(57)【要約】【課題】タイヤ内で発生する空洞共鳴音を抑制して路面状態を精度よく検出する。【解決手段】タイヤ気室５を蓋部材４によりタイヤ主気室６と副気室７とに分離し、かつ、上記タイヤ主気室６と副気室７とを連通する連通孔８を設けて、ヘルムホルツ共鳴吸音器を備えたホイール１を構成するとともに、リム３のウエル部３ｗに、圧力センサ，バッテリ，センサ駆動回路，無線送信回路などが１つのケース内に収納されたバルブ固定型圧力センサユニット１０を取付け、検出されたタイヤ内圧の微小圧力変動の信号を図示しない車体側に送信して、上記微小圧力変動の信号を周波数分析し、所定の周波数帯域内での圧力変動値を算出し、この算出された圧力変動値から走行時の路面状態を推定するようにした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
タイヤ内の気体の圧力を検出し、この検出されたタイヤ内圧の微小圧力変動値に基づいて、走行時の路面状態を推定する路面状態推定装置において、タイヤ気室側に取付けられて、タイヤ内の空洞共鳴音を低減する吸音手段と、上記タイヤの内圧を検出する圧力検出手段と、この圧力検出手段で検出された、タイヤ内の空洞共鳴音が低減されたタイヤの内圧の圧力変動信号を周波数分析して所定の周波数帯域内での圧力変動値を算出する圧力変動値算出手段と、上記算出された圧力変動値から走行時の路面状態を推定する路面状態推定手段とを備えたことを特徴とする路面状態推定装置。
【請求項２】
上記タイヤの空洞共鳴周波数をＦcとしたときに、上記吸音手段の共鳴周波数Ｆ0が以下に示す範囲にあることを特徴とする請求項１に記載の路面状態推定装置。
Ｆc−１００Ｈｚ≦Ｆ0≦Ｆc＋１００Ｈｚ
【請求項３】
上記圧力変動値算出手段は、１０００Ｈｚ未満の周波数帯域での圧力変動値と１０００Ｈｚ以上の周波数帯域での圧力変動値を算出し、上記路面状態推定手段は上記２つの周波数帯域での圧力変動値を比較して路面状態を推定することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の路面状態推定装置。
【請求項４】
上記吸音手段はホイールに設けられてい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路面状態推定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両の走行時の路面状態を推定する装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
自動車の走行安定性を高めるため、タイヤと路面との間の摩擦係数（路面摩擦係数）あるいは路面状態を精度良く推定し、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、予め路面摩擦係数を推定することができれば、例えば、ＡＢＳブレーキのより高度な制御等が可能になり、安全性を一段と高められると考えられる。また、運転者にその危険度を伝えるだけでも、運転者が早めの減速動作を行えるようになり、事故の減少が期待できる。
本出願人は、例えば、特願２００１−３６０４８号（特許文献１）において、走行中の路面状態を精度良く推定するとともに、上記推定された路面状態に基づいて車両の走行状態をフィードバック制御することのできる路面状態の推定方法とその装置を提案している。この手法は、タイヤが定常走行時においても踏面内で滑りを生じているという事実に基づいており、伝播されたタイヤ内の気体の微小変動を検出して、これを周波数分析し、得られた圧力変動スペクトルの所定の周波数帯域における圧力変動レベルを検出して路面摩擦係数を推定するものである。
上記技術を更に具体的に説明すると、タイヤは、定常走行時においても、その踏面においてワイピング変形に伴う滑りを生じており、路面摩擦係数が低下するとこの滑り量が増大する。この現象により、タイヤの１ｋＨｚ以上の高周波振動が増大し、この振動がタイヤ内の気体にも伝播する。したがって、タイヤ内の微小圧力変動をモニタリングして周波数分析し、更に必要とされる幾つかの周波数帯域の圧力変動レベル（帯域値）を求め、係数を掛けるなどの演算処理を行うことにより、路面摩擦係数を推定することができる。ここで、上記周波数帯域としては、上記路面の滑りの寄与が大きい複数の帯域に対して、速度や路面の凹凸などの路面入力が大きい帯域を複数選び、補正演算を行うことにより、速度などの情報がなくとも、路面摩擦係数を推定することができる。
【特許文献１】特開２００２−２４０５２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記システムでは、一定速の直進走行中、あるいは、緩やかな加減速、操舵時には、路面摩擦係数を精度良く推定できるが、路面の凹凸が激しい場合には、タイヤ内において空洞共鳴音が増大するため、推定精度の低下を招くことがある。すなわち、上記空洞共鳴音は、タイヤ内圧を検出して路面滑り振動の推定を行う上での外乱要素となる。
【０００４】
本発明は、従来の問題点に鑑みてなされたもので、タイヤ内で発生する空洞共鳴音を抑制して路面状態を精度良く検出する装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の請求項１に記載の発明は、タイヤ内の気体の圧力を検出し、この検出されたタイヤ内圧の微小圧力変動値に基づいて、走行時の路面状態を推定する路面状態推定装置において、タイヤ気室側に取付けられて、タイヤ内の空洞共鳴音を低減する吸音手段と、上記タイヤの内圧を検出する圧力検出手段と、上記圧力検出手段で検出された、タイヤ内の空洞共鳴音が低減されたタイヤの内圧の圧力変動信号を周波数分析して所定の周波数帯域内での圧力変動値を算出する圧力変動値算出手段と、上記算出された圧力変動値から走行時の路面状態を推定する路面状態推定手段とを備えたことを特徴とするものである。これにより、タイヤ内圧の微小圧力変動の信号に対するノイズ成分となるタイヤ内の空洞共鳴音を低減して、路面状態を精度良く検出することができる。
請求項２に記載の路面状態推定装置は、タイヤのサイズ（タイヤ気室内の平均周長）で決まる、上記タイヤの空洞共鳴周波数をＦcとしたときに、上記吸音手段の共鳴周波数Ｆ0の設定範囲を、Ｆc−１００Ｈｚ≦Ｆ0≦Ｆc＋１００Ｈｚとなるようにしたもので、これにより、タイヤの空洞共鳴音を確実にかつ大幅に低減することができ、路面状態の推定精度を著しく向上させることが可能となる。
請求項３に記載の路面状態推定装置は、上記圧力変動値算出手段は、１０００Ｈｚ未満の周波数帯域での圧力変動値と１０００Ｈｚ以上の周波数帯域での圧力変動値を算出し、上記路面状態推定手段は上記２つの周波数帯域での圧力変動値を比較して路面状態を推定することを特徴とするものである。これにより、上記１０００Ｈｚ未満の周波数帯域に出現する、タイヤ内圧の微小圧力変動の信号に対するノイズ成分となるタイヤ内の空洞共鳴音を低減して、路面状態を精度良く検出することができる。
請求項４に記載の路面状態推定装置は、上記吸音手段をホイールに設けたものである。
上記吸音手段としては、例えば、ホイール内に蓋部材などを用いて副気室を形成するとともに、この副気室とタイヤ主気室とを連通孔により連通させ、上記副気室による音の共鳴吸収現象を利用してタイヤ空洞共鳴音の大きさを低減するヘルムホルツ共鳴吸音器などが好適に用いられる。本発明者らが検討したところ、副気室の体積をＶ(ｃｍ3)、連通孔の総断面積をＳ(ｃｍ2)、連通孔長さをＬ(ｃｍ)、連通孔の個数をＮとすると、上記ヘルムホルツ共鳴吸音器の共鳴周波数Ｆ0(Ｈｚ)は、下記の式で表わせる。
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但し、ｃはタイヤ気室内での音速(ｃｍ／ｓｅｃ)である。
したがって、上記ヘルムホルツ共鳴吸音器の各設計値を適宜設定することにより、上記空洞共鳴音周辺の周波数帯域の音を大幅に低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
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、本発明の一実施の形態を示す模式図で、１はタイヤ２を装着するためのホイール、３はホイールのタイヤ装着部であるホイールリム（以下、リムという）、４はリム３の径方向外側に配置された、タイヤ２とリム３との間に形成される、タイヤ気室５をタイヤ主気室６と副気室７とに分離するための蓋部材、８は上記タイヤ主気室６と副気室７とを連通する連通孔、１０は圧力センサ，バッテリ，センサ駆動回路，無線送信回路などが１つのケース内に収納され、上記リム３に設けられたスナップイン型タイヤバルブと一体化されたバルブ固定型圧力センサユニットで、上記圧力センサの検出面が上記主気室６側に位置するように上記リム３のウエル部３ｗに取付けられる。
本例では、図２（ａ）に示すように、上記蓋部材４を周方向に複数個配置するとともに、上記蓋部材４との間、周方向に間隔をあけて少なくとも３個以上の密閉隔壁９を設けて、周方向に不連続な複数の副気室７（７ａ，７ｂ，‥‥）を形成し、上記副気室７ａ，７ｂ，‥‥のそれぞれに、タイヤ主気室６と副気室７ａ，７ｂ，‥‥とを連通する連通孔８（８ａ，８ｂ，‥‥）を形成することにより、ヘルムホルツ共鳴吸音器を構成する。これにより、製造が容易で、かつ、十分な空洞共鳴効果を有するホイール１を得ることができる。
なお、図２（ｂ）に示すように、各蓋部材４１を周方向に一定間隔をあけながら配置して、スリット状の連通孔８１を形成することもできる。この場合には、位置決めのため、リム３と蓋部材４１に嵌め合わせ構造を形成するためのスペ−サ４１ｚを蓋部材４１の端部に設けておく等の工夫が必要となるが、工数的には最小限で、目的とする形態を得ることができる。
【０００７】
上記ヘルムホルツ共鳴吸音器の共鳴周波数Ｆ0(Ｈｚ)は、それぞれの副気室の体積をＶ(ｃｍ3)、連通孔の総断面積をＳ(ｃｍ2)、連通孔長さをＬ(ｃｍ)、連通孔の個数をＮ、タイヤ気室内での音速をｃ(ｃｍ／ｓｅｃ)とすると、下記の式で表わせる。
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一方、周知のように、装着されるタイヤの空洞共鳴周波数をＦcは、タイヤのサイズ（タイヤ気室内の平均周長）で決まる。そこで、本例では、上記副気室７（７ａ，７ｂ，‥‥）の体積Ｖや連通孔８（８ａ，８ｂ，‥‥）の総断面積Ｓなどのヘルムホルツ共鳴吸音器の各設計値を適宜設定して、上記ヘルムホルツ共鳴吸音器の共鳴周波数Ｆ0の設定範囲を、上記タイヤの空洞共鳴周波数Ｆcの±１００Ｈｚの範囲（Ｆc−１００Ｈｚ≦Ｆ0≦Ｆc＋１００Ｈｚ）となるように設定することにより、タイヤの空洞共鳴音を大幅に低減するようにしている。
なお、副気室７の総体積が、タイヤ主気室６の体積の２％未満になると、空洞共鳴音低減効果が小さくなり、２５％より大きいと、タイヤバネ定数が下がりすぎるので、振動減衰性や操縦安定性が低下して好ましくないので、副気室総体積としては、タイヤ主気室６の体積の２％〜２５％とすることが好ましく、更に好ましくは３〜１５％がよい。
【０００８】
本発明のホイール１は、詳細には、リム３のウエル部３ｗが、従来品より軸方向に幅広であるか、あるいは、径方向に深い構造になっている。径方向に深い構造とはビ−ド部２ａとホイールベース部３ａの径差が大きいという意味で、ブレーキスペースに余裕がある場合は、ホイールベース部３ａの径を小さくすることで径差を大きくできるが、余裕がない場合はビート部２ａの径を大きくし、タイヤ高さを小さくする（タイヤ外径を同じにする）、いわゆるインチアップ手法により径差を大きくする。また、ウエル部３ｗを軸方向に幅広にすることに対しては、実質的に大きな制約はない。但し、ウエル部３ｗの幅を広くしても必要とする副気室体積は得られるが、より大きな体積を確保できるという観点からは、径方向に深くした方が好ましい。上記構成のホイール１は、従来の鋳造法、あるいは鍛造法などにより製造することができ、安価に製造することができる。
【０００９】
なお、リム３の径方向外側に結合され、複数の副気室７を形成する複数の蓋部材４の外周面、及び、リム３の上記蓋部材４で覆われていない外周面のプロファイルは、ウエル部３ｗを有する通常のＪＡＴＭＡ規格に従うラインになるように設定される。また、蓋部材４（あるいは蓋部材４１）の材質はホイール１本体と同じ金属材料であってもよいし、異なる金属材料や樹脂などの材料でもよい。蓋部材の結合方式は、同一の金属材料であれば溶接が好ましく選択されるが、異なる部材の場合はボルトや接着、嵌め合わせによる固定方式となる。
蓋部材４（あるいは蓋部材４１）の厚みは、材質に依存するが、タイヤリム組み時に塑性変形せず、かつ走行中の遠心力により大きく変形しない程度の剛性を確保する範囲で、薄くすることが重量増加を抑制するので好ましい。但し、連通孔の厚みは、共鳴周波数に影響する要素であるので、厚み設定は厳密に行う必要がある。
このような構成とすることによって、ホイール１本体とは別に製造した蓋部材４を結合するだけで副気室を形成できるので、製造工数やコスト、重量の増加が少なく、また、回転バランスも従来レベルを確保した上で、簡便に副気室を形成することができる。また、ホイール１本体とタイヤ２の中に蓋部材４を配置し、副気室７を形成する方式になっているので、エア漏れの懸念がない。また、ホイール１本体と蓋部材４（あるいは蓋部材４１）との結合後は、ホイール１のリム形状は、従来のホイールのリムと同様のプロファイルとなるため、タイヤのリム組み、リム解きを従来の手法で行うことができる。
【００１０】
また、上記副気室７の数は３つ以上必要であることが、検討の結果判明した。すなわち、副気室７の数が少ないと、共鳴吸音遅れが生じ、結果として、タイヤ内の空洞共鳴音を効果的に低減できない。この場合、隔壁９の数を多くすることが効果的であり、例えば、連通孔８だけを周方向に分散しても効果が上がらない。好ましくは、副気室７の数は４個以上が良く、５個以上であれば更に好ましい。また、回転バランスを悪化させないように、各隔壁９は同寸法で、周上等配分位置に設置することが好ましい。隔壁９の厚みには特に制約はなく、重量抑制の意味では、薄くすることが好ましい。また、材質も特に制約はなく、ホイール１本体と一体で作製するのであれば、アルミ、鉄などのホイール１本体と同じ材質としてもよい。あるいは、密閉性を向上させるという観点からは、ゴムなどの圧縮性を持ち、かつ低比重の材料も好ましく使用しうる。
【００１１】
次に、本発明による路面状態推定方法について説明する。
図３は、本発明の路面状態推定装置２０の構成を示す図で、本装置２０は、圧力センサ１１を有しタイヤバルブと一体化されたバルブ固定型圧力センサユニット１０が取付けられた転動側（ホイール側）Ａと、非転動側である車体側Ｂの後述する演算部とを無線により接続するように構成したものである。
ホイール側Ａのバルブ固定型圧力センサユニット１０は、タイヤ内の気体の圧力を検出する圧力センサ１１と、この圧力センサ１１の出力の時間軸上における微小振動成分（ＡＣ成分）からその微小の圧力変動を検出する圧力センサ回路１２と、Ａ／Ｄ変換器１３ａ，情報圧縮回路１３ｂ，送信器１３ｃを備え、上記検出されたタイヤ内の気体の圧力変動の情報信号をデジタル信号に変換して圧縮し、この圧縮された信号を送信用のアンテナ１４から車体側Ｂに無線により送信する送信回路１３と、圧力センサ１１，圧力センサ回路１２，送信回路１３を駆動するためのバッテリ１５とを備える。ここで、上記圧力センサユニット１０としては、少なくとも１ｋＨｚ以上、好ましくは５ｋＨｚ以上、更に好ましくは１０ｋＨｚ以上の応答性を有する圧力センサ１１及び圧力センサ回路１２を備えたものを使用する。これにより、上記圧力変動の測定精度を向上させることができる。
なお、上記バルブ固定型圧力センサユニット１０は、図１に示すように、ホイール１のリム３に設けられたスナップイン型タイヤバルブと一体化され、リム３のウエル部３ｗに取付けられる。また、本例では、上記タイヤバルブにアンテナ機構を持たせるようにしているが、アンテナ１４を別途設けてもよい。
また、車体側Ｂには、上記圧縮された振動情報信号を受信する受信用のアンテナ２１を備えた受信器２２と、上記受信された圧力変動情報信号を復元して周波数分析する周波数分析手段であるＦＦＴアナライザー２３と、ＦＦＴアナライザー２３で得られた圧力変動スペクトルから路面摩擦係数を推定する演算回路２４とを備えた路面摩擦係数演算手段２５を備える。
また、車体側Ｂには、上記推定された路面摩擦係数の値を表示するμ表示器３１と、上記路面摩擦係数に基づいてＡＢＳブレーキの油圧を制御するＡＢＳブレーキ制御器（車両制御手段）３２が設置される。
【００１２】
次に、上記構成の路面状態推定装置２０の動作について説明する。
バルブ固定型圧力センサユニット１０では、圧力センサ１１及び圧力センサ回路１２により走行中のタイヤに充填されている気体の圧力変動を検出し、送信回路１３にて上記データをＡ／Ｄ変換して圧縮し、アンテナ１４から車体側Ｂに送信する。車体側Ｂでは、上記送信された圧縮信号を、アンテナ２１を介して受信器２２で受信し、これをＦＦＴアナライザー２３に送って周波数分析し、圧力変動スペクトルを求める。演算回路２４では、上記圧力変動スペクトルの少なくとも２つの周波数帯域内での圧力変動の平均値を算出して、上記算出された圧力変動の平均値から路面摩擦係数μの推定値を演算する。
図４は、タイヤのサイズが１９５／６０Ｒ１５のタイヤを搭載した１８００ＣＣの乗用車を使用し、乾燥アスファルト路と氷盤路とをそれぞれ速度６０ｋｍ／ｈｒで走行して得られたタイヤ内圧力変動スペクトルの一例を示す図である。同図から明らかなように、路面摩擦係数の低い氷盤路における圧力変動スペクトルは、乾燥アスファルト路の場合に比較して１．５ｋＨｚ以上の周波数帯域で圧力変動レベルが高くなっていることが判る。したがって、得られた圧力変動スペクトルのうち、路面の滑り易さの影響を受けにくい帯域である３００Ｈｚ〜１０００Ｈｚ帯域の圧力変動平均値と、路面状態による圧力変動レベルの差が大きい１０００Ｈｚ〜５０００Ｈｚ帯域の圧力変動平均値とのそれぞれの平均値を算出して、上記算出された圧力変動の平均値の比を求め、予め上記と同様の走行試験により求めた、路面摩擦係数μと圧力変動値の比のデータとを比較することにより、路面摩擦係数の推定値を求めることができる。
【００１３】
ところで、路面の凹凸が激しい場合には、タイヤ内において空洞共鳴音が増大するため、路面摩擦係数の推定精度が低下する場合がある。図５は、通常ホイ−ルを搭載した車両と、本発明によるヘルムホルツ共鳴吸音器付きホイ−ル１を搭載した車両とを路面凹凸が大きい乾燥アスファルト路を速度６０ｋｍ／ｈｒで走行したときのタイヤ内圧力の周波数解析結果を示す図で、本発明のホイール１を備えた路面状態推定装置２０で測定したタイヤ内の圧力変動スペクトルは、空洞共鳴音の発生による圧力変動レベルのピ−クが大きく低減し、外乱要因が減少していることが判る。
【００１４】
上記路面状態推定装置２０で推定された路面摩擦係数の値は、μ表示器３１に送られ表示される。また、上記路面摩擦係数の値をＡＢＳブレーキ制御器３２に送り、上記推定された路面摩擦係数に応じてＡＢＳブレーキの油圧を制御する。
本例では、上記のように、ヘルムホルツ共鳴吸音器により、上記タイヤ内圧の微小圧力変動の信号に対するノイズ成分となるタイヤ内の空洞共鳴音を大幅に低減するようにしているので、路面摩擦係数を精度良く推定することがき、車両の走行状態を安定して制御することができる。
【００１５】
なお、上記最良の形態では、圧力センサ１１で検出したタイヤ内圧の変動情報から路面摩擦係数の値を推定してこれをμ表示器３１に表示するようにしたが、タイヤが接地している路面状態を通常状態、要注意状態、危険状態などに分類して走行時における路面の滑り易さ＝危険度を表示するようにしてもよい。
また、上記例では、路面摩擦係数演算手段２５を車体側Ｂに設けたが、これをホイール側Ａに設け、上記送信回路１３により、上記路面摩擦係数演算手段２５で推定された路面摩擦係数の値を車体側Ｂに送信するようにしてもよい。
また、上記例では、圧力変動値の比から路面摩擦係数の推定値を求めるようにしたが、必要とされる幾つかの周波数帯域の圧力変動レベル（帯域値）を求め、係数を掛けるなどの演算処理を行うことにより、路面摩擦係数を推定するようにしてもよい。ここで、上記周波数帯域としては、上記路面の滑りの寄与が大きい複数の帯域に対して、速度や路面の凹凸などの路面入力が大きい帯域を複数選び、補正演算を行えば、速度などの情報がなくとも、路面摩擦係数を精度良く推定することができる。
【００１６】
＜実施例＞
本発明の路面状態推定装置２０を搭載した車両を、路面凹凸が大きい乾燥アスファルト補修路を走行し、連続的に路面摩擦係数を測定した結果を図６に示す。また、比較例として、ヘルムホルツ共鳴吸音器が付いていない通常のホイールに本発明と同様の圧力センサユニットを配し、路面摩擦係数を推定した結果も併せて示す。なお、同路面の路面摩擦係数は、通常の制動試験によって計測したところ、０．９１であった。
同図から明らかなように、本発明品は、摩擦係数推定値が安定している。これは、空洞共鳴音を大幅に低減することにより、外乱要因を減少していることによるもので、本発明により、路面摩擦係数を精度良く求めることができることが確認された。
【産業上の利用可能性】
【００１７】
以上説明したように、本発明によれば、タイヤ内圧の微小圧力変動の信号に対するノイズ成分となるタイヤ内の空洞共鳴音を大幅に低減するようにしたので、路面摩擦係数を精度良く推定することがき、車両の走行状態を安定して制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一実施の形態を示す図である。
【図２】本最良の形態に係るホイールの構成を示す図である。
【図３】本最良の形態に係る路面状態推定装置の構成を示す図である。
【図４】乾燥アスファルト路と氷盤路におけるタイヤ内圧の変動スペクトルの一例を示す図である。
【図５】空洞共鳴音の減衰効果を示す図である。
【図６】本発明による路面摩擦係数の推定結果を示す図である。
【符号の説明】
【００１９】
１  ホイール、２  タイヤ、２ａ  ビ−ド部、３  ホイールリム、
３ａ  ホイールベース部、３ｗ  ウエル部、４  蓋部材、５  タイヤ気室、
６  タイヤ主気室、７  副気室、８  連通孔、９  隔壁、
１０  バルブ固定型圧力センサユニット、１１  圧力センサ、１２  圧力センサ回路、
１３  送信回路、１３ａ  Ａ／Ｄ変換器、１３ｂ  情報圧縮回路、
１３ｃ  送信器、１４  送信用のアンテナ、１５  バッテリ、
２０  路面状態推定装置、２１  受信用のアンテナ、２２  受信器、
２３  ＦＦＴアナライザー、２４  演算回路、２５  路面摩擦係数演算手段、
３１  μ表示器、３２  ＡＢＳブレーキ制御器。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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