JP2016170051A - 捩り試験装置および捩り測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】コストが高くなることなく被試験体の減衰特性を測定できる捩り試験装置およびその測定方法を提供する。
【解決手段】モータ１８のイナーシャＭ１に対して、フライホイール２０のイナーシャが１００倍から３３３３倍に設定されることで、被試験体１２の他端を固定端に近似することができる。そして、被試験体１２の両側に設けられている第１エンコーダ２４および第２エンコーダ２６によって検出される回転角θ1,θ2から被試験体１２の相対捩れ角θを測定することで、１自由度での減衰特性を算出することができる。このように、第１エンコーダ２４および第２エンコーダ２６を用いて減衰特性を算出できるため、従来設けられていたトルク検出器をなくすことができ、その分だけコストを低減することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、被試験体の捩り試験装置およびその測定方法に関するものである。

ドライブシャフトやプロペラシャフトなどの被試験体の減衰特性を測定するのに際して、従来の捩り試験装置では、被試験体の一端にモータ等のトルク負荷装置を取り付けて回転自在（自由端）に保持し、被試験体の他端を回転不能に固定（固定端）し、被試験体の一端側からトルクを負荷し、被試験体の他端側に設けられているトルク検出器によって検出されるトルクに基づいて被試験体の減衰特性が測定されていた。特許文献１に記載の捩り疲労試験機もその１つである。

特開２００７−１０７９５５号公報 特開昭６３−３０２３２７号公報 特開平０７−１３１９９２号公報

特許文献１のような捩り試験装置では、トルク検出器によって検出されるトルクから被試験体の減衰特性を測定しているが、トルク検出器を搭載する分だけ捩り試験装置のコストが高くなる。また、トルク検出器に代わって、被試験体の自由端にロータリエンコーダを設け、このロータリエンコーダによって検出される回転角に基づいて減衰特性を測定する方法が知られている。しかしながら、このような方法であっても、１自由度以外の捩り特性が検出されたり、被試験体の固定端では装置の摩擦減衰項が生じるため、適切な捩り減衰特性を測定することが困難となる。また、被試験体の固定端を回転可能な自由端に替えただけでは、トルク負荷装置のイナーシャが特性に表れるため、周波数特性上、実際の固有値よりも算出される固有値が高くなってしまう。従って、捩り試験装置の捩り減衰特性を適切に測定することができなくなる。

本発明は、以上の事情を背景として為されたものであり、その目的とするところは、トルク検出器を用いることなく被試験体の減衰特性を測定できる捩り試験装置およびその測定方法を提供することにある。

上記目的を達成するための、第１発明の要旨とするところは、(a)被試験体の一端に接続されて前記被試験体を回転させるモータと、前記被試験体の一端の回転角を検出する第１ロータリエンコーダとを、含んで構成される捩り試験装置であって、(b)前記被試験体の他端の回転角を検出する第２ロータリエンコーダと、(c)前記被試験体の他端に接続され、前記モータからのトルクによって回転させられる負荷部材と、を備え、(d)前記負荷部材のイナーシャは、前記モータのイナーシャの１００倍から該モータによって前記負荷部材が回転可能な範囲に設定されていることを特徴とする。

このように、モータのイナーシャに対して、負荷部材のイナーシャを１００倍よりも大きくすることによって固定端とした場合の固有振動数との差は０．５％となる。一般に、固有振動数が０．５％の範囲内であれば、実質的な違いがないことが実験的に解析されている。そのため、被試験体の他端が自由端であっても固有振動数は固定端とほぼ同じといえる。これにより、被試験体の他端を固定端として近似することができる。そのため、被試験体の両側に設けられている第１ロータリエンコーダおよび第２ロータリエンコーダによって検出される回転角から被試験体の相対捩れ角を測定することで、１自由度での減衰特性を測定することができる。このように、第１ロータリエンコーダおよび第２ロータリエンコーダを用いて減衰特性を測定できるため、従来設けられていたトルク検出器をなくすことができ、その分だけコストを低減することができる。

また、第２発明の要旨とするところは、第１発明の捩り試験装置において、前記負荷部材を回転させる第１トルク信号を前記モータに入力し、その負荷部材を回転させた状態で、ステップ信号である第２トルク信号を前記モータに入力したときの前記被試験体の相対捩れ角を、前記第１ロータリエンコーダおよび前記第２ロータリエンコーダによって検出される回転角から算出し、前記相対捩れ角から前記被試験体の減衰特性を算出することを特徴とする。このように、第１トルク信号によって被試験体および負荷部材を回転させ、被試験体および負荷部材が回転した状態でステップ信号である第２トルク信号を入力し、このときの相対捩れ角を、第１ロータリエンコーダおよび第２ロータリエンコーダによって検出される回転角から算出する。これにより、負荷部材を回転させた状態で試験するため、装置の摩擦減衰項による減衰振動への影響が排除された自由端としての特性を備えながら、負荷部材の固有振動数が固定端とほぼ同値であるため、被試験体の減衰特性を１自由度モデルとして算出することできる。

また、上記目的を達成するための第３発明の要旨とするところは、(a)被試験体の一端に接続されて前記被試験体を回転させるモータと、前記被試験体の一端の回転角を検出する第１ロータリエンコーダとを、含んで構成される捩り試験装置の測定方法であって、(b)前記被試験体の他端の回転角を検出する第２ロータリエンコーダと、前記被試験体の他端に接続され、前記モータからのトルクによって回転させられる負荷部材とを、設け、(c)前記負荷部材のイナーシャは、前記モータのイナーシャの１００倍から該モータによって前記負荷部材が回転可能な範囲に設定され、(d)前記負荷部材を回転させる第１トルク信号を前記モータに入力し、(e)該負荷部材を回転させた状態で、ステップ信号である第２トルク信号を前記モータに入力したときの前記被試験体の相対捩れ角を、前記第１ロータリエンコーダおよび前記第２ロータリエンコーダによって検出される回転角から算出し、(e)前記相対捩れ角から前記被試験体の減衰特性を算出することを特徴とする。

このように、モータのイナーシャに対して、負荷部材のイナーシャを１００倍よりも大きくすることによって固定端とした場合の固有振動数との差は０．５％となる。一般に、固有振動数が０．５％の範囲内であれば、実質的な違いがないことが実験的に解析されている。そのため、被試験体の他端が自由端であっても固有振動数はほぼ固定端といえる。従って、被試験体の他端を固定端として近似することができる。そして、第１トルク信号によって被試験体および負荷部材を回転させ、被試験体および負荷部材が回転した状態でステップ信号である第２トルク信号を入力し、このときの相対捩れ角を、第１ロータリエンコーダおよび第２ロータリエンコーダによって検出される回転角から算出する。このように、負荷部材を回転させた状態で試験するため、装置の摩擦減衰項による減衰振動への影響が排除された自由端としての特性を備えながら、負荷部材の固有振動数が固定端とほぼ同値であるため、被試験体の減衰特性を１自由度モデルとして算出することができる。

本発明が適用された捩り試験装置を概略的に示す構成図である。 図１の捩り試験装置のモデル図である。 第１トルクが出力されている状態から第２トルクがステップ的に出力されたときの相対捩れ角の測定結果である。 捩れ角振幅の変化グラフである。 捩り試験装置による測定方法の手順を示すフローチャートである。 図１の捩り試験装置の特性を概念的に示している。

以下、本発明の実施例を図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、以下の実施例において図は適宜簡略化或いは変形されており、各部の寸法比および形状等は必ずしも正確に描かれていない。

図１は、本発明が適用された捩り試験装置１０を概略的に示す構成図である。捩り試験装置１０は、例えばドライブシャフトやプロペラシャフトをはじめとする回転部材である被試験体１２にトルクを付与し、そのときの相対的な捩り角を測定することで、被試験体の減衰特性を測定する装置である。

捩り試験装置１０は、被試験体１２の軸方向の一端を一体的に回転可能に保持する第１保持部１４と、被試験体の軸方向の他端を一体的に回転可能に保持する第２保持部１６と、第１保持部１４に接続されているモータ１８と、第２保持部１６に接続されているフライホイール２０と、モータ１８の出力軸２２に設けられてその出力軸２２の回転角を検出する第１ロータリエンコーダ２４と、フライホイール２０の軸方向において第２保持部１６に対して背面側（反対側）に設けられフライホイール２０の回転角を検出する第２ロータリエンコーダ２６とを、含んで構成されている。なお、フライホイール２０が、本発明の負荷部材に対応している。

モータ１８の出力軸２２が、第１保持部１４に相対回転不能に接続されており、第１保持部１４がモータ１８の出力軸２２とともに一体的に回転させられる。これらモータ１８の出力軸２２、第１保持部１４、および第１保持部１４の被試験体１２を保持する部位は、被試験体１２と比べて十分に高い剛性となるように設計されている。従って、モータ１８によってトルクが負荷されても、出力軸２２から第１保持部１４の被試験体１２を保持する部位の間で発生する捩れは、被試験体１２の捩れと比べて微小となる。これに関連して、出力軸２２、第１保持部１４、および被試験体１２の一端は、一体的に回転することから、出力軸２２の外周側に設けられている第１ロータリエンコーダ２４は、実質的に被試験体１２の一端の回転角を検出する。

被試験体１２の軸方向の他端が、第２保持部１６に対して相対回転不能に保持される。また、第２保持部１６は、回転可能に支持されており、被試験体１２の他端は回転可能な自由端となっている。また、第２保持部１６とフライホイール２０とは相対回転不能に接続されている。これら第２保持部１６の被試験体１２の他端を保持する部位、第２保持部１６、およびフライホイール２０は、被試験体１２と比べて十分に高い剛性となるように設計されている。従って、モータ１８側からトルクが伝達されても、被試験体１２の他端からフライホイール２０の間で発生する捩れは、被試験体１２の捩れと比べて微小となる。これに関連して、被試験体１２の他端、第２保持部１６、およびフライホイール２０は、一体的に回転することから、フライホイール２０の回転角を検出する第２ロータリエンコーダ２６は、実質的に被試験体１２の他端の回転角を検出する。

本実施例では、モータ１８のイナーシャＭ１（慣性質量、慣性モーメント）は、比較的小さな値（低慣性）に設定されている。また、フライホイール２０のイナーシャＭ２は、被試験体１２の他端を固定端と見なせる程度の大きさ、具体的には、モータ１８のイナーシャの１００倍以上に設定される。また、フライホイール２０のイナーシャの上限値は、モータ１８によってフライホイール２０を回転可能な範囲に設定される。好ましくは、フライホイール２０のイナーシャは、モータ１８のイナーシャＭ１（出力軸２２を含む）の１００倍〜３３３３倍の値に設定される。このように設定されると、フライホイール２０のイナーシャＭ２が、モータ１８のイナーシャＭ１に比べて十分に大きくなるため、フライホイール２０が設けられている被試験体１２の他端を実質的に固定端と見なすことができる。従って、捩り試験装置１０を、図２に示すような１自由度モデルと見なすことができる。具体的には、モータ１８およびフライホイール２０が、捩れ剛性Ｋ、摩擦減衰項Ｈ、および粘性減衰項Ｃからなる弾性体に連結されていると見なすことができる。本実施例の捩り試験機１０にあっては、フライホイール２０のイナーシャＭ２が２０kgm²、モータ１８のイナーシャＭ１が０．０３kgm²に設定されている。

なお、フライホイール２０のイナーシャＭ２の上限値を、モータ１８のイナーシャＭ１の３３３３倍を上限としたのは、モータ１８の定格トルク（１００Ｎｍ）を考慮して、フライホイール２０を回転させることができる範囲としたためである。これについては後ほど説明する。

上記のように構成される捩り試験装置１０による被試験体１２の減衰特性の測定方法について説明する。先ず、図１に示すように、捩り試験装置１０に被試験体１２の両端を固定した状態で、モータ１８にフライホイール２０を回転させる第１トルクＴm1を発生させる第１トルク信号を入力し、フライホイール２０および被試験体１２を所定回転で回転させる。モータ１８の回転が安定すると、その第１トルクＴm1よりも大きい第２トルクＴm2を発生させるステップ信号である第２トルク信号をモータ１８に入力する。また、モータ１８からトルクが出力されている間は、第１ロータリエンコーダ２４および第２ロータリエンコーダ２６によって被試験体１２の両端の回転角を随時検出しており、第１ロータリエンコーダ２４によって検出される回転角θ1および第２ロータリエンコーダ２６によって検出される回転角θ2の差分から相対捩れ角θ（=θ1-θ2）を随時算出する。なお、モータ１８のトルクは、モータ１８への負荷電流から換算される。

図３に、第１トルクＴm1が出力されている状態から第２トルクＴm2がステップ的に出力されたときの相対捩れ角θの測定結果を示す。モータ１８から第１トルクＴm1として２０Ｎｍ出力され、被試験体１２およびフライホイール２０が回転している状態で、ｔ１時点において第２トルクＴm2（１００Ｎｍ）をステップ的に出力すると、被試験体１２に捩り減衰振動が発生する。ここで、捩り試験装置１０にあっては、フライホイール２０側が固定端と見なせるため、フライホイール２０を回転させた状態で試験することによって擬似的な１自由度減衰振動と見なすことができる。図３に示すように、減衰項（摩擦減衰項Ｈ、粘性減衰項Ｃ）が寄与するため、捩り振動が時間とともに減衰している。

図３において、隣り合う振幅の極値を測定し、一番左側に位置する相対捩れ角振幅（以下、捩れ角振幅）をＡ1とし、左から２つ目の捩れ角振幅をＡ2とし、左からｎ番目の捩れ角振幅をＡnとして測定する。さらに、測定された各捩れ角振幅Ａn（ｎ＝１，２，３・・・）について、横軸を捩れ角振幅Ａn+1（ｎ＝１，２，３・・・）、縦軸を捩れ角振幅Ａn（ｎ＝１，２，３・・・）としたグラフを作成すると、図４に示すような勾配がtanθ、切片がιの直線式で表される。ここで、θおよびιは、公知である下式（１）、式（２）で示されることが知られている。なお、式（１）、（２）において、ζは粘性減衰比を示し、Ｈは摩擦減衰項を示している。従って、図４からθおよびιを測定すると、式（１）、式（２）から摩擦減衰項Ｈおよび粘性減衰比ζが求められる。
θ=tan^-1e^X・・・(1)
ι=2H(e^X+1)・・・（2）
（但し、X=πζ/(1-ζ²)^1/2）

また、粘性減衰比ζと粘性減衰項Ｃとは、下式（３）で示されることから、式（３）から粘性減衰項Ｃが求められる。なお、式（３）において、Ｋは捩れ剛性を示しており、予め求められる値である。
ζ=C/2(M1K)^1/2・・・(3)

図５に、捩り試験装置１０による測定方法をフローチャートで示す。先ず、ステップＳ１では、被試験体１２の両端を第１保持部１４および第２保持部１６に固定した状態から、モータ１８に第１トルクＴm１を発生させる第１トルク信号を入力することで、被試験体１２およびフライホイール２０を所定の回転速度で回転させる。回転が安定すると、ステップＳ２において、第２トルクＴm2を発生させるステップ信号である第２トルク信号をモータ１８に入力する。ステップＳ３では、Ｓ２と並行して第１ロータリエンコーダ２４および第２ロータリエンコーダ２６を用いて相対捩れ角θおよび相対捩れ振幅Ａn(n=1,2,3・・)を測定する。ステップＳ４では、Ｓ３で測定された相対捩れ振幅Ａnから図４で示した相対捩れ振幅Ａn,Ａn+1のグラフを作成する。ステップＳ５では、Ｓ４で作成したグラフ（図４）から、θ、ιを測定し、さらに上述した式（１）〜式（３）を用いて摩擦減衰項Ｈおよび粘性減衰項Ｃを算出する。

図６は、本実施例の捩り試験装置１０の特性を概念的に示している。図６の実線は、本実施例の周波数とゲインの関係を示し、破線が自由端での周波数とゲインの関係を示し、一点鎖線が固定端での周波数とゲインの関係を示している。図６に示すように、自由端の方が固定端に比べて高いゲインＧが得られる。これに対して本実施例の捩り試験装置１０では、固定端と見なすことができるフライホイール２０を有することで、固定端の固有振動数を得つつ、測定の際には予め第１トルクＴm1でフライホイール２０を回転させることで自由端と同じ高いゲインＧを得ることができる。

以下に、フライホイール２０のイナーシャＭ２を、モータ１８のイナーシャＭ１の１００倍以上にすることで、固定端と見なせることができる理由を説明する。固定端にバネを介してマスが連結されている場合（固定端）、マスのイナーシャをＩ１とすると、固有振動数ω1は下式（４）で表される。また、２つのマスがバネで連結されている場合（自由端）、一方のマスのイナーシャをＩ１、他方のマスのイナーシャをＩ２とすると、固有振動数ω2は、下式（５）で表される。ここで、イナーシャＩ２がイナーシャＩ１の１００倍（Ｉ２=１００×Ｉ１）であった場合には、式（５）が下式（６）となる。式（６）より、一方のマスのイナーシャをＩ２を他方のマスのイナーシャＩ１の１００倍にすれば、固定端との差は０．５％となり固有振動数がほぼ等しい（ω１≒ω２）とみなすことができる。本実施例では、フライホイール２０のイナーシャＭ２が２０kgm²、モータ１８のイナーシャＭ１が０．０３kgm²に設定されていることから、具体的に固有振動数を算出するとその差は０．０８％となり実質的に固定端とみなすことができる。
ω1=(K/I1)^1/2・・・(4)
ω2=(K(I1+I2)/I1×I2)^1/2・・・(5)
ω2=1.005×(K/I1)^1/2=1.005×ω1・・・(6)

また、本実施例のモータ１８の定格トルクを１００Ｎｍとすると、この定格トルクを使えばフライホール２０の重量の５倍のフライホイールを回すことができる。フライホイール２０の直径が１０００ｍｍであり、イナーシャＭ２が２０kgm²ことから、直径が同径と考えると、モータ１８は、イナーシャが１００kgm²まで回すことができる。また、モータ１８のイナーシャＭ１は０．０３kgm²であることから、モータ１８において適用可能なフライホイールの最小値は、３kgm²（＝０．０３×１００）なる。すなわち、本実施例のモータ１８（定格トルク１００Ｎｍ、イナーシャ０．０３kgm²）で使用可能なフライホイール２０のイナーシャは、３〜１００kgm²の範囲となる。これをモータ１８のイナーシャＭ１の倍率で表すと、適用可能なフライホイール２０のイナーシャは、モータ１８のイナーシャＭ１の１００倍から３３３３倍の範囲となる。

また、捩り試験装置１０を予め回転させることで、捩り試験装置１０が有する摩擦減衰項による減衰振動への影響が排除される（なお、捩り試験装置１０の摩擦減衰の大半は、フライホイール２０を支持するベアリングによるものと考えられる。）。下式（７）は、外力が作用しないときのよく知られた運動方程式を示している。式（７）において、ｆが被試験体１２の摩擦力を示し、Ｆが捩り試験装置１０の摩擦力を示している。固定端の場合、ステップトルクに対する固定の捩れ角を中心にして振動するため、絶対速度Ｖ（＝相対速度ｖ）は、必ず正負が切り替わるため、減衰振動として表れる。これに対して、自由端の場合、絶対速度Ｖを相対速度ｖよりも大きく（Ｖ＋ｖ＞０）すれば、正負が切り替わることもなくなるため、捩り試験装置１０の摩擦力Ｆが減衰振動に影響しない。従って、捩り試験装置１０を予め回転させることで、捩り試験装置１０が有する摩擦減衰項による減衰振動への影響が排除され、捩り試験装置１０は高い測定精度が得られる。
Ia+Cv+Kx+(v/abs(v))f+(V+v)/abs(V+v))F=0・・・(7)

上述のように、本実施例によれば、モータ１８のイナーシャＭ１に対して、フライホイール２０のイナーシャＭ２を１００倍よりも大きくすることによって固定端とした場合の固有振動数との差は０．５％となる。一般に、固有振動数が０．５％の範囲内であれば、実質的な違いがないことが実験的に解析されている。そのため、被試験体１２の他端が自由端であっても固有振動数は固定端とほぼ同じといえる。これにより、被試験体１２の他端を固定端として近似することができる。そのため、被試験体の両側に設けられている第１ロータリエンコーダ２４および第２ロータリエンコーダ２６によって検出される回転角θ1,θ2から被試験体１２の相対捩れ角θを測定することで、１自由度での減衰特性を測定することができる。このように、第１ロータリエンコーダ２４および第２ロータリエンコーダ２６を用いて減衰特性を測定できるため、従来設けられていたトルク検出器をなくすことができ、その分だけコストを低減することができる。

また、本実施例によれば、第１トルク信号によって被試験体１２およびフライホイール２０を回転させ、被試験体１２およびフライホイール２０が回転した状態でステップ信号である第２トルク信号を入力し、このときの相対捩れ角を、第１ロータリエンコーダ２４および第２ロータリエンコーダ２６によって検出される回転角θ1,θ2から算出する。これにより、フライホイール２０を回転させた状態で試験するため、捩り試験装置１０の摩擦減衰項による減衰振動への影響が排除された自由端としての特性を備えながら、フライホイール２０の固有振動数が固定端とほぼ同値であるため、被試験体１２の減衰特性を１自由度モデルとして算出することできる。

また、本実施例によれば、フライホイール２０のイナーシャＭ２が、モータ１８のイナーシャＭ１の１００倍から３３３３倍の範囲に設定されることで、被試験体１２の他端側を固定端と見なすことができる。また、フライホイール２０のイナーシャＭ２の上限をモータ１８のイナーシャの３３３３倍とすることで、実用的なモータの範囲でフライホイール２０を回転させることが可能となる。

以上、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明したが、本発明はその他の態様においても適用される。

例えば、前述実施例では、モータ１８のイナーシャＭ１が０．０３kgm²、フライホイール２０のイナーシャＭ２が２０kgm²に設定されているが、これは一例であって、フライホイールのイナーシャＭ２が、モータのイナーシャＭ１の１００倍からモータによって回転可能な範囲であれば適宜変更することができる。

なお、上述したのはあくまでも一実施形態であり、本発明は当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を加えた態様で実施することができる。

１０：捩り試験装置
１２：被試験体
１８：モータ
２０：フライホイール（負荷部材）
２４：第１ロータリエンコーダ
２６：第２ロータリエンコーダ

Claims (3)

1. 被試験体の一端に接続されて前記被試験体を回転させるモータと、前記被試験体の一端の回転角を検出する第１ロータリエンコーダとを、含んで構成される捩り試験装置であって、
   前記被試験体の他端の回転角を検出する第２ロータリエンコーダと、
   前記被試験体の他端に接続され、前記モータからのトルクによって回転させられる負荷部材と、を備え、
   前記負荷部材のイナーシャは、前記モータのイナーシャの１００倍から該モータによって前記負荷部材が回転可能な範囲に設定されている
   ことを特徴とする捩り試験装置。
2. 前記負荷部材を回転させる第１トルク信号を前記モータに入力し、
   該負荷部材を回転させた状態で、ステップ信号である第２トルク信号を前記モータに入力したときの前記被試験体の相対捩れ角を、前記第１ロータリエンコーダおよび前記第２ロータリエンコーダによって検出される回転角から算出し、
   前記相対捩れ角から前記被試験体の減衰特性を算出する
   ことを特徴とする請求項１の捩り試験装置。
3. 被試験体の一端に接続されて前記被試験体を回転させるモータと、前記被試験体の一端の回転角を検出する第１ロータリエンコーダとを、含んで構成される捩り試験装置の測定方法であって、
   前記被試験体の他端の回転角を検出する第２ロータリエンコーダと、前記被試験体の他端に接続され、前記モータからのトルクによって回転させられる負荷部材とを、設け、
   前記負荷部材のイナーシャは、前記モータのイナーシャの１００倍から該モータによって前記負荷部材が回転可能な範囲に設定され、
   前記負荷部材を回転させる第１トルク信号を前記モータに入力し、
   該負荷部材を回転させた状態で、ステップ信号である第２トルク信号を前記モータに入力したときの前記被試験体の相対捩れ角を、前記第１ロータリエンコーダおよび前記第２ロータリエンコーダによって検出される回転角から算出し、
   前記相対捩れ角から前記被試験体の減衰特性を算出する
   ことを特徴とする捩り試験装置の測定方法。

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