JP6358754B2 - ホイールの抵抗の空力モーメントを特定するための方法 - Google Patents

Description

本発明は、ホイールの抵抗の空力モーメントを正確に特定するための方法に関する。本方法は、陸上輸送車両に適用される。

ホイールは、リム、ホイールディスク及びタイヤで形作られることが想起される。タイヤは、ケーシングとも呼ばれ、リムに装着されてホイールを形成する。
近年、数多くの国において、軽自動車及び軽貨物車両に対する燃料消費及び環境汚染に関する規制対策が設けられている。残念ながら、これら対策は、前進に対する抵抗へのタイヤの寄与を正確に特定できるようにするものではない。

タイヤにより生じる前進に対する抵抗は、転がり抵抗（つまり力）、空力抵抗、抵抗の空力モーメント（つまりベンチレーショントルク）、の３つの構成要素を含むことが想起される。
従って、前進に対する抵抗を計算又は推定するためには、実務者が、テストベッドでリムに単純に装着されたタイヤの測定を行うか、コンピュータソフトウェアを用いたシミュレーションに頼ることさえある。

しかし、このようなテストベッドで実施された測定或いはシミュレーションは、現在の測定技術が、リムに装着され、何らの保護もなくオープンな環境に配置されたタイヤを単純に減速させることにより抵抗の空力モーメントを単純に推定するだけであるので、タイヤの実際の使用状況下において遭遇する値に近い抵抗の空力モーメントの値は得られない。

抵抗の空力モーメントなどの物理的直径は、現在は、数学的推定の対象であるが、十分に推定されないので、全てが不十分なままである。
従って、抵抗の空力モーメントのより正確かつより現実的測定により、ホイールにより生ずる前進に対する抵抗のより良い評価ができ、従って、ホイールにより生ずる前進に対する抵抗が燃料消費に対して有する影響のより良い評価ができる。

従って、通常の使用状況に類似した条件下で、抵抗の空力モーメントを非常に正確に、確実にかつ反復可能に特定するための方法を利用できるようにするためのニーズが存在する。

従って、本発明の主題は、回転速度の数値を採取及び記録するための装置を備えたホイールの抵抗の空力モーメントＭ_aero-EMを、軸の周りを回転するように設定されたホイールの回転速度と、軸の周りのホイールの慣性との積の時間に対する変動を計算することにより、特定するための方法である。

本発明は、ホイールが取り外し可能キャップで保護され、ホイールが当初時間ｔ₀において転動道路と接触しこれにより駆動されるように設定され、ｔ₀に続く時間ｔ₁において転動道路との接触から外される一方、同時に空気の流れに曝され、ホイールの回転速度ω（ｔ）の、時間の関数として採取された測定値は、以下の数式：
Ｉ_EM（ｄω（ｔ）／ｄｔ）＝Ｍ_aero-EM（ｔ）＋Ｍ_f（ｔ） （Ｉ）
ここで、
−Ｉ_EMは、回転軸の周りの慣性モーメントの値を示す、
−ω（ｔ）は、ホイールの瞬間回転速度を示す、
−Ｍ_f（ｔ）は、ホイールのハブの摩擦のモーメントの値を示す、
−Ｍ_aero-EM（ｔ）は、ホイールの抵抗の瞬間空力モーメントを示す、
に入力されることを特徴とする。

本発明による方法は、いかなる形式のリム、ホイールトリム又はタイヤにも応用でき、安価に実現でき、単純かつ素早く導入できるという優位性を提供する。
最後に、本方法により、通常の運転状況で遭遇するデータに類似する数値データを素早くかつ容易に提供することができる。

ホイールを本発明の方法による取り外し可能キャップで保護することにより、ホイールが動作する実際の条件を再現する、つまりホイールを、通常は車両のホイールアーチからなる半保護エンクロージャに配置することができる。本発明によるキャップは、陸上車両ホイールアーチで遭遇する形状にできるだけ近い任意の三次元幾何形状を有することができる。

従来、リムに装着され加圧された新しいタイヤの転がり抵抗は、実験室で標準化されたモデルを使用して測定されてきた。かかるモデルの例には、各種物理的及び数学的パラメータを測定又は計算するために、これらを考慮する標準ＩＳＯ／ＦＤＩＳ２８５８０が含まれ、集合的に得られた結果により、タイヤの転がり抵抗を、できるだけ正確に、評価及び／又は定量化することができる。

陸上輸送車両（自家用車、バン、大型貨物車両）のホイールセットの力学に関するパラメータは、水平並進運動及び回転運動の、２つの異なる運動から形成される。これら２つの運動は、空気の流れが圧力フィールド及びタイヤ表面に粘着摩擦フィールドを発生させるので、タイヤの周りの空気の流れに伴う応力を誘発する。

かかるホイールセットに印加される空力応力は、まず長手方向抵抗力を生じ、次にホイールの回転に反抗する抵抗の空力モーメントを生じる。
長手方向抵抗力は、風洞で得られた測定値を用いる現代数学的モデルを用いて容易に評価できる一方で、抵抗の空力モーメントは、風洞測定値では考慮されていない。しかし、この結果は、従来不要な構成要素と考えられてきたが、ホイールの前進に対する抵抗に関連して燃料消費結果に重大な影響を有する。

本発明による方法は、簡単に実現でき、抵抗の空力モーメントを、実際の運転状況においてホイールが遭遇する条件と類似した条件下で定量化することができる。
具体的に、本発明による方法は、ホイールが一方で車両のホイールアーチの保護効果を再現するための取り外し可能キャップで保護され、他方で空気の流れに曝されるので、通常の運転条件と非常に類似した条件下にホイールを置く。

かかる状況は、標準化された実験室モデルでは、ホイールは何らの保護なしにオープンな環境に配置され（キャップがないため）かつタイヤ自体の動作により生ずる空気流以外は空気の流れに曝されないので、標準化された実験室モデルの応用では作り出せない。
従って、抵抗の空力モーメントを生じさせる摩擦及び圧力に関連する応力は、従来用いられた測定慣行と比較すると、本発明による方法では異なる。

本発明による方法で用いられる空気の流れは、ホイールの方向と概ね平行の主方向を有することが好ましい。
空気の流れは、ホイールの方向に対して、−４０°と＋４０°との間の角度で主方向を有することができる。この選択肢により、実際の運転状況における横風、向かい風又は追い風の影響をできるだけ正確に再現することができる。

本方法を実施するために、ホイールの軸は不動の地面に対して固定されたままであることが好ましい。これは、ホイールと転動道路との間に相対運動がないことを意味し、従って、ホイールの軸は、転動道路と同じように動く。

空気の流れは、転動道路と等しい又は異なる速度を有することが好ましい。
ホイールは、ホイールサスペンションを保持する少なくとも１つの手段を備えることが好ましい。

ここで、本発明を、決して限定ではない、以下の例及び図を用いて説明する。

本発明により、滑らかなサイドウォールを持つタイヤを備えるホイールと、粗い要素で覆われたサイドウォールをもつタイヤを備えるホイールとの、２つの異なるホイールについて、時間の関数としての、積［Ｉ_EMω（ｔ）］の変化を示す。 本発明の方法により、空気の流速とホイールの速度との間に確立した比の関数として、抵抗の瞬間空力モーメントＭ_aero-EM（ｔ）の変化を示す。

本方法を実施するために、ホイールを空力風洞内の転動道路上に配置する。ホイールは、転動道路に接触させたままにする。ホイールは、転動道路との接触から外す手段に接続する。ホイールを定位置に保持するための手段により、測定値を採取している間、ホイールを安定させることができる。

ホイールには、回転速度ω（ｔ）の数値を採取及び記録する意図の装置が設けられる。
ホイールを、転動道路上を所定の長さの時間だけ走行させたら、ホイールを転動道路から外し、転動道路との接触を断ち切る。従って、ホイールは自由に動き、風力発生器からの空気の流れのみに曝される。ホイールの回転速度は、この操作の間記録される。

本発明による方法の実施形態の代替形式によると、ホイールを車両に装着し、次いで車両を、パイロンを用いて地面に固定する。車両を持ち上げる手段により、車両を転動道路から外し、従ってホイールを風力発生器のみの影響下で回転させ続けることができる。車両を地面に固定することにより、まず車両の姿勢を指示し、次いで車両を持ち上げた際に安定させることができる。車両に装着されたホイールは、初めに、ホイールを所望の回転速度Ｖ₀に至らせる意図の転動道路と接触して配置される。風力発生器により、車両を、同じ速度Ｖ₀の空気の流れに曝す。

以下の数式（Ｉ）を適用することにより、以下の数式（Ｉ）を用いて、時間の関数として、ホイールの抵抗の空力モーメントＭ_aero-EM（ｔ）の値を得ることができる。：
Ｉ_EM（ｄω（ｔ）／ｄｔ）＝Ｍ_aero-EM（ｔ）＋Ｍ_f（ｔ） （Ｉ）

ホイールの慣性モーメントの値を示すＩ_EMは、例えばねじり振り子を用いて測定することができる。
ホイールのハブの摩擦のモーメントの値を示すＭ_f（ｔ）は、例えば、軸受製造業者から提供される技術データから計算することができる。
ｔ＝ｔ₀（つまり、ホイールが転動道路を離れるとき）に対する値（ｄω（ｔ）／ｄｔ）は、時間の関数としてのホイールの回転速度の記録から得る。

同じリムに装着された、滑らかなサイドウォールを持つタイヤと、粗い要素で覆われたサイドウォールをもつタイヤの、抵抗の空力モーメントの変化を比較した結果を示す。これら２つのタイヤは、乗用車の前部右側に装着される。転動道路により駆動されるホイールの速度Ｖ₀は１２０ｋｍ／ｈに等しい。風洞は、１２０ｋｍ／ｈの速度で空気の流れを発生する。

図１において、曲線１は、滑らかなサイドウォールを持つタイヤに対応し、曲線２は、粗い要素で覆われたサイドウォールを持つタイヤに対応する。２つのホイールは、同じリムで作製される。図１は、リムに装着された各タイヤの回転速度が、同じように変化しないことを示す。粗い要素は、約４ｍｍに等しい高さと約４ｍｍに等しい直径の、概ね円筒形状のゴムで作られた要素と定義される。本事例では、２５０個の要素を２つのサイドウォールのそれぞれに均一に配置した。

具体的に、粗いサイドウォールを持つタイヤは、粗いサイドウォールを持つタイヤに対する、より高い応力により、滑らかなサイドウォールを持つタイヤよりも、急速な減速を生じた。
ｔ＝ｔ₀の瞬間において、各タイヤの挙動の差は、約１Ｎ．ｍのベンチレーショントルクの差を示す。この測定値は、０．０１Ｎ．ｍの標準偏差を有するので、反復可能と考えられる。

この抵抗の空力モーメントの値における差は、四輪を備えた乗用車において、車両の抵抗全体の約３％を示す空力抵抗における差に等しい。
この抵抗の空力モーメントの値における差は、四輪を備えた乗用車において、車両の空力摩擦抵抗全体の約３％を示す空力抵抗の差に等しい燃料消費の差に繋がる。

図２は、空気の主流の方向がホイールの方向と位置合わせされているが、空気の流れの速度は、ホイールの速度と異なる状況に対応する。言い換えれば、風力発生器の速度Ｖ０は１２０ｋｍ／ｈに等しいままで、ホイールの速度Ｖ_wheelは可変でありかつ１２０ｋｍ／ｈから０ｋｍ／ｈまで累進的に変化する。
図２は、Ｖ₀＞Ｖ_wheelであるので、キャップで保護されたホイールが向かい風に遭遇している実際の状況に対応する。

抵抗の空力モーメントＭ_aero-EMは、様々なホイール速度値に対して測定される。次に、Ｍ_aero-EMの各値は、Ｖ_wheel＝Ｖ₀＝１２０ｋｍ／ｈであるときゼロに等しく、かつＶ_wheel＝０かつＶ₀＝１２０ｋｍ／ｈのとき１に等しい比［（Ｖ₀−Ｖ_wheel）／Ｖ₀］の関数としてプロットされる。その結果、図２に示す曲線２が得られる。

図２の曲線１が示すように、６０ｋｍ／ｈで走行し、かつ６０ｋｍ／ｈの速度を有する向かい風に遭遇する車両が遭遇する抵抗の空力モーメントは、外的風速が無い状態で１２０ｋｍ／ｈで走行する同じ車両が遭遇する抵抗の空力モーメント（［（Ｖ₀−Ｖ_wheel）／Ｖ₀］＝０に対して、絶対値で約３Ｎ．ｍ）と比較して、両者において相対的風速は同じ、すなわち１２０ｋｍ／ｈであるにも関わらず、低い（［（Ｖ₀−Ｖ_wheel）／Ｖ₀］＝０．５に対して、絶対値で約１Ｎ．ｍ）。

Claims (7)

1. ホイールの抵抗の空力モーメントＭ_aero-EMを、軸の周りを回転するように設定されたホイールの回転速度と、軸の周りのホイールの慣性との積の時間に対する変動を計算することにより、特定するための方法であって、前記ホイールには、回転速度の数値を採取及び記録するための装置が装着され、前記ホイールは、取り外し可能キャップで保護され、前記ホイールは、当初時間ｔ₀において転動道路と接触しこれにより駆動されるように設定され、ｔ₀に続く時間ｔ₁において前記転動道路との接触から外される一方、同時に空気の流れに曝され、前記ホイールの、時間の関数として採取された前記回転速度ω（ｔ）の測定値は以下の数式
   Ｉ_EM（ｄω（ｔ）／ｄｔ）＝Ｍ_aero-EM（ｔ）＋Ｍ_f（ｔ） （Ｉ）
   ここで、
   −Ｉ_EMは、回転軸の周りの慣性モーメントの値を示す、
   −ω（ｔ）は、ホイールの瞬間回転速度を示す、
   −Ｍ_f（ｔ）は、ホイールのハブの摩擦のモーメントの値を示す、
   −Ｍ_aero-EM（ｔ）は、ホイールの抵抗の瞬間空力モーメントを示す、
   に入力されることを特徴とする方法。
2. 前記空気の流れは、前記ホイールの面と平行な方向と概ね平行の主方向を有することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記空気の流れは、前記ホイールの面と平行な方向に対して、−４０°と＋４０°との間の角度で主方向を有することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
4. 時間ｔ₀から時間ｔ₁の期間において、前記ホイールの前記軸は、地面に対して固定されたままであることを特徴とする、請求項１〜請求項３のいずれかに記載の方法。
5. 前記空気の流れは、前記転動道路と同一の速度を有することを特徴とする、請求項１〜請求項４のいずれかに記載の方法。
6. 前記空気の流れは、前記転動道路と異なる速度を有することを特徴とする、請求項１〜請求項４のいずれかに記載の方法。
7. 前記ホイールは、ホイールサスペンションを保持する少なくとも１つの手段を備えることを特徴とする、請求項１〜請求項６のいずれかに記載の方法。

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