JP7017899B2

JP7017899B2 - タイヤ接地状態評価方法

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Publication number: JP7017899B2
Application number: JP2017198661A
Authority: JP
Inventors: 直生諫山
Original assignee: Toyo Tire Corp
Current assignee: Toyo Tire Corp
Priority date: 2017-10-12
Filing date: 2017-10-12
Publication date: 2022-02-09
Anticipated expiration: 2037-10-12
Also published as: JP2019074335A; CN109655287B; CN109655287A

Description

本発明は、湿潤路面における走行時のタイヤ接触面積と摩擦係数との相関関係からタイヤ接地状態を評価する方法に関するものである。

従来、タイヤの接地状態を評価する方法としては、平板上にタイヤを接地させ、その時の接地形状を可視化して観察する方法が用いられ、具体的には、光干渉法、全反射法などの可視化手法が知られている。

しかしながら、平板上にタイヤを押しつけたときのタイヤ特性と実際の路面でのタイヤ特性とは解離しているため、実路面相当の凹凸面において評価可能な方法が求められている。その目的のため、例えば特許文献１では、表面に実路面相当の凹凸を設けた接地面にタイヤを接地させて、タイヤの接地形状を撮影する方法が提案されており、実車評価との整合性を高めるために、接地面上の空間部分に着色液体を充填してタイヤを接地させ、撮影することも提案されている。

この特許文献１に記載の方法では、湿潤路面での接地状態の評価も可能ではあるが、着色液体を用いた手法では原理的に保証される測定精度に難があり、拡張性の面で課題があった。

特に、実路では大小さまざまなスケールの凹凸が混在しており、（株）ミツトヨの接触式粗さ計で実路骨材表面の表面粗さを測定したところ、その算術平均粗さ（Ｒａ）は２０μｍ程度であった。動的なすべり状態ではこのような表面粗さを持つ骨材表面に形成される薄い水膜の影響があると考えられ、膜厚の薄い部分も検出することのできる測定精度に優れた手法が求められる。

そこで、実路面相当の凹凸面を有する湿潤路面におけるタイヤの接地状態を評価する方法として、非特許文献１では、光励起蛍光法を採用することが提案されている。光励起蛍光法では、ゴム試験片と接地面との間の蛍光液の膜厚が薄い場合、輝度は蛍光液の膜厚に比例するため、測定精度に優れており、膜厚１０μｍ以下の測定事例も確認されている。

しかしながら、実路面相当の凹凸面における静止状態のタイヤの接地状態を評価しても、実路面における走行時のタイヤの接地状態の評価との整合性がとれないという問題があった。

特開２００３－２４０６８１号公報特開２０１２－１５４８５８号公報特開２００４－９８８０号公報特開２０１６－８９５０号公報特開２０１７－５８２４４号公報

江口正夫氏著「光誘起蛍光法を用いたゴム平板－凹凸面間接接触部の解析－可視化と輝度ヒストグラム解析－」、トライボロジスト第５８巻第１０号（２０１３）７６３～７７２頁

タイヤ走行時の評価方法に関しては、特許文献２では、白色の液体から成る液体層を表面に設けた透明板にタイヤを接地させて、タイヤを前後方向に相対的に移動させながらタイヤの接地形状を撮影する方法が開示されているが、上記特許文献１と同様に、着色液体を用いた計測方法であり、評価の精度が十分ではない。また、平滑なガラス平板における動的な接地面形状の輪郭を得ることに主眼を置いており、実路面のランダム凹凸との接地状態を評価することは想定していない。

また、湿潤路面において同じ接触面積が得られるタイヤであっても、グリップ性能等に寄与する摩擦係数が異なるものがあり、本発明者は、単純な接触面積の大小関係だけでなく接地状態の特徴を知る必要があると考えた。そして、タイヤ接触面積と摩擦係数との相関関係から、他のパラメータの与える影響について評価することで、タイヤ接地状態をより優れた精度で評価できることを見出した。例えば、接触面積が同じでも摩擦係数に大小関係がある状態を、実験パラメータ違いで選定し、両者を比較することで摩擦係数の高い接地状態の特徴を明らかにすることができる。しかしながら、両者の差異は微小であることが予測され、精度の高い測定手法が必要である。

本発明は、以上の点に鑑み、湿潤路面における走行時のタイヤ接触面積と摩擦係数との相関関係からタイヤ接地状態を高精度で評価する方法を提供することを目的とする。

なお、特許文献３には、タイヤ走行時のタイヤ踏面の接地形状を測定する装置が記載され、特許文献４には、スリップ角の付与されたゴム等の弾性材料の変形を観察できる観察方法が記載されている。

また、特許文献５には、骨材を含んで実路面を模擬してなる試験路面にゴム試験片の平坦面を押し当て、平坦な試験路面上でゴム試験片をすべらせながら直進移動させたときの荷重を計測し、試験路面とゴム試験片との間の摩擦係数を測定するゴム摩擦試験方法が記載されている。

しかしながら、これらは湿潤路面でのタイヤの特性を評価するものではなく、これらの方法を湿潤路面での評価にそのまま適用することはできない。また、特許文献５は、摩擦係数を測定しているだけであり、湿潤路面における走行時のタイヤ接触面積と摩擦係数との相関関係を評価することは開示されていない。

本発明に係るタイヤ接地状態評価方法は、透明板の一方の面に設けた実路面相当の凹凸を有する接地面に、ピラニンを含有する蛍光液を介在させてゴム試験片を押し当て、すべらせながら直進移動させたときの荷重を計測し、接地面とゴム試験片との摩擦係数を測定する第１工程と、透明板の接地面とは反対側から、接地面とゴム試験片との間に介在する蛍光液に対して励起光を照射し、蛍光液から放出された蛍光の輝度分布を測定する第２工程と、得られた輝度分布を基準に、任意の輝度を閾値とし２値化画像を得て接触面積を求める第３工程と、測定パラメータの異なる、２種以上の２値化画像の差から接触面積の増減を求める第４工程を有し、上記第１工程と上記第２工程とを同時に行い、摩擦係数と接触面積との相関関係を求めるものとする。

上記異なる測定パラメータは、測定時点、ゴム試験片の移動速度、ゴム試験片の硬さ、ゴム試験片を接地面に対して押し当てる圧力、及びゴム試験片の形状からなる群より選択される少なくとも１種であるものとすることができる。

本発明の評価方法によれば、湿潤路面における走行時のタイヤ接触面積と摩擦係数との相関関係からタイヤ接地状態を高精度で評価することができる。

一実施形態に係るタイヤ接地状態評価方法を行う試験機の全体の構成を示す簡略図。一実施形態に係るタイヤ接地状態評価方法を行う蛍光測定装置の構成を示す簡略図。蛍光色素としてピラニンを用いた場合の励起スペクトルと蛍光スペクトルとの関係を示す簡略図。

以下、本発明に係る一実施形態のタイヤ接地状態評価方法について、図１～３に基づいて説明する。

本実施形態のタイヤ接地状態評価方法は、透明板の一方の面に設けた実路面相当の凹凸を有する接地面に、蛍光液を介在させてゴム試験片を押し当て、すべらせながら直進移動させたときの荷重を計測し、接地面とゴム試験片との摩擦係数を測定する工程と、透明板の接地面とは反対側から、接地面とゴム試験片との間に介在する蛍光液に対して励起光を照射し、蛍光液から放出された蛍光の輝度分布を測定する工程と、得られた輝度分布を基準に、任意の輝度を閾値とし２値化画像を得て接触面積を求める工程と、測定パラメータの異なる、２種以上の２値化画像の差から接触面積の増減を求める工程を有するものとする。

図１は、本実施形態のタイヤ接地状態評価方法を行う試験機の全体の構成を示す簡略図である。

試験機１０は、実路面相当の凹凸を有する接地面を一方の面に備えた透明板１と、ゴム試験片２を保持するホルダー３と、透明板１にゴム試験片２を押し当てる荷重装置４と、透明板１に対してゴム試験片２を相対移動させるための駆動装置５と、ゴム試験片２に作用する荷重を計測する荷重センサ６と、試験に必要な動作の制御を行う制御装置７とを備える。また、透明板１は、透明板設置台１８の上に設置され、透明板設置台１８の下には、蛍光測定装置２０を備える。

実路面相当の凹凸を有する接地面を備えた透明板１の作製方法は、特に限定されず、例えば、実際の路面に対応するアスファルトから、シリコーンゴムで真空注型用シリコン型を型取り、この型に透明樹脂を流し込み、真空脱気状態で硬化させることにより作製することができる。透明樹脂としては、例えば、ウレタン系樹脂を挙げることができる。

ゴム試験片２は、加硫ゴムにより作製され、透明板１に押し当てられる平坦面を有するものであり、タイヤ溝に相当する溝やテーパーを有するものであってもよい。

ホルダー３は荷重装置４に接続されている。荷重装置４は、透明板１に対して垂直なＺ方向（図１の上下方向）に沿ってホルダー３を往復動可能に構成されている。このホルダー３の位置（ホルダー３と透明板１との間隔）を適宜に設定することで、ゴム試験片２に入力されるＺ方向の荷重を調整でき、よって所定の圧力条件下でゴム試験片２を透明板１に押し当てることができる。荷重装置４は、サーボモータにより構成されているが、他のアクチュエータ機構を利用することもできる。

駆動装置５は、荷重装置４を支持するテーブル８をＸ方向（図１における左右方向）に沿って往復動可能に構成されている。このテーブル８の移動によってホルダー３が移動し、透明板１上でゴム試験片２をすべらせながら移動させることができる。アクチュエータ９は、Ｘ方向とＺ方向の両方に垂直なＹ方向（図１の紙面に垂直な方向）に沿ってテーブル８を往復動可能に構成されていて、Ｙ方向におけるゴム試験片２と透明板１との位置合わせに利用される。本実施形態では、駆動装置５とアクチュエータ９が、それぞれサーボモータにより構成されているが、これに限定されない。

荷重センサ６は、垂直成分及び水平二成分の計三成分の荷重を計測可能であり、ゴム試験片２に作用するＺ方向の荷重（垂直力）、Ｘ方向の荷重（前後力）及びＹ方向の荷重（横力）を計測することができる。荷重センサ６は、例えばロードセルによって構成される。本実施形態では、ホルダー３の上側（ゴム試験片２とは反対側）に荷重センサ６が取り付けられている。

制御装置７は、摩擦係数の測定に必要な計算を行う演算部７ａと、荷重装置４や駆動装置５などの作動を制御する作動制御部７ｂと、試験作業者からの入力を受け付ける入力部７ｃと、試験機１０の操作や設定などに関する各種情報を画面上に表示する表示部７ｄとを備える。荷重センサ６による計測値は制御装置７に送られ、それに基づいて演算部７ａが摩擦係数を計算する。

また、図２に示すように、透明板設置台１８の下部には、蛍光測定装置２０として、光源１２と、光源１２から照射される光から特定の波長の光のみを透過し分離するフィルタ１６と、特定の波長の光のみを反射するダイクロイックミラー１４と、蛍光液１１から放出された蛍光を反射するミラー１５と、放出された蛍光から特定の波長の光のみを透過させて分離するフィルタ１７と、フィルタ１７を透過した蛍光を測定する撮影手段１３が配されている。

蛍光測定装置２０は、透明板設置台１８の下部に固定されていてもよく、テーブル８に支持され、駆動装置５により、荷重装置４と連動してＸ方向に沿って往復動可能に構成されていてもよい。

本実施形態のタイヤ接地状態評価方法は、例えば、親水性蛍光色素としてピラニンを使用し、上記の試験機１０を用いて次のように実施することができる。すなわち、実路面に相当する凹凸を有する透明板１にピラニンを含有する蛍光液１１を介在させて、ゴム試験片２の平坦面を押し当て、その透明板１上でゴム試験片２をすべらせながら直進移動させたときの荷重を計測し、透明板１とゴム試験片２との間の摩擦係数を測定する。静止摩擦係数と動摩擦係数のいずれも測定可能である。透明板１に押し当てられるゴム試験片２の圧力条件、並びに、速度や経路などの直進移動に関する条件は、制御装置７によって制御される。移動速度は、ゴム試験片２が所定の区間を一様な速度ですべるように設定することができる。

その際、光源１２として紫外線ＬＥＤ（ピーク波長３６５ｎｍ）を用いて励起光を照射し、フィルタ１６（４００ｎｍローパスフィルタ）によって、波長が４００ｎｍ以下の励起光を分離する。分離した励起光をダイクロイックミラー１４に反射させて、透明板１の接地面とは反対側から、ゴム試験片２と接地面との間に介在する蛍光液１１に対して励起光を照射することにより、蛍光液１１に含まれるピラニンを基底状態から励起状態へと遷移させる。その後、励起状態のピラニンは基底状態へと戻り、その際蛍光が放出される。放出された蛍光は、ダイクロイックミラー１４を透過した後、ミラー１５によって反射し、フィルタ１７（４８０ｎｍハイパスフィルタ）によって、波長が４８０ｎｍ以上の蛍光が分離される。分離された蛍光を撮影手段１３で撮影することにより、輝度分布（蛍光強度画像）を得ることができる。

本実施形態のタイヤ接地状態評価方法は、上記で得られた輝度分布を基準に、任意の輝度を閾値とし、２値化を行う工程をさらに有するものである。具体的には、ある特定の輝度を閾値に設定することで、輝度が閾値以下である領域をゴム試験片２と接地面とが接触している領域として２値化画像を得ることができる。このような２値化画像からは、例えば、実際にゴム試験片２と接地面が接触している面積を算出することができる。

上記試験を行うことにより、湿潤路面での摩擦係数と、湿潤路面とゴム試験片２との接地状態を示す２値化画像とが同時に得られ、これらの相関関係を求めることができる。

本実施形態のタイヤ接地状態評価方法は、上記工程に加えて、測定パラメータの異なる２種以上の２値化画像の差から接触面積の増減を求める工程を有する。２値化画像の差から接触面積の増減を求めることにより、測定パラメータが接地状態に与える影響について評価することができる。例えば、接触面積が同じであるが、摩擦係数が異なる２値化画像がある場合、両者の比較から摩擦係数の高い接地状態の特徴を明らかにすることができる。なお、２種以上の２値化画像は、同じ閾値で処理したものとする。

測定パラメータとしては、例えば、測定時点、ゴム試験片２の移動速度、ゴム試験片２の硬さ、ゴム試験片２を接地面に対して押し当てる圧力、ゴム試験片２の形状などが挙げられる。すなわち、測定パラメータの異なる２種以上の２値化画像は、一回の試験で得られた測定時点の異なる２値化画像同士を対比してもよく、ゴム試験片２の移動速度、ゴム試験片２の硬さ、ゴム試験片２を接地面に対して押し当てる圧力、ゴム試験片２の形状などの測定パラメータを変えて行った異なる試験において得られた２値化画像同士を対比してもよい。

上記実施形態においては、親水性蛍光色素としてピラニンを用いた場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。蛍光液１１には、種々の親水性蛍光色素を使用することができるが、優れた測定精度が得られる観点から、励起スペクトルと蛍光スペクトルとのピーク波長の差が１００ｎｍ以上である親水性蛍光色素を含有する水溶液であることが好ましい。励起スペクトルと蛍光スペクトルとのピーク波長の差が１００ｎｍ以上である親水性蛍光色素の具体例としては、ピラニンや、Ｄｙｏｍｉｃｓ社製のＤＹ－４８１ＸＬ－ＣａｒｂｏｘｙｌｉｃＡｃｉｄ、ＤＹ－５２１ＸＬ－ＣａｒｂｏｘｙｌｉｃＡｃｉｄ、ＡＴＴＯ－ＴＥＣ社製のＡＴＴＯ４９０ＬＳｃａｒｂｏｘｙなどが挙げられ、安全性やコストの観点からピラニンを好適に用いることができる。また、励起スペクトル及び／又は蛍光スペクトルのピーク波長が複数ある親水性蛍光色素の場合は、励起スペクトル及び／又は蛍光スペクトルについて、フィルタなどを使用することにより、励起スペクトルと蛍光スペクトルとのピーク波長の差が１００ｎｍ以上となるようにピーク波長を選択して使用してもよい。

ピラニンは、親水性のｐＨ感受性蛍光色素であり、ｐＨが中性～酸性では、励起スペクトルのピーク波長が３６５ｎｍ付近と４００ｎｍ付近に表れ、ｐＨがアルカリ性では、励起スペクトルのピーク波長が４５０ｎｍ付近に表れる。また、蛍光スペクトルのピーク波長は、ｐＨに関わらず主に５１０ｎｍ付近であり、４００ｎｍ以下の蛍光スペクトルはほとんど検出されない。従って、親水性蛍光色素としてピラニンを用いる場合には、励起スペクトルと蛍光スペクトルとのピーク波長の差を１００ｎｍ以上とする観点から、蛍光液１１のｐＨは中性～酸性であることが好ましく、ｐＨが５～８であることがより好ましい。また、本実施形態においては４００ｎｍ以下の波長のみを透過するフィルタ１６を励起光に対して用いたことにより、ピラニンの励起スペクトルのピーク波長は主に３６５ｎｍであり、励起スペクトルと蛍光スペクトルとのピーク波長の差は最大１４５ｎｍとなる。

図３に示すように、蛍光液１１として励起スペクトルと蛍光スペクトルとのピーク波長の差が１００ｎｍ以上である蛍光色素を使用することにより、励起スペクトルと蛍光スペクトルとの波長域の重複がほとんど生じず、励起スペクトルと蛍光スペクトルとを十分に分離することができるため、優れた測定精度が得られ易い。

蛍光液中の親水性蛍光色素の濃度は、特に限定されないが、ピラニンを使用する場合には、１００～１００００ｍｇ／Ｌであることが好ましい。

上記光源１２は、使用する親水性蛍光色素の励起スペクトルに合わせて、適宜選択して使用することができ、特に限定されないが、使用する親水性蛍光色素の励起スペクトルのピーク波長付近にピーク波長を有する光源１２であることが好ましく、単一波長であることがより好ましい。使用する親水性蛍光色素がピラニンである場合は、照射される光のピーク波長が３５０～４００ｎｍであることが好ましい。

ダイクロイックミラー１４や、フィルタ１６，１７は、特に限定されず、使用する親水性蛍光色素の励起スペクトルと蛍光スペクトルに合わせて、適宜選択して使用することができる。フィルタ１６，１７としては、例えば、蛍光検出を行う際にノイズを除去する波長選択型の蛍光フィルタや、規定波長よりも短波長側の光をカットして長波長側の光を透過させるハイパスフィルタ（ロングパスフィルタ）、規定波長よりも長波長側の光をカットして短波長側の光を透過させるローパスフィルタ（ショートパスフィルタ）、一定の波長域の光のみ透過させ、それ以外の短波長側及び長波長側の光をカットするバンドパスフィルタなどが挙げられる。

本実施形態のタイヤ接地状態評価方法は、得られた輝度分布を、蛍光液１１の膜厚分布に変換する工程をさらに有するものであってもよい。この場合、膜厚分布画像を２値化処理し、２値化画像を得て、異なる測定パラメータの画像同士を対比する。ゴム試験片２と接地面との間の蛍光液１１の膜厚が薄い場合、輝度は膜厚に比例するため、数値化した輝度を膜厚に換算することで、得られた輝度分布を膜厚分布に変換することが可能である。また、この工程の前段階として輝度と膜厚の校正を行ってもよい。例えば、寸法既知のガラス板を使用して膜厚と輝度の校正曲線を得て、それを適用することで輝度を膜厚に換算することができる。これにより、輝度と膜厚が比例関係にない場合でも適用可能である。

本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

本発明のタイヤ接地状態評価方法は、乗用車、ライトトラック・バス等の各種タイヤの接地状態の評価に用いることができる。

１・・・透明板
２・・・ゴム試験片
３・・・ホルダー
４・・・荷重装置
５・・・駆動装置
６・・・荷重センサ
７・・・制御装置
８・・・テーブル
９・・・アクチュエータ
１０・・試験機
１１・・蛍光液
１２・・光源
１３・・撮影手段
１４・・ダイクロイックミラー
１５・・ミラー
１６・・フィルタ
１７・・フィルタ
１８・・透明板設置台
２０・・蛍光測定装置

Claims

透明板の一方の面に設けた実路面相当の凹凸を有する接地面に、ピラニンを含有する蛍光液を介在させてゴム試験片を押し当て、すべらせながら直進移動させたときの荷重を計測し、接地面とゴム試験片との摩擦係数を測定する第１工程と、
透明板の接地面とは反対側から、接地面とゴム試験片との間に介在する蛍光液に対して励起光を照射し、蛍光液から放出された蛍光の輝度分布を測定する第２工程と、
得られた輝度分布を基準に、任意の輝度を閾値とし２値化画像を得て接触面積を求める第３工程と、
測定パラメータの異なる２種以上の２値化画像の差から接触面積の増減を求める第４工程を有し、
前記第１工程と前記第２工程とを同時に行い、摩擦係数と接触面積との相関関係を求めることを特徴とする、タイヤ接地状態評価方法。
前記異なる測定パラメータが、測定時点、ゴム試験片の移動速度、ゴム試験片の硬さ、ゴム試験片を接地面に対して押し当てる圧力、及びゴム試験片の形状からなる群より選択される少なくとも１種であることを特徴とする、請求項１に記載のタイヤ接地状態評価方法。