JP2006284340A

JP2006284340A - 剛性計測装置、及び、剛性計測方法

Info

Publication number: JP2006284340A
Application number: JP2005103975A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Murakami; 聡村上; Hideki Enomoto; 秀喜榎本; Hisashi Sasaki; 恒佐々木; Mitsuru Sato; 満佐藤; Takeshi Shoji; 武莊司
Original assignee: Fuji Heavy Industries Ltd
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 2005-03-31
Filing date: 2005-03-31
Publication date: 2006-10-19

Abstract

【課題】車体の各部の剛性を容易、且つ、精度良く得ることができ、各部の剛性の評価・管理を容易にする。
【解決手段】インパクトハンマにより加速時計の配設部分の近傍をハンマリングして加振し、この時の力を検出し、加速時計からの加速度を計測して、周波数応答関数を計測する。次に、計測された周波数応答関数について、予め設定した周波数領域の計測値を、一つ一つの振動モードに分解し、再合成して正しい波形で近似できるようにカーブフィット処理を行う。このカーブフィット処理により、予め設定しておいた周波数領域における各計測値の各々の周波数応答関数が、１本ずつモーダル解析されてモーダルパラメータが求められる。次いで、分解した一つ一つの振動モードの０Ｈｚにおける値を推定し、これらの値を合成して、０Ｈｚの振動変位を剛性の逆数として求める。
【選択図】図６

Description

本発明は、車両の各部における剛性を計測する剛性計測装置、及び、剛性計測方法に関する。

従来より、車両において、各部の剛性を求めて評価・管理し、設計に活かしていくことは、車両の強度、操縦安定性の向上、騒音の低減を図る上で非常に重要である。

例えば、図８に模式的に示すように、車両のサスペンション１０１がブッシュ１０２を介して車体フレーム１０３を支持しているような、車体フレーム１０３の取り付け部では、ブッシュ１０２の剛性Ｋｂと車体フレーム１０３の取り付け部の剛性Ｋｆの比（Ｋｆ／Ｋｂ）を大きく設定することで、ロードノイズによる車体への振動入力を防ぐことができ、振動遮断効果を大きく設計することができる。

例えば、特開２００１−２９５６１９号公報では、オイルパンに対して、エンジンに搭載した状態でハンマリング試験を行い、オイルパン浅底部と側面部に対して実験モーダル解析を行って、振動ピークを対策する技術が開示されている。
特開２００１−２９５６１９号公報

しかしながら、上述の特許文献１で開示される技術は、あくまでも振動に対する対策のみを評価するものであって、前述したような剛性を求めるものではないため、前述の如く、車体フレーム１０３の取り付け部の剛性を評価・管理するために、車体フレーム１０３の取り付け部に対してハンマリング試験を行うと、タイヤ等がバネとなり車体が剛体振動する現象が低周波で励起され、ターゲットとする部位の正確な剛性が得られなくなるという問題がある。これを回避するに、車体フレーム１０３を拘束して剛性を求めることも考えられるが、この場合、拘束した部分の剛性が影響し、やはり正確な車体フレーム１０３の取り付け部の剛性が得られないという問題がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、車体の各部の剛性を容易、且つ、精度良く得ることができ、各部の剛性の評価・管理を容易にすることが可能な剛性計測装置、及び、剛性計測方法を提供することを目的とする。

本発明は、加振された計測位置の周波数応答関数を計測する周波数応答関数計測手段と、上記計測された周波数応答関数に対し、予め設定しておいた周波数領域における各計測値に対してカーブフィット処理を実行するカーブフィット処理実行手段と、上記カーブフィット処理にて取得したカーブデータの予め設定した周波数での値を推定し、該推定した値を基に上記加振された計測位置の上記予め設定しておいた周波数領域における剛性を算出する剛性算出手段とを備えたことを特徴としている。

本発明による剛性計測装置、及び、剛性計測方法によれば、車体の各部の剛性を容易、且つ、精度良く得ることができ、各部の剛性の評価・管理を容易にすることが可能となる。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
図１乃至図７は本発明の実施の一形態を示し、図１は剛性計測装置の全体を示す構成図、図２は車体に取り付けられるリアサブフレームの説明図、図３は車体フレームの取り付け部の構造を示す断面図、図４はハンマリング試験を行う部位の説明図、図５は振動変位の周波数応答波形の一例の説明図、図６は剛性を計測する流れを示すフローチャート、図７は実際に得られる周波数応答関数の一例の説明図である。

本実施形態において、剛性計測の処理は、パーソナルコンピュータ（以下、ＰＣと略称）等のコンピュータシステムにおいて後述する処理プログラムが実行されることによって行われる。

図１に示すように、剛性計測装置であるＰＣ１は、中央処理装置（以下、CPUと略称）と各種データ及びプログラムを記憶する記憶装置とを備えたコンピュータ本体２と、このコンピュータ本体２に接続された、キー入力装置であるキーボード３と、ポインティングデバイスであるマウス４と、表示装置であるモニタ５とを有して主要に構成されている。

また、コンピュータ本体２には、入力された信号波形をデジタル的にサンプリングすることにより、データとして記憶し、このデータからＦＦＴ（Fast Fourier Transform：高速フーリエ変換）を使い、短時間でフーリエ係数を求め、その結果を表示・出力するＦＦＴアナライザ６を介して加速度計７と衝撃力を計測可能なインパクトハンマ８とが接続されている。

加速度計７は、本実施の形態においては、後部車体フレームの取り付け部１０の剛性を計測すべく取り付けられており、以下、この後部車体フレームの取り付け部１０の構造について、図１乃至図４を基に説明する。

図２に示すように、車体１１の後部下面には、後輪終減速装置、サスペンション系等を支持するリアサブフレーム１２が複数本（例えば４本）のボルト１３，１３，１３，１３を介して取り付けられている。尚、図１中に示す後部車体フレームの取り付け部１０の要部断面は、図２中の矢印方向から見た図である。

ボルト１３が挿通されるリアサブフレーム１２の孔の部分は、図３に示すように、リアサブフレーム１２の金属製の外筒１４の内側に、ゴム材で形成されたブッシュ１５が設けられ、このブッシュ１５の内側に、金属製の内筒１６が設けられ構成されている。

そして、内筒１６の内側を挿通されたボルト１３は、車体後部のセパレータ１７に溶接固定された管筒１８の先端内側に螺設された雌ネジ部１８ａに螺合され、リアサブフレーム１２を固定する。尚、符号１９は車体のクロスメンバを示す。

図４は、この後部車体フレームの取り付け部１０の剛性を計測するように加速度計を取り付けた説明図である。すなわち、ブッシュ１５が外設される内筒１６の外側表面には、加速度計７が設けられており、この加速度計７の配設部分の近傍を、図１に示すように、インパクトハンマ８でハンマリングすることにより加振試験が行われる。

次に、モーダル解析を用いた剛性値の算出の概要について以下説明する。
比例減衰のｎ自由度振動系の運動方程式は、以下の（１）式により得られることが知られている。
[Ｍ]・｛ｄ^２Ｘ／ｄｔ^２｝＋[Ｃ]・｛ｄＸ／ｄｔ｝＋[Ｋ]・｛Ｘ｝＝｛Ｆ｝…（１）
ここで、[Ｍ]は質量マトリクス、[Ｃ]は減衰マトリクス、[Ｋ]は剛性マトリクス、｛Ｆ｝は外力ベクトル、｛Ｘ｝は振動変位を示す。

（１）式の振動系が調和振動であり、振動変位を各振動モードの線形結合で表したモード座標系（一般化座標）で標記すると以下の（２）式となる。
｛Ｘ｝＝Σ^ｎ _ｒ＝１（（｛Ψｒ｝^Ｔ・｛Ｆ｝・｛Ψｒ｝）
／（−ω^２・ｍｒ＋ｊ・ω・ｃｒ＋ｋｒ））
＝Σ^ｎ _ｒ＝１（（｛Ψｒ｝^Ｔ・｛Ｆ｝・｛Ψｒ｝）
／（ｍｒ・（−ω^２＋ωｒ^２＋２・ｊ・ζｒ・ω・ωｒ）））
…（２）
ここで、ｒはモード番号、Ψｒはモードベクトル、ｍｒはモーダル質量、ｃｒはモーダル減衰、ｋｒはモーダル剛性、ωは角振動数、ωｒは固有角振動数、ζｒはモード減衰比、ｊは虚数単位である。

静剛性の値を求めるには、正確には０Ｈｚでの変位を計算すればよい。したがって、ω＝２・π・ｆ＝０（ｆ：周波数）を上述の（２）式に代入することにより以下の（３）式が得られる。｛Ｘ｝＝Σ^ｎ _ｒ＝１（（１／（ｍｒ・ωｒ^２））・｛Ψｒ｝^Ｔ・｛Ｆ｝・｛Ψｒ｝） …（３）

ここで、モーダル質量ｍｒ＝１としてモードの正規化を指定することにより以下の（４）式を得ることができる。
｛Ｘ｝＝Σ^ｎ _ｒ＝１（（１／ωｒ^２）・｛Ψｒ｝^Ｔ・｛Ｆ｝・｛Ψｒ｝） …（４）

上述の（４）式に単位入力を作用させることで、０Ｈｚでの変位が求まり、その逆数をとることで静剛性値となる。すなわち、モード解析により算出した共振周波数、モードベクトルを利用することで計算可能となる。

静剛性をｋとすると、図５に示すように、０Ｈｚでの振動変位は、１／ｋに相当する。つまり、静剛性を用いて（４）式を表現すると、以下の（５）式が得られる。
（１／ｋ）＝Σ^ｎ _ｒ＝１（１／ｋｒ）
＝（１／ｋ１）＋（１／ｋ２）＋…＋（１／ｋｎ） …（５）

また、（２）式は振動変位に関する式であるものの、変位ではなく加速度として、（２）式において両辺に（２πｆ）^２が存在する場合には、０Ｈｚを代入した場合には両辺が０となってしまうため、計算が出来なくなる。このため、この場合には算出される振動の離散値の各点の傾きが0〜10 [(N/mm)/Hz]の以下となる周波数領域における振動に基づいて静剛性値を算出することができる。

次に、図６のフローチャートを基に、剛性を計測する流れを説明する。尚、このプログラムは、ＰＣ１により実行されるプログラムであり、まず、ステップ（以下、「Ｓ」と略称）１０１で、インパクトハンマ８により加速度計７の配設部分の近傍をハンマリングして加振し、この時の力Ｆを検出する。

次いで、Ｓ１０２に進み、加速度計７からの加速度（ｄ^２Ｘ／ｄｔ^２）を計測し、これを力Ｆで徐して、更に、（２・π・ｆ）で割ることで２回積分し、振動変位（Ｘ／Ｆ）を求めることにより、加振点の応答（周波数応答関数）を計測する。

次に、Ｓ１０３に進み、Ｓ１０２で計測された周波数応答関数について、予め設定した周波数領域（例えば、ロードノイズに対応した周波数領域であり１００Ｈｚ〜３００Ｈｚ）の計測値を、一つ一つの振動モードに分解し、再合成して正しい波形で近似できるようにカーブフィット処理を行う。

尚、カーブフィット処理においては、周波数領域を１００Ｈｚ〜３００Ｈｚとしているものの、高周波数側の剰余剛性について考慮してカーブフィット処理を行う。尚、低周波側の剰余質量については、剰余質量が低周波側に影響を与え、車体剛性全体に影響を与えるものであるため考慮しないこととする。具体的には、例えば、１００Ｈｚ〜３００Ｈｚ領域及びその後前後において、３つのモードが存在する場合を考えると、（２）式は次のように変形される（但し、１００Ｈｚ〜３００Ｈｚ領域においては１つもモードが存在するとする）。

Ｘ/Ｆ＝（（Ψi1・Ψj1）/（-ω²ｍ_１）
＋（（Ψi2・Ψj2）／（ｍ₂・（−ω^２＋ω₂ ^２＋２・j・ζ₂・ω・ω₂）））
＋（（Ψi3・Ψj3）/K_３）
ここで、第１項は剰余質量となり、これを削除してカーブフィット処理を行う。このカーブフィット処理により、予め設定しておいた周波数領域において各々の独立したモードに分解されてモーダルパラメータが求められる。

次いで、Ｓ１０４に進み、Ｓ１０３で分解した一つ一つの振動モードの０Ｈｚにおける値を推定し、これらの値を合成して、すなわち、上述の（５）式における（１／ｋ１）＋（１／ｋ２）＋…＋（１／ｋｎ）を演算して、０Ｈｚの振動変位（Ｘ／Ｆ＝１／ｋ）を求める。

尚、変位ではなく加速度として、（２）式において両辺に（２πｆ）^２が存在する場合には、この場合には算出される振動の離散値の各点の傾きが0〜10 [(N/mm)/Hz]以下となる周波数領域における振動に基づいて静剛性値を算出することとなる。

次に、Ｓ１０５に進み、Ｓ１０４で求めた、０Ｈｚの振動変位（１／ｋ）の逆数を演算し、最終的に、加振点の予め設定した周波数領域における剛性ｋを演算する。

そして、Ｓ１０６に進み、Ｓ１０５で演算した加振点の予め設定した周波数領域における剛性ｋをモニタ５上に表示出力してプログラムを抜ける。

すなわち、本実施の形態においては、Ｓ１０１、Ｓ１０２が周波数応答関数計測手段として実行されるプログラム処理、Ｓ１０３がカーブフィット処理実行手段として実行されるプログラム処理、Ｓ１０４〜Ｓ１０６が剛性算出手段として実行されるプログラム処理となっている。

このようにして、得られる振動変位（Ｘ／Ｆ）の一例を図７に示す。単に、周波数応答のみを計測した場合は、図７中の実線で示すようになり、特に、低周波数領域では、タイヤ等がバネとなる車体の剛体振動が励起され、ターゲットとしている部位の剛性評価に対して精度が低下してしまう。このため、予め設定した周波数領域（解析対象とする周波数範囲）のみに着目して振動変位を求めようとしても、他の振動誤差等が含まれるため図７中のＣ１で示すように、正確な振動変位（剛性）を求めることが困難であった。これを、解析対象とする周波数範囲に対してカーブフィット処理を実行し、モーダル解析により一つ一つの振動モードの０Ｈｚにおける値を推定して合成することにより（図７中の破線）、図７中のＣ２に示す、精度の良い振動変位を求めることができる。そして、このＣ２の逆数を演算することにより、精度の良い剛性値を得ることが可能となっている。

このため、本実施形態によれば、後部車体フレームの取り付け部１０のみならず、様々な部位の剛性をハンマリング試験により、容易且つ精度良く求めることができ、利便性、汎用性に優れたものとなっている。

カーブフィット処理においては、ゼロヘルツの値に影響を受ける、剰余質量（低周波側の補正）は行わず、剰余剛性のみを考慮してカーブフィット処理を行うことで、より正確な剛性値を求めることができる。

また、一般的な周波数応答関数を求める手法は、変位ではなく加速度で算出する場合が多く、ゼロヘルツの値が存在しないため、剛性を求めることができない。この場合には、構造物の弾性共振周波数から十分に低い周波数、例えば１Ｈｚ又は、振動の離散データの各点の傾きが0〜10 [(N/mm)/Hz]以下となる領域における静剛性値を算出することで剛性を求めることが可能である。

尚、本実施の形態では、予め設定した周波数領域（解析対象とする周波数範囲）は、ロードノイズに対応した１００Ｈｚ〜３００Ｈｚを例に説明しているが、これに限るものではない。例えば、エンジン支持部品の剛性を解析してエンジン関連の振動を低減したい場合には、エンジン特有の発生振動数領域を設定して解析するようにしても良い。

本発明の実施の一形態による、剛性計測装置の全体を示す構成図同上、車体に取り付けられるリアサブフレームの説明図同上、車体フレームの取り付け部の構造を示す断面図同上、ハンマリング試験を行う部位の説明図同上、振動変位の周波数応答波形の一例の説明図同上、剛性を計測する流れを示すフローチャート同上、実際に得られる周波数応答関数の一例の説明図従来から一般的な、車両のサスペンションとブッシュと車体フレームの剛性の説明図

符号の説明

１パーソナルコンピュータ
２コンピュータ本体
３キーボード
４マウス
５モニタ
６ＦＦＴアナライザ
７加速時計
８インパクトハンマ
１０後部車体フレームの取り付け部
１６内筒
代理人弁理士伊藤進

Claims

加振された計測位置の周波数応答関数を計測する周波数応答関数計測手段と、
上記計測された周波数応答関数に対し、予め設定しておいた周波数領域における各計測値に対してカーブフィット処理を実行するカーブフィット処理実行手段と、
上記カーブフィット処理にて取得したカーブデータの予め設定した周波数での値を推定し、該推定した値を基に上記加振された計測位置の上記予め設定しておいた周波数領域における剛性を算出する剛性算出手段と、
を備えたことを特徴とする剛性計測装置。
上記予め設定した周波数は、ゼロヘルツとすることを特徴とする請求項１記載の剛性計測装置。
上記予め設定した周波数は、振動の離散値の各点の傾きが設定値以下となる周波数領域とすることを特徴とする請求項１記載の剛性計測装置。
上記周波数応答関数計測手段は、上記加振された計測位置の加速度を検出することにより上記周波数応答関数を計測することを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか一つに記載の剛性計測装置。
上記カーブフィット処理実行手段における上記カーブフィット処理は、上記予め設定しておいた周波数領域における各計測値の各々の周波数応答関数を独立なモードに分解することでモーダルパラメータを求めるものであって、
上記剛性算出手段は、上記モーダル解析により得られた各々の周波数応答関数のゼロヘルツでの値を推定し、これらの値から上記加振された計測位置の上記予め設定しておいた周波数領域における剛性を算出することを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか一つに記載の剛性計測装置。
上記カーブフィット処理実行手段における上記カーブフィット処理は、剰余剛性を考慮して実行することを特徴とする請求項1乃至請求項５の何れか一つに記載の剛性計測装置。
加振された計測位置の周波数応答関数を計測する周波数応答関数計測ステップと、
上記計測された周波数応答関数に対し、予め設定しておいた周波数領域における各計測値に対してカーブフィット処理を実行するカーブフィット処理実行ステップと、
上記カーブフィット処理にて取得したカーブデータの予め設定した周波数領域での値を推定し、該推定した値を基に上記加振された計測位置の上記予め設定しておいた周波数領域における剛性を算出する剛性算出ステップと、
を備えたことを特徴とする剛性計測方法。