JP5100095B2 - タイヤ摩耗量の推定方法及びタイヤ摩耗量推定装置 - Google Patents

Description

本発明は、タイヤトレッド部の摩耗量を推定する装置とその方法に関するものである。

一般に、タイヤが摩耗すると、その摩耗度合に応じて湿潤路における排水性能が低下するなど、タイヤの性能は大きく変化することから、自動車の安全性を高める上では、路面と接触しているタイヤの状態、特に、その摩耗度合を検知することは重要である。タイヤの摩耗が更に進むと、バーストの危険性も高くなる。
タイヤの摩耗量を推定する方法としては、図９（ａ）〜（ｃ）に示すような、複数の導電ゴム抵抗体５１ａと抵抗体５１ｂを並列に接続した抵抗手段５１とこの抵抗手段５１に直列に接続した直流電源５２を備えたセンサ５３と、このセンサ５３の検出信号をアンテナ５４を介して送信する送信部５５とを備えたタイヤ装着ユニット５０をタイヤトレッド部６０のブロック６１内に埋設して、当該ブロック６１の摩耗に応じて変化する上記抵抗手段５１の抵抗値を検出してタイヤトレッド部６０の摩耗量を推定する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００５−２８９５０号公報

しかしながら、上記方法では、タイヤトレッド部６０のブロック６１内にアンテナ５４を有する送信部５５を備えたタイヤ装着ユニット５０を埋設する構成となっているため、トレッド部の加工が必要なだけでなく、センサ５３が転動するタイヤ部にあるため、その検出信号を無線通信により車体側に送る必要があるため、信号の検出精度が十分とはいえなかった。

本発明は、従来の問題点に鑑みてなされたもので、タイヤトレッド部の摩耗状態を車体側にて精度よく計測することのできる方法とその装置を提供することを目的とする。

本発明者らは鋭意検討の結果、走行中の車輌バネ下部における車輌前後方向の加速度のピッチング成分の大きさが当該タイヤの摩耗量に依存することから、走行中の車輌バネ下部における車輌前後方向の加速度の、特定の周波数領域における周波数成分の大きさを抽出することにより、タイヤの摩耗量を車体側にて精度よく計測することができることを見出し、本発明に到ったものである。
すなわち、本願の請求項１に記載の発明は、車輌バネ下部における車輌前後方向の加速度を検出するとともに、車輪の回転速度を検出して解析する周波数帯域を設定し、上記検出された車輌バネ下部における車輌前後方向の加速度の上記解析周波数帯域における周波数成分を抽出し、この抽出された周波数成分の大きさからタイヤの摩耗量を推定することを特徴とするものである。

請求項２に記載の発明は、タイヤの摩耗量を推定する装置であって、車輌バネ下部材に装着され、当該部材の車輌前後方向の加速度を検出する加速度センサと、車輪の回転速度を検出する車輪速センサと、この車輪速センサで検出した車輪速に基づいて解析する周波数帯域を設定する周波数帯域設定手段と、上記検出された車輌バネ下部における車輌前後方向の加速度の上記解析周波数帯域における周波数成分の大きさである帯域値を算出する帯域値算出手段と、上記算出された帯域値からタイヤの摩耗量を推定する摩耗量推定手段とを備えたことを特徴とするものである。
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載のタイヤ摩耗量推定装置において、タイヤ種及び車輪速に応じた閾値を設定する手段と、上記算出された帯域値と上記閾値とを比較してタイヤの摩耗進展を判定する摩耗状態判定手段を設けたものである。
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載のタイヤ摩耗量推定装置において、上記算出された帯域値が上記閾値を超えた場合に警報を発する警報手段を設けたものである。

本発明によれば、車輌バネ下部における車輌前後方向の加速度（以下、車輌バネ下部の前後加速度という）を検出するとともに、車輪の回転速度を検出して解析する周波数帯域を設定し、上記検出された車輌バネ下部の前後加速度の上記解析周波数帯域における周波数成分を抽出し、この抽出された周波数成分の大きさである帯域値からタイヤの摩耗量を推定するようにしたので、タイヤトレッド部の摩耗状態を車体側にて精度よく計測することができる。
また、上記車輌バネ下部の前後加速度成分に対して、タイヤ種及び車輪速度に応じた閾値を設定し、上記算出された帯域値と上記閾値とを比較してタイヤの摩耗進展を判定するようにしたので、タイヤが不適切な状態になる前に、当該タイヤの状態を、例えば、警報手段等を用いてドライバーに認識させることができる。
更には、上記判定結果を利用して、溝深さ不足によるハイドロプレーニングを未然に防止する対策をとることができるので、安全性が向上する。

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、本最良の形態に係るタイヤ摩耗量推定装置１０の構成を示す機能ブロック図で、同図において、１１は車輌前後方向の加速度を検出する加速度センサ、１２は車輪の回転速度を検出する車輪速センサ、１３は上記加速度センサ１１の出力を周波数分析してその周波数スペクトルを求める周波数分析手段、１４は上記車輪速センサ１２で検出した車輪速に基づいて解析する周波数帯域の中心周波数ｆ_cと帯域幅ｆ_wとを設定する周波数帯域設定手段、１５は上記周波数スペクトルのうちの上記周波数帯域設定手段１４で設定された周波数帯域における前後加速度の周波数成分の大きさである帯域値を算出する帯域値算出手段、１６は上記車輪速センサ１２で検出した車輪速に基づいて帯域値の閾値を設定する閾値設定手段、１７は上記帯域値算出手段１５で算出された帯域値と上記帯域値の閾値とを比較して当該タイヤの摩耗進展を判定する摩耗状態判定手段、１８はこの摩耗状態判定手段１７で判定した摩耗進展の判定結果に基づいてタイヤの摩耗が進行しているという警報を発する警報手段である。なお、以下、上記周波数分析手段１３〜警報手段１８を演算部１９という。
本例では、図２に示すように、ヨークとコイルとから成るセンサ部をホイールハブ２１に軸受けを介して連結される車輌バネ下部品であるナックル２２に装着するタイプの車輪速センサ１２を用いているが、ベアリング一体型のセンサなど、他のタイプのセンサを用いてもよい。
また、加速度センサ１１は上記ナックル２２に、その検出方向が車輌前後方向になるように取付けられる。なお、加速度センサ１１の取付け位置については、その検出方向が車輌前後方向であればよく、必ずしも、同図のようにドライブシャフト２３に近い位置に取付ける必要はない。また、演算部１９（周波数分析手段１３〜警報手段１８）は上記加速度センサ１１と一体に構成してユニット化してもよいし、上記ナックル２２の別の箇所に設置して図示しない信号線により加速度センサ１１及び車輪速センサ１２と接続するようにしてもよい。

次に、本最良の形態に係るタイヤ摩耗量の推定方法について説明する。
まず、加速度センサ１１により車輌バネ下部における車輌前後方向の加速度を検出し、これを周波数分析手段１３に送って周波数分析し、その周波数スペクトルを求める。
一方、車輪速センサ１２により車輪速を検出し、周波数帯域設定手段１４にて解析する周波数帯域の中心周波数ｆ_cと帯域幅ｆ_wとを設定する。本例では、上記中心周波数ｆ_cと帯域幅ｆ_wとを、車輪速をＶとして、ｆ_c（Ｈｚ）＝ａ＋ｂ・Ｖ（ｋｍ／ｈ）、ｆ_w（Ｈｚ）と＝ｃ＋ｄ・Ｖ（ｋｍ／ｈ）により算出する。なお、定数ａ〜ｄは、タイヤ種により決まる定数で、主に、タイヤ径と主要ブロックのブロックピッチにより決まる定数である。
帯域値算出手段１５では、上記周波数分析手段１３で得られた周波数スペクトルのうち、上記周波数帯域設定手段１４で設定された中心周波数ｆ_cと帯域幅ｆ_wとにより規定される周波数帯域におけるタイヤバネ下部での前後加速度の周波数成分の大きさ（以下、帯域値という）を算出する。
図３は本発明によるタイヤ摩耗量推定装置１０を搭載した車輌を６０ｋｍ／ｈで走行させたときのバネ下前後加速度の周波数スペクトルで、同図の太い実線は摩耗が進展したタイヤを装着したときの周波数スペクトル、細い実線は新品のタイヤ（摩耗ゼロ）を装着したときの周波数周波数スペクトルである。
タイヤの摩耗が進展するとブロック剛性が実質的に高くなる。一方、上記帯域値はブロックピッチに依存する周波数成分の大きさで、その大きさは、ブロック剛性が高いほど大きいことから、摩耗が進展したタイヤを装着して走行したときの帯域値（以下、初期帯域値という）と 摩耗ゼロのタイヤを装着して走行したときの帯域値（以下、摩耗時帯域値という）との差が当該タイヤの摩耗進展の度合に対応する。したがって、基準となる帯域値(閾値)を設定し、この閾値と上記帯域値算出手段１５で算出された摩耗時帯域値とを比較すれば、当該タイヤの摩耗進展の度合を精度よく判定することができる。

また、上記初期帯域値と摩耗時帯域値とは、ともに、車輪速が大きい程大きいので、閾値設定手段１６では、上記車輪速センサ１２で検出した車輪速に基づいて帯域値の閾値を設定する。摩耗状態判定手段１７では、上記帯域値算出手段１５で算出された摩耗時帯域値と上記閾値設定手段１６で設定された帯域値の閾値とを比較して当該タイヤの摩耗進展を判定する。そして、摩耗状態判定手段１７にて摩耗が進展していると判定された場合には、警報手段１８にその信号を入力し、警報用のＬＥＤを点滅させるなどしてドライバーにタイヤの摩耗が進展していることを認識させる。
タイヤの摩耗が進展すると溝深さが不足するので、水深が浅くてもハイドロプレーニングが起きやすくなる。そこで、タイヤが不適切な状態になる前に、警報手段１８を用いて、当該タイヤの状態をドライバーに認識させるようにすれば、ドライバーはタイヤ交換したりするなどの処置を行うことができるので、車輌の安全性を高めることができる。

このように本最良の形態では、車輌バネ下部品であるナックル２２に加速度センサ１１を取付けて車輌バネ下部の前後加速度を検出し、周波数分析手段１３にてその周波数スペクトルを求めるとともに、周波数帯域設定手段１４にて、車輪速センサ１２を用いて検出した車輪速に基づいて上記周波数スペクトルのうちの解析する周波数帯域を設定し、帯域値算出手段１５において、上記周波数帯域におけるタイヤバネ下部での前後加速度の帯域値を算出し、上記算出された前後加速度成分の大きさからタイヤの摩耗量を推定するようにしたので、タイヤトレッド部の摩耗状態を車体側にて精度よく計測することができる。
また、閾値設定手段１６を設けて、上記車輪速センサ１２で検出した車輪速に基づいて帯域値の閾値を設定し、上記帯域値算出手段１５で算出された摩耗時帯域値と上記閾値設定手段１６で設定された帯域値の閾値とを比較して当該タイヤの摩耗進展を判定するとともに、タイヤの摩耗が進展していると判定された場合には、警報手段１８にてドライバーにタイヤの摩耗が進展していることを認識させるようにしたので、車輌の走行安全性を向上させることができる。

なお、上記最良の形態では、周波数分析手段１３を設けて、車輌バネ下部の前後加速度の周波数スペクトルを求め、この周波数スペクトルからタイヤバネ下部での前後加速度の帯域値を算出するようにしたが、帯域値を算出するには必ずしも周波数スペクトルを求める必要はなく、バンドパスフィルタを用いて、車輪速に基づいて設定された周波数帯域の前後加速度成分を抽出して上記帯域値を求めるようにしてもよい。
また、上記タイヤ摩耗量推定装置１０では、帯域値算出手段１５の後段に閾値設定手段１６と摩耗状態判定手段１７とを設けて当該タイヤの摩耗進展を判定するようにしたが、帯域値とタイヤ摩耗量との関係を予め測定しておくとともに、図４に示すように、上記閾値設定手段１６と摩耗状態判定手段１７に代えて、車輪速と帯域値と摩耗進行度との関係を示すテーブル３１Ｔを記憶する記憶手段３１と、車輪速センサ１２で検出した車輪速と帯域値算出手段１５で算出された帯域値と上記テーブル３１Ｔとから当該タイヤの摩耗量を推定するタイヤ摩耗量推定手段３２とを設けたタイヤ摩耗量推定装置３０を構成し、摩耗時帯域値から当該タイヤの摩耗量を推定するようにすれば、タイヤの摩耗状態を更に精度よく把握することができる。
また、上記例では、車輪速センサ１２により検出した車輪速に基づいて解析する周波数帯域の中心周波数ｆ_cと帯域幅ｆ_wとを設定したが、上記摩耗量に依存する前後加速度成分の周波数帯域や周波数成分の大きさは、タイヤ構造やトレッドパターンに依存するので、上記中心周波数ｆ_cと帯域幅ｆ_wとを設定する際に使用する定数ａ〜ｄや上記算出された摩耗時帯域値と比較するための閾値をタイヤ種により変更可能とすることが好ましい。具体的には、本発明のタイヤ摩耗量推定装置１０に、別途、タイヤ種を入力する手段と、上記入力されたタイヤ種に応じて上記定数ａ〜ｄ及び閾値を変更する手段とを付加するようにすれば、タイヤ交換においてタイヤ種を変更した場合でも、当該タイヤのタイヤの摩耗進展を精度よく判定することができる。

本発明によるタイヤ摩耗量推定装置を搭載した車輌をスムースなアスファルト路面にて４０ｋｍ/ｈ、６０ｋｍ/ｈ及び７０ｋｍ/ｈ走行させて、車輌バネ下部の前後加速度を計測し、その周波数スペクトルを求めた結果をそれぞれ図５〜図７に示す。各図において、同図の太い実線は摩耗が進展したタイヤを装着したときの周波数スペクトル、細い実線は新品のタイヤ(摩耗ゼロ)を装着したときの周波数スペクトルである。
このとき、試験に使ったタイヤは２５５/５５Ｒ１７で、摩耗時帯域値を求める際の中心周波数ｆ_cと帯域幅ｆ_wとは、以下の式を用いて求めた。但し、Ｖは車輪速である。
ｆ_c（Ｈｚ）＝５＋６．７５×Ｖ（ｋｍ/ｈ）
ｆ_w（Ｈｚ）＝５０＋２．５×Ｖ（ｋｍ/ｈ）
図５〜図７から明らかなように、特定の周波数領域においては、摩耗ゼロのタイヤを装着したときの帯域値と摩耗が進展しているタイヤを装着したときの帯域値とでは大きなレベル差がある。また、上記周波数領域は車輪速が大きい程高周波側に移動する。
これにより、車輌バネ下部の前後加速度を検出した周波数スペクトルの車輪速に応じて設定される周波数帯域での帯域値を算出してやれば、この帯域値からタイヤの摩耗量を精度よく推定することができることが確認された。
また、図８は帯域値と車輪速との関係を示す図で、同図の白丸は摩耗ゼロのタイヤを装着したときの帯域値、同図の黒丸は摩耗が進展しているタイヤを装着したときの帯域値である。したがって、同図に示すような判定線を設けて、算出した帯域値が上記判定線の上側にあるか下側にあるかを判定すれば、タイヤの摩耗の進展を精度よく判定することができる。

以上説明したように、本発明によれば、タイヤトレッド部の摩耗状態を車体側にて精度よく計測することができるので、当該タイヤの状態を、例えば、警報手段等を用いてドライバーに認識させるなどすれば、車輌の走行安全性を向上させることができる。

本発明の最良の形態に係るタイヤ摩耗量推定装置の構成を示す機能ブロック図である。 加速度センサと車輪速センサの取付け例を示す図である。 バネ下前後加速度の周波数スペクトルの一例を示す図である。 本発明によるタイヤ摩耗量推定装置の他の構成を示す図である。 新品時と摩耗時のバネ下前後加速度波形の周波数スペクトルの一例（車輪速が４０ｋｍ/ｈのとき）を示す図である。 新品時と摩耗時のバネ下前後加速度波形の周波数スペクトルの一例（車輪速が６０ｋｍ/ｈのとき）を示す図である。 新品時と摩耗時のバネ下前後加速度波形の周波数スペクトルの一例（車輪速が７０ｋｍ/ｈのとき）を示す図である。 帯域値と車輪速との関係を示す図である。 従来のタイヤの摩耗量の推定方法を示す図である。

符号の説明

１０ タイヤ摩耗量推定装置、１１ 加速度センサ、１２ 車輪速センサ、
１３ 周波数分析手段、１４ 周波数帯域設定手段、１５ 帯域値算出手段、
１６ 閾値設定手段、１７ 摩耗状態判定手段、１８ 警報手段、１９ 演算部、
２１ ホイールハブ、２２ ナックル、２３ ドライブシャフト。

Claims (4)

1. 車輌バネ下部における車輌前後方向の加速度を検出するとともに、車輪の回転速度を検出して解析する周波数帯域を設定し、上記検出された車輌バネ下部における車輌前後方向の加速度の上記解析周波数帯域における周波数成分を抽出し、この抽出された周波数成分の大きさからタイヤの摩耗量を推定することを特徴とするタイヤ摩耗量の推定方法。
2. 車輌バネ下部材に装着され、当該部材の車輌前後方向の加速度を検出する加速度センサと、車輪の回転速度を検出する車輪速センサと、この車輪速センサで検出した車輪速に基づいて解析する周波数帯域を設定する周波数帯域設定手段と、上記検出された車輌バネ下部における車輌前後方向の加速度の上記解析周波数帯域における周波数成分の大きさである帯域値を算出する帯域値算出手段と、上記算出された帯域値からタイヤの摩耗量を推定する摩耗量推定手段とを備えたことを特徴とするタイヤ摩耗量推定装置。
3. タイヤ種及び車輪速に応じた閾値を設定する手段と、上記算出された帯域値と上記閾値とを比較してタイヤの摩耗進展を判定する摩耗状態判定手段を設けたことを特徴とする請求項２に記載のタイヤ摩耗量推定装置。
4. 上記算出された帯域値が上記閾値を超えた場合に警報を発する警報手段を設けたことを特徴とする請求項３に記載のタイヤ摩耗量推定装置。

Images