JP6360476B2 - 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、軸上に配置されたホイールの抵抗の空力モーメントＭ_aero-EMを、回転駆動手段と機械的パワー及び回転速度の数値を採取及び／又は記録するための装置を備えたホイールを一定速度ωで回転させ続けるために印加される機械的パワーＰ_mの数値を測定することにより、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、同時に空気の流れに曝され、ホイールの回転速度ω及びホイールのパワーＰ_mの採取された測定値は、以下の数式：
Ｐ_m＝ω（Ｍ_aero-EM＋Ｍ_f） （Ｉ）
ここで、
Ｐ_mは、ホイールを一定速度で回転させ続けるために必要な機械的パワーを示す、
ωは、ホイールの回転速度を示す、
Ｍ_fは、ホイールのハブの摩擦のモーメントの瞬間値を示す、
Ｍ_aero-EMは、ホイールの抵抗の空力瞬間モーメントを示す、
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、ホイールと回転駆動手段との間に相対運動がないことを意味する。ホイールの軸は、駆動手段が回転し続ける間、固定されたままであることが好ましい。回転駆動手段は、転動道路とすることができる。

空気の流れは、転動道路と同一の、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、以下の例及び単一の図を用いて説明する。

抵抗の空力モーメントの値を、各種タイヤの外部表面の関数として示す。

本方法を実施するために、ホイールを空力風洞に配置し、回転を誘起する機械的手段に接続して、速度ωで常に回転させる。回転すると、ホイールは地面と接触しない。ホイールと地面との距離は小さいことが好ましい。また、ホイールは、正確に測定値を採取できるように、回転を安定させる意図の手段に接続される。

ホイールには、回転速度ω及びホイールを回転させ続けるために印加する必要がある機械的パワーの数値を採取及び／又は記録する意図の装置が設けられる。

本発明による方法の他の形式の実施形態によると、ホイールを車両に装着され、次いで車両を、パイロンを用いて地面に固定する。転動道路は、ホイールのうち少なくとも１つの回転を駆動する。車両を持ち上げる手段により、車両を風洞の床から撤去することができる。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。風力発生器により、車両を、少なくとも１つのホイールの回転速度ωと同じ速度Ｖ₀の空気の流れにさらす。

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、ホイールの抵抗の空力モーメントＭ_aero-EMの値を得ることができる。：
Ｐ_m＝ω（Ｍ_aero-EM＋Ｍ_f） （Ｉ）
ここで、
Ｐ_mは、ホイールを一定速度で回転させ続けるために必要な機械的パワーを示す。
ωは、ホイールの回転速度を示す。
Ｍ_fは、ホイールのハブの摩擦のモーメントの瞬時値を示す。
Ｍ_aero-EMは、ホイールの抵抗の空力モーメントを示す。

ホイールのハブの摩擦のモーメントの値を示すＭ_f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。
回転速度ωは、ホイールの回転速度を記録する手段から得る。

図１は、同一製造元の同一モデルで、サイズが異なるタイヤの７つの異なる基準について、各タイヤの外側表面（ｍ²）の関数としての抵抗の空力モーメントＭ_aero-EM（Ｎ．ｍ）の計算値を示す。本発明によると、タイヤの外側表面積は、トレッドの表面積及びサイドウォールの表面積と定義される。

図１によると、１２０ｋｍ／ｈに等しい、同一の空気の流れの速度及びホイールの回転速度で計算を行った。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。
図１から、抵抗の空力モーメントの値は、タイヤの外側表面積に比例して増加することが分かる。

Claims (6)

1. 軸上に配置されたホイールの抵抗の空力モーメントＭ_aero-EMを、前記ホイールを一定速度ωで回転させ続けるために印加される機械的パワーＰ_mの数値を測定することにより、特定するための方法であって、前記ホイールには、回転駆動手段と機械的パワー及び回転速度の数値を採取及び／又は記録するための装置とが装着され、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、常に空気の流れに曝され、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°との間において変更可能な角度で主方向を有し、前記ホイールの回転速度ω及び機械的パワーＰ_mの前記採取された測定値は以下の数式に入力されることを特徴とする方法。
   Ｐ_m＝ω（Ｍ_aero-EM＋Ｍ_f） （Ｉ）
   ここで、
   −Ｐ_mは、前記ホイールを一定速度で回転させ続けるために必要な前記機械的パワーを示す
   −ωは、ホイールの回転速度を示す
   −Ｍ_f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は、ホイールの抵抗の空力モーメントを示す
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又は２のいずれかに記載の方法。
4. 前記空気の流れは、前記回転駆動手段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３のいずれかに記載の方法。
5. 前記空気の流れは、前記回転駆動手段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３のいずれかに記載の方法。
6. 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５のいずれかに記載の方法。

Images