JP2010014431A

JP2010014431A - 乗物に生ずる流体力を計測する方法および風洞天秤装置

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Publication number: JP2010014431A
Application number: JP2008172449A
Authority: JP
Inventors: Tetsuji Tojima; 哲二東島; Chinkaku Higashijima; 鎮▲かく▼ 東島
Original assignee: Nissho Electric Works Co Ltd
Current assignee: Nissho Electric Works Co Ltd
Priority date: 2008-07-01
Filing date: 2008-07-01
Publication date: 2010-01-21
Anticipated expiration: 2028-07-01
Also published as: JP5230288B2

Abstract

【課題】高精度な計測が安価に実施可能な乗物に生ずる流体力の計測方法および風洞天秤装置を提供する。
【解決手段】風洞内に設置した乗物の各車輪下部のタイヤが接触する面に設けた６分力検出器と、演算装置とを備え、車両に働く流体力である揚力，抗力，横力および偏揺（ヨーイング），横揺（ローリング），縦揺（ピッチング）の各モーメントを、風洞内で車両位置が変化しても車両の基準点の補正が可能な、所定の演算式により求める。
【選択図】なし

Description

本発明は、４輪の自動車や２輪のオートバイ、３輪トラック等の乗物に生ずる流体力を計測する方法、および前記流体力を計測するための風洞天秤装置に関する。

近年、空力抵抗や振動の低減等に関連して、乗物に生ずる流体力を計測する風洞実験の重要性がますます高くなってきている。従来、前記流体力を計測するための風洞天秤装置としては、非特許文献１に開示された図７に示すような風洞天秤装置が知られている。

図７に示す風洞天秤装置によれば、供試車両に働く空気力は、車輪受台，浮枠，天秤レバーを介入，三分力に分離されて各分力ロードセルによって、車両に働く揚力，抗力，横力および偏揺（ヨーイング），横揺（ローリング），縦揺（ピッチング）の各モーメントが検知されるようになっている。なお、上記風洞天秤装置においては、車両全体を一つの天秤装置の上に載せ、通風時の天秤のロードセル計測値から無風時の計測値を差し引く方法が用いられている（詳細は、非特許文献１参照）。

上記従来の風洞天秤装置による流体力計測方法においては、下記のような問題点があった。
（１）車両の設置位置が異なると、他の条件が同一であっても、計測値が異なる。
（２）通風時の空気力により車両位置が変化することがあり、この場合、計測値が大幅に変化する。

即ち、従来の風洞天秤装置による流体力計測方法においては、計測精度の向上に対する強い要請があった。

田村啓他１名、「実車風洞用新六分力天秤」、自動車研究、第９巻、第５号（昭和６２年５月）、P186-188

この発明は、上記従来の問題点に鑑みてなされたもので、本発明の課題は、高精度な計測が安価に実施可能な乗物に生ずる流体力の計測方法および風洞天秤装置を提供することにある。

上述の課題を解決するため、本発明によれば、複数個（ｉ個）の車輪を有する乗物を風洞内に設置し、前記ｉ個の車輪にそれぞれ作用する力およびモーメントの６分力を検出する多分力検出器を各車輪の下部に設けて、通風時に前記乗物に生ずる流体力を計測する方法であって、
前記乗物への揚力作用方向をｚ、抗力および横力作用方向をｘ，ｙとする直交座標系の前記ｘ，ｙ，ｚ軸方向に加わる乗物への揚力，抗力，横力をそれぞれ、［Ｆz］，［Ｆx］，［Ｆy］とし、偏揺（ヨーイング），横揺（ローリング），縦揺（ピッチング）の各モーメントをそれぞれ、［Ｍz］，［Ｍx］，［Ｍy］とし、
前記各多分力検出器のｘ，ｙ座標における中心位置をｘi，ｙiとし、
前記ｉ個の車輪に対応する各多分力検出器の力およびモーメントの６分力検出値をそれぞれ、Ｆxi，Ｆyi，ＦziおよびＭxi，Ｍyi，Ｍziとしたとき、
前記乗物に生ずる流体力である前記［Ｆx］，［Ｆy］，［Ｆz］および［Ｍx］，［Ｍy］，［Ｍz］を、下記の演算式［数１］〜［数３］により求めることを特徴とする（請求項１の発明）。
［数１］
［Ｆx］＝ΣＦxi
［Ｆy］＝ΣＦyi
［Ｆz］＝ΣＦzi
［Ｍx］＝ΣＭxi−ΣＦzi×（ｙi−ｙc）
［Ｍy］＝ΣＭyi＋ΣＦzi×（ｘi−ｘc）
［Ｍz］＝ΣＭzi＋ΣＦxi×（ｙi−ｙc）−ΣＦyi×（ｘi−ｘc）
前記［数１］において、ｘcおよびｙcは、乗物に生ずる流体力の基準点であって、下記演算式［数２］〜［数３］により求めた値とする。
［数２］
ｘc＝Σ（ｘi＋Δｘi）／Ｎ
ｙc＝Σ（ｙi＋Δｙi）／Ｎ
前記［数２］において、ΔｘiおよびΔｙiは、各車輪に作用するＦziの重心の各検出器中心からの偏心量であって、下記演算式［数３］により求めた値とする。また、車輪が４の自動車の場合には、Ｎ＝４であり、i＝１〜４である。２輪ないし３輪の場合には、Ｎ＝２ないし３であり、i＝１〜２ないし１〜３である。
［数３］
Δｘi＝−Ｍyi／Ｆzi
Δｙi＝Ｍxi／Ｆzi

また本発明は、下記のようにすることもできる。即ち、前記乗物に生ずる流体力の基準点ｘcおよびｙcは、前記［数２］〜［数３］により求めた値に代えて、乗物の重心点の動きをレーザ測定器で計測することにより求めた値とすることを特徴とする。なお、重心点の動きの計測は、上記レーザ測定器に限定されるものではなく、他の計測手段が要請に応じて適宜採用できる。

さらに本発明は、４輪の自動車の場合であって、前記多分力検出器の座標系のｘ軸方向と前記乗物の中心のｘ軸方向とが角度θだけ異なった場合に、前記演算式［数１］〜［数２］に代えて、前記乗物に生ずる流体力である前記［Ｆx］，［Ｆy］，［Ｆz］および［Ｍx］，［Ｍy］，［Ｍz］を、下記の演算式［数４］〜［数７］により求めることを特徴とする。
［数４］
［Ｆx］＝ΣＦxi´
［Ｆy］＝ΣＦyi´
［Ｆz］＝ΣＦzi´
［Ｍx］＝ΣＭxi´
［Ｍy］＝ΣＭyi´
［Ｍz］＝ΣＭzi´
前記［数４］において、Ｆxi´，Ｆyi´，Ｆzi´およびＭxi´，Ｍyi´，Ｍzi´は、前記Ｆxi，Ｆyi，ＦziおよびＭxi，Ｍyi，Ｍziを角度θだけ座標系を回転させてベクトル変換した値であって、下記演算式［数５］〜［数７］により求めた値とする。
［数５］
Ｆxi´＝Ｆxi×cosθ−Ｆyi×sinθ
Ｆyi´＝Ｆxi×sinθ＋Ｆyi×cosθ
Ｆzi´＝Ｆzi
Ｍxi´＝Ｍxi×cosθ−Ｍyi×sinθ
Ｍyi´＝Ｍxi×sinθ＋Ｍyi×cosθ
Ｍzi´＝Ｍzi
前記［数５］において、角度θは、下記演算式［数６］により求めた値とする。
［数６］
θ＝（tan^-1θ₁＋tan^-1θ₂）／２
前記［数６］において、角度θ₁およびθ₂は、前記乗物の中心のｘ軸方向と平行な２個の多分力検出器に作用するＦzの重心位置を結ぶ２個の直線と、前記乗物の中心のｘ軸方向とのなす各偏角であり、前記各多分力検出器のｘ，ｙ座標における中心位置のｘi，ｙiのi＝１〜４の場合におけるｘ１〜ｘ４およびｙ１〜ｙ４、ならびに前記［数３］におけるΔｘiおよびΔｙiのi＝１〜４の場合におけるΔｘ１〜Δｘ４およびΔｙ１〜Δｙ４を用いて、下記演算式［数７］により求めた値とする。
［数７］
tanθ₁＝
［（ｙ１＋Δｙ１）−（ｙ３＋Δｙ３）］／［（ｘ１＋Δｘ１）−（ｘ３＋Δｘ３）］
tanθ₂＝
［（ｙ２＋Δｙ２）−（ｙ４＋Δｙ４）］／［（ｘ２＋Δｘ２）−（ｘ４＋Δｘ４）］

また、風洞天秤装置に関する発明としては下記の発明が好ましい。即ち、前記請求項１に記載の乗物に生ずる流体力の計測方法を実施するための風洞天秤装置であって、風洞内に設置した乗物の各車輪の下部に設けた６分力検出器と、前記［数１］の演算を行なう演算装置とを備えることを特徴とする。

さらに、上記風洞天秤装置は、前記乗物が４輪の自動車である場合に、特に好適である。

本発明によれば、車両位置が変化しても車両の基準点の補正が可能となり、高精度な計測が安価に実施可能な乗物に生ずる流体力の計測方法および風洞天秤装置を提供することできる。

図１〜６に基づき、車両のタイヤに通風時に生ずる力やモーメントのメカニズムならびに本発明の実施形態について、４輪の自動車を例として、以下に述べる。この発明は、下記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術思想の範囲内において適宜の異なる実施形態が採用できる。

図１および図２は、それぞれタイヤが接触する接地面において、タイヤから検出器上面に働く上下力の分布を示す模式的横断面図、模式的縦断面図を示す。

図１において、タイヤの回転中心をＯｔ、検出器の中心をＯｓ、検出器の出力の内、上下力をＦz、Ｙ軸まわりのモーメントをＭy、ＯｓとＯｔの水平距離をδｘｏ、Ｆzの重心のＯｔからの水平距離をδｘ、Ｆzの重心のＯｓからの水平距離をΔｘとする。

この時、Ｆz、Ｍy、Δｘには次の関係［数８］が成立する。
［数８］
Ｍy＝−Ｆz×Δｘまたは Δｘ＝−Ｍy／Ｆz
上記を、車輪が４の場合について、任意の車輪iに関して、一般化した数式にすると、これは、前記［数３］の前段の数式と同一となる。即ち、
Δｘi＝−Ｍyi／Ｆzi ここで、i＝１〜４である。

次に、図２において、タイヤの回転中心をＯｔ、検出器の中心をＯｓ、検出器の出力の内、上下力をＦz、Ｘ軸まわりのモーメントをＭx、ＯｓとＯｔの水平距離をδｙｏ、Ｆzの重心のＯｔからの水平距離をδｙ、Ｆzの重心のＯｓからの水平距離をΔｙとする。

この時、Ｆz、Ｍy、Δｙには次の関係［数９］が成立する。
［数９］
Ｍx＝Ｆz×Δｙまたは Δｙ＝Ｍx／Ｆz
上記を、車輪が４の場合について、任意の車輪iに関して、一般化した数式にすると、これは、前記［数３］の後段の数式と同一となる。即ち、
Δｙi＝Ｍxi／Ｆzi ここで、i＝１〜４である。

次に、図３に検出器上面のタイヤとの接触状況を示す。図３におけるΔｘおよびΔｙは、前記［数８］および［数９］で与えられる。この（Δｘ，Δｙ）の位置は、検出器の中心をこの位置に移動した時、Ｍx＝０，Ｍy＝０となる位置である。

次に、検出器の６分力の出力の内、前述の３分力以外の残りの３分力Ｆx，Ｆy，Ｍzについて述べる。Ｆx，Ｆy，Ｍzによって、前述のＦz，Ｍx，Ｍyと同様に固有の点が求められたとして、その値をΔｘ´，Δｙ´とすると、検出器の出力ＭzとＦx，Ｆyとの関係を説明する図４に示すように、下記［数１０］が成立する。
［数１０］
Ｍz＝Ｆy×Δｘ´−Ｆx×Δｙ´

図４において、検出器上面の中心ＯｓにＦx，Ｆy，Ｍzが作用している時、ＦxyをＦxとＦyとの合力とすると、Ｆxy上において（Δｘ´，Δｙ´）を通りＦxyに直交する直線Ｓは、上記［数１０］を満足する。

即ち、上記直線Ｓ上の全ての位置は、上記［数１０］を満足するので、解は無限に存在することとなる。また、図４における（Δｘ´，Δｙ´）は、図３における（Δｘ，Δｙ）を通るとは限らない。

しかしながら、前述のようにΔｘ，ΔｙがＦz，Ｍx，Ｍyによって求められので、詳細は後述するように、通風時の空気力により車両位置が変化したとしても、この変化に影響されず、精度の高い計測が可能となる。なお、車両を検出器の上面に設置するに当たり、図１および図２におけるδｘｏ、δｙｏがが変化しても、δｘ、δｙは同一通風試験条件の下では変化せず、Δｘ，ΔｙをＦz，Ｍx，Ｍyによって求めることができる。

次に、図５および図６について述べる。図５は、各タイヤの下に設置された検出器の中心位置と６分力の出力を示す。図５において、４台の検出器の中心位置を、Ｏ１（ｘ１，ｙ１），Ｏ２（ｘ２，ｙ２），Ｏ３（ｘ３，ｙ３），Ｏ４（ｘ４，ｙ４）で示す。また、４個の車輪に対応する各多分力検出器の力およびモーメントの６分力検出値をそれぞれ、Ｆxi，Ｆyi，ＦziおよびＭxi，Ｍyi，Ｍziとして、i＝１〜４の番号を付して示す。

図６は、各検出器におけるＦzの重心位置と、乗物に生ずる流体力の基準点との関係を説明する模式図であり、各Ｆzの重心位置を、Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４で示す。また、乗物に生ずる流体力の基準点は、Ｐｃで示す。なお、図６における線Ｆ−Ｆと、この線と乗物の中心のｘ軸方向との角度θに関しては後述する。

図６における前記基準点Ｐｃ（ｘc，ｙc）としては、請求項１に係る本発明においては、Ｐ１〜Ｐ４の中点とする。この場合、前記［数２］に示すようになる。４輪の場合には、Ｎ＝４として、
ｘc＝Σ（ｘi＋Δｘi）／４
ｙc＝Σ（ｙi＋Δｙi）／４
であり、i＝１〜４である。

そして、前記基準点Ｐｃ（ｘc，ｙc）での６分力、即ち、乗物に生ずる流体力である前記［Ｆx］，［Ｆy］，［Ｆz］および［Ｍx］，［Ｍy］，［Ｍz］は、前記［数１］により求めることができる。即ち、
［Ｆx］＝ΣＦxi
［Ｆy］＝ΣＦyi
［Ｆz］＝ΣＦzi
［Ｍx］＝ΣＭxi−ΣＦzi×（ｙi−ｙc）
［Ｍy］＝ΣＭyi＋ΣＦzi×（ｘi−ｘc）
［Ｍz］＝ΣＭzi＋ΣＦxi×（ｙi−ｙc）−ΣＦyi×（ｘi−ｘc）
として演算できる。この演算によれば、通風時の空気力により車両位置が変化しても、その影響を受けることなく、乗物に生ずる流体力の精度の高い計測が可能となる。

上記実施態様の説明においては、前記基準点Ｐｃ（ｘc，ｙc）として、Ｐ１〜Ｐ４の中点とする請求項１に係る発明の例について述べたが、前記請求項４の発明のようにすることもできる。即ち、前記請求項１に記載の計測方法において、前記乗物に生ずる流体力の基準点ｘcおよびｙcは、前記［数２］〜［数３］により求めた値に代えて、乗物の重心点の動きをレーザ測定器で計測することにより求めた値とする。

走行中の車両の運動は、車両の重心と重心回りの慣性２次モーメントと外力とに大きく依存する。そこで、空気力の車両の運動に対する影響を求める場合には、例えば、車両の重心点をあらかじめ測定し、その位置にマーカーを付けておき、このマーカーをレーザ測定器で追跡して車両の重心点の動きを計測する。車両の重心点が動いた後の点を、前記基準点Ｐｃ（ｘc，ｙc）として、前記［数１］に適用すれば、車両の重心点に作用する６分力を求めることができる。

次に、車両の方向と、検出器の座標系の方向が違っている場合の計測方法について述べる。この方向の相違は、車両の設置時の誤差や、通風試験時の流体力や、タイヤとボデーとの関連誤差等により生ずる。風の流れる方向（風軸）と検出器座標のｘ軸が一致しているとき、車両の中心を通る直線を図６のＦ−Ｆで表すと、線Ｆ−Ｆとｘ軸の角度θは、例えば車両の設置誤差と考えることができる。

この時には、車両の下に設置されている４台の検出器の装置全体を回転させて前記風軸と線Ｆ−Ｆとが平行になるようにした時の風軸を、図示してはいないｘ´軸とし、それに直交するｙ´軸、ｚ´軸を規定すると、このｘ´，ｙ´，ｚ´が車両の座標系となる。

この場合、６分力検出値であるＦxi，Ｆyi，ＦziおよびＭxi，Ｍyi，Ｍziに対するｘ，ｙ，ｚ座標系の車両座標系であるｘ´，ｙ´，ｚ´座標系への変換は、前記［数５］を用いればよい。前記［数５］におけるθは、前記［数６］により得られる。

そして、乗物に生ずる流体力である前記［Ｆx］，［Ｆy］，［Ｆz］および［Ｍx］，［Ｍy］，［Ｍz］は、前記［数４］により求めることができる。即ち、
［Ｆx］＝ΣＦxi´
［Ｆy］＝ΣＦyi´
［Ｆz］＝ΣＦzi´
［Ｍx］＝ΣＭxi´
［Ｍy］＝ΣＭyi´
［Ｍz］＝ΣＭzi´

上記のように、車両位置が何らかの要因により変化しても、その変化に応じて車両の基準点の補正が可能となり、高精度な計測が、特段の付加設備なしに安価に実施可能となる。

タイヤから検出器上面に働く上下力の分布を示す模式的横断面図。タイヤから検出器上面に働く上下力の分布を示す模式的縦断面図。検出器上面のタイヤとの接触状況を示す図。検出器の出力ＭzとＦx，Ｆyとの関係を説明する図。各タイヤの下に設置された検出器の中心位置と６分力の出力を示す図。各検出器におけるＦzの重心位置と、乗物に生ずる流体力の基準点との関係を説明する模式図。従来の風洞天秤装置の基本構成の一例を示す図。

符号の説明

なし

Claims

複数個（ｉ個）の車輪を有する乗物を風洞内に設置し、前記ｉ個の車輪にそれぞれ作用する力およびモーメントの６分力を検出する多分力検出器を各車輪の下部に設けて、通風時に前記乗物に生ずる流体力を計測する方法であって、
前記乗物への揚力作用方向をｚ、抗力および横力作用方向をｘ，ｙとする直交座標系の前記ｘ，ｙ，ｚ軸方向に加わる乗物への揚力，抗力，横力をそれぞれ、［Ｆz］，［Ｆx］，［Ｆy］とし、偏揺（ヨーイング），横揺（ローリング），縦揺（ピッチング）の各モーメントをそれぞれ、［Ｍz］，［Ｍx］，［Ｍy］とし、
前記各多分力検出器のｘ，ｙ座標における中心位置をｘi，ｙiとし、
前記ｉ個の車輪に対応する各多分力検出器の力およびモーメントの６分力検出値をそれぞれ、Ｆxi，Ｆyi，ＦziおよびＭxi，Ｍyi，Ｍziとしたとき、
前記乗物に生ずる流体力である前記［Ｆx］，［Ｆy］，［Ｆz］および［Ｍx］，［Ｍy］，［Ｍz］を、下記の演算式［数１］〜［数３］により求めることを特徴とする乗物に生ずる流体力の計測方法。
［数１］
［Ｆx］＝ΣＦxi
［Ｆy］＝ΣＦyi
［Ｆz］＝ΣＦzi
［Ｍx］＝ΣＭxi−ΣＦzi×（ｙi−ｙc）
［Ｍy］＝ΣＭyi＋ΣＦzi×（ｘi−ｘc）
［Ｍz］＝ΣＭzi＋ΣＦxi×（ｙi−ｙc）−ΣＦyi×（ｘi−ｘc）
前記［数１］において、ｘcおよびｙcは、乗物に生ずる流体力の基準点であって、下記演算式［数２］〜［数３］により求めた値とする。
［数２］
ｘc＝Σ（ｘi＋Δｘi）／Ｎ
ｙc＝Σ（ｙi＋Δｙi）／Ｎ
前記［数２］において、ΔｘiおよびΔｙiは、各車輪に作用するＦziの重心の各検出器中心からの偏心量であって、下記演算式［数３］により求めた値とする。また、車輪が４の場合には、Ｎ＝４であり、i＝１〜４である。
［数３］
Δｘi＝−Ｍyi／Ｆzi
Δｙi＝Ｍxi／Ｆzi
請求項１に記載の乗物に生ずる流体力の計測方法を実施するための風洞天秤装置であって、風洞内に設置した乗物の各車輪の下部に設けた６分力検出器と、前記［数１］の演算を行なう演算装置とを備えることを特徴とする風洞天秤装置。
前記乗物は、４輪の自動車であることを特徴とする請求項２に記載の風洞天秤装置。
請求項１に記載の計測方法において、前記乗物に生ずる流体力の基準点ｘcおよびｙcは、前記［数２］〜［数３］により求めた値に代えて、乗物の重心点の動きをレーザ測定器で計測することにより求めた値とすることを特徴とする乗物に生ずる流体力の計測方法。
請求項１に記載の計測方法において、４輪の自動車の場合であって、前記多分力検出器の座標系のｘ軸方向と前記乗物の中心のｘ軸方向とが角度θだけ異なった場合に、前記演算式［数１］〜［数２］に代えて、前記乗物に生ずる流体力である前記［Ｆx］，［Ｆy］，［Ｆz］および［Ｍx］，［Ｍy］，［Ｍz］を、下記の演算式［数４］〜［数７］により求めることを特徴とする乗物に生ずる流体力の計測方法。
［数４］
［Ｆx］＝ΣＦxi´
［Ｆy］＝ΣＦyi´
［Ｆz］＝ΣＦzi´
［Ｍx］＝ΣＭxi´
［Ｍy］＝ΣＭyi´
［Ｍz］＝ΣＭzi´
前記［数４］において、Ｆxi´，Ｆyi´，Ｆzi´およびＭxi´，Ｍyi´，Ｍzi´は、前記Ｆxi，Ｆyi，ＦziおよびＭxi，Ｍyi，Ｍziを角度θだけ座標系を回転させてベクトル変換した値であって、下記演算式［数５］〜［数７］により求めた値とする。
［数５］
Ｆxi´＝Ｆxi×cosθ−Ｆyi×sinθ
Ｆyi´＝Ｆxi×sinθ＋Ｆyi×cosθ
Ｆzi´＝Ｆzi
Ｍxi´＝Ｍxi×cosθ−Ｍyi×sinθ
Ｍyi´＝Ｍxi×sinθ＋Ｍyi×cosθ
Ｍzi´＝Ｍzi
前記［数５］において、角度θは、下記演算式［数６］により求めた値とする。
［数６］
θ＝（tan^-1θ₁＋tan^-1θ₂）／２
前記［数６］において、角度θ₁およびθ₂は、前記乗物の中心のｘ軸方向と平行な２個の多分力検出器に作用するＦzの重心位置を結ぶ２個の直線と、前記乗物の中心のｘ軸方向とのなす各偏角であり、前記各多分力検出器のｘ，ｙ座標における中心位置のｘi，ｙiのi＝１〜４の場合におけるｘ１〜ｘ４およびｙ１〜ｙ４、ならびに前記［数３］におけるΔｘiおよびΔｙiのi＝１〜４の場合におけるΔｘ１〜Δｘ４およびΔｙ１〜Δｙ４を用いて、下記演算式［数７］により求めた値とする。
［数７］
tanθ₁＝
［（ｙ１＋Δｙ１）−（ｙ３＋Δｙ３）］／［（ｘ１＋Δｘ１）−（ｘ３＋Δｘ３）］
tanθ₂＝
［（ｙ２＋Δｙ２）−（ｙ４＋Δｙ４）］／［（ｘ２＋Δｘ２）−（ｘ４＋Δｘ４）］