JP2001507444A

JP2001507444A - 製品耐久確認用不規則振動試験の仕様決定方法

Info

Publication number: JP2001507444A
Application number: JP51602798A
Authority: JP
Inventors: ユン、ミン、フ
Original assignee: フォード、モーター、カンパニー
Priority date: 1996-09-30
Filing date: 1997-09-30
Publication date: 2001-06-05
Also published as: WO1998014765A1; EP0929798A1; KR20000048781A; BR9712112A; AR008865A1; DE69707909T2; CA2267459A1; TW409182B; DE69707909D1; US5767406A; US5965816A; EP0929798B1

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PSD_j(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、PSD_j関数に対応する試験用加速力を製品に生成するために、PSD_T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PSD_T(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PSD_j (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、PSD_j(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、PSD_T(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PSD_T(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(Ｓ_A)は応力振幅レベルＳ_Aで印加される繰り返し数であり、Ｎ(Ｓ_A) は印加応力Ｓ_A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、Ｓ_A とＮ(Ｓ_A)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、PSD_g,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；Ｍ_i は、Ｉ番目の路面での作動距離である；Ｖ_i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；I_iは帯域幅の訂正係数である；そしてf_o,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、f_m _in 及びf_maxは適用振動数の上限及び下限である。境界の外側の値PSD_g(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f_o,lは平均周波数である。そしてf_min及びf_maxは適用振動数の上限及び下限である。PSD_T(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、 D_F(life time)=D_T(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f_o,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Ｍ_i 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f_g,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a_jは、PSD_jと、式７に従い決定されるPSDブロックの最高値PSD_P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。 PSD_T(f)=AF PSD_j(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PSD_T(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Ｎ_t回の試験繰返し数に亘って試験し、Ｎ_t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Ｎ_t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Ｎ_t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Ｎ_t回の試験繰返し数に亘り試験し、Ｎ_t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、Ｎ_t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２Ｎ_t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２Ｎ_t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CL_NEW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CL_m _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１００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PSD_j (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、PSD_j(f)数に対応する試験用加速力を製品に生成するために、PSD_T(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PSD_T(f)を以下の関係から再計算する工程、 a₁,a_j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PSD_j(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PSD_j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、PSD_T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PSD_T (f)を以下の関係から再計算する工程、 a₁,a_j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,a_j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a_j(j=1,2,...10)と同様に、周波数範囲 f_jからf_j+1(j=1,2,...10)と相互関係を持つ合成PSD,PSD_j(f)を引き出すと共に、 PSD_T(f)の形態を持つ滑らかな曲線を引き出すために合成PSD，PSD_j(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PSD_T(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PSD_j(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PSD_j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、PSD_T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、 a₁,a_j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

【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PSD_j(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PSD_j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、PSD_T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PSD_T (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PSD_j(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PSD_j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、PSD_T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PSD_T (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PSD_j(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PSD_j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、PSD_T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PSD_T (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,PSD_j(f)を引き出すと共に、PS D_T(f)の形態を持つ滑らかな曲線を引き出すために合成PSD,PSD_j(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PSD_T(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PSD_j(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PSD_j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、PSD_T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。