JP6975624B2

JP6975624B2 - 制動性能評価方法

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Publication number: JP6975624B2
Application number: JP2017229311A
Authority: JP
Inventors: 直大石神
Original assignee: Toyo Tire Corp
Current assignee: Toyo Tire Corp
Priority date: 2017-11-29
Filing date: 2017-11-29
Publication date: 2021-12-01
Anticipated expiration: 2037-11-29
Also published as: US20190161066A1; CN109839242B; JP2019100765A; US10737671B2; DE102018219267A1; CN109839242A

Description

本発明は制動性能評価方法に関する。

従来、実車装着時のタイヤのＷＥＴ路面（すなわち濡れた路面）での制動性能は実際のタイヤを車両に装着して走行することにより評価されるが、この評価方法には試験コストがかかるという問題があった。

そこで特許文献１や特許文献２に記載のように、タイヤモデル及び路面モデルの他に、タイヤと路面との間の水膜をモデル化した流体モデルを構築し、それらのモデルを使用してシミュレーションを行う方法が提案されていた。しかしこの方法では計算コストがかかるため、車両モデルと連結させて解析を行うには不向きであるという問題があった。

また従来から、特許文献３や特許文献４に記載のように、円筒形状のベルトの外周にトレッドゴムに対応するブラシ状の弾性体要素を放射状に貼り付けたタイヤモデル（ブラシモデル）を用いることにより、タイヤの摩擦係数μとスリップ率Ｓとの関係を示すμ−Ｓ曲線を求める方法が知られていた。

特開２００２−１４０１１号公報特開２００４−３３８６６０号公報特開２００７−２０３８０９号公報特開２００３−５７１３４号公報

本発明は、タイヤのＷＥＴ路面での制動性能を低い計算コストで評価する方法を提供することを課題とする。

実施形態の制動性能評価方法は、タイヤ接地圧分布を取得するステップと、滑り摩擦係
数テーブルを取得するステップと、前記タイヤ接地圧分布を表す関数及び前記滑り摩擦係数テーブルを組み込んだブラシモデルを用いてタイヤ全体の摩擦力を計算するステップとを含む制動性能評価方法において、前記タイヤ接地圧分布を取得するステップが、水膜のない路面における第１接地圧分布を実測又は計算により取得するステップと、タイヤと路面との間に侵入した水膜による接地圧の減少を前記第１接地圧分布に対して加味して第２接地圧分布を取得して、前記第２接地圧分布を前記計算に用いる前記タイヤ接地圧分布とするステップとを含むことを特徴とする。

本発明によれば、タイヤと路面との間の水膜をモデル化した流体モデルを使用することなくＷＥＴ路面での制動性能を評価することができるので、計算コストが低く抑えられる。

実施形態の評価装置を示す図。実施形態の評価方法のフローチャート。滑り摩擦係数テーブルの例。（ａ）はタイヤの接地面を示す図。（ｂ）は接地面が多数の微小領域に分割された様子を示す図。図中の矢印はタイヤ幅方向である。ＡＢＳによる制御の影響を示す図。（ａ）は時間ｔの経過とスリップ率Ｓの変化との関係を示す図。（ｂ）は時間ｔの経過と車両速度Ｖ_ｘの変化との関係を示す図。浮き上がり関数の例を示す図。（ａ）は指数関数の図。（ｂ）はガウス関数の図。浮き上がり関数を第１接地圧分布に作用させて第２接地圧分布を取得する方法を説明する図。（ａ）は第１浮き上がり関数を示す図。（ｂ）は第２浮き上がり関数を示す図。（ｃ）は浮き上がりマップ。（ｄ）は第１接地圧分布を示す図。（ｅ）は第２接地圧分布を示す図。実施例を示す図。（ａ）は実施形態の方法で求めた第２接地圧分布を示す図で、黒い部分が接地している部分である。（ｂ）は実際のタイヤの接地状態を撮影した画像で、白い部分が接地している部分である。

実施形態について図面に基づき説明する。なお、実施形態は一例に過ぎず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更されたものについては、本発明の範囲に含まれるものとする。また図面は、説明のために、大きさや形状等が誇張されて描かれたり、模式的に描かれたりする場合がある。しかしこのような図面はあくまでも一例であって、本発明の解釈を限定するものではない。

１．評価装置及び評価方法
図１に実施形態の評価方法を実行する評価装置１０を示す。評価装置１０は、処理部１１と、記憶部１２と、実施形態の評価方法を実行するために必要な情報を入力するための入力装置１３と、評価結果を表示する表示装置１４とを有する。記憶部１２には実施形態の評価方法を実行するためのプログラムが記憶されており、処理部１１がこのプログラムを読み込んで以下の評価方法を実行する。

実施形態の評価方法について図２に基づき説明する。まず、タイヤの接地圧分布が取得される（図２のＳＴ１）。ここで取得される接地圧分布を「第１接地圧分布」とする。第１接地圧分布は、タイヤに制動時の前後力が負荷されたときの接地圧分布であることが望ましく、また動的前後輪荷重条件下での接地圧分布であることが望ましい。ここで動的前後輪荷重条件とは、制動前と比較して制動時には前輪にかかる荷重が大きくなり後輪にかかる荷重が小さくなるという条件のことである。第１接地圧分布は、実測により取得されたものでも良いし、計算により求まったものでも良い。第１接地圧分布は、実測により取得されたものである場合は水膜のないＤＲＹ路面で取得されたものであり、計算により求まったものである場合はタイヤと路面との間に水膜が侵入することを考慮していないものである。

次に滑り摩擦係数テーブルが取得される（図２のＳＴ２）。滑り摩擦係数テーブルとは、接地圧及び滑り速度に対応する滑り摩擦係数のテーブルで、実験により取得されたものである。参考のため図３に滑り摩擦係数テーブルの例を示す。なお滑り摩擦係数テーブル及び上記の第１接地圧分布は入力装置１３から入力される。

次に、第１接地圧分布に対して、タイヤと路面との間に侵入した水膜の影響が加味され、第２接地圧分布が取得される（図２のＳＴ３）。第２接地圧分布の取得方法については後述する。第２接地圧分布からタイヤ周方向の有効接地長（すなわち第２接地圧分布において接地圧０とさていない領域の接地長で、以下の計算における接地長Ｌ）及びタイヤ幅方向の有効接地幅（すなわち第２接地圧分布において接地圧０とさていない領域の接地幅で、後述する微小領域を全て足し合わせたときの接地幅）も明らかになる。

次に、図４（ａ）に示すタイヤの接地面２０が図４（ｂ）に示すようにタイヤ幅方向に複数の微小領域２１に分割され、各微小領域２１の摩擦力が計算される（図２のＳＴ４）。この計算にはタイヤのブラシモデルが用いられる。ブラシモデルでは、あるスリップ率Ｓの時の、タイヤを幅方向に分割した微小領域のうちｉ番目の領域の摩擦力Ｆｉ（Ｓ）が次の式で表される。

ここで、Δｗは接地面をタイヤ幅方向に分割した前記微小領域の幅（ｍｍ）、Ｌはタイヤ周方向の接地長（ｍｍ）、μ（Ｐ，Ｖ）は圧力Ｐ及び滑り速度Ｖの関数で表される摩擦係数、Ｄ(ｘ，ｙ)は接地圧分布を表す関数、ｙｉはｉ番目の前記微小領域の幅方向の中心座標値、Ｖ（Ｓ）はスリップ率Ｓの時の滑り速度、Ｃ_ｘはタイヤのトレッドゴムのせん断弾性定数である。また、ここではタイヤに凝着域と滑り域とが存在する場合の制動を考えているので、スリップ率Ｓは０より大きく凝着スリップ率より小さい値である。この式は凝着域で発生する摩擦力の項と滑り域で発生する摩擦力の項の足し合わせになっている。この式において、摩擦係数μ（Ｐ，Ｖ）として摩擦係数テーブルからわかる摩擦係数が、接地圧分布Ｄ(ｘ，ｙ)として第２接地圧分布が、それぞれ用いられる。

またＬ_hはタイヤの凝着域と滑り域の境界座標であり、次の関係を満足する値である。

次に、タイヤを幅方向に分割した微小領域の摩擦力Ｆｉ（Ｓ）に基づきタイヤ全体の摩擦力が算出される（図２のＳＴ５）。この摩擦力の算出方法については後述する。

次に、算出された摩擦力に基づき制動性能が評価される（図２のＳＴ６）。

制動性能として、例えば、ＡＢＳ（Antilock Brake System）が装備された車両の制動距離が算出される。具体的には、まず、ＡＢＳが装備された車両モデルとそれに連結されるタイヤモデルとが構築される。さらに、車両モデルからタイヤモデルへスリップ率Ｓ及び車両速度Ｖ_ｘが入力され、タイヤモデルから車両モデルへ摩擦力が出力されるフィードバックループが構築される。

ここで、ＡＢＳによるスリップ率Ｓの制御について図５に基づき説明する。まず車両においてブレーキをかけたことによる制動トルクが入力される（図５におけるＡ）。制動トルクが入力されると、タイヤのスリップ率Ｓ及びタイヤ摩擦係数μ（タイヤ摩擦係数μはタイヤ全体の摩擦力をタイヤ全体にかかる荷重で割ったもの）が上がり始め（図５におけるＢ）、摩擦力が発生し、車両速度Ｖ_ｘが下がり始める。タイヤ摩擦係数μが最大値μ_peakを超えると、ＡＢＳ制御により制動トルクが弱まり、その影響でスリップ率Ｓが下がり（図５におけるＣ）タイヤ摩擦係数μが変化する。タイヤ摩擦係数μが最大値μ_peakより下がると、ＡＢＳ制御により制動トルクが強まり、その影響でスリップ率Ｓが上がり（図５におけるＤ）タイヤ摩擦係数μが変化する。以降、タイヤ摩擦係数μが最大値μ_peak近傍で上下するようにＡＢＳ制御が働き、スリップ率Ｓが変動し、それに伴ってタイヤの摩擦力が変動し、車両速度Ｖ_ｘが下がり続けて最終的に０になる。

ＡＢＳ制御モデルを含む車両制動シミュレーションモデルを構築することで、タイヤモデルにおいて、制動トルクの入力が開始されてから車両速度Ｖ_ｘが０になるまでの課程におけるタイヤ摩擦係数μ及び摩擦力が上記の方法で計算される。そして、車両速度Ｖ_ｘの変化に基づき車両の制動距離が算出される。制動距離は図５（ｂ）における斜線部の面積に相当する。

２．第２接地圧分布の取得方法
次に、上記のフローにおける第２接地圧分布の取得方法について説明する。第１接地圧分布はタイヤと路面との間に侵入した水膜の影響が加味されていないものである。この第１接地圧分布に対して、タイヤと路面との間に侵入した水膜の影響が加味されることによって、第２接地圧分布が取得される。

タイヤと路面との間に侵入した水膜の影響を加味するために、水膜によってタイヤの接地圧が減少しタイヤが浮き上がる傾向となる現象を再現するための関数（以下「浮き上がり関数」とする）が設定される。浮き上がり関数の設定のために、タイヤの浮き上がりに影響する事項についての仮定がなされる。具体的には次のような仮定がなされる。
（１）タイヤの転動が高速であるほど浮き上がりやすい
（２）転動時の踏み込み側に近い部分ほど浮き上がりやすい
（３）主溝に近い部分ほど浮き上がりやすい
（４）主溝が狭いほど浮き上がりやすい
（５）接地圧がある閾値以下となった部分については、路面から完全に浮き上がったものとして、接地圧０とする
浮き上がり関数として、これらの仮定の一部又は全部を再現する任意の関数が設定される。設定される関数の数は１つでも複数でも良い。

例えば、仮定（１）及び（２）を再現する関数（以下、このような関数を「第１浮き上がり関数」とする）として指数関数

が設定され、仮定（３）及び（４）を再現する関数（以下、このような関数を「第２浮き上がり関数」とする）としてガウス関数

が設定される。指数関数Ｆ（ｘ）を図６（ａ）に、ガウス関数Ｇ（ｙ）を図６（ｂ）に示す。ここで、ｘは、タイヤ周方向の位置であり、タイヤの踏み込み側から蹴り出し側に向かって大きくなる。また、ｙはタイヤ幅方向の位置であり、各主溝の中心位置がｙ＝０として設定される。ガウス関数Ｇ（ｙ）は各主溝に対して設定される。また、０＜ａ＜１であり、ｂは主溝位置に基づき定められる値であり、ｃは主溝の幅等に基づき定められる値である。またｐ、ｑは任意の定数である。そして、これらの関数から求まる値が大きい部分ほど接地圧が減少するものとする。なおこの関数の選択はあくまで一例である。

浮き上がり関数が設定されたら、その浮き上がり関数を、上記の仮定を再現できるような形で第１接地圧分布に作用させる。それにより、水膜によってタイヤの接地圧が減少したことが再現された第２接地圧分布が取得される。

ここで、第１接地圧分布に浮き上がり関数を作用させて第２接地圧分布を取得する方法の具体的な例について、図７に基づき説明する。この例では浮き上がり関数として第１浮き上がり関数と第２浮き上がり関数とが設定されたものとする。

図７（ａ）は第１浮き上がり関数を図示したもので、明るい部分ほど値が大きく浮き上がる傾向にあることを示す。なお図７において左側がタイヤの踏み込み側である。そのため図７（ａ）は踏み込み側からの水膜の侵入の影響を示していると言える。また図７（ｂ）は第２浮き上がり関数を図示したもので、明るい部分ほど値が大きく浮き上がる傾向にあることを示す。図７（ｂ）は主溝からの水膜の侵入の影響を示していると言える。なお図７（ｂ）における第２浮き上がり関数はタイヤの踏み込み側に近いほど広範囲に影響するよう設定されている。

次に浮き上がり関数に基づき浮き上がり係数を導出する。浮き上がり係数は浮き上がる傾向のある位置におけるほど小さい係数とする。それにより、浮き上がり係数を第１接地圧分布に掛けたとき（乗算したとき）に、浮き上がる傾向にある位置ほど接地圧が小さくなる。

具体的には、第１浮き上がり関数の従属変数の最大値から、第１浮き上がり関数の各位置での従属変数を引き、求まった値を接地面の各位置での第１浮き上がり係数とする（例えば、第１浮き上がり関数の従属変数の最大値が１．０で、接地面のある位置での第１浮き上がり関数の従属変数が０．２の場合、その位置での第１浮き上がり係数は１．０−０．２＝０．８となる）。第１浮き上がり係数は、浮き上がる傾向のある位置におけるほど小さくなる。同様に、第２浮き上がり関数の従属変数の最大値から、第２浮き上がり関数の各位置での従属変数を引き、求まった値を接地面の各位置での第２浮き上がり係数とする。第２浮き上がり係数は、浮き上がる傾向のある位置におけるほど小さくなる。

次に、各位置における第１浮き上がり係数と第２浮き上がり係数とを掛け合わせ（すなわち乗算し）、最終的な浮き上がり係数とする。最終的な浮き上がり係数は、浮き上がる傾向のある位置におけるほど小さくなる。最終的な浮き上がり係数の分布を図示したのが図７（ｃ）に示す浮き上がりマップである。浮き上がりマップでは暗い部分ほど係数が小さく浮き上がる傾向にあることを示す。

この浮き上がりマップで示される最終的な浮き上がり係数を、図７（ｄ）に示す第１接地圧分布の各位置の接地圧に掛け（すなわち乗算し）、その結果が所定の閾値以下となった位置の接地圧を０とすることにより、図７（ｅ）に示す第２接地圧分布が取得される。第２接地圧分布は関数として表すことができる。

以上のようにして取得された第２接地圧分布が上記の評価方法のフローにおいて使用される。

３．タイヤ全体の摩擦力の算出方法
次に、上記のフローにおけるタイヤ全体の摩擦力の算出方法について図４に基づき説明する。

まず、図４（ａ）に示すタイヤの接地面２０が、図４（ｂ）に示すようにタイヤ幅方向に多数の微小領域２１に分割される。分割後の各微小領域２１は、それぞれタイヤ周方向の接地長Ｌを有する。全ての微小領域２１を集合させると元の接地面２０となる。各微小領域２１には、その部分における第２接地圧分布が生じている。各微小領域２１における第２接地圧分布を「タイヤ周方向接地圧分布」とする。

次に、各微小領域２１における摩擦力が計算される。具体的には、ブラシモデルの上記の式Ｆｉ（Ｓ）にタイヤ周方向接地圧分布Ｄ(ｘ，ｙｉ)が組み込まれる。そして、ブラシモデルの式Ｆｉ（Ｓ）に所定のスリップ率Ｓが付与されることにより、微小領域２１の摩擦力が算出される。この摩擦力を「タイヤ周方向摩擦力」とする。このタイヤ周方向摩擦力が、タイヤ幅方向の一端から他端までの全ての微小領域２１について算出される。

次に、算出された全てのタイヤ周方向摩擦力が次のように積算される。

それにより、タイヤ全体の摩擦力が算出される。以上のようにして算出されたタイヤ全体の摩擦力が上記の評価方法のフローにおいて使用される。

４．効果
以上のように、実施形態では、まず水膜のない路面における第１接地圧分布を実測又は計算により取得し、次にタイヤと路面との間に侵入した水膜による接地圧の減少を第１接地圧分布に対して加味して第２接地圧分布を取得し、その第２接地圧分布をブラシモデルに組み込んで摩擦力を計算する。そのため、タイヤと路面との間の水膜をモデル化した流体モデルを用いなくても、ＷＥＴ路面での接地圧を精度良く再現することができ、制動性能を精度良く評価することができる。そして、流体モデルを用いないため、計算コストが低く抑えられる。

５．実施例
実施例を図８に示す。図８の上に並ぶ（ａ）の図は、実施形態の方法で求めた第２接地圧分布を示す図で、黒い部分が接地している部分である。また図８の下に並ぶ（ｂ）の図は、実際のタイヤの接地状態を撮影した画像で、白い部分が接地している部分である。（ａ）、（ｂ）ともに、左から順に１２０ｋｍ／時間、９０ｋｍ／時間、６０ｋｍ／時間でタイヤが転動しているときの接地状態を示している。（ａ）における黒い部分と（ｂ）における白い部分との比較から、実施形態の第２接地圧分布の取得方法により実際のタイヤの接地状態を精度良く再現できることがわかった。

１０…評価装置、１１…処理部、１２…記憶部、１３…入力装置、１４…表示装置、２０…接地面、２１…微小領域

Claims

タイヤ接地圧分布を取得するステップと、滑り摩擦係数テーブルを取得するステップと、前記タイヤ接地圧分布を表す関数及び前記滑り摩擦係数テーブルを組み込んだブラシモデルを用いてタイヤ全体の摩擦力を計算するステップとを含む制動性能評価方法において、
前記タイヤ接地圧分布を取得するステップが、水膜のない路面における第１接地圧分布を実測又は計算により取得するステップと、タイヤと路面との間に侵入した水膜による接地圧の減少を前記第１接地圧分布に対して加味して第２接地圧分布を取得して、前記第２接地圧分布を前記計算に用いる前記タイヤ接地圧分布とするステップとを含むことを特徴とする、制動性能評価方法。
前記のブラシモデルを用いてタイヤ全体の摩擦力を求めるステップが、接地面がタイヤ幅方向に分割されて出来た各微小領域の摩擦力をそれぞれ計算するステップと、全ての前記微小領域の摩擦力を積算してタイヤ全体の摩擦力とするステップとを含むことを特徴とする、請求項１に記載の制動性能評価方法。