タイヤＨＩＬシミュレータ
【課題】 タイヤ試験装置に車両モデルを組み込んだ試験装置において、３次元の車両モデルを用いた場合にも車両の３次元的挙動によるタイヤの挙動を再現できる試験装置を提供すること。
【解決手段】 タイヤ試験装置２は、代用路面体４によりタイヤ４ａの走行試験を行うものであって、タイヤ横力を計測する横力計測手段３７と、接地荷重、横滑り角度、およびキャンバ角を各々付与する各アクチュエータとを有し、タイヤ試験装置２に接続された車両モデル５は、ステアリング角度と横力計測手段３７からのタイヤ横力とを入力値として車両の３次元的な運動を計算し、その計算結果に基づき前記接地荷重、横滑り角度、およびキャンバ角の各指令値を前記タイヤ試験装置２の各アクチュエータへ出力するものである。
【解決手段】 タイヤ試験装置２は、代用路面体４によりタイヤ４ａの走行試験を行うものであって、タイヤ横力を計測する横力計測手段３７と、接地荷重、横滑り角度、およびキャンバ角を各々付与する各アクチュエータとを有し、タイヤ試験装置２に接続された車両モデル５は、ステアリング角度と横力計測手段３７からのタイヤ横力とを入力値として車両の３次元的な運動を計算し、その計算結果に基づき前記接地荷重、横滑り角度、およびキャンバ角の各指令値を前記タイヤ試験装置２の各アクチュエータへ出力するものである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両の実走行試験条件に近い条件で試験が行えるようにした、タイヤＨＩＬシミュレータ（Tire Hardware-In-the Loop Simulator）に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
自動車の開発等において、タイヤ・サスペンションシステムの最適化を検討する必要性がある。この場合、タイヤの表面温度、内圧、接触荷重、さらにタイヤの材質や形状等の数多くの条件設定が必要であると共に、最適な条件を設定するためには多大な試験時間が必要となる。さらに、サスペンションの機構やコンプライアンスがタイヤ性能に与える影響の評価が必要とされるため、コンピュータシミュレーションでは複雑なタイヤモデルをそのまま最適化の検討に適用することは難しい。
一方、実走行試験の場合、実際のタイヤ特性を直接得ることができるが、最適化を図る上で路面条件等の再現性に難点がある。
【０００３】
そこで、実走行試験に代わるものとして、各種のタイヤ試験装置が提案されている。例えば特許文献１においては、走行時に発生するタイヤ単体の特性を測定することができる試験装置が提案されているが、該特許文献１の試験装置においては、車両の特性を考慮することができない。
また、特許文献２においては、サスペンションの挙動を再現すべく演算器からタイヤ保持力に相当する力をタイヤに与えることによって、実走行試験状態に近づけようとする試みがなされている。しかし、該特許文献２の試験装置においては、タイヤ横力が変化するため、サスペンションを含めた車両の挙動が変化し、実走行状態を忠実に再現することは難しい。
【０００４】
一方、特許文献３においては、車両モデルを再現するシミュレーションモデルを試験装置に組み込み、より実走行試験状態に近づける試みがなされている。ところが、該特許文献３の試験装置においては、タイヤモデルをシミュレーションモデルに組み込んでいるため、タイヤ特性の最適化を行う場合には、タイヤモデルを新たに作る必要があり、手間がかかる。
そこで、上述の如き問題点を解決することが可能な装置として、実物のタイヤをハードウェアとして有するタイヤ試験装置にソフトウェアによるシミュレーションモデルの車両モデルをインターフェイスを介して接続したＨＩＬシミュレータが提案されている（非特許文献１参照）。該タイヤＨＩＬシミュレータは、ソフトウェアに複雑なタイヤモデルを用いることなく、実物のタイヤをハードウェアとして有する装置構成とされているので、実走行条件に近い条件で試験を行うことが可能である。
【特許文献１】特開昭５７−９１４４０号公報
【特許文献２】特開平５−５６７７号公報
【特許文献３】特開平１０−２８４２号公報
【非特許文献１】「１３４ タイヤＨＩＬシミュレータによる車両運動性能の研究（第１報）」（社）自動車技術会 学術講演会前刷集Ｎｏ．１０１−０２（１４〜１９頁）「２００２５９３」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、前記タイヤＨＩＬシミュレータにおいては、車両モデルが等価２輪モデルとされているため、タイヤの挙動としては、タイヤの回転、タイヤ横滑り角及びタイヤ接地荷重を制御する機構が存在するのみであり、車両モデルを３次元まで考慮した場合に発生する車両のローリング角によるタイヤのキャンバ角を試験装置にて再現することができないという問題がある。
そこで、本発明は、上記問題点に鑑み、タイヤ試験装置に車両モデルを組み込んだ試験装置において、３次元の車両モデルを用いた場合にも車両の３次元的挙動によるタイヤの挙動を再現することができる試験装置を提供することを目的とする。
【０００６】
さらに、走行シミュレータを組み合わせることによって、タイヤ部分は実物を用いたバーチャルな走行試験を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記目的を達成するため、本発明は、次の手段を講じた。すなわち、本発明のタイヤＨＩＬシミュレータは、代用路面体によりタイヤの走行試験を行うタイヤ試験装置と、該タイヤ試験装置における計測データを入力値として所定の計算を行い、該計算結果に基づき前記タイヤ試験装置のアクチュエータへ指令値を出力する車両モデルを備えた制御装置とを有する。前記タイヤ試験装置は、タイヤ横力を計測する横力計測手段と、接地荷重、横滑り角、およびキャンバ角を各々付与する各アクチュエータとを有する。前記車両モデルは、ステアリング角度と前記横力計測手段からのタイヤ横力とを入力値として車両の３次元的な運動を計算し、その計算結果に基づき前記接地荷重、横滑り角、およびキャンバ角の各指令値を前記各アクチュエータへ出力するものである。
【０００８】
なお、本発明においては、タイヤ横力を図１８及び図１９に示すＦy、接地荷重を図１８に示すＦz、キャンバ角を図１８に示すα、横滑り角を図１９に示すβとする。
本発明によれば、タイヤ試験装置に装着した実物のタイヤの特性を計測することができる。そして、その計測データ（タイヤ横力）及びステアリング角度が車両モデルに入力値として入力されることにより、該車両モデルによって上述の如き車両の動特性（接地荷重、横滑り角及びキャンバ角）がリアルタイムに計算され、該計算によって得られた値をタイヤ試験装置の各アクチュエータに指令値として出力することによりこれらの各アクチュエータが作動し、これによって、タイヤの代用路面体に対する支持状態が制御されるのである。
【０００９】
このように、本発明によれば、実物のタイヤの特性を車両モデルに入力することができると共に、入力されたタイヤ特性の影響を受けた車両モデルによる車両の動特性を各アクチュエータを介して再びタイヤ試験装置の実物のタイヤに付与することでき、このタイヤ試験装置と制御装置の間の情報交換がリアルタイムに展開することにより、実走行試験状態に極めて近いシミュレーションを実現することが可能となる。
前記タイヤ試験装置は、車両の前後左右の４本のタイヤを同時装着できるものが好ましい。前記車両モデルは、四輪乗用車を対象としてサスペンション機構を備えた３次元車両モデルであるのが好ましい。
【００１０】
本発明によれば、四輪乗用車の如く車両の前後左右の４本のタイヤの特性をそれぞれ計測することができると共に前記車両モデルの動特性を前後左右の４本のタイヤにそれぞれ付与することができ、さらに実走行試験状態に近いシミュレーションを実現することが可能となる。
また、サスペンション機構を考慮した３次元車両モデルを採用することにより、ヨーイング方向に加えて、ピッチング方向及びローリング方向の回転運動を考慮したの車両の動特性を計算することができる。
【００１１】
前記タイヤ試験装置は、タイヤのブレーキ力を付与するブレーキ力アクチュエータを有し、前記車両モデルは前記ブレーキ力アクチュエータへの指令値を出力するものであるのが好ましい。
本発明によれば、タイヤにブレーキ力を作用させた場合のタイヤの特性を計測することができる。
前記タイヤ試験装置は代用路面体を駆動する駆動装置を有し、前記車両モデルは前記駆動装置への指令値を出力するものであるのが好ましい。
【００１２】
本発明によれば、車両モデルからの指令値が駆動装置に入力されることによって、代用路面体の駆動を変化させた場合のタイヤの特性を計測することができる。
前記駆動装置には駆動トルク検出手段が設けられ、前記車両モデルは前記駆動トルク検出手段に基づき算出された転がり抵抗をパラメータの一つに有しているのが好ましい。
本発明によれば、転がり抵抗を考慮した車両の動特性を計算することができる。
なお、本発明における転がり抵抗とは、タイヤが代用路面体に接触することによって生じる代用路面体の駆動抵抗力であり、タイヤを代用路面体に押し付けている状態での前記駆動装置の駆動トルクとタイヤを代用路面体に押し付けていない状態での前記駆動装置の駆動トルクの差に比例する。
【００１３】
前記タイヤ試験装置にはタイヤのトラクティブ荷重計測手段が設けられ、前記車両モデルはトラクティブ荷重をパラメータの一つに有しているのが好ましい。
本発明によれば、トラクティブ荷重を考慮したタイヤの特性を計測することができる。
なお、本発明におけるトラクティブ荷重とは、図１９中にＦ’xで示されるタイヤ走行時の牽引抵抗力であり、該牽引抵抗力をタイヤに作用させることによって、車両の走行速度を変化させることが可能である。 前記タイヤ試験装置はタイヤの横方向変位を付与する横方向変位アクチュエータを有し、前記車両モデルは前記横方向変位アクチュエータへ指令値を出力するものであるのが好ましい。
【００１４】
本発明によれば、前記制御装置の車両モデルにおいて計算された横方向変位を前記タイヤ試験装置のタイヤに作用させることができ、該横方向変位を付与した場合のタイヤの特性を計測することができる。
なお、本発明における横方向変位とは、タイヤ走行方向とは直角方向のタイヤの変位であり、所謂横滑りに相当する。
前記タイヤＨＩＬシミュレータにおいて、前記制御装置には、模擬運転席装置が接続されているのが好ましい。
【００１５】
前記模擬運転席装置を設けることにより、バーチャルな走行試験を実現することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、より実走行条件に近い条件でタイヤ試験を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
図１（ａ）は、本発明の実施の形態を示すシステム構成図である。
本発明に係るタイヤＨＩＬシミュレータ１は、タイヤ試験装置２と、該タイヤ試験装置２における計測データを入力し且つ該タイヤ試験装置２を制御する制御装置３とを有する。
なお、図１（ａ）において、その左側に描かれているタイヤ試験装置２は、上側が正面図で下側が平面図である（以下、図９、図１１、図１３、図１５、図１６及び図１７において同じ）。
【００１８】
前記タイヤ試験装置２は、代用路面体４により実物のタイヤ４ａの走行試験を行うものである。
また、前記制御装置３は、タイヤ試験装置２における計測データを入力値として所定の計算を行い、該計算結果に基づきタイヤ試験装置２のアクチュエータへ指令値を出力する車両モデル５を備えている。
該車両モデル５は、コンピュータのソフトウェアとして構成されている。本実施の形態において、車両モデル５には、ステアリング機構が記述されていないので、別途、ステアリング機構が記述されたステアリングモデル６が接続されている。しかし、該ステアリングモデル６は、車両モデル５と一体化されたものであっても良い。
【００１９】
前記車両モデル５を備えたソフトウェアとタイヤ試験装置２からなるハードウェアは、インターフェイス７を介して接続されている。
図２及び図３には、タイヤ試験装置２の一例が示されている。
タイヤ試験装置２は、代用路面部１１とタイヤ装着部１２とから主構成されている。
該代用路面部１１は、４本の柱を横架材にて連結してなる本体フレーム１３を備え、該本体フレーム１３に前記代用路面体４が支持されている。本実施の形態においては、代用路面体４として円柱状の鋼製ドラムが例示されているが、特開２００２−３９９１９号公報に記載の如き無端ベルトを代用路面体４として採用することももちろん可能である。
【００２０】
該代用路面体４の一対の円形平板面には、該円形平板面の中心を貫通する軸線上に軸体が設けられており、前記軸線を水平に保った状態で軸体が前記本体フレーム１３に回転自在に枢支されることにより、代用路面体４の外周面は縦方向に回転する。また、代用路面体４は、前記本体フレーム１３に２基設けられており、該一対の代用路面体４、４は同形同大とされ、両代用路面体４、４の軸体は、水平な同一軸線上に配置されている。
また、本体フレーム１３の上部には、代用路面体４を回転駆動させる駆動装置１５が設けられており、本実施の形態においては、該駆動装置１５として電動モータが例示されている。該駆動装置１５は、前記本体フレーム１３上に２台載置され、各駆動装置１５と各代用路面体４とは巻き掛け伝動体１６により連動連結されている。
【００２１】
各代用路面体４の左右両側には、前記タイヤ装着部１２が１基ずつ配備されている。これによって、タイヤ試験装置２は合計４基のタイヤ装着部１２を備え、図１（ａ）に示す如く該４基のタイヤ装着部１２をインターフェイス７を介して前記車両モデル５に接続することにより、４基のタイヤ装着部１２の各タイヤ４ａは前記車両モデル５の前後左右のタイヤとして設定される。ここで、並置された一対の代用路面体４、４の一方の側方に配備された２基のタイヤ装着部１２、１２のタイヤ４ａ、４ａが車両モデル５の左右一対の前輪として設定されると共に、前記一対の代用路面体４、４の他方の側方に配備された２基のタイヤ装着部１２、１２のタイヤ４ａ、４ａが車両モデル５の左右一対の後輪として設定されている。
【００２２】
各タイヤ装着部１２は同じ構造とされている。
該タイヤ装着部１２には、代用路面体４の前記軸線と平行な回転軸上を回転するタイヤ４ａが配備されている。タイヤ装着部１２は、代用路面体４の水平な直径線上においてドラム外周面にタイヤ４ａの外周面を近接自在に押圧させる接地荷重付与装置１７を備えている。タイヤ装着部１２は、タイヤ４ａに横滑り角度を付与する横滑り角付与装置１８を備えている。タイヤ装着部１２は、タイヤ４ａのキャンバ角度を付与するキャンバ角付与装置１９を備えている。
【００２３】
図２〜図４に示す如く、前記キャンバ角度付与装置１９は、前記本体フレーム１３に垂直軸心回り回動自在に設けられた揺動フレーム２０を有する。該揺動フレーム２０は、本体フレーム１３に前記垂直軸心回りに揺動自在に枢結された上下一対の横フレーム２１、２１と、該上下一対の横フレーム２１、２１の各遊端側を結合する縦フレーム２２とを有している。上下一対の横フレーム２１、２１の前記回動中心は、同一垂直軸線上にあり、該垂直軸線は代用路面体４のドラム外周面に接する位置に設けられている。
図２及び図３に示す如く、前記揺動フレーム２０は、縦フレーム２２に突設されたアーム２４を介してキャンバ角付与アクチュエータ２３に連接されており、該キャンバ角付与アクチュエータ２３は、アーム２４に連結されたスクリュー軸２５と、該スクリュー軸２５に螺合されたナット２６と、該ナット２６を回動させる電動サーボモータ２７とを備えると共に、図１（ａ）に示す如く、インターフェイス７を介して制御装置３の車両モデル５に接続されている。
【００２４】
図２に示す如く、前記垂直軸線に対する揺動フレーム２０の揺動角度αがキャンバ角度である。キャンバ角付与アクチュエータ２３に車両モデル５からの指令値が入力されることにより、該指令値に応じて図２に示す電動サーボモータ２７がナット２６を回動させ、これに伴ってスクリュー軸２５が軸方向に移動する。このように、揺動フレーム２０の前記垂直軸線回りの揺動が所定の角度αの範囲で制御されることにより、平面視でタイヤ４ａが代用路面体４に対して傾斜するのである。
なお、キャンバ角付与装置１９は、例えば、油圧サーボモータや油圧シリンダなどで揺動フレームを揺動させるものや、特開平５−５２７１１号公報に記載の円弧状ラックに噛み合うピニオンを駆動する形式のものであっても良い。
【００２５】
図４に示す如く、該キャンバ角付与装置１９の揺動フレーム２０内に前記接地荷重付与装置１７が配備されている。
図５に示す如く、該接地荷重付与装置１７は、前記揺動フレーム２０に上下一対の横フレーム２１、２１に設けられた上下一対のガイドレール２８、２８に摺動自在に設けられたスライダ２９を備えている。
該スライダ２９は、接地荷重付与アクチュエータ３０によって上下一対のガイドレール２８、２８間を前記代用路面体４に近接自在に移動する。この実施の形態において、該接地荷重付与アクチュエータ３０は、スクリュジャッキ３１ならびにモータを用いて前記スライダ２９を駆動させ、ロードセル３２によって荷重を検出することによってタイヤ接地荷重を制御するものとされているが、これに限定されるものではなく、図３の如く油圧シリンダ等を用いたものであっても良い。
【００２６】
なお、該接地荷重付与装置１７は、上述の如き構成のものに限らず、例えば、特開平３−６７１４８号公報に記載のものや、特公平１−１５８０９号公報に記載の如きドラムを移動させる形式のものであっても良い。
図１（ａ）に示す如く、接地加重付与アクチュエータ３０は、インターフェイス７を介して制御装置３の車両モデル５に接続されており、ロードセル３２による計測データに基づいて車両モデル５によって導出された指令値が接地荷重付与アクチュエータ３０に入力されることにより、該指令値に応じてスクリュジャッキ３１が作動し、これに伴って前記スライダ２９を代用路面体４に近接する。これによってタイヤ４ａの接地荷重が制御されるのである。
【００２７】
図６に示す如く、前記横滑り角付与装置１８は、接地荷重付与装置１７のスライダ２９に設けられている。該横滑り角度付与装置１８は、左右一対のリンク機構３３ａ、３３ａを介してスライダ２９に傾斜自在に連結された垂直台３３を備え、該垂直台３３の側面には、タイヤ４ａに連結されるべきタイヤ取付軸３４が突設されており、タイヤ４ａの回転軸は、ボルト等の締結具を介してタイヤ取付軸３４の先端に回転自在に装着されている。
該タイヤ４ａは、締結具による締結を解除することによってタイヤ取付軸３４から容易に取り外すことができ、これによって、タイヤ装着部１２のタイヤ４ａの取り替えが容易に行われるのである。
【００２８】
また、垂直台３３は、該垂直台３３を傾斜させるための横滑り角度付与アクチュエータ３５に連接されている。
図１（ａ）に示す如く、該横滑り角度付与アクチュエータ３５は、スクリュジャッキならびにモータを用いて前記垂直台３３を傾斜させる構成とされ、インターフェイス７を介して制御装置３の車両モデル５に接続されている。
該横滑り角度付与アクチュエータ３５に車両モデル５から出力された指令値が入力されることにより、該指令値に応じて垂直台３３が傾斜し、これによってタイヤ取付軸３４の軸心が水平状態から上下方向に傾斜することにより、タイヤ４ａのタイヤ横滑り角が制御されるのである。
【００２９】
なお、横滑り角付与装置１８は前記構成のものに限定されるものではなく、例えば、特公昭６２−８７３９号公報に記載の如き構成を採用することができる。
図２に示す如く、前記タイヤ試験装置２の各タイヤ装着部１２には、横力計測手段３７がそれぞれ設けられている。
該横力計測手段３７は、タイヤ４ａに加えられる横力を計測するためのものであって、前記タイヤ取付軸３４のスライダ側の端部に連接されている。
図１（ａ）に示す如く、横力計測手段３７は、インターフェイス７を介して前記車両モデル５に接続されている。該横力計測手段３７によって計測されたタイヤ横力が車両モデル５に入力されることにより、実物のタイヤ４ａのタイヤ横力を車両モデル５に付与した場合の車両の動的挙動が計算される。
【００３０】
図７に模式図として示す如く、本実施の形態に用いられた３次元の車両モデル５は、車両及びサスペンション機構を有限要素法におけるはり要素あるいはトラス要素を用いてモデル化したものであり、車両の剛性及びサスペンション機構の幾何学的非線形性を考慮している。
該車両モデル５において、各節点は６自由度を有し、各節点間は、有限要素法における大回転を考慮したはり要素によって結合されている。これによって車両モデル５は、車両の上下方向、左右方向及び前後方向の運動に加えてピッチング方向、ローリング方向及びヨーイング方向の回転を考慮することができ、車両の３次元的な運動を全て表現することができる。
【００３１】
なお、図７の車両モデル５は、ウィッシュボーン型サスペンションをモデル化したものであり、サスペンションのばね力及び減衰力がはり要素の特性として表現されている（詳細は文献：日本機械学会論文集（Ｃ編）、６９巻６８５号（２００３−９）を参照）。
本実施の形態においては、図１（ｂ）に概念的に示す如く、ステアリングモデル６によるステアリング角度と前記横力計測手段３７によって計測されたタイヤ横力とが入力値として車両モデル５に入力されることにより、車両の３次元的な運動が計算され、その計算結果に基づいて導出された接地荷重、横滑り角度及びキャンバ角の各指令値が前記各アクチュエータへ出力されることにより、各タイヤ４ａに付与される接地荷重、横滑り角度及びキャンバ角が制御され、これによって実走状態に近い状態が再現されるのである。
【００３２】
以下に、車両モデル５によって各タイヤ４ａに付与される横滑り角の導出過程について説明する。
図２０に示す如く、本実施の形態において、速度Ｖで走行中の車両モデル５に前記ステアリングモデル６によってステアリング角δが入力された場合、車両モデル５の前輪のＸ軸に対して成す角γfは以下の（１）によって与えられ、後輪のＸ軸に対してなす角γrは以下の（２）によって与えられる。
【００３３】
【数１】
【００３４】
【数２】
【００３５】
また、ここで、Ｖは車両速度を示し、ｌfは前記重心Ｏから前輪の回転軸の軸線までの距離を示し、ｌrは前記重心Ｏから後輪の回転軸の軸線までの距離を示している。
また、前輪の向いている方向とＸ軸のなす角θfは以下の（３）によって与えられ、後輪の向いている方向とＸ軸のなす角θrは以下の（４）によって与えられる。
【００３６】
【数３】
【００３７】
【数４】
【００３８】
ここで、θzoは前記重心Ｏの進行方向とＸ軸のなす角であり、図２０中のθに等しい。
そして、前輪の横滑り角βfは以下の（５）によって導出され、後輪の横滑り角βrは以下の（６）によって導出される。
【００３９】
【数５】
【００４０】
【数６】
【００４１】
これら前輪及び後輪の横滑り角βf、βrは、車両モデル５を介してコンピュータによって計算され、これら横滑り角βf、βrを指令値として各タイヤ装着部１２の横滑り角度付与アクチュエータ３５に入力することにより、各タイヤ４ａに横滑り角が付与されるのである。
同様に、図１（ｂ）に示す如く前記ステアリング角δ及び横力計測手段３７によって計測された各タイヤ４ａのタイヤ横力Ｙf、Ｙrが車両モデル５に入力されることにより、車両モデル５によってこれらの入力値に基づく前輪の接地荷重Ｆzf及びキャンバ角αfと後輪の接地荷重Ｆzr及びキャンバ角αrが導出され、これら接地荷重Ｆzf、Ｆzr及びキャンバ角αf、αrを指令値として各タイヤ装着部１２の接地荷重付与アクチュエータ３０及びキャンバ角付与アクチュエータ２３に入力することにより、各タイヤ４ａに接地荷重及びキャンバ角が付与されるのである。
【００４２】
これによって、車両モデル５によって導出されたヨーイング方向の回転運動はもちろん、モデル化したサスペンション機構の影響によるローリング方向の回転運動の実際の４本のタイヤ４ａに発生させることができ、これらの運動下でのタイヤ特性を計測することができるのである。
このように、本実施の形態によれば、実物のタイヤ４ａの特性を車両モデル５に入力することができると共に、入力されたタイヤ特性の影響を受けた車両モデル５による車両の動特性を各アクチュエータを介して再びタイヤ試験装置２の実物のタイヤ４ａに付与することでき、このタイヤ試験装置２と制御装置３の間の情報交換がリアルタイムに展開することにより、実走行試験状態に極めて近いシミュレーションが実現されるのである。
【００４３】
図８及び図９に示すものは、本発明の第２の実施の形態である。該実施の形態においては、図８に示す如く、各タイヤ装着部１２にブレーキ力アクチュエータ３８がそれぞれ設けられている。
該ブレーキ力アクチュエータ３８は、タイヤ４ａにブレーキ力を付与するためのものであって、前記横力計測手段３７の近傍にて各タイヤ４ａに連接され、図９に示す如く、インターフェイス７を介して車両モデル５に接続されている。
該実施の形態においては、車両モデル５において導出された前輪及び後輪のブレーキ力を指令値としてブレーキ力アクチュエータ３８に入力することにより、各タイヤ４ａに車両モデル５によって導出されたブレーキ力を付与することができる。これによって、車両モデル５にピッチング方向の回転運動を発生させることができ、ブレーキ力を付与した場合のシミュレーションが可能となる。
【００４４】
図１０及び図１１に示すものは、本発明の第３の実施の形態である。該実施の形態においては、図１０に示す如く、駆動装置１５に代用路面体４の速度を検出するための速度検出手段４０が設けられている。
該速度検出手段４０及び駆動装置１５は、図１１に示す如く、インターフェイス７を介して車両モデル５に接続されている。
該実施の形態においては、代用路面体４のドラム速度を計測し制御する手段が設けられているので、車両モデル５において導出されたドラム速度を代用路面体４に付与することができ、これによって代用路面体４のドラム速度を変化させた場合のシミュレーションが可能となる。
【００４５】
図１２及び図１３に示すものは、本発明の第４の実施の形態である。該実施の形態においては、図１２に示す如く、前記駆動装置１５に代用路面体４の駆動トルクを検出するための駆動トルク検出手段４１がそれぞれ配備されている。
該駆動トルク検出手段４１は、図１３に示す如く、インターフェイス７を介して車両モデル５に接続されており、該車両モデル５は、駆動トルク検出手段４１に基づいて導出される転がり抵抗をパラメータの一つに有している。
該実施の形態においては、駆動トルク検出手段（ドラム速度制御用電動機）４１によって検出されたドラム駆動トルクから転がり抵抗力が算出され、該転がり抵抗力を車両モデル５に入力することにより、転がり抵抗の影響を考慮したシミュレーションが可能となる。
【００４６】
転がり抵抗力の算出手段としては、ドラム速度制御用電動機の駆動トルクを計測し、タイヤ４ａを代用路面体４の外周面に押し付けていない状態での駆動トルクと押し付た状態での駆動トルクの差から転がり抵抗を算出する。すなわち、転がり抵抗力ＦRは以下の（７）によって与えられる。
【００４７】
【数７】
【００４８】
ここで、Ｔ1はタイヤ４ａを代用路面体４の外周面に押し付けていない状態でのドラム駆動トルク、Ｔ2はタイヤ４ａを代用路面体４の外周面に押し付けている状態でのドラム駆動トルク、ｒは代用路面体４のドラム半径、ｎは各代用路面体４に対するタイヤ数であり、図１３の場合にはｎ＝２である。
図１４及び図１５は、本発明の第５の実施の形態である。該実施の形態においては、図１４に示す如く、各タイヤ装着部１２のスライダ２９の上端部にトラクティブ荷重計測手段３９がそれぞれ設けられている。
該トラクティブ荷重計測手段３９は、代用路面体４を駆動してタイヤ４ａを回転させた場合にタイヤ４ａに生じる図１９に示す牽引抵抗力Ｆ’xを計測するためのものであり、図１５に示す如く、インターフェイス７を介して車両モデル５に接続されている。また、車両モデル５は、前記トラクティブ荷重をパラメータの一つに有している。
【００４９】
該実施の形態においては、トラクティブ荷重計測手段３９によって検出されたトラクティブ荷重を車両モデル５に入力することにより、該トラクティブ荷重の影響を考慮したシミュレーションが可能となる。
図１６は、本発明の第６の実施の形態を示すシステム構成図である。タイヤ試験装置２の各タイヤ装着部１２には、タイヤ４ａの横方向変位を付与する横方向変位アクチュエータ４２が配備されている。
該横方向変位アクチュエータ４２は、インターフェイス７を介して車両モデル５に接続されている。
【００５０】
該実施の形態においては、前記車両モデル５から前記横方向変位アクチュエータ４２へ指令値を出力することにより、各タイヤ４ａを横方向に変位させた場合のシミュレーションが可能となる。
図１７は、本発明の第７の実施の形態を示すシステム構成図であり、前記制御装置３に模擬運転席装置４４が接続されている。
該模擬運転装置４４は、枠体４５によって覆われた運転室４６を備え、該運転室４６には、実際の車両と同様のシート４７が配備されると共に、ステアリングハンドル４８、アクセルペダル、ブレーキペダル、計器パネル等を有する運転操作装置４９が配備されている。
【００５１】
該運転操作装置４９は、走行状態のフロントガラスの景色などを表示するディスプレイ５０を備えると共に、インターフェイス７を介して車両モデル５に接続されている。
また、運転室４６は油圧装置等により駆動される運動装置５１によって支持されており、該運動装置５１は、前記車両モデル５にインターフェイス７を介して接続され、実走行と同じ車体の運動を与えるように構成されている。
運転操作装置４９のステアリングハンドル４８を操作することにより制御される車両モデル５のステアリング角を制御装置３のコンピュータに取り込み、その状態量およびタイヤ横力を車両モデル５に入力して車両の動的挙動を計算し、その計算結果から得られた指令値をタイヤ試験装置２の各タイヤ装着部１２の上記各アクチュエータに出力することにより、タイヤ試験装置２の各タイヤ４ａを制御することができると共に、前記車両の動的挙動に応じた指令値を運転操作装置４９及び運動装置５１に出力することにより、模擬運転装置４４が制御されることとなる。
【００５２】
したがって、本実施の形態によれば、走行時の車両挙動を実走行試験状態に極めて近い状態として再現することができる。
なお、本発明は、前記実施の形態に示したものに限定されるものではない。
例えば、タイヤ試験装置２に上述のブレーキ力アクチュエータ３８、速度検出手段４０、駆動トルク検出手段４１、トラクティブ荷重計測手段３９及び横方向変位アクチュエータ４２を備え、さらに制御装置３に運転席操作装置４４を接続した構成であってもよく、また、これらの内の複数を備えた構成であってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
本発明は、自動車関連、タイヤ関連の産業に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】図１（ａ）は、本発明のタイヤＨＩＬシミュレータの実施の形態を示すシステム構成図であり、図１（ｂ）は、該タイヤＨＩＬシミュレータのシステムブロック図である。
【図２】図２は、該タイヤＨＩＬシュミレータのタイヤ試験装置の平面図である。
【図３】図３は、該タイヤ試験装置の正面図である。
【図４】図４は、該タイヤ試験装置のタイヤ装着部のキャンバ角付与装置の構成を示す斜視図である。
【図５】図５は、該タイヤ装着部の接地加重付与装置の構成を示すイメージ図である。
【図６】図６は、該タイヤ装着部の横滑り各付与装置の要部を示す斜視図である。
【図７】図７は、本発明の実施の形態に用いる車両モデルのイメージ図である。
【図８】図８は、本発明のタイヤＨＩＬシミュレータの第２の実施の形態に用いるタイヤ試験装置の平面図である。
【図９】図９は、本発明のタイヤＨＩＬシミュレータの第２の実施の形態を示すシステム構成図である。
【図１０】図１０は、本発明のタイヤＨＩＬシミュレータの第３の実施の形態に用いるタイヤ試験装置の平面図である。
【図１１】図１１は、本発明のタイヤＨＩＬシミュレータの第３の実施の形態を示すシステム構成図である。
【図１２】図１２は、本発明のタイヤＨＩＬシミュレータの第４の実施の形態に用いるタイヤ試験装置の平面図である。
【図１３】図１３は、本発明のタイヤＨＩＬシミュレータの第４の実施の形態を示すシステム構成図である。
【図１４】図１４は、本発明のタイヤＨＩＬシミュレータの第５の実施の形態に用いるタイヤ試験装置の正面図である。
【図１５】図１５は、本発明のタイヤＨＩＬシミュレータの第５の実施の形態を示すシステム構成図である。
【図１６】図１６は、本発明のタイヤＨＩＬシミュレータの第６の実施の形態を示すシステム構成図である。
【図１７】図１７は、本発明のタイヤＨＩＬシミュレータの第７の実施の形態を示すシステム構成図である。
【図１８】図１８は、本発明で用いる用語の定義を示す説明図である。
【図１９】図１９は、本発明で用いる用語の定義を示す説明図である。
【図２０】図２０は、本発明で用いる用語の定義を示す説明図である。
【符号の説明】
【００５５】
１ タイヤＨＩＬシミュレータ
２ タイヤ試験装置
３ 制御装置
４ 代用路面体
４ａ タイヤ
５ 車両モデル
６ ステアリングモデル
７ インターフェイス
１１ 代用路面部
１２ タイヤ装着部
１３ 本体フレーム
１５ 駆動装置
１７ 接地荷重付与装置
１８ 横滑り角付与装置
１９ キャンバ角付与装置
２９ スライダ
３７ 横力計測手段
３８ ブレーキ力アクチュエータ
３９ トラクティブ荷重計測手段
４０ 速度計測手段
４１ 駆動トルク検出手段
４２ 横方向変位アクチュエータ
４４ 模擬運転装置
４６ 運転室
４９ 運転操作装置
５１ 運動装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両の実走行試験条件に近い条件で試験が行えるようにした、タイヤＨＩＬシミュレータ（Tire Hardware-In-the Loop Simulator）に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
自動車の開発等において、タイヤ・サスペンションシステムの最適化を検討する必要性がある。この場合、タイヤの表面温度、内圧、接触荷重、さらにタイヤの材質や形状等の数多くの条件設定が必要であると共に、最適な条件を設定するためには多大な試験時間が必要となる。さらに、サスペンションの機構やコンプライアンスがタイヤ性能に与える影響の評価が必要とされるため、コンピュータシミュレーションでは複雑なタイヤモデルをそのまま最適化の検討に適用することは難しい。
一方、実走行試験の場合、実際のタイヤ特性を直接得ることができるが、最適化を図る上で路面条件等の再現性に難点がある。
【０００３】
そこで、実走行試験に代わるものとして、各種のタイヤ試験装置が提案されている。例えば特許文献１においては、走行時に発生するタイヤ単体の特性を測定することができる試験装置が提案されているが、該特許文献１の試験装置においては、車両の特性を考慮することができない。
また、特許文献２においては、サスペンションの挙動を再現すべく演算器からタイヤ保持力に相当する力をタイヤに与えることによって、実走行試験状態に近づけようとする試みがなされている。しかし、該特許文献２の試験装置においては、タイヤ横力が変化するため、サスペンションを含めた車両の挙動が変化し、実走行状態を忠実に再現することは難しい。
【０００４】
一方、特許文献３においては、車両モデルを再現するシミュレーションモデルを試験装置に組み込み、より実走行試験状態に近づける試みがなされている。ところが、該特許文献３の試験装置においては、タイヤモデルをシミュレーションモデルに組み込んでいるため、タイヤ特性の最適化を行う場合には、タイヤモデルを新たに作る必要があり、手間がかかる。
そこで、上述の如き問題点を解決することが可能な装置として、実物のタイヤをハードウェアとして有するタイヤ試験装置にソフトウェアによるシミュレーションモデルの車両モデルをインターフェイスを介して接続したＨＩＬシミュレータが提案されている（非特許文献１参照）。該タイヤＨＩＬシミュレータは、ソフトウェアに複雑なタイヤモデルを用いることなく、実物のタイヤをハードウェアとして有する装置構成とされているので、実走行条件に近い条件で試験を行うことが可能である。
【特許文献１】特開昭５７−９１４４０号公報
【特許文献２】特開平５−５６７７号公報
【特許文献３】特開平１０−２８４２号公報
【非特許文献１】「１３４ タイヤＨＩＬシミュレータによる車両運動性能の研究（第１報）」（社）自動車技術会 学術講演会前刷集Ｎｏ．１０１−０２（１４〜１９頁）「２００２５９３」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、前記タイヤＨＩＬシミュレータにおいては、車両モデルが等価２輪モデルとされているため、タイヤの挙動としては、タイヤの回転、タイヤ横滑り角及びタイヤ接地荷重を制御する機構が存在するのみであり、車両モデルを３次元まで考慮した場合に発生する車両のローリング角によるタイヤのキャンバ角を試験装置にて再現することができないという問題がある。
そこで、本発明は、上記問題点に鑑み、タイヤ試験装置に車両モデルを組み込んだ試験装置において、３次元の車両モデルを用いた場合にも車両の３次元的挙動によるタイヤの挙動を再現することができる試験装置を提供することを目的とする。
【０００６】
さらに、走行シミュレータを組み合わせることによって、タイヤ部分は実物を用いたバーチャルな走行試験を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記目的を達成するため、本発明は、次の手段を講じた。すなわち、本発明のタイヤＨＩＬシミュレータは、代用路面体によりタイヤの走行試験を行うタイヤ試験装置と、該タイヤ試験装置における計測データを入力値として所定の計算を行い、該計算結果に基づき前記タイヤ試験装置のアクチュエータへ指令値を出力する車両モデルを備えた制御装置とを有する。前記タイヤ試験装置は、タイヤ横力を計測する横力計測手段と、接地荷重、横滑り角、およびキャンバ角を各々付与する各アクチュエータとを有する。前記車両モデルは、ステアリング角度と前記横力計測手段からのタイヤ横力とを入力値として車両の３次元的な運動を計算し、その計算結果に基づき前記接地荷重、横滑り角、およびキャンバ角の各指令値を前記各アクチュエータへ出力するものである。
【０００８】
なお、本発明においては、タイヤ横力を図１８及び図１９に示すＦy、接地荷重を図１８に示すＦz、キャンバ角を図１８に示すα、横滑り角を図１９に示すβとする。
本発明によれば、タイヤ試験装置に装着した実物のタイヤの特性を計測することができる。そして、その計測データ（タイヤ横力）及びステアリング角度が車両モデルに入力値として入力されることにより、該車両モデルによって上述の如き車両の動特性（接地荷重、横滑り角及びキャンバ角）がリアルタイムに計算され、該計算によって得られた値をタイヤ試験装置の各アクチュエータに指令値として出力することによりこれらの各アクチュエータが作動し、これによって、タイヤの代用路面体に対する支持状態が制御されるのである。
【０００９】
このように、本発明によれば、実物のタイヤの特性を車両モデルに入力することができると共に、入力されたタイヤ特性の影響を受けた車両モデルによる車両の動特性を各アクチュエータを介して再びタイヤ試験装置の実物のタイヤに付与することでき、このタイヤ試験装置と制御装置の間の情報交換がリアルタイムに展開することにより、実走行試験状態に極めて近いシミュレーションを実現することが可能となる。
前記タイヤ試験装置は、車両の前後左右の４本のタイヤを同時装着できるものが好ましい。前記車両モデルは、四輪乗用車を対象としてサスペンション機構を備えた３次元車両モデルであるのが好ましい。
【００１０】
本発明によれば、四輪乗用車の如く車両の前後左右の４本のタイヤの特性をそれぞれ計測することができると共に前記車両モデルの動特性を前後左右の４本のタイヤにそれぞれ付与することができ、さらに実走行試験状態に近いシミュレーションを実現することが可能となる。
また、サスペンション機構を考慮した３次元車両モデルを採用することにより、ヨーイング方向に加えて、ピッチング方向及びローリング方向の回転運動を考慮したの車両の動特性を計算することができる。
【００１１】
前記タイヤ試験装置は、タイヤのブレーキ力を付与するブレーキ力アクチュエータを有し、前記車両モデルは前記ブレーキ力アクチュエータへの指令値を出力するものであるのが好ましい。
本発明によれば、タイヤにブレーキ力を作用させた場合のタイヤの特性を計測することができる。
前記タイヤ試験装置は代用路面体を駆動する駆動装置を有し、前記車両モデルは前記駆動装置への指令値を出力するものであるのが好ましい。
【００１２】
本発明によれば、車両モデルからの指令値が駆動装置に入力されることによって、代用路面体の駆動を変化させた場合のタイヤの特性を計測することができる。
前記駆動装置には駆動トルク検出手段が設けられ、前記車両モデルは前記駆動トルク検出手段に基づき算出された転がり抵抗をパラメータの一つに有しているのが好ましい。
本発明によれば、転がり抵抗を考慮した車両の動特性を計算することができる。
なお、本発明における転がり抵抗とは、タイヤが代用路面体に接触することによって生じる代用路面体の駆動抵抗力であり、タイヤを代用路面体に押し付けている状態での前記駆動装置の駆動トルクとタイヤを代用路面体に押し付けていない状態での前記駆動装置の駆動トルクの差に比例する。
【００１３】
前記タイヤ試験装置にはタイヤのトラクティブ荷重計測手段が設けられ、前記車両モデルはトラクティブ荷重をパラメータの一つに有しているのが好ましい。
本発明によれば、トラクティブ荷重を考慮したタイヤの特性を計測することができる。
なお、本発明におけるトラクティブ荷重とは、図１９中にＦ’xで示されるタイヤ走行時の牽引抵抗力であり、該牽引抵抗力をタイヤに作用させることによって、車両の走行速度を変化させることが可能である。 前記タイヤ試験装置はタイヤの横方向変位を付与する横方向変位アクチュエータを有し、前記車両モデルは前記横方向変位アクチュエータへ指令値を出力するものであるのが好ましい。
【００１４】
本発明によれば、前記制御装置の車両モデルにおいて計算された横方向変位を前記タイヤ試験装置のタイヤに作用させることができ、該横方向変位を付与した場合のタイヤの特性を計測することができる。
なお、本発明における横方向変位とは、タイヤ走行方向とは直角方向のタイヤの変位であり、所謂横滑りに相当する。
前記タイヤＨＩＬシミュレータにおいて、前記制御装置には、模擬運転席装置が接続されているのが好ましい。
【００１５】
前記模擬運転席装置を設けることにより、バーチャルな走行試験を実現することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、より実走行条件に近い条件でタイヤ試験を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
図１（ａ）は、本発明の実施の形態を示すシステム構成図である。
本発明に係るタイヤＨＩＬシミュレータ１は、タイヤ試験装置２と、該タイヤ試験装置２における計測データを入力し且つ該タイヤ試験装置２を制御する制御装置３とを有する。
なお、図１（ａ）において、その左側に描かれているタイヤ試験装置２は、上側が正面図で下側が平面図である（以下、図９、図１１、図１３、図１５、図１６及び図１７において同じ）。
【００１８】
前記タイヤ試験装置２は、代用路面体４により実物のタイヤ４ａの走行試験を行うものである。
また、前記制御装置３は、タイヤ試験装置２における計測データを入力値として所定の計算を行い、該計算結果に基づきタイヤ試験装置２のアクチュエータへ指令値を出力する車両モデル５を備えている。
該車両モデル５は、コンピュータのソフトウェアとして構成されている。本実施の形態において、車両モデル５には、ステアリング機構が記述されていないので、別途、ステアリング機構が記述されたステアリングモデル６が接続されている。しかし、該ステアリングモデル６は、車両モデル５と一体化されたものであっても良い。
【００１９】
前記車両モデル５を備えたソフトウェアとタイヤ試験装置２からなるハードウェアは、インターフェイス７を介して接続されている。
図２及び図３には、タイヤ試験装置２の一例が示されている。
タイヤ試験装置２は、代用路面部１１とタイヤ装着部１２とから主構成されている。
該代用路面部１１は、４本の柱を横架材にて連結してなる本体フレーム１３を備え、該本体フレーム１３に前記代用路面体４が支持されている。本実施の形態においては、代用路面体４として円柱状の鋼製ドラムが例示されているが、特開２００２−３９９１９号公報に記載の如き無端ベルトを代用路面体４として採用することももちろん可能である。
【００２０】
該代用路面体４の一対の円形平板面には、該円形平板面の中心を貫通する軸線上に軸体が設けられており、前記軸線を水平に保った状態で軸体が前記本体フレーム１３に回転自在に枢支されることにより、代用路面体４の外周面は縦方向に回転する。また、代用路面体４は、前記本体フレーム１３に２基設けられており、該一対の代用路面体４、４は同形同大とされ、両代用路面体４、４の軸体は、水平な同一軸線上に配置されている。
また、本体フレーム１３の上部には、代用路面体４を回転駆動させる駆動装置１５が設けられており、本実施の形態においては、該駆動装置１５として電動モータが例示されている。該駆動装置１５は、前記本体フレーム１３上に２台載置され、各駆動装置１５と各代用路面体４とは巻き掛け伝動体１６により連動連結されている。
【００２１】
各代用路面体４の左右両側には、前記タイヤ装着部１２が１基ずつ配備されている。これによって、タイヤ試験装置２は合計４基のタイヤ装着部１２を備え、図１（ａ）に示す如く該４基のタイヤ装着部１２をインターフェイス７を介して前記車両モデル５に接続することにより、４基のタイヤ装着部１２の各タイヤ４ａは前記車両モデル５の前後左右のタイヤとして設定される。ここで、並置された一対の代用路面体４、４の一方の側方に配備された２基のタイヤ装着部１２、１２のタイヤ４ａ、４ａが車両モデル５の左右一対の前輪として設定されると共に、前記一対の代用路面体４、４の他方の側方に配備された２基のタイヤ装着部１２、１２のタイヤ４ａ、４ａが車両モデル５の左右一対の後輪として設定されている。
【００２２】
各タイヤ装着部１２は同じ構造とされている。
該タイヤ装着部１２には、代用路面体４の前記軸線と平行な回転軸上を回転するタイヤ４ａが配備されている。タイヤ装着部１２は、代用路面体４の水平な直径線上においてドラム外周面にタイヤ４ａの外周面を近接自在に押圧させる接地荷重付与装置１７を備えている。タイヤ装着部１２は、タイヤ４ａに横滑り角度を付与する横滑り角付与装置１８を備えている。タイヤ装着部１２は、タイヤ４ａのキャンバ角度を付与するキャンバ角付与装置１９を備えている。
【００２３】
図２〜図４に示す如く、前記キャンバ角度付与装置１９は、前記本体フレーム１３に垂直軸心回り回動自在に設けられた揺動フレーム２０を有する。該揺動フレーム２０は、本体フレーム１３に前記垂直軸心回りに揺動自在に枢結された上下一対の横フレーム２１、２１と、該上下一対の横フレーム２１、２１の各遊端側を結合する縦フレーム２２とを有している。上下一対の横フレーム２１、２１の前記回動中心は、同一垂直軸線上にあり、該垂直軸線は代用路面体４のドラム外周面に接する位置に設けられている。
図２及び図３に示す如く、前記揺動フレーム２０は、縦フレーム２２に突設されたアーム２４を介してキャンバ角付与アクチュエータ２３に連接されており、該キャンバ角付与アクチュエータ２３は、アーム２４に連結されたスクリュー軸２５と、該スクリュー軸２５に螺合されたナット２６と、該ナット２６を回動させる電動サーボモータ２７とを備えると共に、図１（ａ）に示す如く、インターフェイス７を介して制御装置３の車両モデル５に接続されている。
【００２４】
図２に示す如く、前記垂直軸線に対する揺動フレーム２０の揺動角度αがキャンバ角度である。キャンバ角付与アクチュエータ２３に車両モデル５からの指令値が入力されることにより、該指令値に応じて図２に示す電動サーボモータ２７がナット２６を回動させ、これに伴ってスクリュー軸２５が軸方向に移動する。このように、揺動フレーム２０の前記垂直軸線回りの揺動が所定の角度αの範囲で制御されることにより、平面視でタイヤ４ａが代用路面体４に対して傾斜するのである。
なお、キャンバ角付与装置１９は、例えば、油圧サーボモータや油圧シリンダなどで揺動フレームを揺動させるものや、特開平５−５２７１１号公報に記載の円弧状ラックに噛み合うピニオンを駆動する形式のものであっても良い。
【００２５】
図４に示す如く、該キャンバ角付与装置１９の揺動フレーム２０内に前記接地荷重付与装置１７が配備されている。
図５に示す如く、該接地荷重付与装置１７は、前記揺動フレーム２０に上下一対の横フレーム２１、２１に設けられた上下一対のガイドレール２８、２８に摺動自在に設けられたスライダ２９を備えている。
該スライダ２９は、接地荷重付与アクチュエータ３０によって上下一対のガイドレール２８、２８間を前記代用路面体４に近接自在に移動する。この実施の形態において、該接地荷重付与アクチュエータ３０は、スクリュジャッキ３１ならびにモータを用いて前記スライダ２９を駆動させ、ロードセル３２によって荷重を検出することによってタイヤ接地荷重を制御するものとされているが、これに限定されるものではなく、図３の如く油圧シリンダ等を用いたものであっても良い。
【００２６】
なお、該接地荷重付与装置１７は、上述の如き構成のものに限らず、例えば、特開平３−６７１４８号公報に記載のものや、特公平１−１５８０９号公報に記載の如きドラムを移動させる形式のものであっても良い。
図１（ａ）に示す如く、接地加重付与アクチュエータ３０は、インターフェイス７を介して制御装置３の車両モデル５に接続されており、ロードセル３２による計測データに基づいて車両モデル５によって導出された指令値が接地荷重付与アクチュエータ３０に入力されることにより、該指令値に応じてスクリュジャッキ３１が作動し、これに伴って前記スライダ２９を代用路面体４に近接する。これによってタイヤ４ａの接地荷重が制御されるのである。
【００２７】
図６に示す如く、前記横滑り角付与装置１８は、接地荷重付与装置１７のスライダ２９に設けられている。該横滑り角度付与装置１８は、左右一対のリンク機構３３ａ、３３ａを介してスライダ２９に傾斜自在に連結された垂直台３３を備え、該垂直台３３の側面には、タイヤ４ａに連結されるべきタイヤ取付軸３４が突設されており、タイヤ４ａの回転軸は、ボルト等の締結具を介してタイヤ取付軸３４の先端に回転自在に装着されている。
該タイヤ４ａは、締結具による締結を解除することによってタイヤ取付軸３４から容易に取り外すことができ、これによって、タイヤ装着部１２のタイヤ４ａの取り替えが容易に行われるのである。
【００２８】
また、垂直台３３は、該垂直台３３を傾斜させるための横滑り角度付与アクチュエータ３５に連接されている。
図１（ａ）に示す如く、該横滑り角度付与アクチュエータ３５は、スクリュジャッキならびにモータを用いて前記垂直台３３を傾斜させる構成とされ、インターフェイス７を介して制御装置３の車両モデル５に接続されている。
該横滑り角度付与アクチュエータ３５に車両モデル５から出力された指令値が入力されることにより、該指令値に応じて垂直台３３が傾斜し、これによってタイヤ取付軸３４の軸心が水平状態から上下方向に傾斜することにより、タイヤ４ａのタイヤ横滑り角が制御されるのである。
【００２９】
なお、横滑り角付与装置１８は前記構成のものに限定されるものではなく、例えば、特公昭６２−８７３９号公報に記載の如き構成を採用することができる。
図２に示す如く、前記タイヤ試験装置２の各タイヤ装着部１２には、横力計測手段３７がそれぞれ設けられている。
該横力計測手段３７は、タイヤ４ａに加えられる横力を計測するためのものであって、前記タイヤ取付軸３４のスライダ側の端部に連接されている。
図１（ａ）に示す如く、横力計測手段３７は、インターフェイス７を介して前記車両モデル５に接続されている。該横力計測手段３７によって計測されたタイヤ横力が車両モデル５に入力されることにより、実物のタイヤ４ａのタイヤ横力を車両モデル５に付与した場合の車両の動的挙動が計算される。
【００３０】
図７に模式図として示す如く、本実施の形態に用いられた３次元の車両モデル５は、車両及びサスペンション機構を有限要素法におけるはり要素あるいはトラス要素を用いてモデル化したものであり、車両の剛性及びサスペンション機構の幾何学的非線形性を考慮している。
該車両モデル５において、各節点は６自由度を有し、各節点間は、有限要素法における大回転を考慮したはり要素によって結合されている。これによって車両モデル５は、車両の上下方向、左右方向及び前後方向の運動に加えてピッチング方向、ローリング方向及びヨーイング方向の回転を考慮することができ、車両の３次元的な運動を全て表現することができる。
【００３１】
なお、図７の車両モデル５は、ウィッシュボーン型サスペンションをモデル化したものであり、サスペンションのばね力及び減衰力がはり要素の特性として表現されている（詳細は文献：日本機械学会論文集（Ｃ編）、６９巻６８５号（２００３−９）を参照）。
本実施の形態においては、図１（ｂ）に概念的に示す如く、ステアリングモデル６によるステアリング角度と前記横力計測手段３７によって計測されたタイヤ横力とが入力値として車両モデル５に入力されることにより、車両の３次元的な運動が計算され、その計算結果に基づいて導出された接地荷重、横滑り角度及びキャンバ角の各指令値が前記各アクチュエータへ出力されることにより、各タイヤ４ａに付与される接地荷重、横滑り角度及びキャンバ角が制御され、これによって実走状態に近い状態が再現されるのである。
【００３２】
以下に、車両モデル５によって各タイヤ４ａに付与される横滑り角の導出過程について説明する。
図２０に示す如く、本実施の形態において、速度Ｖで走行中の車両モデル５に前記ステアリングモデル６によってステアリング角δが入力された場合、車両モデル５の前輪のＸ軸に対して成す角γfは以下の（１）によって与えられ、後輪のＸ軸に対してなす角γrは以下の（２）によって与えられる。
【００３３】
【数１】
【００３４】
【数２】
【００３５】
また、ここで、Ｖは車両速度を示し、ｌfは前記重心Ｏから前輪の回転軸の軸線までの距離を示し、ｌrは前記重心Ｏから後輪の回転軸の軸線までの距離を示している。
また、前輪の向いている方向とＸ軸のなす角θfは以下の（３）によって与えられ、後輪の向いている方向とＸ軸のなす角θrは以下の（４）によって与えられる。
【００３６】
【数３】
【００３７】
【数４】
【００３８】
ここで、θzoは前記重心Ｏの進行方向とＸ軸のなす角であり、図２０中のθに等しい。
そして、前輪の横滑り角βfは以下の（５）によって導出され、後輪の横滑り角βrは以下の（６）によって導出される。
【００３９】
【数５】
【００４０】
【数６】
【００４１】
これら前輪及び後輪の横滑り角βf、βrは、車両モデル５を介してコンピュータによって計算され、これら横滑り角βf、βrを指令値として各タイヤ装着部１２の横滑り角度付与アクチュエータ３５に入力することにより、各タイヤ４ａに横滑り角が付与されるのである。
同様に、図１（ｂ）に示す如く前記ステアリング角δ及び横力計測手段３７によって計測された各タイヤ４ａのタイヤ横力Ｙf、Ｙrが車両モデル５に入力されることにより、車両モデル５によってこれらの入力値に基づく前輪の接地荷重Ｆzf及びキャンバ角αfと後輪の接地荷重Ｆzr及びキャンバ角αrが導出され、これら接地荷重Ｆzf、Ｆzr及びキャンバ角αf、αrを指令値として各タイヤ装着部１２の接地荷重付与アクチュエータ３０及びキャンバ角付与アクチュエータ２３に入力することにより、各タイヤ４ａに接地荷重及びキャンバ角が付与されるのである。
【００４２】
これによって、車両モデル５によって導出されたヨーイング方向の回転運動はもちろん、モデル化したサスペンション機構の影響によるローリング方向の回転運動の実際の４本のタイヤ４ａに発生させることができ、これらの運動下でのタイヤ特性を計測することができるのである。
このように、本実施の形態によれば、実物のタイヤ４ａの特性を車両モデル５に入力することができると共に、入力されたタイヤ特性の影響を受けた車両モデル５による車両の動特性を各アクチュエータを介して再びタイヤ試験装置２の実物のタイヤ４ａに付与することでき、このタイヤ試験装置２と制御装置３の間の情報交換がリアルタイムに展開することにより、実走行試験状態に極めて近いシミュレーションが実現されるのである。
【００４３】
図８及び図９に示すものは、本発明の第２の実施の形態である。該実施の形態においては、図８に示す如く、各タイヤ装着部１２にブレーキ力アクチュエータ３８がそれぞれ設けられている。
該ブレーキ力アクチュエータ３８は、タイヤ４ａにブレーキ力を付与するためのものであって、前記横力計測手段３７の近傍にて各タイヤ４ａに連接され、図９に示す如く、インターフェイス７を介して車両モデル５に接続されている。
該実施の形態においては、車両モデル５において導出された前輪及び後輪のブレーキ力を指令値としてブレーキ力アクチュエータ３８に入力することにより、各タイヤ４ａに車両モデル５によって導出されたブレーキ力を付与することができる。これによって、車両モデル５にピッチング方向の回転運動を発生させることができ、ブレーキ力を付与した場合のシミュレーションが可能となる。
【００４４】
図１０及び図１１に示すものは、本発明の第３の実施の形態である。該実施の形態においては、図１０に示す如く、駆動装置１５に代用路面体４の速度を検出するための速度検出手段４０が設けられている。
該速度検出手段４０及び駆動装置１５は、図１１に示す如く、インターフェイス７を介して車両モデル５に接続されている。
該実施の形態においては、代用路面体４のドラム速度を計測し制御する手段が設けられているので、車両モデル５において導出されたドラム速度を代用路面体４に付与することができ、これによって代用路面体４のドラム速度を変化させた場合のシミュレーションが可能となる。
【００４５】
図１２及び図１３に示すものは、本発明の第４の実施の形態である。該実施の形態においては、図１２に示す如く、前記駆動装置１５に代用路面体４の駆動トルクを検出するための駆動トルク検出手段４１がそれぞれ配備されている。
該駆動トルク検出手段４１は、図１３に示す如く、インターフェイス７を介して車両モデル５に接続されており、該車両モデル５は、駆動トルク検出手段４１に基づいて導出される転がり抵抗をパラメータの一つに有している。
該実施の形態においては、駆動トルク検出手段（ドラム速度制御用電動機）４１によって検出されたドラム駆動トルクから転がり抵抗力が算出され、該転がり抵抗力を車両モデル５に入力することにより、転がり抵抗の影響を考慮したシミュレーションが可能となる。
【００４６】
転がり抵抗力の算出手段としては、ドラム速度制御用電動機の駆動トルクを計測し、タイヤ４ａを代用路面体４の外周面に押し付けていない状態での駆動トルクと押し付た状態での駆動トルクの差から転がり抵抗を算出する。すなわち、転がり抵抗力ＦRは以下の（７）によって与えられる。
【００４７】
【数７】
【００４８】
ここで、Ｔ1はタイヤ４ａを代用路面体４の外周面に押し付けていない状態でのドラム駆動トルク、Ｔ2はタイヤ４ａを代用路面体４の外周面に押し付けている状態でのドラム駆動トルク、ｒは代用路面体４のドラム半径、ｎは各代用路面体４に対するタイヤ数であり、図１３の場合にはｎ＝２である。
図１４及び図１５は、本発明の第５の実施の形態である。該実施の形態においては、図１４に示す如く、各タイヤ装着部１２のスライダ２９の上端部にトラクティブ荷重計測手段３９がそれぞれ設けられている。
該トラクティブ荷重計測手段３９は、代用路面体４を駆動してタイヤ４ａを回転させた場合にタイヤ４ａに生じる図１９に示す牽引抵抗力Ｆ’xを計測するためのものであり、図１５に示す如く、インターフェイス７を介して車両モデル５に接続されている。また、車両モデル５は、前記トラクティブ荷重をパラメータの一つに有している。
【００４９】
該実施の形態においては、トラクティブ荷重計測手段３９によって検出されたトラクティブ荷重を車両モデル５に入力することにより、該トラクティブ荷重の影響を考慮したシミュレーションが可能となる。
図１６は、本発明の第６の実施の形態を示すシステム構成図である。タイヤ試験装置２の各タイヤ装着部１２には、タイヤ４ａの横方向変位を付与する横方向変位アクチュエータ４２が配備されている。
該横方向変位アクチュエータ４２は、インターフェイス７を介して車両モデル５に接続されている。
【００５０】
該実施の形態においては、前記車両モデル５から前記横方向変位アクチュエータ４２へ指令値を出力することにより、各タイヤ４ａを横方向に変位させた場合のシミュレーションが可能となる。
図１７は、本発明の第７の実施の形態を示すシステム構成図であり、前記制御装置３に模擬運転席装置４４が接続されている。
該模擬運転装置４４は、枠体４５によって覆われた運転室４６を備え、該運転室４６には、実際の車両と同様のシート４７が配備されると共に、ステアリングハンドル４８、アクセルペダル、ブレーキペダル、計器パネル等を有する運転操作装置４９が配備されている。
【００５１】
該運転操作装置４９は、走行状態のフロントガラスの景色などを表示するディスプレイ５０を備えると共に、インターフェイス７を介して車両モデル５に接続されている。
また、運転室４６は油圧装置等により駆動される運動装置５１によって支持されており、該運動装置５１は、前記車両モデル５にインターフェイス７を介して接続され、実走行と同じ車体の運動を与えるように構成されている。
運転操作装置４９のステアリングハンドル４８を操作することにより制御される車両モデル５のステアリング角を制御装置３のコンピュータに取り込み、その状態量およびタイヤ横力を車両モデル５に入力して車両の動的挙動を計算し、その計算結果から得られた指令値をタイヤ試験装置２の各タイヤ装着部１２の上記各アクチュエータに出力することにより、タイヤ試験装置２の各タイヤ４ａを制御することができると共に、前記車両の動的挙動に応じた指令値を運転操作装置４９及び運動装置５１に出力することにより、模擬運転装置４４が制御されることとなる。
【００５２】
したがって、本実施の形態によれば、走行時の車両挙動を実走行試験状態に極めて近い状態として再現することができる。
なお、本発明は、前記実施の形態に示したものに限定されるものではない。
例えば、タイヤ試験装置２に上述のブレーキ力アクチュエータ３８、速度検出手段４０、駆動トルク検出手段４１、トラクティブ荷重計測手段３９及び横方向変位アクチュエータ４２を備え、さらに制御装置３に運転席操作装置４４を接続した構成であってもよく、また、これらの内の複数を備えた構成であってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
本発明は、自動車関連、タイヤ関連の産業に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】図１（ａ）は、本発明のタイヤＨＩＬシミュレータの実施の形態を示すシステム構成図であり、図１（ｂ）は、該タイヤＨＩＬシミュレータのシステムブロック図である。
【図２】図２は、該タイヤＨＩＬシュミレータのタイヤ試験装置の平面図である。
【図３】図３は、該タイヤ試験装置の正面図である。
【図４】図４は、該タイヤ試験装置のタイヤ装着部のキャンバ角付与装置の構成を示す斜視図である。
【図５】図５は、該タイヤ装着部の接地加重付与装置の構成を示すイメージ図である。
【図６】図６は、該タイヤ装着部の横滑り各付与装置の要部を示す斜視図である。
【図７】図７は、本発明の実施の形態に用いる車両モデルのイメージ図である。
【図８】図８は、本発明のタイヤＨＩＬシミュレータの第２の実施の形態に用いるタイヤ試験装置の平面図である。
【図９】図９は、本発明のタイヤＨＩＬシミュレータの第２の実施の形態を示すシステム構成図である。
【図１０】図１０は、本発明のタイヤＨＩＬシミュレータの第３の実施の形態に用いるタイヤ試験装置の平面図である。
【図１１】図１１は、本発明のタイヤＨＩＬシミュレータの第３の実施の形態を示すシステム構成図である。
【図１２】図１２は、本発明のタイヤＨＩＬシミュレータの第４の実施の形態に用いるタイヤ試験装置の平面図である。
【図１３】図１３は、本発明のタイヤＨＩＬシミュレータの第４の実施の形態を示すシステム構成図である。
【図１４】図１４は、本発明のタイヤＨＩＬシミュレータの第５の実施の形態に用いるタイヤ試験装置の正面図である。
【図１５】図１５は、本発明のタイヤＨＩＬシミュレータの第５の実施の形態を示すシステム構成図である。
【図１６】図１６は、本発明のタイヤＨＩＬシミュレータの第６の実施の形態を示すシステム構成図である。
【図１７】図１７は、本発明のタイヤＨＩＬシミュレータの第７の実施の形態を示すシステム構成図である。
【図１８】図１８は、本発明で用いる用語の定義を示す説明図である。
【図１９】図１９は、本発明で用いる用語の定義を示す説明図である。
【図２０】図２０は、本発明で用いる用語の定義を示す説明図である。
【符号の説明】
【００５５】
１ タイヤＨＩＬシミュレータ
２ タイヤ試験装置
３ 制御装置
４ 代用路面体
４ａ タイヤ
５ 車両モデル
６ ステアリングモデル
７ インターフェイス
１１ 代用路面部
１２ タイヤ装着部
１３ 本体フレーム
１５ 駆動装置
１７ 接地荷重付与装置
１８ 横滑り角付与装置
１９ キャンバ角付与装置
２９ スライダ
３７ 横力計測手段
３８ ブレーキ力アクチュエータ
３９ トラクティブ荷重計測手段
４０ 速度計測手段
４１ 駆動トルク検出手段
４２ 横方向変位アクチュエータ
４４ 模擬運転装置
４６ 運転室
４９ 運転操作装置
５１ 運動装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
代用路面体によりタイヤの走行試験を行うタイヤ試験装置と、該タイヤ試験装置における計測データを入力値として所定の計算を行い、該計算結果に基づき前記タイヤ試験装置のアクチュエータへ指令値を出力する車両モデルを備えた制御装置とを有するタイヤＨＩＬシミュレータにおいて、
前記タイヤ試験装置は、タイヤ横力を計測する横力計測手段と、接地荷重、横滑り角度、およびキャンバ角を各々付与する各アクチュエータとを有し、
前記車両モデルは、ステアリング角度と前記横力計測手段からのタイヤ横力とを入力値として車両の３次元的な運動を計算し、その計算結果に基づき前記接地荷重、横滑り角度、およびキャンバ角の各指令値を前記各アクチュエータへ出力するものであることを特徴とするタイヤＨＩＬシミュレータ。
【請求項２】
前記タイヤ試験装置は車両の前後左右の４本のタイヤを同時装着できるものであり、前記車両モデルは四輪乗用車を対象としてサスペンション機構を備えた３次元車両モデルであることを特徴とする請求項１記載のタイヤＨＩＬシミュレータ。
【請求項３】
前記タイヤ試験装置はタイヤのブレーキ力を付与するブレーキ力アクチュエータを有し、前記車両モデルは前記ブレーキ力アクチュエータへの指令値を出力するものであることを特徴とする請求項１又は２記載のタイヤＨＩＬシミュレータ。
【請求項４】
前記タイヤ試験装置は代用路面体を駆動する駆動装置を有し、前記車両モデルは前記駆動装置への指令値を出力するものであることを特徴とする請求項１〜３の何れか一つに記載のタイヤＨＩＬシミュレータ。
【請求項５】
前記駆動装置には駆動トルク検出手段が設けられ、前記車両モデルは前記駆動トルク検出手段に基づき算出された転がり抵抗をパラメータの一つに有していることを特徴とする請求項４記載のタイヤＨＩＬシミュレータ。
【請求項６】
前記タイヤ試験装置にはタイヤのトラクティブ荷重計測手段が設けられ、前記車両モデルはトラクティブ荷重をパラメータの一つに有していることを特徴とする請求項１〜５の何れか一つに記載のタイヤＨＩＬシミュレータ。
【請求項７】
前記タイヤ試験装置はタイヤの横方向変位を付与する横方向変位アクチュエータを有し、前記車両モデルは前記横方向変位アクチュエータへ指令値を出力するものであることを特徴とする請求項１〜６の何れか一つに記載のタイヤＨＩＬシミュレータ。
【請求項８】
請求項１〜７の何れか一つに記載のタイヤＨＩＬシミュレータにおいて、前記制御装置には、模擬運転席装置が接続されていることを特徴とするタイヤＨＩＬシミュレータ。
【請求項１】
代用路面体によりタイヤの走行試験を行うタイヤ試験装置と、該タイヤ試験装置における計測データを入力値として所定の計算を行い、該計算結果に基づき前記タイヤ試験装置のアクチュエータへ指令値を出力する車両モデルを備えた制御装置とを有するタイヤＨＩＬシミュレータにおいて、
前記タイヤ試験装置は、タイヤ横力を計測する横力計測手段と、接地荷重、横滑り角度、およびキャンバ角を各々付与する各アクチュエータとを有し、
前記車両モデルは、ステアリング角度と前記横力計測手段からのタイヤ横力とを入力値として車両の３次元的な運動を計算し、その計算結果に基づき前記接地荷重、横滑り角度、およびキャンバ角の各指令値を前記各アクチュエータへ出力するものであることを特徴とするタイヤＨＩＬシミュレータ。
【請求項２】
前記タイヤ試験装置は車両の前後左右の４本のタイヤを同時装着できるものであり、前記車両モデルは四輪乗用車を対象としてサスペンション機構を備えた３次元車両モデルであることを特徴とする請求項１記載のタイヤＨＩＬシミュレータ。
【請求項３】
前記タイヤ試験装置はタイヤのブレーキ力を付与するブレーキ力アクチュエータを有し、前記車両モデルは前記ブレーキ力アクチュエータへの指令値を出力するものであることを特徴とする請求項１又は２記載のタイヤＨＩＬシミュレータ。
【請求項４】
前記タイヤ試験装置は代用路面体を駆動する駆動装置を有し、前記車両モデルは前記駆動装置への指令値を出力するものであることを特徴とする請求項１〜３の何れか一つに記載のタイヤＨＩＬシミュレータ。
【請求項５】
前記駆動装置には駆動トルク検出手段が設けられ、前記車両モデルは前記駆動トルク検出手段に基づき算出された転がり抵抗をパラメータの一つに有していることを特徴とする請求項４記載のタイヤＨＩＬシミュレータ。
【請求項６】
前記タイヤ試験装置にはタイヤのトラクティブ荷重計測手段が設けられ、前記車両モデルはトラクティブ荷重をパラメータの一つに有していることを特徴とする請求項１〜５の何れか一つに記載のタイヤＨＩＬシミュレータ。
【請求項７】
前記タイヤ試験装置はタイヤの横方向変位を付与する横方向変位アクチュエータを有し、前記車両モデルは前記横方向変位アクチュエータへ指令値を出力するものであることを特徴とする請求項１〜６の何れか一つに記載のタイヤＨＩＬシミュレータ。
【請求項８】
請求項１〜７の何れか一つに記載のタイヤＨＩＬシミュレータにおいて、前記制御装置には、模擬運転席装置が接続されていることを特徴とするタイヤＨＩＬシミュレータ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【公開番号】特開２００６−１３８８２７（Ｐ２００６−１３８８２７Ａ）
【公開日】平成１８年６月１日（２００６．６．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−３３４９９９（Ｐ２００４−３３４９９９）
【出願日】平成１６年１１月１８日（２００４．１１．１８）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り ２００４年５月１９日 社団法人自動車技術会発行の「学術講演会前刷集 Ｎｏ．５６−０４ ２００４年春季大会」に発表
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【出願人】（５０４１３７９１２）国立大学法人 東京大学 (1,942)
【公開日】平成１８年６月１日（２００６．６．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年１１月１８日（２００４．１１．１８）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り ２００４年５月１９日 社団法人自動車技術会発行の「学術講演会前刷集 Ｎｏ．５６−０４ ２００４年春季大会」に発表
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【出願人】（５０４１３７９１２）国立大学法人 東京大学 (1,942)
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