JP2017096642A - 疲労損傷度推定装置および疲労損傷度推定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】疲労損傷度の推定精度を向上させることが可能な疲労損傷度推定装置および疲労損傷度推定方法を提供する。【解決手段】疲労損傷度推定装置は、車両を構成する構成部品における疲労の度合いを示す疲労損傷度を算出する際に用いられるパラメーターを検出するパラメーター検出部の検出結果を車両の単位走行距離毎に取得する取得部と、単位走行距離毎に取得された検出結果に基づいて、疲労損傷度を単位走行距離毎に算出する算出部と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、車両の疲労損傷度を推定する疲労損傷度推定装置および疲労損傷度推定方法に関する。

自動車などの車両を構成する部品には走行中の揺れや衝撃に応じて負荷がかかるため、負荷による疲労が蓄積される。蓄積された疲労は、部品の疲労寿命を短くすることになり、やがて、部品に破損を生じさせる。そのため、車両の部品の疲労寿命を予測するために、走行中にかかる負荷の大きさに対する車両の部品の疲労度合いを示す疲労損傷度を推定する手法が求められる。

例えば、特許文献１には、車両の部位に設けられたセンサーが検出する歪みや加速度に基づいて疲労損傷度を算出する疲労損傷度診断システムが開示されている。

特開２０１３−７９９２０号公報

ところで、推定される疲労損傷度は、例えば、今後どの程度、故障なく車両を走行させることができるかといったような部品の交換時期の目安を算出するために用いられる。そのため、車両のメンテナンスを効果的に行う上で、疲労損傷度を精度よく推定することが求められる。

しかしながら、上記特許文献１に記載の技術では、疲労損傷度を算出するために、所定の時間間隔毎に検出された歪みや加速度の全てを用いている。そのため、例えば、実際の走行距離が極端に少なく、停車時間が長い場合にも、検出される歪みや加速度の数が多いために車両の部品の疲労損傷度が大きくなってしまう。また、車両の部品の疲労損傷度に影響を与える大きさの歪みや加速度のサンプル数に対して、車両の部品の疲労損傷度に影響を与えないような大きさの歪みや加速度のサンプル数が多いため、歪みや加速度の頻度分布から疲労損傷度を適切に推定することができなかった。

本発明の目的は、疲労損傷度の推定精度を向上させることが可能な疲労損傷度推定装置および疲労損傷度推定方法を提供することである。

本発明に係る疲労損傷度推定装置は、
車両を構成する構成部品における疲労の度合いを示す疲労損傷度を算出する際に用いられるパラメーターを検出するパラメーター検出部の検出結果を前記車両の単位走行距離毎に取得する取得部と、
前記単位走行距離毎に取得された検出結果に基づいて、前記疲労損傷度を前記単位走行距離毎に算出する算出部と、
を備える。

本発明に係る疲労損傷度推定方法は、
車両を構成する構成部品における疲労の度合いを示す疲労損傷度を算出する際に用いられるパラメーターを検出するパラメーター検出部の検出結果を前記車両の単位走行距離毎に取得し、
前記単位走行距離毎に取得された検出結果に基づいて、前記疲労損傷度を前記単位走行距離毎に算出する。

本発明によれば、部品の破損を発生させ得る大きさの負荷のみを単位走行距離毎に記録して疲労損傷度を推定することにより、疲労損傷度の推定精度を向上させることができる。

本実施の形態における車両の構成を示す機能ブロック図である。 加速度検出部により検出される加速度振幅の時系列データの一例を示す図である。 取得部に記録される加速度振幅の時系列データの一例を示す図である。 レインフロー解析の結果の一例を示す表である。 本実施の形態における疲労損傷度推定処理の一例を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施の形態における車両１００の構成を示す機能ブロック図である。本実施の形態における車両１００は、例えば、運転者が乗車する運転席を収容するキャブと箱形の荷台とを有するトラック等の商用車両である。周知の構成なので詳しく図示しないが、車両１００は、車両１００を走行させる駆動系統の構成として、エンジン、クラッチ、変速機（トランスミッション）、推進軸（プロペラシャフト）、差動装置（デファレンシャルギヤ）、駆動軸（ドライブシャフト）および車輪を有する。エンジンの動力は、クラッチを経由して変速機に伝達され、変速機に伝達された動力は、推進軸、差動装置および駆動軸を介して車輪に伝達される。これにより、エンジンの動力が車輪に伝達されて車両１００が走行する。

図１に示すように、車両１００は、疲労損傷度推定装置１１０、加速度検出部１２０、走行距離検出部１３０、走行距離判定部１４０および表示部１５０を備える。そして、疲労損傷度推定装置１１０は、取得部１１１および算出部１１２を備える。

加速度検出部１２０は、例えば、車両１００を構成する各部品（例えば、車両１００のキャブを支持するマウント部を構成する後部の部品）に設けられる加速度センサーである。加速度検出部１２０は、所定時間間隔毎に部品に発生する振動の加速度を検出する。所定時間間隔とは、例えば、０．００５〜１秒程度、より好ましくは、０．００５秒〜０．１秒である。つまり、加速度検出部１２０は、好ましくは、１０Ｈｚ〜２００Ｈｚの周波数で加速度を検出する。

走行距離検出部１３０は、車両１００の速度や車輪の回転数等から走行距離を検出し、総走行距離を積算する。走行距離検出部１３０により積算される総走行距離は、車両１００に設けられるオドメーター（図示せず）に表示される距離である。走行距離検出部１３０は、積算する総走行距離を走行距離判定部１４０へ出力する。

走行距離判定部１４０は、車両１００の総走行距離が単位走行距離に到達したか否かを判定する。例えば、走行距離判定部１４０は、自身のカウンターをゼロに設定した後、走行距離検出部１３０から取得する総走行距離の増加に伴って、カウンターに走行距離を積算する。そして、走行距離判定部１４０は、カウンターに積算される走行距離が単位走行距離に到達したか否かを判定し、単位走行距離に到達する毎に、取得部１１１および算出部１１２に制御信号を出力する。制御信号には、単位走行距離の走行を開始した時刻と終了した時刻の情報が含まれていてもよい。単位走行距離とは、例えば、１ｋｍ〜１００ｋｍ、より好ましくは、１ｋｍ〜１０ｋｍの距離である。

取得部１１１は、加速度検出部１２０から取得した加速度振幅が部品の疲労損傷度に影響を与えるものとして予め定められた条件に適合するか否かを判定する。そして、取得部１１１は、単位走行距離の分、その条件に適合する加速度振幅を記録する。

具体的には、取得部１１１は、加速度振幅の値が部品の疲労損傷度に影響を与えるものとして予め定められた所定範囲に含まれるか否かを判定する。そして、取得部１１１は、所定範囲に含まれる値を有する加速度振幅のみを内部の記憶部（図示せず）に記録する。取得部１１１は、走行距離判定部１４０から取得する制御信号に基づき、単位走行距離毎に記録した加速度振幅を算出部１１２に出力する。例えば、単位走行距離が１０ｋｍの場合、取得部１１１は、車両１００が１０ｋｍ走行する毎に取得する制御信号に基づき、記録した加速度振幅を算出部１１２に出力する。

所定範囲とは、例えば、２つの異なる閾値によって規定される。２つの異なる閾値は、加速度検出部１２０が設けられる部品において疲労損傷度に影響を与えるか否かの境界を示す境界値である。そのため、閾値は、加速度検出部１２０が設けられる部品、および加速度検出部１２０の種類等によって異なる。例えば、車両１００のキャブを支持するマウント部を構成する後部の部品に設けられる加速度検出部１２０の場合、閾値は、−１［ｍ／ｓ^２］および１［ｍ／ｓ^２］である。そして、−１［ｍ／ｓ^２］以下、または、１［ｍ／ｓ^２］以上の範囲に含まれる加速度振幅は、疲労損傷度に影響を与える加速度振幅である。

算出部１１２は、単位走行距離毎の加速度振幅に基づいて、単位走行距離毎の疲労損傷度を算出する。具体的には、算出部１１２は、単位走行距離毎の加速度振幅の時系列データについて公知のレインフロー法による解析を行い、加速度振幅の大きさと、当該大きさの加速度振幅が単位走行距離あたりに発生した回数（つまり、単位走行距離あたりの発生頻度）とを算出する。そして、算出部１１２は、加速度振幅の大きさとその発生頻度とから疲労損傷度を算出する。

算出部１１２は、単位走行距離毎に推定した疲労損傷度を記録する。そして、算出部１１２は、ある一定数以上の疲労損傷度を記録した場合、疲労損傷度とその疲労損傷度の発生した回数とを算出し、疲労損傷度の頻度分布のデータを求める。

表示部１５０は、例えば、運転席の前面に設けられる液晶モニター等である。表示部１５０は、例えば、図示しない操作部に対する運転者の操作指示に応じて、疲労損傷度の頻度分布を表示する。

次に、図２〜図４を参照して、本実施の形態における疲労損傷度の算出の一例について説明する。図２〜図４に示す例は、車両１００のキャブを支持するマウント部を構成する後部の部品に設けられた加速度センサーが加速度振幅を検出する加速度検出部１２０として機能する場合の例である。また、図２〜図４に示す例は、説明の便宜上、加速度検出部１２０が６０秒間の加速度振幅を検出した結果のみを示している。

図２は、加速度検出部１２０により検出される加速度振幅の時系列データの一例を示している。図２の横軸は時間、縦軸は加速度振幅の大きさを示している。

図２には、一例として、所定時間間隔を１秒とした場合に、加速度検出部１２０によって取得される加速度振幅の時系列データが示されている。また、取得部１１１における２つの閾値を１［ｍ／ｓ^２］および−１［ｍ／ｓ^２］としている。つまり、加速度振幅の絶対値に対する閾値を１［ｍ／ｓ^２］としている。加速度振幅に対する２つの閾値は、部品の疲労損傷度に影響を与えるか否かの境界を示す境界値である。

この場合、取得部１１１は、加速度振幅が−１［ｍ／ｓ^２］以下、または、１［ｍ／ｓ^２］以上の所定範囲に含まれるか否かを判定する。そして、取得部１１１は、所定範囲に含まれる加速度振幅のみを記録する。所定範囲に含まれる加速度振幅は、疲労損傷度に影響を与える加速度振幅となる。つまり、取得部１１１は、所定範囲に含まれる加速度振幅のみを記録することにより、疲労損傷度に影響を与える加速度振幅のみを記録できる。

図３は、取得部１１１に記録される加速度振幅の時系列データの一例を示している。図３に示される時系列データは、図２に示したデータから−１［ｍ／ｓ^２］より大きく、かつ、１［ｍ／ｓ^２］より小さい値を有する加速度振幅を除いているため、取得部１１１に記録される加速度振幅のデータ量は、加速度検出部１２０が取得する１秒毎の加速度振幅のデータ量と比較して大幅に削減されている。

図４は、図３に示した加速度振幅の波形に対して、算出部１１２がレインフロー解析を行った結果を示す表である。図４において、全振幅は、加速度振幅の波形の１つの振幅の大きさを示し、回数はその振幅の大きさが発生した回数、つまり、図３に示した加速度振幅の波形あたりの発生頻度を示している。また、最大値（図４ではＭＡＸと記載）および最小値（図４ではＭＩＮと記載）は、それぞれ、それぞれの振幅における最大値と最小値を示し、平均値は、その振幅における最大値と最小値の平均を示している。算出部１１２は、単位走行距離毎に図４に示すような解析を行う。なお、図３に示した加速度振幅の波形に対するレインフロー解析の方法は、公知の方法であるため、具体的な説明は省略する。

算出部１１２は、図４に示したような加速度振幅の大きさとその大きさの加速度振幅の発生した回数を単位走行距離分の加速度振幅から算出し、加速度振幅の大きさとその発生頻度とから単位走行距離当りの疲労損傷度を算出する。

具体的には、まず、算出部１１２は、次式（１）を用いて、走行距離全体の疲労損傷度Ｄ_Σ［ｍ／ｓ^２］を算出する。
ここで、Ｋは、加速度振幅の解析結果における加速度振幅のレベル数である。例えば、図４に示した解析結果の場合、加速度振幅は６個の段階、つまり、６レベルの加速度振幅が存在しているため、Ｋは６である。また、α_ｉは、ｉ番目の加速度振幅の全振幅の半分の大きさ、Ｎ_ｉは、α_ｉの値の加速度振幅が発生した回数である。例えば、図４に示した解析結果において、上の行から順にｉ＝１〜６と番号を付した場合、ｉ＝１が付される全振幅６．３０では、α_１＝３．１５、Ｎ_１＝１となる。また、λは、材料の疲労試験で用いられるＳ−Ｎ曲線の傾きのパラメーターを示している。なお、λは、加速度検出部１２０が設けられた部品の材料等によって決められる定数である。

次に、算出部１１２は、次式（２）により、走行距離全体の疲労損傷度Ｄ_Σ［ｍ／ｓ^２］および単位走行距離Ｌ［ｋｍ］から単位走行距離当りの疲労損傷度Ｄ［（ｍ／ｓ^２）／ｋｍ］を算出する。
Ｄ＝Ｄ_Σ／Ｌ （２）

次に、図５を参照し、本実施の形態における疲労損傷度推定処理の例について説明する。疲労損傷度推定処理は、車両の走行中または停止中に関わらず、常に行われている。図５に示す疲労損傷度推定処理は、ある単位走行距離の疲労損傷度の推定開始から推定完了までの処理である。

まず、走行距離判定部１４０は、車両１００が単位走行距離の走行を行ったか否かを判定するために、自身のカウンターをゼロに設定した後、走行距離検出部１３０から取得する総走行距離に基づいて走行距離の積算を開始する（Ｓ１００）。

次に、取得部１１１は、加速度検出部１２０から加速度振幅を取得する（Ｓ１１０）。そして、取得部１１１は、取得した加速度振幅が所定範囲に含まれるか否かを判定する（Ｓ１２０）。判定の結果、加速度振幅が所定範囲に含まれる場合（Ｓ１２０にてＹＥＳ）、取得部１１１は、加速度振幅を記録する（Ｓ１３０）。そして、疲労損傷度推定処理は、Ｓ１４０へ移行する。一方で、判定の結果、加速度振幅が所定範囲に含まれない場合（Ｓ１２０にてＮＯ）、取得部１１１が加速度振幅を記録せずに、疲労損傷度推定処理は、Ｓ１４０へ移行する。

次に、走行距離判定部１４０は、現在の累積走行距離が単位走行距離に到達したか否かを判定する（Ｓ１４０）。判定の結果、現在の総走行距離が単位走行距離に到達した場合（Ｓ１４０にてＹＥＳ）、走行距離判定部１４０は、制御信号を取得部１１１および算出部１１２へ出力する。取得部１１１は、制御信号に基づき、記録した加速度振幅を算出部１１２へ出力する。判定の結果、現在の総走行距離が単位走行距離に到達していない場合（Ｓ１４０にてＮＯ）、疲労損傷度推定処理は、Ｓ１１０〜Ｓ１４０の処理を繰り返す。

算出部１１２は、取得部１１１から取得した加速度振幅に対してレインフロー解析を行い、単位走行距離毎の疲労損傷度を算出する（Ｓ１５０）。そして、算出部１１２は、単位走行距離毎の疲労損傷度を記録する（Ｓ１６０）。

図５に示す疲労損傷度推定処理は車両１００が単位走行距離を走行する毎に繰り返され、その結果、算出部１１２には単位走行距離毎の疲労損傷度が記録される。算出部１１２は、ある一定数以上の疲労損傷度を記録した場合、疲労損傷度とその疲労損傷度の発生した回数とを算出し、疲労損傷度の頻度分布のデータを求める。

以上詳しく説明したように、本実施の形態では、疲労損傷度推定装置１１０は、車両を構成する構成部品における疲労の度合いを示す疲労損傷度を算出する際に用いられるパラメーターを検出するパラメーター検出部（加速度検出部１２０）の検出結果を車両の単位走行距離毎に取得する取得部１１１と、単位走行距離毎に取得された検出結果に基づいて、疲労損傷度を単位走行距離毎に算出する算出部１１２と、を備える。

このように構成した本実施の形態によれば、パラメーター検出部の検出結果を単位走行距離毎に記録して疲労損傷度を推定することにより、疲労損傷度の推定精度を向上させることができる。

また、本実施の形態では、取得部１１１は、検出結果のうち、疲労損傷度に影響を与えるものとして予め定められた条件に適合する検出結果を前記単位走行距離毎に取得する。

このように構成した本実施の形態によれば、疲労損傷度に影響を与えない大きさの検出結果を記録する必要がないため、記録するデータの量を抑制できると共に、疲労損傷度の推定精度を更に向上させることができる。

なお、本実施の形態では、主に、車両１００のキャブを支持するマウント部を構成する後部の部品に設けられた加速度検出部１２０が加速度振幅を検出する場合について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、加速度検出部１２０は、車体の下部に設けられ、車体を支持するフレームの所定箇所に設けられていても良い。あるいは、加速度検出部１２０は、車体の下部に設けられ、エンジンの駆動力を車輪に伝達する車軸の各所に設けられていても良い。また、加速度検出部１２０は、車両に加わる振動を低減するために設けられるサスペンションの各所に設けられていても良い。

また、本実施の形態では、検出されるパラメーターを部品に発生する振動の加速度としたが、本発明はこれに限定されない。検出されるパラメーターは、部品に発生する歪みの量であってもよい。この場合、加速度検出部１２０の代わりに、車両を構成する部品に加わる歪みの量を検出する歪みゲージが設けられる。

また、検出されるパラメーターは、部品に加わる荷重の大きさであってもよい。この場合、加速度検出部１２０の代わりに、車両を構成する部品に加わる荷重の大きさを検出する荷重計が設けられる。例えば、荷重計は、車軸の各所に設けられていても良い。

また、本実施の形態では、取得部１１１における２つの閾値を１［ｍ／ｓ^２］および−１［ｍ／ｓ^２］とした場合を例にとって説明したが、本発明はこれに限定されない。閾値は、加速度検出部１２０が設けられる部品、および加速度検出部１２０の種類等によって異なる。

なお、本実施の形態では、加速度振幅の値の時系列データから、加速度振幅の大きさと加速度振幅が発生した頻度とを算出する手法として、レインフロー法を用いた解析を行う場合について説明したが、本発明はこれに限定されない。レインフロー法に限らず、ピークカウント法、レベルクロッシングカウント法などの公知の方法を用いても良い。

また、上記実施の形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の一例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその要旨、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

上記実施の形態で説明した疲労損傷度推定装置１１０の各機能は、コンピュータプログラムにより実現され得る。具体的には、コンピュータが備えるＣＰＵ（Central Processing Unit）が、記憶装置に記憶されたプログラムをＲＡＭ（Random Access Memory）にコピーし、そのプログラムに含まれる命令をＲＡＭから順次読み出して実行することにより、上述した各機能が実現される。

本発明は、疲労損傷度の推定精度を向上させることが可能な疲労損傷度推定装置および疲労損傷度推定方法として有用である。

１００ 車両
１１０ 疲労損傷度推定装置
１１１ 取得部
１１２ 算出部
１２０ 加速度検出部
１３０ 走行距離検出部
１４０ 走行距離判定部
１５０ 表示部

Claims (7)

1. 車両を構成する構成部品における疲労の度合いを示す疲労損傷度を算出する際に用いられるパラメーターを検出するパラメーター検出部の検出結果を前記車両の単位走行距離毎に取得する取得部と、
   前記単位走行距離毎に取得された検出結果に基づいて、前記疲労損傷度を前記単位走行距離毎に算出する算出部と、
   を備える、疲労損傷度推定装置。
2. 前記取得部は、前記検出結果のうち、前記疲労損傷度に影響を与えるものとして予め定められた条件に適合する検出結果を前記単位走行距離毎に取得する、
   請求項１に記載の疲労損傷度推定装置。
3. 前記条件は、前記疲労損傷度に影響を与えるものとして予め定められた範囲に前記検出結果の値が含まれるか否かという条件である、
   請求項２に記載の疲労損傷度推定装置。
4. 前記パラメーターは、前記構成部品に発生する振動の加速度である、
   請求項１から３のいずれか一項に記載の疲労損傷度推定装置。
5. 前記パラメーターは、前記構成部品に発生する歪み量である、
   請求項１から３のいずれか一項に記載の疲労損傷度推定装置。
6. 前記算出部は、前記取得部が取得した検出結果についてレインフロー解析を行い、前記検出結果の振幅の大きさと当該振幅が発生した頻度を算出し、前記振幅の大きさと前記頻度に基づいて、前記疲労損傷度を算出する、
   請求項１から５のいずれか一項に記載の疲労損傷度推定装置。
7. 車両を構成する構成部品における疲労の度合いを示す疲労損傷度を算出する際に用いられるパラメーターを検出するパラメーター検出部の検出結果を前記車両の単位走行距離毎に取得する取得し、
   前記単位走行距離毎に取得された検出結果に基づいて、前記疲労損傷度を前記単位走行距離毎に算出する算出する、
   疲労損傷度推定方法。