JP2001507444A - 製品耐久確認用不規則振動試験の仕様決定方法 - Google Patents
製品耐久確認用不規則振動試験の仕様決定方法Info
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Abstract
(57)【要約】
実験室での高速製品振動試験用の試験プロファイルを決定する方法であって、(i)高速実験室試験において用いられるべき周波数範囲を選択する工程、(ii)スケーリング係数を含み、予測される実地振動レベルでの不規則振動荷重のPSDを表す、単純化された振動数スペクトル関数PSDj(f)を引き出す工程、(iii)スケーリング係数を用いることにより、PSDj関数に対応する試験用加速力を製品に生成するために、PSDTの適切なプロファイルを引き出す工程、(iv)上記入力加速力から局部振動応力への伝達関数を表す製品の応力応答曲線H(f)を計算する工程、(v)試験装置の能力及び試験可能時間に基き、試験期間Tを選択し、以下の関係から増幅係数を計算する工程、
(vi)選択された上記試験期間及び増幅係数に基き、高速化PSDプロファイルPSDT(f)を以下の関係から再計算する工程、
及び(vii)試験期間Tを越えても破壊が観察されない場合に製品寿命の要求性能を確認するために、上記選択されたPSD関数を用いて製品を試験する工程、を有するもの。
Description
【発明の詳細な説明】
製品耐久確認用不規則振動試験の仕様決定方法
本発明は、破壊という物理的現象と損傷との相互関係の原理を用いて、高速の
実験室不規則振動試験に基き自動車部品製品の耐久性を確認する方法に関する。
自動車産業において、低い装置コスト及び利便性故に、正弦波振動試験が頻繁
に用いられている。しかしながら、不規則振動試験がより望ましい。というのは
、実際の作動状態のもとで自動車部品に加わる振動荷重は、いくつかの異なった
実際の運転経路に対応するいくつかの不規則変化から成るからである。それで、
実験室で行われる不規則振動試験が、実際の荷重状態をより良く再現することが
できる。製品検証過程における不規則振動試験は、不規則振動試験装置及び設備
が利用可能であるが故に、現在可能なのである。
しかしながら、不規則振動プロファイルをある態様で上げることにより、試験
時間を高速化することが、望ましいであろう。現在の高速化された試験方法のほ
とんどは、周波数とは無関係に入力荷重を評価し小振幅荷重を無視する荷重解析
法に基いている。この方法は、製品の破壊は応力が起こす現象であって荷重によ
り起こされるものではないが故に、大きな誤差を生じる可能性がある。小振幅の
荷重が大きな応力を引き起こす可能性があるのである。より正確で高速化された
試験の方法論には、製品の応力応答と材料損傷特性への考慮が含まれなければな
らない。この組み合わせは、破壊という物理的現象への研究方法を用いて、最も
良く遂行され得る。
本発明によれば、実験室での高速正弦波製品振動試験用の試験プロファイルを
決定する方法が提供され、それは以下の工程を有する。
(i)高速実験室試験において用いられるべき周波数範囲を選択する工程、
(ii)スケーリング係数を含み、予測される実地振動レベルでの不規則振動荷重
の振動数スペクトル関数PSDを表す、単純化された合成振動数スペクトル関数PSDj
(f)を引き出す工程、
(iii)スケーリング係数を用いることにより、PSDj(f)関数に対応する試験用加
速力を製品に生成するために、PSDT(f)の適切なプロファイルを引き出す工程、
(iv)入力加速力から局部振動応力への伝達関数を表す製品の応力応答曲線H(f
)を計算する工程、
(v)試験装置の能力及び試験可能時間に基き、試験期間Tを選択し、以下の関
係から増幅係数を計算する工程、
(vi)選択された試験期間及び増幅係数に基き、高速PSDプロファイルPSDT(f)を
以下の関係から再計算する工程、
及び
(vii)試験期間Tを越えても試験破壊が観察されない時に製品の要求寿命性能
を確認するために、選択されたPSD関数を用いて製品を試験する工程、であり
(viii)試験される製品がいくつかの異なった材料からなる場合に、予想される
材料(材料特性mを持つ)にT時間より前に破壊が一旦起こると、設計変更また
は製造工程の改良が必要とされる。予想されていない材料(材料特性m'を持つ
)に試験期間T時間より前に損傷が起こると、損傷に伴う材料の新
しい材料特性m'を用いることにより、要求試験期間T'を再計算する。製品は、
新たに計算された高速期間T'で、試験される。
本発明は、試験方法論を提供し、破壊という物理的現象と損傷等価法に基き、
実験室で生成される振動損傷が実地の不規則振動により導かれる不規則振動に等
価であるように、不規則振動試験方法論を決定する。実地の不規則振動プロファ
イル及び目標製品寿命に基き、実験室環境における等価不規則振動試験が、振動
時間及び試験時間を含んで、規定され得る。製品がこの実験室試験プロファイル
を耐える場合には、目標寿命時間の間、実地に耐えるはずである。
以下に本発明が、例を用いて、添付図面を参照しつつ説明される。
図1は、実地データから計測されたPSD曲線の例を示す。
図2は、実地データから計測されたPSD曲線から引き出された合成PSD曲線
の例を示す。
図3は、高速化された実験室試験を決定するのに用いられるPSD形態つま
りプロファイルの例を示す。
図4は、臨界点における単位加速度での応力一周波数応答曲線の例を示す
。
図5は、計測された電子部品のリード線の材料損傷特性のプロットである
。
図6は、選択された試験期間Tの実験室での不規則振動レベルの例を示す
。
図7は、本発明による試験方法を実行するコンピューター及び試験システ
ムの概略ブロック図である。
図8は、本発明によるコンピューター・プログラムのフローチャートであ
る。高速試験の前提の解明
実地での損傷の予測
不規則振動での疲れ損傷は、マイナーの規則に基き予測され得る。
ここで、n(SA)は応力振幅レベルSAで印加される繰り返し数であり、N(SA)
は印加応力SAでの平均破壊繰り返し数である。通常、S-N曲線と呼ばれる、SA
とN(SA)との関係は以下の式により表される。
ここで、C及びmは、与えられた温度、平均応力及び表面状態についての材料特
性である。
再現された路上試験プロファイルにおける各路面により発生される不規則振動
が固定のガウスの過程つまりガウス分布に対応すると仮定すると、全ての実経路
についての累積損傷の合計は以下の式により予測され得る。
ここで、PSDg,i(f)は実地入力加速度の振動数スペクトルPSDの関数である;Mi
は、I番目の路面での作動距離である;Viは動力分布強度PSDを計測するための
運転速度(単位はMPH)である;「1(.)は、ガンマ関数である;Iiは帯域幅の訂
正係数である;そしてfo,lは平均周波数である。H(f)は、コンピューター援用
エンジニアリング(CAE)ツールを用いることにより、動的応力解析から得ること
のできる、入力加速度から局部応力への伝達率である、応力応答関数であり、fm in
及びfmaxは適用振動数の上限及び下限である。境界の外側の
値PSDg(f)がピーク値0.001より小さくなる様に、境界が決められる。図1は、実
地試験中に計測されたPSD曲線の例を示す。
実験室での正弦波試験で導かれる損傷の予測
実験室試験において、全累積損傷は、次式により予測され得る。
ここで、Tは、全試験時間である(単位は時)。「1(.)は;Iiは帯域幅の訂正係
数である;そしてfo,lは平均周波数である。そしてfmin及びfmaxは適用振動数の
上限及び下限である。PSDT(f)は、実験室での試験中に製品に適用される振動数
スペクトル(PSD)数である。H(f)は、CAEツールを用いることにより、動的応力
解析から得ることのできる、入力加速度から局部応力への伝達率である、応力応
答関数である。
損傷等価手法
前述の近似が、規定の試験期間での実験室試験により生成された損傷が目標製
品寿命期間で実地に生成されるのと同じとなる様に、規定の試験期間での実験室
での試験方法論の開発を可能とする。
つまり、
DF(life time)=DT(test durtion) (5)
それで、適切な試験期間が特定されるならば、式3及び4より、要求される実験
室試験のレベルが計算され得る。一方で、適切な試験レベルが特定されるならば
、要求試験期間が計算され得る。一次近似として、帯域幅liの訂正係
数の影響及び中心周波数fo,lの影響は無視でき、実験室試験期間と適用PSDレベ
ルとの間の関係は以下の様になる:
式6は、要求試験期間Tは、材料の疲れ特性及び(有限要素解析により決定し
得る)応力応答関数に応じることを示している。製品寿命の要求値は、各経路Mi
について車両が走行する距離(単位はマイル)に反映される。
実験室試験要件の決定
実験室の試験を実地に観測される不規則振動に相互関連させるために、耐久試
験仕様を指定する方法は損傷等価法に基くことが可能であり、ここで、実地荷重
計側値、応力応答及び材料損傷特定が入力変数として用いられる。一般的な実地
環境及び寿命目標に対応する実験室試験要件の決定には、試験が行われる周波数
範囲、プロファイル/実験室試験プロファイルの形態(つまりスケーリング係数
)、試験期間及び、実験室試験PSDプロファイルのレベルの決定を含む。これら
のパラメーターの決定のために、実地に計測される様な一般的なPSDを単純化し
ても良く、製品の応力応答曲線が計算され得る。
好ましい高速化された試験方法の脱明
上述の前提及び理論に基き、高速化された製品耐久性確認のための振動試験要
件を決定する方法が、以下のステップにより表現され得る。
(i)実験室試験に含まれるべき周波数範囲を選択
実験室試験で用いられるPSDの周波数範囲が適切に選択される。
5Hzから200Hzの間の周波数範囲は、低周波数環境の対象となる非エンジン取
付部品に対して、良い選択である。エンジンに取り付けられる様な高周波数環境
の対象となる部品には、5Hzから2,000Hzの周波数範囲が必要となる可能性があ
る。
(ii)実地計測PSDを単純化
実地の不規則振動荷重は、通常遭遇する路面について計測される振動数スペク
トル(PSD)曲線である。合成PSD曲線が、一般的な製品取付位置における一般的車
両振動環境を表すものとして、図3に示される。合成PSD曲線は、実地に計測さ
れたPSDデータから引き出され、図2の太線により示される様に10程度のステ
ップ関数へと単純化される。このプロセスの第1の好ましいモードにおいて、各
レベルのステップ点における周波数は、f0=5,f1=20,f2=40,f3=60,f4=80,f5=
100,f6=120,f7=140,f8=160,f9=180,そしてf10=200Hzとして指定される。こ
の前提の組み合わせは、エンジンに取り付けられた部品の振動を再現するのに、
改良され得る。合成PSD(PSDI,PSD2,...PSD10まで)が以下の加重平均(エネルギ
ー等価)により決定される。
ここで、平均周波数fg,lは次式に従って、計算される。
図7の合成PSDは以下の様にも表すことが可能である。
ここでPSDPは式7に従い計算されたPSDブロックの最高値であり、スケーリング
係数ajは、PSDjと、式7に従い決定されるPSDブロックの最高値PSDPの比率であ
る。
(iii)実験室試験プロファイルの形態及び増幅係数を決定
試験の(周波数領域の)入力エネルギー分布が実地に遭遇するであろうものと
同様であることを確実にするために、実験室試験PSDの形態が、単純化された合
成PSD曲線の形態つまりプロファイルに従って決定される。これを行なう簡単な
方法は、ステップ関数の頂部を接続することである(図3参照)。実験室試験の
PSDは、このPSD曲線と増幅係数FAを以下の様に乗算することにより、高速化され
る。
PSDT(f)=AF PSDj(f) (10)
式9における増幅係数は、材料損傷特性と応力応答関数に基き計算され得る。
(iv)応力応答関数を計算
製品の応力応答関数H(f)は、Hibbitt,Karlsson and Sorensen,Inc.,1080 Mai
n Street,Pavvtucket,Rhode Islandにより使用許諾されるABAQUS有限要素解析ソ
フトウェア・ツールの様な、CAEツールを用いることにより、動的応力解析から
得られる。この応力応答曲線H(f)は、入力振動加速力から局部振動応力への伝
達関数である。結果として生じるH(f)のデータ・ファイルは、製
品が試験される再の選択周波数に対するH値のリストであり、次のステップにお
ける試験荷重レベルの決定に用いられることになろう。
(v)必要試験期間を指定
試験装置の性能及び試験可能時間に基き、試験期間が指定され得る。効率的な
試験のプロトコルを公式化する時に、短い試験時間が好まれる。しかしながら、
正確性の観点で見ると、試験時間がより含まれると、試験は実地加速度をより正
確に再現する。これは真である。というのは、短い試験時間がより高い加速力の
レベルまたは高い増幅係数を必要とし、これらが製品損傷機構のずれを生じたり
、試験装置がこれらを発生することができない、ということがあり得るからであ
る。
図4に示された様な、前のステップで計算された応力周波数応答曲線H(f)を
、式8及び9と共に式6へと置き換えると、増幅係数AF及び目標試験期間(T)(
時)が、以下の様に表され得る。 この式は、試験期間Tの関数としてのPSD(f)の解を与える。それで、試験可能
時間、試験機械性能及び破壊機構のずれへの対処に基き、総合的な判断がなされ
得る。一般的には、6から14時間が推奨されるが、特定の試験要件により、短い
場合は4時間、そして長い場合は24時間が必要とされ得る。この方法の好ましい
モードにおいて、8時間が好ましい試験期間と見える。
(vi)荷重レベルを指定
上記ステップ(v)で試験期間が決定されると、振動試験入力のPSDレベル
は以下の様に計算され得る
ここで、値AFは以下の様に計算される。
実験室試験装置は、規定の周波数範囲にわたる選択された加速度レベルについ
てセットアップされる。
(Vii)実験室試験を実施
実験室での高速化された試験が、選択された試験期間及び計算されたPSDT(f)
を用いて実行される。試験期間Tに破壊が観察されなければ、製品の設計提案は
製品の予測寿命中に実地作動で損傷するはずはない。
実験室試験期間が完了する前に製品が損傷する場合は、実験室試験は拡張され
なければならず、延長された試験期間または増加された試験サンプル数から、別
の破壊が判断されなければならない。
追加の試験の必要性及び、実験室試験の成功または失敗を判断する方法が、私
の係属中の特許出願、すなわち、1995年10月16日に出願され名称が"Method to R
educe Sample Size in Accelerated Reliability Verification Tests"である08
/543,418号に開示されており、これは、ここに引用により組み込まれている。こ
の方法に従い、より小さなサンプル数の製品が所定の試験繰り返し数で試験され
得るか、または標準サンプル数で小さな繰り返し数で試験され得る。これらの高
速化された試験は、製品設計の信頼性の検証を、高速化され
た試験に要求されるレベルを越えた信頼性で、成功させることになろう。
高速化された試験に必要とされるサンプル数Wを決定する方法が、以下の工程
を含む様にして、要約され得る。
(a)信頼性目標Rを製品に対して適切に選択する
(b)高速化された試験結果から要求される正確性に対し適切である信頼
性レベルCLを選択する
(c)高速化された試験期間を規定する試験繰返し数Ntを選択する
(d)高速化された試験のためのサンプル数wを以下の様に計算する
ここでR(Nt)は信頼性関数である、そして
(e)W個の製品サンプルをNt回の試験繰返し数に亘って試験し、Nt試験
繰返し数にわたり試験での破壊が観察されない場合は、要求信頼性が確認される
。
製品の高速化された試験に必要とされる繰返し数Ntを決定する同様の方法が以
下の工程を含む様にして、要約され得る。
(a)信頼性目標Rを製品に対して適切に選択する
(b)高速化された試験結果から要求される正確性に対し適切である信頼性
レベルCLを選択する
(c)サンプル数Wの製品サンプル数を選択する
(d)高速化された試験のための繰返し数Ntを以下の様に計算する
ここでR-1はR(n)の逆関数である、そして
(e)W個の製品サンプルをNt回の試験繰返し数に亘り試験し、Nt試験繰
返し数にわたり試験での破壊が観察されない場合は要求信頼性が確認される。
上記方法のいずれかにおいて、Nt回の試験繰返しまでに何らかの損傷が関さ
れるばあには、試験繰返し数が少なくとも2Ntまで延長されても良く、新たな
信頼性レベルが以下の様に計算される。
ここで、NFは2Nt回の繰返し中に損傷した製品の数である。新規の信頼レベ
ルCLNEW力塙速試験方法のために要求される最小信頼レベルとして特定されるCLm in
値よりも大きい場合に、製品設計の信頼性Rが確認される。
製品がいくつかの材料を有する場合で、T時間より前に予期される材料(材料
特性mを持つ)に破壊が起こると、設計変更または製造工程の改良が必要とされ
る。要求試験期間T'内に破壊が予期されていない材料(別の材料特性m'を持つ
)に起こると、要求試験期間T'は破壊が起きた材料の新規の特性m’を用いて
再計算されなければならない。試験期間は、製品が新たに計算された要求期間T
'の間、良好に作動できるか否かを判断するために、再度初期化されなければな
らない。
インストルメント・クラスターの例
この欄において、自動化インストルメント・クラスターが、上述の高速化され
た耐久試験仮定の応用を示す例として用いられる。インストルメント・クラスタ
ーは、プラスチック・ボックス、プリント配線基板(PWB)及び挿入リード線を持
ついくつかの重いディスプレー部品からなる。関連のある潜在的破壊の機構は、
部品挿入リード線の下隅隅部における振動に伴う疲れである。応力振幅S及びリ
ード線材料の破壊までの繰り返し数の関係は図5に示される材料疲れ試験から求
められ、テスト・データの回帰曲線は以下の様に表される。
図1は、実際の実地試験中に7つの路面上で運転された小型トラックのインス
トルメント・パネルにおいて計測された7つのPSD曲線を示す。平均運転速度、
要求運転距離及び運転時間は、表1に記載されている。この試験場での運転試験
は、軽量トラックの顧客による150,000マイルの使用に相当する。7つのPSD曲線
及び表1に記載された情報に基き、合成PSD曲線が式7に従って求められる。図
2の太線20は、試験の高速化レベルを決めるために用いられることになる合成
PSD曲線である。合成PSD曲線より、実験室試験プロファイルの形態を決定する定
数ajが表2に示される様に計算される。合成PSDステップ曲線を接続する異によ
り生じたPSD曲線が図3に示されている。
動的振動応力解析が有限要素法を用いて実行される。リード線の根部における
応力応答曲線H(f)が得られて、図4にプロットされる。応力応答曲線及び材料
特性m=6.11(式14で与えられる)を式13に置き換え、試験PSD曲線と同様
に増幅係数間の関係が図6に示される様に計算される。T=8時間が、短すぎるの
と長すぎるのとの間の妥協として選択される場合には、増幅係数が式13に従い
3.7と計算され、それが図6に示される様にPSD曲線を与える。各軸についての試
験期間が8時間であるので、3軸試験については全試験時間は24時間である。短
い方の試験期間T=4時間が要求される場合には、増幅係数は式13に従い4.7と計
算される。各軸についての試験期間が8時間であるので、3軸試験については全
試験時間は12時間である。
表1 実路負荷条件(150,000マイル等価)
表2 計算スケーリング係数
要約すると、製品耐久性を確認するための実験室試験要件は、予想される破壊
モードに関連する製品の寸法及び材料に応じる。与えられる試験時間についての
必要振動レベルまたは与えられる振動レベルに対しての必要試験時間は、既知の
寸法を持ち、構造的伝達率が計算可能で、材料特性が既知とされている、製品に
対して正確に計算され得る。正確な振動仕様は、実際の顧客の使用プロファイル
に対しての、車両距離/速度及び、製品が取り付けれ
るべき車両内の領域において計測されたPSD曲線に従って、損傷等価手法に基き
開発され得る。寸法及び材料特性が未知である場合には、これらの関数とほぼ独
立して、高速試験を実現するために、保守的な技術的前提を用いていも良い。こ
の方法を用いて、高速化された3軸実験室振動試験24時間のみで、150,000マイ
ルの運転を再現することが可能とできる。
本発明による方法は、特殊用途コンピュータ−/マイクロコントローラーまた
は、図7で全体として100として示される汎用コンピューターのいずれかに組
み込まれ得る。コンピューター100は、入力装置140及びセンサー150か
らのデータを受ける入出力ドライバー回路102を含む。入力装置140の例は
コンピューター・キーボードとなるであろうし、センサー150の例には、電圧
センサー、振動センサー、歪みゲージ、加速度計、荷重計、トルク・センサーな
どが含まれるであろう。入出力ドライバー102は、ここで述べられる方法によ
り計算及び他の工程を実行する中央演算処理ユニット(CPU)110に、接続され
る。本発明に用いられるCPUの例は、Hewlett-Packard Company,Palo Alto,Calif
orniaによるPA-RISC 7200プロセッサーとなろう。中央演算処理ユニット110
に向けられるプログラムはC言語により書かれていても良い。このプログラムは
記憶装置120内に記憶され、これは、ハード・ドライブ、フロッピー・ドライ
ブ、不揮発メモリーまたはその他の記憶媒体であって、アルゴリズム及び本発明
によるコンピューター・プログラムの記録及び再生が可能なものを、有すること
とできる。記憶システム120はまた、コンピューター・プログラムの実行中に
必要とされる、種々の物理的パラメーター、分配、材料のデータベース、荷重(
周囲及び道路の荷重)のデータベース、物理的特徴付けなどを含んでも良く、こ
れらは、記憶装置120に最も効率良く格納されそして検索され得る。中央演算
処理ユニット110はまた、コンピューター・プログラム及び動作させられるデ
ータの中央演算処理ユニット110により選択された部分を受入れ格納するのに
充分なメモリー114に接続される。
入出力ドライバー102の他の出力は、CRTディスプレーの様なシステム・デ
ィスプレー160及び、試験される製品180に対して作動する試験装置170
に対して、接続され得る。試験装置170は、製品180への試験を制御するた
めに、周波数分布、振幅、電圧等を特定するのに要求される、コンピューター1
00からの命令に対し直接反応することができる。試験装置170の例は、荷重
増幅器、シェーカ・テーブル、エキサイター制御器、記録器、状態増幅器、計測
増幅器及び動力変換器を含む。前述の通り、(電圧センサー、歪みゲージ、荷重
計、トルク・センサーの様な)複数のセンサー150が製品180に直接接続さ
れても良く、さもなければ(位置センサー、歪みゲージなどのセンサーの様に)
センサー150が試験装置170に直接または間接的に接続されても良い。
本発明による方法は、図7に示されるものの様な汎用コンピューターに完全に
自動化されても、又はディスプレー160に示される情報及び指示に従う試験装
置及びセンサーのオペレーターによる制御を介して部分的に組み込まれても良い
。種々の英数字の入力が、入力装置140を介して、または好ましくは容易に移
動可能な媒体である種々の記憶媒体122を介して入力可能である。その様な記
憶媒体122の例には、入出力ドライブ102へ又は直接的に記憶装置120へ
接続される、磁気フロッピー・ディスク、磁気テープ及び、記憶システム中の互
換ドライブにより読み出し可能な光ディスクが含まれる。本発明による方法つま
りプログラム又は、プログラムを動かすために必要な種々のデータのいずれか若
しくは両方が、磁気記憶媒体122を用いて記憶され分配され得る。
コンピューター援用エンジニアリング(CAE)ワークステーション190の出力
を、入力装置140へ又はコンピューター100の入出力ドライバー102へ直
接の、いずれかで接続することも可能である。この様にして、実際のプロトタイ
プ試験データではなくCAEワークステーションの設計案が、本発明による解析及
び試験のために直接コンピューター100へ供給されても
良い。同様に、適切な製品設計パラメーターが試験結果により調整され得る様に
、試験及び解析の結果がCAEワークステーションで開発されている製品設計に直
接関連付けられ得る様に、入出力ドライバー102をCAEワークステーションへ
直接接続することも可能である。
上述の様にプロトタイプを作り試験装置170上でセンサー150を用いて試
験するのではなく、有限要素解析及び耐久性解析法を用いてCAEワークステーシ
ョン190上での高速試験方法論の再現も可能である。この再現試験は、コンピ
ューター100上で実行されても良いし、本発明の教示によるコンピューター・
プログラムが、製品の設計及び解析をするためのCAEワークステーションで用い
られるソフトウェアへモジュールとして組み込まれても良い。この様な状況の下
では、本発明によるコンピューター・プログラムはCAEワークステーション上で
直接実行され得るであろう。
本発明による方法をコンピューター上で遂行するロジック・フロー図が図8に
示されている。
【手続補正書】特許法第184条の8第1項
【提出日】平成10年10月28日(1998.10.28)
【補正内容】
明細書
製品耐久確認用不規則振動試験の仕様決定方法
本発明は、破壊という物理的現象と損傷との相互関係の原理を用いて、高速の
実験室不規則振動試験に基き自動車部品製品の耐久性を確認する方法に関する。
自動車産業において、低い装置コスト及び利便性故に、正弦波振動試験が頻繁
に用いられている。しかしながら、不規則振動試験がより望ましい。というのは
、実際の作動状態のもとで自動車部品に加わる振動荷重は、いくつかの異なった
実際の運転経路に対応するいくつかの不規則変化から成るからである。それで、
実験室で行われる不規則振動試験が、実際の荷重状態をより良く再現することが
できる。製品検証過程における不規則振動試験は、不規則振動試験装置及び設備
が利用可能であるが故に、現在可能なのである。
しかしながら、不規則振動プロファイルをある態様で上げることにより、試験
時間を高速化することが、望ましいであろう。現在の高速化された試験方法のほ
とんどは、周波数とは無関係に入力荷重を評価し小振幅荷重を無視する荷重解析
法に基いている。この方法は、製品の破壊は応力が起こす現象であって荷重によ
り起こされるものではないが故に、大きな誤差を生じる可能性がある。小振幅の
荷重が大きな応力を引き起こす可能性があるのである。より正確で高速化された
試験の方法論には、製品の応力応答と材料損傷特性への考慮が含まれなければな
らない。この組み合わせは、破壊という物理的現象への研究方法を用いて、最も
良く遂行され得る。
US-A-506518は、路面の物理的プロファイルを計測するのに使用される方法及
び装置を開示し、そのプロファイルの周波数領域表示の方法論が開示さ
れる。力変換器及び加速度計が車両の4輪の各々に組み込まれ、車両が運転され
る表面に垂直な方向での路面の摂動を計測する。開示されている作動が車体の動
きから計側値を切り離す。シャフト・エンコーダーが前輪の各々に組み込まれ、
走行距離を求めるのを可能とする前輪の回転を計測する。情報が処理される際の
誤差の導入を小さくしながら、車輪/地形の鉛直変位データを提供する、データ
の解析の方法論もまた、開示されている。更成る方法論が、周波数領域でのデー
タを解析し、車両の高速耐久試験に有用な道路/地形特性の数量化をするのに用
いられる。
EP-A-0681174は、自動車フレームに回転自在に支持された前後軸を持つ自動車
を振動させる確認システムを開示しており、このシステムは後軸を鉛直に振動さ
せる第1振動器、前軸を鉛直に振動させる第2振動器及び、この鉛直振動方向を
横切る方向で前後に前後軸の一つを振動させる第3振動器を開示する。
本発明によれば、実験室での高速正弦波製品振動試験用の試験プロファイルを
決定する方法が提供され、それは以下の工程を有する。
(i)高速実験室試験において用いられるべき周波数範囲を選択する工程、
(ii)スケーリング係数を含み、予測される実地振動レベルでの不規則振動荷重
の振動数スペクトル関数PSDを表す、単純化された合成振動数スペクトル関数PSDj
(f)を引き出す工程、
(iii)スケーリング係数を用いることにより、PSDj(f)数に対応する試験用加速
力を製品に生成するために、PSDT(f)の適切なプロファイルを引き出す工程、
(iv)入力加速力から局部振動応力への伝達関数を表す製品の応力応答曲線H(f
)を計算する工程、
(v)試験装置の能力及び試験可能時間に基き、試験期間Tを選択し、以下の関
係から増幅係数を計算する工程、
(vi)選択された試験期間及び増幅係数に基き、高速PSDプロファイルPSDT(f)を
以下の関係から再計算する工程、 a1,ajはスケーリング係数
及び
(vii)試験期間Tを越えても試験破壊が観察されない時に製品の要求寿命性能
を確認するために、選択されたPSD関数を用いて製品を試験する工程、であり
(viii)試験される製品がいくつかの異なった材料からなる場合に、予想される
材料(材料特性mを持つ)にTより前に破壊が一旦起こると
請求の範囲
1.実験室での高速製品振動試験用の試験プロファイルを決定する方法であっ
て、
(i)高速実験室試験において用いられるべき周波数範囲を選択する工程、
(ii)スケーリング係数を含み、予測される実地振動レベルでの不規則振動荷重
のPSDを表す、単純化された振動数スペクトル関数PSDj(f)を引き出す工程、
(iii)上記スケーリング係数を用いることにより、上記PSDj関数に対応する試
験用加速力を上記製品に生成するために、PSDTの適切なプロファイルを引き出す
工程、
(iv)上記入力加速力から局部振動応力への伝達関数を表す製品の応力応答曲線
H(f)を計算する工程、
(v)試験装置の能力及び試験可能時間に基き、試験期間Tを選択し、以下の関
係から増幅係数を計算する工程、
(vi)選択された上記試験期間及び増幅係数に基き、高速化PSDプロファイルPSDT
(f)を以下の関係から再計算する工程、
a1,ajはスケーリング係数
及び
(vii)試験期間Tを越えても破壊が観察されない場合に製品寿命の要求性能を
確認するために、上記選択されたPSD関数を用いて製品を試験する工程、
を有する方法。
2.工程(l)で選択される周波数範囲が5Hzから200Hzである、請求項1に記載
の方法。
3.工程(iii)において用いられるスケーリング係数が10である、請求項1ま
たは2に記載の方法。
4.(viii)試験期間T中に観察された破壊の根本原因をなくすために製品を再
設計する工程、
を更に有する前記請求項のいずれかに記載の方法。
5.(ix)破壊が統計学的に有意であったかを判断するために最初の製品試験の
破壊後に、より大きいサンプル数の製品サンプルを試験期間Tの間試験する工程
を有する請求項1から3のいずれかに記載の方法。
6.工程(l)が
(i1)材料特性mを持ち、予測される破壊モードが起こる製品材料における試験
期間T中に観察された破壊の根本原因をなくすために、製品又は関連する製造プ
ロセスを再設計するサブステップ
を含む、請求項1から3のいずれかに記載の方法。
7.工程(j)が
(i2)上記期間Tが完了する前に、材料特性m'を持つ、未予測の材料に欠陥が
起こる後で、材料特性m'を用いて、要求試験期間をT'へと再計算するサブステ
ップ、及び
(i3)上記試験期間T'の間、製品を再試験するサブステップ
を含む、請求項1から3のいずれかに記載の方法。
8.工程(ii)が、 の様であって、
ここでa1,ajがスケーリング係数である
へと単純化される
スペクトルの帯域幅を含むPSDを構築するサブステップを含む、
前記請求項のいずれかに記載の方法。
9.上記複数のスペクトル帯域幅は10のスペクトル帯域幅を有する、請求項8
に記載の方法。
10.工程(ii)が、
f0が約5Hz,f1が約20Hz,f2が約40Hz,f3が約60Hz,f4が約80Hz,f5が約100Hz,f6
が約120Hz,f7が約140Hz,f8が約160Hz,f9が約180Hz,そしてf10が約200Hzとして
各レベルのステップ点における周波数を選択するサブステップを含む、
前記請求項のいずれかに記載の方法。
11.工程(iii)が、スケーリング係数aj(j=1,2,...10)と同様に、周波数範囲
fjからfj+1(j=1,2,...10)と相互関係を持つ合成PSD,PSDj(f)を引き出すと共に、
PSDT(f)の形態を持つ滑らかな曲線を引き出すために合成PSD,PSDj(f)の点の間
で補間を行なうサブステップを含む、
前記請求項のいずれかに記載の方法。
12.工程(ii)が
としてPSDT(f)を規定するサブステップ
を含む、前記請求項のいずれかに記載の方法。
13.工程(v)が、約4時間から24時間の範囲から試験期間Tを選択するサブ
ステップを含む、前記請求項のいずれかに記載の方法。
14.実験室での高速製品振動試験用の試験プロファイルを決定する方法を実
行する様構成されたコンピューターシステムであって、
(i)高速実験室試験において用いられるべき周波数範囲を選択する手段、
(ii)スケーリング係数を含み、予測される実地振動レベルでの不規則振動荷重
のPSDを表す、単純化された振動数スペクトル関数PSDj(f)を引き出す手段、
(iii)上記スケーリング係数を用いることにより、上記PSDj関数に対応する試
験用加速力を上記製品に生成するために、PSDTの適切なプロファイルを引き出す
手段、
(iv)上記入力加速力から局部振動応力への伝達関数を表す製品の応力応答曲線
H(f)を計算する工程、
(v)試験装置の能力及び試験可能時間に基き、試験期間Tを選択し、以下の関
係から増幅係数を計算する手段、
(vi)選択された上記試験期間及び増幅係数に基き、高速化PSDプロファイルPSDT
(f)を以下の関係から再計算する手段、
a1,ajはスケーリング係数
及び
(vii)試験期間Tを越えても破壊が観察されない場合に製品寿命の要求性能を
確認するために、上記選択されたPSD関数を用いて製品を試験する手段、
を有するシステム。
─────────────────────────────────────────────────────
【要約の続き】
及び(vii)試験期間Tを越えても破壊が観察されない場
合に製品寿命の要求性能を確認するために、上記選択さ
れたPSD関数を用いて製品を試験する工程、を有するも
の。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1.実験室での高速製品振動試験用の試験プロファイルを決定する方法であっ て、 (i)高速実験室試験において用いられるべき周波数範囲を選択する工程、 (ii)スケーリング係数を含み、予測される実地振動レベルでの不規則振動荷重 のPSDを表す、単純化された振動数スペクトル関数PSDj(f)を引き出す工程、 (iii)上記スケーリング係数を用いることにより、上記PSDj関数に対応する試 験用加速力を上記製品に生成するために、PSDTの適切なプロファイルを引き出す 工程、 (iv)上記入力加速力から局部振動応力への伝達関数を表す製品の応力応答曲線 H(f)を計算する工程、 (v)試験装置の能力及び試験可能時間に基き、試験期間Tを選択し、以下の関 係から増幅係数を計算する工程、 (vi)選択された上記試験期間及び増幅係数に基き、高速化PSDプロファイルPSDT (f)を以下の関係から再計算する工程、 及び (vii)試験期間Tを越えても破壊が観察されない場合に製品寿命の要求性能を 確認するために、上記選択されたPSD関数を用いて製品を試験する工程、 を有する方法。 2.実験室での高速製品振動試験用の試験プロファイルを決定するために、メ モリーに記憶され、コンピュータ-内で実行されるアプリケーション・プログラ ムであって、 (i)高速実験室試験において用いられるべき周波数範囲を選択する工程、 (ii)スケーリング係数を含み、予測される実地振動レベルでの不規則振動荷重 のPSDを表す、単純化された振動数スペクトル関数PSDj(f)を引き出す工程、 (iii)上記スケーリング係数を用いることにより、上記PSDj関数に対応する試 験用加速力を上記製品に生成するために、PSDTの適切なプロファイルを引き出す 工程、 (iv)上記入力加速力から局部振動応力への伝達関数を表す製品の応力応答曲線 H(f)を計算する工程、 (v)試験装置の能力及び試験可能時間に基き、試験期間Tを選択し、以下の関 係から増幅係数を計算する工程、 (vi)選択された上記試験期間及び増幅係数に基き、高速化PSDプロファイルPSDT (f)を以下の関係から再計算する工程、 及び (vii)試験期間Tを越えても破壊が観察されない場合に製品寿命の要求性能を 確認するために、上記選択されたPSD関数を用いて製品を試験する工程、 を有する方法。 3.実験室での高速製品振動試験用の試験プロファイルを決定する中央演算処 理装置を制御するアプリケーション・プログラムを格納するコンピュータ−読み 出し可能メモリーであって、この方法が (i)高速実験室試験において用いられるべき周波数範囲を選択する工程、 (ii)スケーリング係数を含み、予測される実地振動レベルでの不規則振動荷重 のPSDを表す、単純化された振動数スペクトル関数PSDj(f)を引き出す工程、 (iii)上記スケーリング係数を用いることにより、上記PSDj関数に対応する試 験用加速力を上記製品に生成するために、PSDTの適切なプロファイルを引き出す 工程、 (iv)上記入力加速力から局部振動応力への伝達関数を表す製品の応力応答曲線 H(f)を計算する工程、 (v)試験装置の能力及び試験可能時間に基き、試験期間Tを選択し、以下の関 係から増幅係数を計算する工程、 (vi)選択された上記試験期間及び増幅係数に基き、高速化PSDプロファイルPSDT (f)を以下の関係から再計算する工程、 及び (vii)試験期間Tを越えても破壊が観察されない場合に製品寿命の要求性能を 確認するために、上記選択されたPSD関数を用いて製品を試験する工程、 を有する方法を 有するもの。 4.工程(I)で選択される周波数範囲が5Hzから200Hzである、請求項1,2, 若しくは3に記載の方法。 5.工程(iii)において用いられるスケーリング係数が10である、前記請求項 のいずれか一つに記載の方法。 6.(viii)試験期間T中に観察された破壊の根本原因をなくすために製品を再 設計する工程、 を更に有する前記請求項のいずれかに記載の方法。 7.(ix)破壊が統計学的に有意であったかを判断するために最初の製品試験の 破壊後に、より大きいサンプル数の製品サンプルを試験期間Tの間試験する工程 を有する請求項1から5のいずれかに記載の方法。 8.工程(I)が (j1)材料特性mを持ち、予測される破壊モードが起こる製品材料における試験 期間T中に観察された破壊の根本原因をなくすために、製品又は関連する製造プ ロセスを再設計するサブステップ を含む、請求項1から5のいずれかに記載の方法。 9.工程(i)が (i2)上記期間Tが完了する前に、材料特性m'を持つ、未予測の材料に欠陥が 起こる後で、材料特性m'を用いて、要求試験期間をT'へと再計算するサブステ ップ、及び (i3)上記試験期間T'の間、製品を再試験するサブステップ を含む、請求項1から5のいずれかに記載の方法。 10.工程(ii)が、 の様であって、 ここでajがスケーリング係数である へと単純化される スペクトルの帯域幅を含むPSDを構築するサブステップを含む、 前記請求項のいずれかに記載の方法。 11.上記複数のスペクトル帯域幅は10のスペクトル帯域幅を有する、請求 項10に記載の方法。 12.工程(ii)が、 f0が約5Hz,f1が約20Hz,f2が約40Hz,f3が約60Hz,f4が約80Hz,f5が約100Hz,f6 が約120Hz,f7が約140Hz,f8が約160Hz,f9が約180Hz,そし てf10が約200Hzとして各レベルのステップ点における周波数を選択するサブステ ップを含む、 前記請求項のいずれかに記載の方法。 13.工程(iii)が、スケーリング係数aj(j=1,2,...10)と同様に、周波数範囲 fjからfj+1(j=2,...10)と相互関係を持つ合成PSD,PSDj(f)を引き出すと共に、PS DT(f)の形態を持つ滑らかな曲線を引き出すために合成PSD,PSDj(f)の点の間で補 間を行なうサブステップを含む、 前記請求項のいずれかに記載の方法。 14.工程(ii)が としてPSDT(f)を規定するサブステップ を含む、前記請求項のいずれかに記載の方法。 15.工程(v)が、約4時間から24時間の範囲から試験期間Tを選択するサブ ステップを含む、前記請求項のいずれかに記載の方法。 16.実験室での高速製品振動試験用の試験プロファイルを決定する方法を実 行する様構成されたコンピューターシステムであって、 (i)高速実験室試験において用いられるべき周波数範囲を選択する手段、 (ii)スケーリング係数を含み、予測される実地振動レベルでの不規則振動荷重 のPSDを表す、単純化された振動数スペクトル関数PSDj(f)を引き出す手段、 (iii)上記スケーリング係数を用いることにより、上記PSDj関数に対応する 試験用加速力を上記製品に生成するために、PSDTの適切なプロファイルを引き出 す手段、 (iv)上記入力加速力から局部振動応力への伝達関数を表す製品の応力応答曲線 H(f)を計算する工程、 (v)試験装置の能力及び試験可能時間に基き、試験期間Tを選択し、以下の関 係から増幅係数を計算する手段、 (vi)選択された上記試験期間及び増幅係数に基き、高速化PSDプロファイルPSD T(f)を以下の関係から再計算する手段、 及び (vii)試験期間Tを越えても破壊が観察されない場合に製品寿命の要求性能を 確認するために、上記選択されたPSD関数を用いて製品を試験する手段、 を有するシステム。
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