された前記トルクの代表値に基づいて前記土質地盤と前記ゴムとの摩擦係数を算出する摩擦係数算出ステップと、前記圧力及び前記回転速度を各々変化させて、複数の組み合わせの前記圧力及び前記回転速度で前記摩擦係数が算出されるように制御する制御ステップと、を含む。この発明によれば、車両走破性としての牽引性能と相関の高い地盤特性を取得することができる。

請求項２記載の発明の地盤特性取得装置は、請求項１記載の地盤特性取得方法の各ステップを実行するための装置である。

請求項３記載の発明の地盤特性取得プログラムは、請求項１記載の地盤特性取得方法の各ステップを実行するためのプログラムである。

本発明によれば、車両走破性としての牽引性能と相関の高い地盤特性を取得することができる、という効果を有する。

地盤特性取得装置のブロック図である。摩擦リングの斜視図である。地盤特性取得プログラムのフローチャートである。摩擦リングに作用するせん断力について説明するための図である。摩擦リングとトルクとの関係を示す線図である。タイヤのすべり距離について説明するための図である。圧力、すべり速度、及び摩擦係数との関係の一例を示すグラフである。コーン貫入試験で用いられるコーンの斜視図である。せん断リングの斜視図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。図１には地盤特性取得装置１０のブロック図を示した。同図に示すように、地盤特性取得装置１０は、制御部１２、摩擦リング１４、駆動部１５、測定部１６、操作部１８、及び表示部２０を含んで構成されている。

制御部１２は、図１に示すようにコンピュータで構成され、ＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）１２Ａ、ＲＯＭ（ＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）１２Ｂ、ＲＡＭ（ＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）１２Ｃ、不揮発性メモリ１２Ｄ、及び入出力インターフェース（Ｉ／Ｏ）１２Ｅがバス１２Ｆを介して各々接続された構成となっている。Ｉ／Ｏ１２Ｅには、駆動部１５、測定部１６、操作部１８、及び表示部２０が接続されている。

測定部１６には、駆動部１５が接続されており、駆動部１５には、摩擦リング１４が接続されている。図２に示すように、摩擦リング１４は、地盤との接触部にゴム２２が取り付けられたリング２４と、軸部２６が取り付けられたリング２８と、が複数の支持部材３０で接続された構成となっている。

ゴム２２は、取得したい地盤特性（本実施形態では摩擦特性）が、或る地盤とタイヤとの地盤特性である場合には、その測定対象のタイヤに使用されるゴム（加硫ゴム）を用いる。駆動部１５は、ＣＰＵ１２Ａから指示された荷重で摩擦リング１４を図２において矢印Ａ方向に押圧した状態で、ＣＰＵ１２Ａから指示された回転速度で同図において矢印Ｂ方向に回転させる。測定部１６は、摩擦リング１４が図２において矢印Ａ方向に押圧され且つ回転した状態で、摩擦リング１４の軸部２６に作用する抵抗力としてのトルクを測定する。

次に、本実施の形態の作用として、制御部１２のＣＰＵ１２Ａで実行される地盤特性取得プログラムの処理ルーチンについて図３に示すフローチャートを参照して説明する。なお、ユーザーは、まず摩擦リング１４のゴム２２が地盤に接触するように摩擦リング１４の位置をセットする。そして、ユーザーが操作部１８を操作して測定の開始を指示すると、制御部１２によって図３に示す制御が実行される。

まず、ステップ１００では、摩擦リング１４が図２において矢印Ａ方向に設定圧力Ｐで地盤を押圧するように駆動部１５を制御する。設定圧力Ｐは、予め定めた圧力範囲Ｐｓ〜Ｐｅの間で設定され、最初は圧力範囲Ｐｓ〜Ｐｅのうち最小の圧力であるＰｓに設定される。駆動部１５は、設定圧力ＰがＣＰＵ１２Ａから指示されると、地盤を図２において矢印Ａ方向に摩擦リング１４を設定圧力Ｐで押圧する。

なお、図４に示すように、リング２４の内径をｒ１、外径をｒ２とし、図２において矢印Ａ方向に摩擦リング１４にかける荷重をＦｚとすると、設定圧力Ｐは、次式で表される。

ステップ１０２では、摩擦リング１４が図２において矢印Ｂ方向に設定回転速度Ｖで回転するように駆動部１５を制御する。設定回転Ｖは、予め定めた回転速度範囲Ｖｓ〜Ｖｅの間で設定され、最初は回転速度範囲Ｖｓ〜Ｖｅのうち最小の回転速度であるＶｓに設定される。駆動部１５は、設定回転速度ＶがＣＰＵ１２Ａから指示されると、図２において矢印Ｂ方向に摩擦リング１４を設定回転速度Ｖで回転させる。

ステップ１０４では、摩擦リング１４の軸部２６に作用するトルクを測定するよう測定部１６に指示する。これにより、測定部１６は、摩擦リング１４が予め定めた角度（例えば１度）回転する毎に、摩擦リング１４の軸部２６に作用するトルクを測定する。ＣＰＵ１２Ａは、測定部１６により予め定めた角度毎に測定されたトルクを不揮発性メモリ１２Ｄに記憶する。

ステップ１０６では、摩擦リング１４の回転を停止するよう駆動部１５に指示する。これにより、駆動部１５は、摩擦リング１４の回転を停止させる。なお、摩擦リング１４は、予め定めた回数（例えば３回）回転させた後に停止させる。このように、摩擦リング１４を設定圧力Ｐで地盤に押圧した状態で、回転速度Ｖで回転させながらトルクを測定することにより、図５に示すように回転角度とトルクとの対応関係を表すデータが得られる。

ステップ１０８では、測定対象のタイヤの滑り距離に対応した範囲のトルクの平均値を求める。以下、タイヤの滑り距離の算出について説明する。まず、図６に示すように、測定対象のタイヤ４０の半径（無負荷時の半径）をＲ、スリップ率をｉ、地盤４２に対するタイヤ４０の沈下量をｄとする。なお、スリップ率ｉは、例えば測定対象のタイヤ４０が農業用のタイヤの場合は１０％程度が一般的であり、測定対象のタイヤ４０の種類に応じて予め設定する。また、沈下量ｄは、例えば１０〜１００ｍｍ程度であり、地盤４２の地質等に応じて予め設定する。

スリップ率ｉは、図６に示すようにタイヤ４０の角速度をω、路面速度（タイヤ４０に対する地盤４２の速度）をＶｒとすると、次式で表される。

上記（２）式より、タイヤの角速度ω、滑り速度（Ｒω−Ｖｒ）は次式で表される。

図６に示すタイヤ４０と地盤４２との接触角度θと沈下量ｄとの関係は、次式で表される。

上記（５）式より、接触角度θは次式で表される。

タイヤ４０が接触角度θ分回転するのに要する時間Ｔは、次式で表される。

上記（４）〜（７）式より、タイヤ４０の滑り距離Ｌは次式で算出することができる。

そして、図５に示すように、滑り距離Ｌに対応した摩擦リング１４の回転角度θ１を求め、滑り距離Ｌに対応した範囲（０度〜θ１度の範囲）のトルクの代表値を求める。

滑り距離Ｌに対応した摩擦リング１４の回転角度θ１は、摩擦リング１４が滑り距離Ｌ分回転したときの回転角度である。本実施形態では、一例として、図４に示すように、リング２４の中央部分が滑り距離Ｌ分回転（移動）したときの回転角度をθ１とする。リング２４の中心からリング２４の中央部分までの距離ｒ３は、（ｒ１＋ｒ２）／２で算出される。従って、リング２４の中央部分が滑り距離Ｌ分回転したときの回転角度θ１は次式で表される。なお、ｒ３に代えて内径ｒ１や外径ｒ２を用いて計算してもよい。
θ１＝Ｌ／ｒ３・・・（９）

上記（９）式により回転角度θ１を算出すると、図５に示すように滑り距離Ｌに対応する範囲（図５においてハッチングで示した範囲）が定められるので、この範囲のトルクの代表値を算出する。本実施形態では、代表値として平均値を算出する。なお、代表値としては、平均値に限らず、最大値や最小値、中央値等を用いても良い。

ステップ１１０では、ステップ１０８で測定されたトルクの平均値に基づいて、摩擦リング１４に作用するせん断力を算出する。なお、本実施形態では、図４に示すように、摩擦リング１４のリング２４に作用するせん断力τは一様であると仮定する。この場合、摩擦リング１４の軸部２６に作用するトルクＭとせん断力τとの釣り合いは次式で表される。

従って、上記（１０）式より、せん断力τは次式で算出することができる。ここで、次式のトルクＭとして、ステップ１０８で算出した滑り距離Ｌに対応した範囲のトルクの平均値を用いる。

ステップ１１２では、ステップ１１０で算出したせん断力τ、設定圧力Ｐに基づいて摩擦係数μを算出する。摩擦係数μは次式で算出することができる。

μ＝τ／Ｐ・・・（１２）

以上のようにして、設定圧力Ｐ、設定回転速度Ｖにおける摩擦係数μが算出される。算出された摩擦係数μは、不揮発性メモリ１２Ｄに記憶される。

ステップ１１４では、回転速度範囲Ｖｓ〜Ｖｅの全ての回転速度で摩擦係数μを算出したか否か、すなわち最大の回転速度Ｖｅまで摩擦係数μを算出したか否かを判断する。そして、回転速度Ｖｅまで摩擦係数μを算出していない場合は、ステップ１０２へ戻って、回転速度Ｖを予め定めた値だけインクリメントして、上記と同様の処理を繰り返す。一方、回転速度Ｖｅまで摩擦係数μを算出した場合には、ステップ１１６へ移行する。

ステップ１１６では、設定圧力範囲Ｐｓ〜Ｐｅの全ての圧力で摩擦係数μを算出したか否か、すなわち最大の圧力Ｐｅまで摩擦係数μを算出したか否かを判断する。そして、圧力Ｐｅまで摩擦係数μを算出していない場合は、ステップ１００へ戻って、圧力Ｐを予め定めた値だけインクリメントして、上記と同様の処理を繰り返す。一方、圧力Ｐｅまで摩擦係数μを算出した場合には、ステップ１１８へ移行する。以上のようにして、設定圧力範囲Ｐｓ〜Ｐｅ、回転速度範囲Ｖｓ〜Ｖｅにおける摩擦係数μが算出される。

ステップ１１８では、上記のようにして算出された摩擦係数μを表示部２０に表示させる。図７には、圧力、すべり速度、及び摩擦係数μの対応関係を表すグラフの表示の一例を示した。なお、すべり速度は、摩擦リング１４の回転速度に対応している。また、図７では、同じ値の摩擦係数μを結ぶラインを境界線として、各領域を異なるハッチングにより表示した例を示している。

このように、本実施形態では、摩擦リング１４を様々な圧力及び回転速度（すべり速度）で回転させて摩擦係数μを算出するため、摩擦特性として摩擦係数μの圧力依存性及びすべり速度依存性を測定することができる。

なお、車両、タイヤ又はクローラ、地盤等の或る特定の条件においては、上記摩擦特性が支配的となり、摩擦特性だけで牽引性能を把握できることもあり得る。しかしながら、より一般的な牽引性能に対応した地盤データを取得するには、上記摩擦特性のみならず、圧縮特性、せん断特性が必要となるため、これら３種類の特性データをセットで計測することが好ましい。

圧縮特性は、図８に示すように、コーン５０を矢印Ａ方向に地盤に貫入して行う従来のコーン貫入試験から取得することができる。また、せん断特性は、図９に示すように、せん断リング６０を矢印Ａ方向に予め定めた圧力で押圧しながら、矢印Ｂ方向に予め定めた回転速度で回転させてせん断力を測定することにより取得することができる。

なお、せん断特性は、摩擦リング１４に代えて図９に示すせん断リング６０を用いると共に、図３に示す処理を実行することにより取得するようにしてもよい。この場合、ステップ１１２において、摩擦係数μに代えて、せん断力の評価として用いられるｔａｎφ（φは内部摩擦角）を次式により算出する。

ｔａｎφ＝τ／Ｐ・・・（１３）

これにより、せん断リング６０を様々な圧力及び回転速度で回転させてｔａｎφを算出するため、せん断特性としてｔａｎφの圧力依存性及びすべり速度依存性を測定することができる。

なお、本実施形態では円盤状のリング２４にゴム２２を取り付けた摩擦リング２４を地盤に押圧した状態で回転させることによりトルクを測定し、測定したトルクに基づいて摩擦係数μを算出する場合について説明したが、測定方法はこれに限られるものではない。例えば、地盤との接触部にゴムを取り付けた摩擦試験部材を地盤に押圧した状態で予め定めた方向に移動させながら抵抗力を測定するようにしてもよい。

１０地盤特性取得装置、１２制御部、１４摩擦リング、１５駆動部、１６測定部、１８操作部、２０表示部、２２ゴム

Claims

土質地盤と接触する接触部に、測定対象のタイヤに使用される環状のゴムを設けた環状の摩擦リングを、予め定めた圧力で前記摩擦リングの円形の面を前記土質地盤の表面に押圧した状態で予め定めた回転速度で予め定めた範囲を回転させながら、前記摩擦リングに作用するトルクを測定する測定ステップと、
前記測定対象のタイヤの種類に応じて予め設定されたスリップ率と、前記測定対象のタイヤの半径と、前記土質地盤に対する前記測定対象のタイヤの沈下量と、に基づいて、前記測定対象のタイヤの滑り距離を算出する滑り距離算出ステップと、
前記測定対象のタイヤの滑り距離に対応した前記摩擦リングの回転角度を求め、前記予め定めた範囲のうち、前記滑り距離に対応した前記回転角度の範囲で測定された前記トルクの代表値に基づいて前記土質地盤と前記ゴムとの摩擦係数を算出する摩擦係数算出ステップと、
前記圧力及び前記回転速度を各々変化させて、複数の組み合わせの前記圧力及び前記回転速度で前記摩擦係数が算出されるように制御する制御ステップと、
を含む地盤特性取得方法。
土質地盤と接触する接触部に、測定対象のタイヤに使用される環状のゴムを設けた環状の摩擦リングを、予め定めた圧力で前記摩擦リングの円形の面を前記土質地盤の表面に押圧した状態で予め定めた回転速度で予め定めた範囲を回転させながら、前記摩擦リングに作用するトルクを測定する測定手段と、
前記測定対象のタイヤの種類に応じて予め設定されたスリップ率と、前記測定対象のタイヤの半径と、前記土質地盤に対する前記測定対象のタイヤの沈下量と、に基づいて、前記測定対象のタイヤの滑り距離を算出する滑り距離算出手段と、
前記測定対象のタイヤの滑り距離に対応した前記摩擦リングの回転角度を求め、前記予め定めた範囲のうち、前記滑り距離に対応した前記回転角度の範囲で測定された前記トルクの代表値に基づいて前記土質地盤と前記ゴムとの摩擦係数を算出する摩擦係数算出手段と、
前記圧力及び前記回転速度を各々変化させて、複数の組み合わせの前記圧力及び前記回転速度で前記摩擦係数が算出されるように前記測定手段、前記滑り距離算出手段、及び前記摩擦係数算出手段を制御する制御手段と、
を備えた地盤特性取得装置。
コンピュータに、
土質地盤と接触する接触部に、測定対象のタイヤに使用される環状のゴムを設けた環状の摩擦リングを、予め定めた圧力で前記摩擦リングの円形の面を前記土質地盤の表面に押圧した状態で予め定めた回転速度で予め定めた範囲を回転させながら、前記摩擦リングに作用するトルクを測定する測定ステップと、
前記測定対象のタイヤの種類に応じて予め設定されたスリップ率と、前記測定対象のタイヤの半径と、前記土質地盤に対する前記測定対象のタイヤの沈下量と、に基づいて、前記測定対象のタイヤの滑り距離を算出する滑り距離算出ステップと、
前記測定対象のタイヤの滑り距離に対応した前記摩擦リングの回転角度を求め、前記予め定めた範囲のうち、前記滑り距離に対応した前記回転角度の範囲で測定された前記トルクの代表値に基づいて前記土質地盤と前記ゴムとの摩擦係数を算出する摩擦係数算出ステップと、
前記圧力及び前記回転速度を各々変化させて、複数の組み合わせの前記圧力及び前記回転速度で前記摩擦係数が算出されるように制御する制御ステップと、
を含む処理を実行させるための地盤特性取得プログラム。