JP2007137086A - 路面摩擦状態推定方法、路面摩擦状態推定装置、及び、路面摩擦状態推定用タイヤ - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で、タイヤと路面との間の摩擦状態を精度良く推定することのできる方法とその装置、及び、路面摩擦状態の推定に用いられる路面摩擦状態推定用タイヤを提供する。
【解決手段】導電性ゴムから成る接地圧検出手段１１と、この接地圧検出手段１１の出力を信号処理してタイヤのトレッドゴムに作用する接地圧の変動波形における踏み込み側のピーク値ｐ_１と接地直下部付近に生じるボトム値ｑとを抽出して路面摩擦状態推定装置２０に送信し、路面摩擦状態推定装置２０にて、ピーク・ボトム比Ｒ＝（ｑ／ｐ_１）を演算し、上記演算されたピーク・ボトム比Ｒと記憶手段２３に記憶されたマップ２３Ｍとに基づいて車両の走行している路面とタイヤとの間の摩擦状態を推定するようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両の走行する路面とタイヤ間の摩擦状態を推定する方法その装置、及び、路面摩擦状態の推定に使用されるタイヤに関するもので、特に、タイヤトレッドゴムに作用する接地荷重または接地圧から路面摩擦状態を推定する方法及び装置に関する。

自動車の走行安定性を高めるため、車両の走行している路面の状態、あるいは、タイヤと路面との間の摩擦係数（路面摩擦係数）を精度良く推定し、車両制御へフィードバックすることが求められている。特に、制駆動や操舵といった危険回避の操作を起こす前に、予め路面状態や路面摩擦係数の値を推定することができれば、ＡＢＳやＶＳＣ等の車両制御技術の精度を高めることが可能となり、安全性が一段と高まることが予想される。
従来、路面摩擦係数を推定する方法としては、アクセル、あるいはブレーキ操作を行ったときのスリップ率の変化と車両の車体加速度との関係から、路面状態、特に路面の最大摩擦係数を推定する手法が提案されている。これは、路面摩擦係数μの大きさが車体加速度Ａｂと対応していることを利用したもので、車体加速度Ａｂ−車輪滑りＳ特性曲線の安定領域内において、予め求めておいた、低μ路、中μ路、あるいは、高μ路を走行した時のＡｂ／Ｓの値と比較して、走行中の路面の状態を推定する。これにより、車体加速度Ａｂから路面摩擦係数μの大きさを容易に推定することができる（例えば、特許文献１参照）。

一方、安全性の高いブロックパターンを開発する目的で、空気入りタイヤのトレッド部に感圧導電ゴム体を埋設し、トレッド部の踏面が接地した際に変形する上記感圧導電ゴム体の抵抗変化を検知して、トレッドブロックに作用する力の関係を調べる方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。具体的には、図５に示すように、トレッドブロック５０に、タイヤ径方向に圧縮した際に抵抗値が減少する感圧導電ゴム体５０Ｓを備えた第１のセンサ５０Ａと、タイヤ幅方向に圧縮した際に抵抗値が減少する感圧導電ゴム体を備えた第２のセンサ５０Ｂと、タイヤ周方向に圧縮した際に抵抗値が減少する感圧導電ゴム体をを備えた第３のセンサ５０Ｃとを取付けて、上記トレッドブロック５０が接地したときの上記感圧導電ゴム体５０Ｓの抵抗変化による電流値の変化をそれぞれ検出して車体側の車両装着ユニット６０に送信する。車両装着ユニット６０では、演算部６１にて、上記各センサ５０Ａ〜５０Ｃの出力から、タイヤの接地時に上記トレッドブロックに作用するタイヤ径方向の力Ｆｖ、幅方向の力Ｆｗ、及び、周方向の力Ｆｃをそれぞれ算出して、これを表示部６２に表示する。
また、上記Ｆｖは接地時に上記トレッドブロックに作用する垂直抗力に相当するので、上記演算部６１に摩擦係数推定手段６１ｋを設けて、上記算出された径方向の力Ｆｖと幅方向の力Ｆｗとの比（Ｆｗ／Ｆｖ）からタイヤ幅方向の摩擦係数を、上記径方向の力Ｆｖと周方向の力Ｆｃとの比（Ｆｃ／Ｆｖ）からタイヤ周方向の摩擦係数を推定する。これにより、トレッドブロック５０に作用する力Ｆｖ，Ｆｗ，Ｆｃに加えて、タイヤのグリップ力についても評価することができるので、安全性を高めたブロックパターンを設計することができる。
特開平７−１１２６５９号公報 特開２００５−８２０１０号公報

しかしながら、上記車両の車体加速度から路面摩擦係数を推定する方法では、運転者が加速や減速などの一定の操作を行ったときのみ路面摩擦係数を推定できるものであり、定常走行時においては路面摩擦係数を推定することができないことから、リアルタイムで路面状態を推定するには適していない。
一方、トレッドブロック５０にそれぞれ検出方向の異なる感圧導電ゴム体５０ｋを備えたセンサ５０Ａ〜５０Ｃを埋設する方法では、感圧導電ゴム体５０ｋを少なくとも３個、感度方向を変えて取付ける必要があるため、検出部分の構成が複雑になるだけでなく、定常走行時においては、タイヤ幅方向及びタイヤ周方向での感度が小さいため、路面摩擦係数を精度よく推定することができないといった問題点があった。

本発明は、従来の問題点に鑑みてなされたもので、簡単な構成で、タイヤと路面との間の摩擦状態を精度良く推定することのできる方法とその装置、及び、路面摩擦状態の推定に用いられる路面摩擦状態推定用タイヤを提供することを目的とする。

本発明者らは、様々な路面状態を走行したときの、トレッド部の踏面が接地した際にトレッドゴムに作用する力（接地荷重または接地圧による圧縮力）の時間変化波形を比較したところ、摩擦力の大きな高μ路では接地圧の変動が小さいが、低μ路では接地圧の変動が大きく、接地直下での接地圧が踏込みまたは蹴り出し時よりもかなり小さくなることから、トレッドゴムに作用する接地荷重または接地圧の変動状態を検出すれば、タイヤと路面との間の摩擦状態を精度良く推定できることを見出し、本発明に至ったものである。
すなわち、本願の請求項１に記載の発明は、タイヤと路面との間の摩擦状態を推定する方法であって、走行中のタイヤのトレッドゴムに作用する接地荷重または接地圧を計測して、上記計測された接地荷重または接地圧の時間変化に基づいて、タイヤと路面間の摩擦状態を推定するようにしたことを特徴とするものである。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の路面摩擦状態推定方法において、上記計測された接地荷重または接地圧の時間変化波形の、踏み込み点または蹴出し点付近に生じるピーク値の大きさと接地直下部付近に生じるボトム値の大きさとからタイヤと路面間の摩擦状態を推定するようにしたことを特徴とする。

また、請求項３に記載の発明は、タイヤと路面との間の摩擦状態を推定する装置であって、走行中のタイヤのトレッドゴムに作用する接地荷重または接地圧を検出する手段と、上記検出された接地荷重または接地圧の時間変化波形から、上記接地荷重または接地圧の踏み込み点または蹴出し点付近に生じるピーク値と接地直下部付近に生じるボトム値を検出する手段と、上記ピーク値とボトム値とを用いた演算値を演算する手段と、上記演算値を用いてタイヤと路面間の摩擦状態を推定する路面摩擦状態推定手段とを備えたことを特徴とするものである。
また、請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の路面摩擦状態推定装置において、上記ピーク値とボトム値とから得られる演算値に基づき、路面の滑りやすさを判定する手段を設けたものである。
請求項５に記載の発明は、請求項３または請求項４に記載の路面摩擦状態推定装置において、予め作成された、上記ピーク値と上記ボトム値とから得られる演算値と様々な路面状態との関係を示すマップを記憶する手段を備えるとともに、上記路面摩擦状態推定手段により、上記演算値と上記マップとを用いてタイヤと路面間の摩擦状態を推定するように構成したものである。

請求項６に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の路面摩擦状態推定方法に用いられるタイヤであって、タイヤトレッドの幅方向中心に陸部を有するとともに、上記陸部のトレッドゴム内に、上記トレッドゴムに作用する接地荷重または接地圧を検出する手段を配設したことを特徴とするものである。
請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の路面摩擦状態推定用タイヤにおいて、上記接地荷重または接地圧を検出する手段を上記陸部の接地面から深さ方向に１０ｍｍ以内の位置に配設したものである。

本発明によれば、タイヤトレッドの陸部のトレッドゴム内に、走行中のタイヤのトレッドゴムに作用する接地荷重または接地圧を計測する手段を配設して、上記接地荷重または接地圧の時間変化波形を検出するとともに、上記接地圧の時間変化波形の、踏み込み点または蹴出し点付近に生じるピーク値の大きさと、接地直下部付近に生じるボトム値の大きさとから得られる演算値から、タイヤと路面間の摩擦状態を推定するようにしたので、簡単な構成でタイヤと路面との間の摩擦状態を精度良く推定することができる。

以下、本発明の最良の形態について、図面に基づき説明する。
図１は、本最良の形態に係わる路面摩擦状態推定システムの構成を示す機能ブロック図で、同図において、１０は当該タイヤのトレッドゴムに作用する接地圧を検出する接地圧検出手段１１と、この接地圧検出手段１１の出力を信号処理してタイヤのトレッドゴムに作用する接地圧の変動値を抽出する信号処理装置１２と、上記抽出された接地圧の変動値を車体側に送信する送信手段１３とを備えた計測ユニット１４が取付けられた路面摩擦状態推定用タイヤ、２０は車体側に設けられた、上記路面摩擦状態推定用タイヤ１０から送信される接地圧の変動値から走行中のタイヤと路面との間の摩擦状態を推定する路面摩擦状態推定装置である。
本例では、上記接地圧検出手段１１として導電性ゴムを用いるとともに、上記計測ユニット１４を、図２に示すように、当該タイヤのトレッド部１０ａの幅方向中心に位置する陸部１０ｂ内に埋設して、当該陸部１０ｂを構成するトレッドゴムに作用する路面に垂直な方向の力、すなわち、タイヤ接地圧を検出するようにしている。このとき、上記接地圧検出手段１１の埋設位置としては、上記陸部１０ｂの接地面から深さ方向に１０ｍｍ以内の位置とすることが肝要で、これよりも深い位置にすると接地圧の検出精度が低下するので好ましくない。

上記路面摩擦状態推定用タイヤ１０に設けられた信号処理装置１２は、詳細には、接地圧検出手段１１の出力レベルを時系列に配列した接地圧波形を検出する接地圧波形検出手段１２ａと、上記接地圧波形から、踏み込み点に生じるピーク値ｐ_１と接地直下部付近に生じるボトム値ｑとを抽出する接地圧値抽出手段１２ｂとを備えており、上記抽出されたピーク値ｐ_１とボトム値ｑのデータは、送信手段１３から車体側の路面摩擦状態推定装置２０に送信される。
また、上記路面摩擦状態推定装置２０は、上記タイヤ１０から送信されるピーク値ｐ_１とボトム値ｑのデータを受信する受信手段２１と、上記ピーク値ｐ_１と上記ボトム値ｑとの比であるピーク・ボトム比Ｒを演算するピーク・ボトム比演算手段２２と、予め求めておいた路面摩擦状態とピーク・ボトム比Ｒとの関係を示すマップ２３Ｍを記憶する記憶手段２３と、上記ピーク・ボトム比演算手段２２で演算され、上記受信手段２１で受信されたピーク・ボトム比Ｒと上記マップ２３Ｍとに基づいて車両の走行している路面とタイヤとの間の摩擦状態を推定する路面摩擦状態推定手段２４とを備え、上記路面摩擦状態推定用タイヤ１０から送信されたトレッドゴムに作用する接地圧のピーク値ｐ_１とボトム値ｑとに基づいて路面摩擦状態を推定する。

図３（ａ）〜（ｃ）は、本発明による路面摩擦状態推定用タイヤ１０の接地状態とトレッド部１０ａの中央に位置する陸部１０ｂのトレッドゴムに作用する接地圧の時間波形の一例を示す図で、（ｂ）図は高μ路であるＤＲＹアスファルト走行時の接地圧の変動を示す図、（ｃ）図は低μ路であるＩＣＥ路面走行時の接地圧の変動を示す図である。
路面摩擦は、タイヤトレッド表面のゴムと路面との間に発生するもので、図３（ａ）に示すように、タイヤが転動してトレッドが接地する際には、接地面以外ではほぼ円筒状であったものが平面上に変形させられることから、トレッドは周方向に圧縮力を受ける。このとき、高μ路では、路面との摩擦力が大きく、トレッドは路面に強く拘束されるので、上記圧縮力はトレッドの剪断歪として吸収される。一方、低μ路では、上記圧縮力に対向する力を発生することができず、そのため、トレッドは大きく圧縮され、タイヤに逆向きの曲げ変形（バックリング）が生じる。その結果、図３（ｂ），（ｃ）に示すように、高μ路では踏み込み〜蹴り出し間での接地圧の変動は小さいが、低μ路では上記バックリングのため、接地直下での接地圧が踏み込みまたは蹴り出し時よりも小さくなる。
したがって、接地圧変動が路面摩擦状態によって変化することを利用すれば、高精度で応答性のよい路面摩擦状態の推定を行うことができる。

次に、本最良の形態に係る路面摩擦状態の推定方法について説明する。
まず、接地圧検出手段１１にて当該陸部１０ｂのトレッドゴムに作用する接地圧を検出し、その出力を接地圧波形検出手段１２ａに送って、時系列に配列した陸部１０ｂに作用する接地圧波形を求め、接地圧値抽出抽出手段１２ｂにて、上記接地圧波形の踏み込み点に生じるピーク値ｐ_１及び、接地直下部付近に生じるボトム値ｑを抽出した後上記ピーク値ｐ_１とボトム値ｑのデータを、送信手段１３を介して、路面摩擦状態推定装置２０に送信する。
路面摩擦状態推定装置２０では、上記ピーク値ｐ_１と上記ボトム値ｑのデータを受信手段２１で受信し、ピーク・ボトム比演算手段２２にて、ピーク・ボトム比Ｒ＝（ｑ／ｐ_１）を演算した後、路面摩擦状態推定手段２４にて、上記ピーク・ボトム比Ｒと上記記憶手段２３に記憶されたマップ２３Ｍとに基づいて車両の走行している路面とタイヤとの間の摩擦状態を推定する。

このように、本最良の形態によれば、導電性ゴムから成る接地圧検出手段１１と、この接地圧検出手段１１の出力を信号処理してタイヤのトレッドゴムに作用する接地圧の変動波形における踏み込み側のピーク値ｐ_１と接地直下部付近に生じるボトム値ｑとを抽出して路面摩擦状態推定装置２０に送信し、路面摩擦状態推定装置２０にて、ピーク・ボトム比Ｒ＝（ｑ／ｐ_１）を演算し、上記演算されたピーク・ボトム比Ｒと記憶手段２３に記憶されたマップ２３Ｍとに基づいて車両の走行している路面とタイヤとの間の摩擦状態を推定するようにしたので、簡単な構成でタイヤと路面との間の摩擦状態を精度良く推定することができる。
また、本例では、タイヤのトレッドゴムに作用する接地圧の変動から路面摩擦状態を推定するようにしているので、スリップ率が実質０の場合でも、路面摩擦状態を推定することが可能であり、このため、制動開始前に適切な初期制動力を決定することができるという利点を有する。

なお、上記最良の形態では、接地圧検出手段１１により求めた接地圧から路面摩擦状態を推定したが、接地圧検出手段１１に代えてロードセルなどの接地荷重検出手段を設け、この接地荷重検出手段により求めた接地荷重に基づいて、路面摩擦状態を推定するようにしてもよい。
また、上記接地圧検出手段１１は周上に１個あれば、車両がタイヤ周長を進む毎に路面摩擦状態を推定することになるので、車両が進む毎に路面摩擦状態を更新できる。すなわち、車両速度に依存せず、タイヤ１回転毎に路面摩擦状態を更新できる。なお、接地圧検出手段１１を周上に複数設ければ、路面摩擦状態の更新距離を容易に短くできる。
また、上記例では、ピーク・ボトム比Ｒを演算するためのピーク値として、踏み込み側のピーク値ｐ_１を用いたが、蹴出し点付近に生じるピーク値ｐ₂を用いても、同様の効果を得ることができる。
また、ピーク・ボトム比Ｒに代えて、ピーク値として、踏み込み側のピーク値ｐ_１または蹴出し点付近に生じるピーク値ｐ₂と、接地直下部付近に生じるボトム値ｑとの差を用いてもよい。

また、上記最良の形態では、ピーク・ボトム比演算手段２２を路面摩擦状態推定装置２０内に設け、車両側にてピーク・ボトム比Ｒ＝（ｑ／ｐ_１）を演算したが、ピーク・ボトム比演算手段２２を路面摩擦状態推定用タイヤ１０の信号処理装置１２内に設けて、タイヤ側にてピーク・ボトム比Ｒを演算し、その結果を車体側に送信するようにしてもよい。なお、接地圧検出手段１１の出力を直接車体側に送信し、車体側にて接地圧波形を検出して踏み込み側のピーク値ｐ_１と接地直下部のボトム値ｑとを抽出する構成も考えられるが、この場合には、送信データが多くなるので、本例のように、タイヤ側にて上記ピーク値ｐ_１とボトム値ｑとを抽出して車体側に送信する構成とすることが好ましい。
また、上記例では、予め求めたピーク・ボトム比Ｒと路面摩擦状態との関係を示すマップ２３Ｍを用いて路面摩擦状態を推定したが、上記マップ２３Ｍに代えて、ピーク・ボトム比Ｒに対する判定値が設定され、ピーク・ボトム比Ｒが上記判定値以下であれば滑りにくい路面であり、上記判定値を超えた場合には路面は滑りやすい路面であると判定する判定手段を設けて、路面の滑りやすさを推定するようにしてもよい。あるいは、複数の閾値Ｋ１，Ｋ２を設けて、Ｒ≦Ｋ１なら高μ路面、Ｋ１＜Ｒ≦Ｋ２なら中μ路面、Ｋ２＜Ｒなら低μ路面と判定する路面状態判定手段を設けるようにしてもよい。

本発明の路面摩擦状態推定システムを搭載した車両を、ＤＲＹアスファルト路面（μ≒１）からＩＣＥ路面（μ≒０．１）に一定速度で進入させて、ピーク・ボトム比の時間変化を測定した。その結果を図４に示す。同図の横軸は時間、縦軸はピーク・ボトム比である。同図から明らかなように、ＩＣＥ路面に入ったと同時に上記ピーク・ボトム比が増大していることが分かる。したがって、同図の判定ラインのように、適当な閾値を設けるようにすれば、路面の滑りやすさを容易に判定することができることが確認された。

以上説明したように、本発明によれば、定常走行中でも、温度、速度に対してロバストにタイヤ挙動から路面摩擦状態を推定することができるので、上記推定された路面摩擦状態の情報を用いれば、ドライバーへ注意を喚起したりできるとともに、ＡＢＳやＶＳＣ等の車両制御の精度を格段に向上させることができるので、車両の走行安全性を大幅に向上させることができる。

本発明の最良の形態に係わる路面摩擦状態推定システムの構成を示す機能ブロック図である。 接地圧検出手段の装着位置の一例を示す図である。 タイヤの接地状態とトレッド部中央に位置する陸部のトレッドゴムに作用する接地圧の時間波形の一例を示す図である。 本発明の路面状態推定システムを搭載した車両を、ＤＲＹアスファルト路面からＩＣＥ路面に一定速度で進入させたときの、ピーク・ボトム比の時間変化を示す図である。 従来の路面摩擦状態の推定方法を示す図である。

符号の説明

１０ 路面摩擦状態推定用タイヤ、１０ａ トレッド部、１０ｂ 中央の陸部、
１１ 接地圧検出手段、１２ 信号処理装置、１２ａ 接地圧波形検出手段、
１２ｂ 接地圧値抽出手段、１３ 送信手段、１４ 計測ユニット、
２０ 路面摩擦状態推定装置、２１ 受信手段、２２ ピーク・ボトム比演算手段、
２３ 記憶手段、２３Ｍ マップ、２４ 路面摩擦状態推定手段。

Claims (7)

1. 走行中のタイヤのトレッドゴムに作用する接地荷重または接地圧を計測して、上記計測された接地荷重または接地圧の変動状態に基づいて、タイヤと路面間の摩擦状態を推定するようにしたことを特徴とする路面摩擦状態推定方法。
2. 上記計測された接地荷重または接地圧の時間変化波形の、踏み込み点または蹴出し点付近に生じるピーク値の大きさと接地直下部付近に生じるボトム値の大きさとからタイヤと路面間の摩擦状態を推定するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の路面摩擦状態推定方法。
3. 走行中のタイヤのトレッドゴムに作用する接地荷重または接地圧を検出する手段と、上記検出された接地荷重または接地圧の時間変化波形から、上記接地荷重または接地圧の踏み込み点または蹴出し点付近に生じるピーク値と接地直下部付近に生じるボトム値を検出する手段と、上記ピーク値とボトム値とを用いた演算値を演算する手段と、上記演算値を用いてタイヤと路面間の摩擦状態を推定する路面摩擦状態推定手段とを備えたことを特徴とする路面摩擦状態推定装置。
4. 上記ピーク値とボトム値とから得られる演算値に基づき、路面の滑りやすさを判定する手段を設けたことを特徴とする請求項３に記載の路面摩擦状態推定装置。
5. 予め作成された、上記ピーク値と上記ボトム値とから得られる演算値と様々な路面状態との関係を示すマップを記憶する手段を備えるとともに、上記路面摩擦状態推定手段により、上記演算値と上記マップとを用いてタイヤと路面間の摩擦状態を推定するように構成したことを特徴とする請求項３または請求項４に記載の路面摩擦状態推定装置。
6. 請求項１または請求項２に記載の路面摩擦状態推定方法に用いられるタイヤであって、タイヤトレッドの幅方向中心に陸部を有するとともに、上記陸部のトレッドゴム内に、上記トレッドゴムに作用する接地荷重または接地圧を検出する手段を配設したことを特徴とする路面摩擦状態推定用タイヤ。
7. 上記接地荷重または接地圧を検出する手段を上記陸部の接地面から深さ方向に１０ｍｍ以内の位置に配設したことを特徴とする請求項６に記載の路面摩擦状態推定用タイヤ。
   

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