JP2018036269A - ステアリングシステムの異音検出方法及びステアリングシステムの評価装置 - Google Patents

ステアリングシステムの異音検出方法及びステアリングシステムの評価装置 Download PDF

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Abstract

【課題】ステアリングシステムから発生する異音をＳ／Ｎ比を高めて正確に検出可能なステアリングシステムの異音検出方法及びステアリングシステムの評価装置を提供する。【解決手段】ステアリングホイール１３を回転可能に支持するコラムシャフト１５を有し、コラムシャフト１５の回転に応じて車輪を転舵させるステアリングシステム１１からの異音を検出する。コラムシャフト１５のステアリングホイール側のコラムシャフト端部４５に対面して配置されるマイクロホン３１を用いて、コラムシャフト端部４５からの音を計測する。そして、マイクロホン３１から出力される音信号からステアリングシステム１１に起因する異音検出信号を生成する。【選択図】図２

Description

本発明は、ステアリングシステムの異音検出方法及びステアリングシステムの評価装置に関する。
ステアリングシステムに起因する異音の最終検査は、車両の走行試験において、テストドライバーがステアリングシステムに起因する異音をそれ以外の騒音と聞き分けて評価することで行われる。しかし、車両の車室内の騒音はタイヤロードノイズやエンジンノイズが支配的であり、ステアリングシステムに起因する異音のＳ／Ｎ比は小さいため、ステアリングシステムに起因する異音を聴感で聞き分けることは困難な場合が多い。
また、テストドライバーの耳位置近傍に設置したマイクロホンで音を検出し、その音信号に基づいて評価を行うとしても、ステアリングシステムに起因する異音の成分のみを抽出することは難しいのが実情であった。
そこで、ステアリングシステムに起因する異音を検出する技術として、ギヤ噛合部に繰り返し振動を入力し、ギヤ噛合部の回転に原因して生ずる異音を電動パワーステアリング装置の下部に取り付けたマイク又は加速度センサで検出することが知られている（例えば、特許文献１参照）。
特許第４３８２６４７号公報
しかしながら、上記特許文献１の技術では、電動ステアリング装置の下部で検出した異音と実際に車内で聞こえる異音とは必ずしも一致せず、検出された音や振動に問題がなくても車両の走行試験で不合格になる場合があった。また、マイク又は加速度センサの取り付けスペースが確保できないこともあり、電動ステアリング装置を車両に組み付けた状態でステアリングシステム全体の評価を行うことが難しかった。
本発明の目的は、ステアリングシステムから発生する異音をＳ／Ｎ比を高めて正確に検出可能なステアリングシステムの異音検出方法及びステアリングシステムの評価装置を提供することにある。
本発明は下記構成からなる。
（１） ステアリングホイールを回転可能に支持するコラムシャフトを有し、前記コラムシャフトの回転に応じて車輪を転舵させるステアリングシステムからの異音を検出するステアリングシステムの異音検出方法であって、
前記コラムシャフトの前記ステアリングホイール側のコラムシャフト端部に対面して配置されるマイクロホンを用いて、前記コラムシャフト端部からの音を計測し、
前記マイクロホンから出力される音信号から前記ステアリングシステムに起因する異音検出信号を生成する
ステアリングシステムの異音検出方法。
（２） ステアリングホイールを回転可能に支持するコラムシャフトを有し、前記コラムシャフトの回転に応じて車輪を転舵させるステアリングシステムからの異音を検出するステアリングシステムの評価装置であって、
前記コラムシャフトの前記ステアリングホイール側のコラムシャフト端部に対面して配置されるマイクロホンと、
前記ステアリングシステムを支持し、振動を付与する加振器を備える架台と、
前記加振器により前記架台に振動を付与しながら、前記マイクロホンを用いて、前記コラムシャフト端部からの音を計測し、前記マイクロホンから出力される音信号から前記ステアリングシステムに起因する異音検出信号を生成する検出装置と、
を備えるステアリングシステムの評価装置。
本発明によれば、ステアリングシステムから発生する異音を正確に検出できる。
本発明の異音検出方法により異音を検出するステアリングシステムの斜視図である。 マイクロホンが設置されたステアリングホイール及び検出装置の概略構成図である。 マイクロホンの配置についての詳細を示す説明図である。 車両に搭載されたステアリングシステムの異音検出の一形態を示す説明図である。 コラムシャフトとマイクロホンとの配置関係を模式的に示す説明図である。 ステアリングシステム単体の異音を検出する一形態を示す説明図である。 実施例１における検出された音声信号のスペクトログラムである。 比較例１における検出された音声信号のスペクトログラムである。 実施例１及び比較例１における平均スペクトルを示すグラフである。 図９に示す実施例１の音圧の周波数スペクトルに、バンドパスフィルターによるマスク処理を施した場合のスペクトルを示すグラフである。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図１は本発明の異音検出方法により異音を検出するステアリングシステムの斜視図である。以下、車両の進行方向を前方、進行方向とは反対の後退方向を後方と称して説明する。
ステアリングシステム１１は、ステアリングホイール１３が、コラムシャフト１５の後端部に回転操作可能に支持される。コラムシャフト１５は、円筒状のステアリングコラム１７を軸方向に挿通した状態で、このステアリングコラム１７に回転自在に支持する。コラムシャフト１５は、その前端部が、自在継手１９を介して中間シャフト２１の後端部に接続される。中間シャフト２１の前端部は、別の自在継手２３を介して、ステアリングギヤユニット２５の入力軸２７に接続される。ステアリングギヤユニット２５は、入力軸２７の回転を、車両の前車輪に連結されて車幅方向に延出した左右一対の操舵軸２９に伝達する。
このステアリングシステム１１においては、ステアリングホイール１３が回転操作されることで、コラムシャフト１５及び中間シャフト２１を介して入力軸２７が回転される。そして、入力軸２７の回転に伴って操舵軸２９が軸方向に移動し、前車輪が転舵されて舵角が付与される。
図２はマイクロホンが設置されたステアリングホイール及び検出装置の概略構成図である。本構成による異音検出方法は、マイクロホン３１と、検出装置３３とを用いてステアリングシステムからの異音を検出する。
マイクロホン３１は、先端に集音部３５を有し、この集音部３５で音を捉え、音信号を出力する。このマイクロホン３１としては、例えば、ダイナミックマイクやコンデンサマイク等の種々の方式のものが使用可能である。
マイクロホン３１は、ステアリングホイール１３に対面して配置される。その際、ステアリングホイール１３は、エアバックモジュール等の付属部材をホイール本体から取り外し、コラムシャフト１５の端部４５を露出させた状態にする。ここでは一例として端部５４が雄ねじ部である場合を示しているが、端部４５に取り付けられた部品が露出した構成であってもよい。
マイクロホン３１は、コラムシャフト１５よりも車両後方側に配置され、マイクロホン３１の集音部３５を、コラムシャフト１５の端部４５との対向位置に配置される。
マイクロホン３１は、信号ケーブル３２を介して検出装置３３に接続される。検出装置３３は、周波数分析部３７と、ラトル音成分抽出部３９と、評価部４１とを備える。検出装置３３の処理内容の詳細については後述するが、周波数分析部３７は、マイクロホン３１から出力される音信号に基づいて周波数分析を行う。ラトル音成分抽出部３９は、周波数分析部３７による周波数分析結果から、ステアリングシステム１１を構成する各部品が相対変位した際の衝突に起因するラトル音成分を抽出する。評価部４１は、ラトル音成分抽出部３９が抽出したラトル音成分に基づいて評価値を求め、ステアリングシステム１１の異音の評価を行う。
図３はマイクロホン３１の配置についての詳細を示す説明図である。
コラムシャフト１５の端部４５とマイクロホン３１との間の距離Ｌは、５０ｍｍ以下とする。なお、マイクロホン３１は、コラムシャフト１５と干渉しない程度にコラムシャフト１５の端部４５に近付けて設置するのが好ましく、距離Ｌを１０ｍｍ以下とするのがより好ましい。
マイクロホン３１は、コラムシャフト１５の軸線Ｘ上に配置されることが好ましいが、集音部３５がコラムシャフト１５の端部４５と対向していれば、コラムシャフト１５の軸線Ｘに対して傾斜していてもよい。例えば、マイクロホン３１の指向性にもよるが、コラムシャフト１５の軸線Ｘからの傾き角θは±５０°、好ましくは±３０°の範囲であればよい。
上記のようにマイクロホン３１は、コラムシャフト１５の端部４５とマイクロホン３１との間を、空気層のみからなる空間Ｓとした状態で設置することが好ましい。つまり、マイクロホン３１は、コラムシャフト１５の端部４５との間で音が遮断されない、又は殆ど遮断されない状態で設置させる。
次に、上記のステアリングシステム１１に対する異音検出方法について説明する。
＜車両走行検査＞
まず、ステアリングシステム１１を、車両に搭載し、車両と一体にされた状態で異音を検出する形態を説明する。
（異音の検出）
図４は車両に搭載されたステアリングシステムの異音検出の一形態を示す説明図である。図示例の形態においては、ステアリングシステム１１を車両Ｖに搭載した状態で、車両Ｖを走行させながら、ステアリングシステム１１からの異音を検出する。
まず、検出装置３３を作動させて車両Ｖを走行させる。このとき、例えば、ベルジアン路等の石畳の路面や、丸みを帯びた石の一部を１０ｃｍ〜１００ｃｍのピッチで規則的又は不規則に地面に埋め込んで並べた玉石路等の、凹凸のある道路Ｒを１０ｋｍ／ｈ〜４０ｋｍ／ｈの速度で走行させる。
そして、車両Ｖの走行中に、マイクロホン３１を用いてコラムシャフト１５の端部４５から発せられる音を検出する。マイクロホン３１は、検出された音を音信号として検出装置３３に出力する。
（異音信号の処理）
検出装置３３は、マイクロホン３１からの音信号を、周波数分析部３７に入力し、周波数分析を行う。周波数分析部３７は、音信号の周波数毎の音圧強度分布である周波数スペクトルを求め、求めた周波数スペクトルを、ラトル音成分抽出部に出力する。
ラトル音成分抽出部３９は、周波数分析部３７から出力される周波数スペクトルから、ステアリングシステム１１に起因する異音信号であるラトル音成分を抽出する。具体的には、ラトル音成分抽出部３９は、入力された周波数スペクトルから、ハイパスフィルター、ローパスフィルター、あるいはバンドパスフィルターを用いて、ラトル音となる聴感で３００Ｈｚ〜８ｋＨｚの周波数帯の音圧強度を選択的に抽出し、その信号を異音信号とする。なお、ラトル音の抽出周波数帯としては、５００Ｈｚ〜５ｋＨｚの周波数帯とし、その周波数帯の音圧強度を抽出するのがより好ましい。
（異音信号の評価）
評価部４１は、得られた異音信号の音圧強度が、例えば、予め設定した許容範囲内であるか否かを判断し、ステアリングシステム１１を評価する。
本方式によるステアリングシステムの異音検出方法によれば、コラムシャフト１５の端部４５の対向位置に配置されたマイクロホン３１によって、ステアリングシステム１１の異音を検出する。ステアリングシステム１１は、全ての部品がコラムシャフト１５の端部４５に繋がっているため、コラムシャフト１５の端部４５からステアリングシステム１１内の音が発せられる。この音を検出することで、ステアリングシステム内部の騒音を正確に把握できる。また、コラムシャフト１５の端部４５を音源として、ステアリングホイール１３そのものが音を増幅するため、ステアリングホイール１３の対向位置にマイクロホン３１を配置することで、音信号のＳ／Ｎ比をより向上させることができる。
これにより、ステアリングシステム１１の作動時に、ステアリングシステム１１の各構成部品同士が接触して生じるラトル音を、マイクロホン３１から高感度で計測できる。
また、コラムシャフト１５の端部４５とマイクロホン３１との間の距離Ｌを５０ｍｍ以下とすることで、より高感度にステアリングシステム１１の異音を計測できる。
図５はコラムシャフト１５とマイクロホン３１との配置関係を模式的に示す説明図である。同図に示すように、コラムシャフト１５の端部４５とマイクロホン３１との間は、空気層のみからなる空間Ｓとしている。しかし、これに限らず、空間Ｓの一部に、音の伝播を遮蔽しない又は遮蔽効果の低いシートやカバー等の部材４７が配置されていてもよい。
例えば、部材４７が、ラトル音を含む特定周波数成分を通過させ、他の周波数成分を遮る効果を有していれば、ラトル音成分抽出部３９による信号処理を簡単化、又は省略することもできる。
本方式では、マイクロホン３１で計測された音から、ステアリングシステム１１に起因するラトル音の周波数帯域を含む３００Ｈｚ〜８ｋＨｚの周波数帯の音圧強度を選択的に抽出することで、ラトル音をより正確に評価できる。これにより、ステアリングシステム１１を搭載した車両Ｖを走行させて異音を検出する際、車両走行時のタイヤノイズ等、他の音成分による影響を受けることなく、常に安定して正確な異音の評価が行える。
また、マイクロホン３１は、コラムシャフト１５の端部４５に対向して配置されていれば、その支持構造は限定されない。マイクロホン３１は、ステアリングホイール１３に一体的に支持させるのが好ましく、このようにマイクロホン３１をステアリングホイール１３に支持させれば、マイクロホン３１がステアリングホイール１３の操作に邪魔にならず、周囲部材との干渉を生じることもない。
＜変形例＞
上記例では、マイクロホン３１のみを用いてステアリングシステム１１からの異音を計測しているが、振動を検出する振動センサ４３を併用してもよい。その場合、図３に示すように、振動センサ４３をコラムシャフト１５の端部４５等のコラムシャフト１５に接続される位置に取り付け、この振動センサ４３によりコラムシャフト１５の振動を検出する。振動センサ４３は、検出した振動を振動検出信号として検出装置３３に出力する。検出装置３３は、入力された振動検出信号を前述した音圧強度と併せて評価する。
振動センサ４３としては、加速度センサとしては、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）技術を応用したＭＥＭＳ加速度センサや、圧電型加速度センサ等、種々の方式のセンサが使用可能である。
検出装置３３は、検出された振動の強度に基づいて評価してもよく、入力された振動検出信号を周波数分析して、特定の周波数帯のスペクトル強度に基づいて評価してもよい。スペクトル強度を用いることで、ノイズ成分が低減して高精度な評価が可能となる。また、音圧強度に基づく評価との相乗効果によって、より信頼性の高い評価が行える。
＜ステアリングシステムの単体検査＞
次に、ステアリングシステム単体の異音を検出する形態を説明する。
図６はステアリングシステム単体の異音を検出する一形態を示す説明図である。図示例の形態においては、ステアリングシステム１１を架台５１に単体で搭載した状態で異音検出を行う。
架台５１は、矩形状の底板部５３と、底板部５３の各角部に立設された柱部５５と、これらの柱部５５の上端に固定された枠体５７とを備え、ステアリングシステム１１を車載時と同様に支持する。
架台５１には、加振器６１が設けられる。加振器６１は、架台５１に支持されたステアリングシステム１１に振動を任意に付与できる。例えば、車両Ｖが走行する際に生じる振動と同じ振動パターンをステアリングシステム１１に付与することで、ステアリングシステム１１は、架台５１に支持された状態で実走行時に加わる振動が付与される。なお、図示していないが、振動を付与する部位は、タイロッドである操舵軸２９であってもよく、加振方向は操舵軸２９の軸方向だけでなく、鉛直方向であってもよい。また、ステアリングギヤユニット２５を鉛直方向に加振しても良い。更に、上記各部を個別に加振してもよく、同時に加振してもよい。これにより、ステアリングシステム１１に擬似的な走行状態を再現できる。
本構成の場合も、図２に示す構成と同様のマイクロホン３１と検出装置（評価装置）３３を用いて、ステアリングシステム１１から発生する音を計測することで、人間の知覚に沿ったステアリングシステム１１の評価が行える。また、マイクロホン３１と振動センサ４３とを同時に使用して、ステアリングシステム１１の評価を行ってもよい。その場合、評価結果の信頼性をより向上できる。
このように、本方式によれば、ステアリングシステム１１を車両Ｖに搭載させることなく、車両Ｖの走行時に近い状況で、ステアリングシステム１１から生じる異音を正確、且つ確実に検出できる。
上記の各異音検出方法によれば、コラムシャフト１５の端部４５の対向位置にマイクロホン３１を配置することで、ステアリングシステム１１から発せられるラトル音等の異音を確実に検出できる。また、テストドライバーの耳位置に配置されたマイクロホンでは検出が困難であったラトル音を、人の聴覚に即した強度で、正確に検出できる。また、マイクロホン３１をステアリングシステム１１の下部に設置するスペースがない場合でも、簡便にコラムシャフト１５に取り付け可能となり、異音検査の自由度を向上できる。
以上説明したように、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、実施形態の各構成を相互に組み合わせることや、明細書の記載、並びに周知の技術に基づいて、当業者が変更、応用することも本発明の予定するところであり、保護を求める範囲に含まれる。
ここで、車両Ｖを、例えば車速１５ｋｍ／ｈで凹凸路上を走行させた際のステアリングシステム１１の異音を検出した結果を説明する。
実施例１として、コラムシャフト１５の端部４５との対向位置に配置したマイクロホン３１を用いて、コラムシャフト１５から発せられる音を検出した。コラムシャフト１５とマイクロホン３１との距離Ｌは１５ｍｍとした。また、比較例１として、テストドライバーの耳位置に配置したマイクロホンによって音を検出した。
（評価結果）
図７は実施例１における検出された音信号のスペクトログラムであり、図８は比較例１における検出された音声信号のスペクトログラムである。図７に示すように、実施例１では、５００Ｈｚ〜２０００Ｈｚにラトル音成分である断続的なピークが検出された。これに対して比較例１では、図８に示すように、ラトル音成分である断続的なピークが明瞭に検出されなかった。
図９は実施例１及び比較例１における平均スペクトルを示すグラフである。同図より実施例１及び比較例１の平均スペクトルを比較すると、実施例１では、５００Ｈｚ〜２０００Ｈｚにおける支配的なピークレベルが高い。
図１０は図９に示す実施例１の音圧の周波数スペクトルに、バンドパスフィルターによるマスク処理を施した場合のスペクトルを示すグラフである。同図に示すように、３００Ｈｚ〜５０００Ｈｚのバンドパスフィルターによりマスク処理を施すと、ラトル音成分のスペクトル強度を選択的に抽出できる。これにより、人の聴覚に即したラトル音の診断や評価が可能となる。
以上の通り、本明細書には次の事項が開示されている。
（１）ステアリングホイールを回転可能に支持するコラムシャフトを有し、前記コラムシャフトの回転に応じて車輪を転舵させるステアリングシステムからの異音を検出するステアリングシステムの異音検出方法であって、
前記コラムシャフトの前記ステアリングホイール側のコラムシャフト端部に対面して配置されるマイクロホンを用いて、前記コラムシャフト端部からの音を計測し、
前記マイクロホンから出力される音信号から前記ステアリングシステムに起因する異音検出信号を生成する
ステアリングシステムの異音検出方法。
このステアリングシステムの異音検出方法によれば、コラムシャフト端部に対面するマイクロホンにより、コラムシャフト端部からの音を計測することで、ステアリングシステムからの異音が増幅されて、Ｓ／Ｎ比が改善された状態で検出できる。また、計測された音の音信号は、Ｓ／Ｎ比が大きいため、ステアリングシステムに起因する異音を容易に検出できる。
（２） 前記ステアリングホイールが前記コラムシャフトに取り付けられた状態で行う（１）に記載のステアリングシステムの異音検出方法。
このステアリングシステムの異音検出方法によれば、実走行時と略同じ状態で異音検出が行え、検出精度を向上できる。
（３）前記コラムシャフト端部と前記マイクロホンとの間の距離を５０ｍｍ以下にする（１）に記載のステアリングシステムの異音検出方法。
このステアリングシステムの異音検出方法によれば、コラムシャフト端部とマイクロホンとの距離を近付けることで、コラムシャフト端部からの音をより大きな音圧で計測できる。
（４）前記コラムシャフト端部と前記マイクロホンとの間は、空気層のみからなる空間である（１）〜（３）のいずれか一つに記載のステアリングシステムの異音検出方法。
このステアリングシステムの異音検出方法によれば、コラムシャフト端部からの音を遮蔽されることなく、そのまま計測できる。
（５）前記マイクロホンにより計測された音の周波数スペクトルを求め、
求めた前記周波数スペクトルの３００Ｈｚ〜８ｋＨｚの周波数帯のスペクトル強度を抽出した信号を前記異音検出信号とする（１）〜（４）のいずれか一つに記載のステアリングシステムの異音検出方法。
このステアリングシステムの異音検出方法によれば、計測された音の音信号からラトル音成分が選択的に抽出されるため、ステアリングシステムの異音をより正確に評価できる。
（６）前記ステアリングシステムを搭載した車両を走行させて前記マイクロホンによる音の検出を行う（１）〜（５）のいずれか一つに記載のステアリングシステムの異音検出方法。
このステアリングシステムの異音検出方法によれば、ステアリングシステムの車両搭載状態における異音検出が行え、より高精度な評価が行える。
（７）加振器を備える架台に搭載された前記ステアリングシステムを、前記加振器により前記架台に振動を付与しながら前記マイクロホンによる音の検出を行う（１）〜（５）のいずれか一つに記載のステアリングシステムの異音検出方法。
このステアリングシステムの異音検出方法によれば、擬似的にステアリングシステムの走行時の異音を検出でき、発生する異音の評価を簡便に行える。
（８） ステアリングホイールを回転可能に支持するコラムシャフトを有し、前記コラムシャフトの回転に応じて車輪を転舵させるステアリングシステムからの異音を検出するステアリングシステムの評価装置であって、
前記コラムシャフトの前記ステアリングホイール側のコラムシャフト端部に対面して配置されるマイクロホンと、
前記ステアリングシステムを支持し、振動を付与する加振器を備える架台と、
前記加振器により前記架台に振動を付与しながら、前記マイクロホンを用いて、前記コラムシャフト端部からの音を計測し、前記マイクロホンから出力される音信号から前記ステアリングシステムに起因する異音検出信号を生成する検出装置と、
を備えるステアリングシステムの評価装置。
このステアリングシステムの評価装置によれば、擬似的にステアリングシステムの走行時の異音を検出でき、発生する異音の評価を簡便に行える。
１１ ステアリングシステム
１３ ステアリングホイール
１５ コラムシャフト
２９ 操舵軸
３１ マイクロホン
３３ 検出装置（評価装置）
４５ 端部（コラムシャフト端部）
５１ 架台
６１ 加振器
Ｓ 空間
Ｖ 車両

Claims (5)

  1. ステアリングホイールを回転可能に支持するコラムシャフトを有し、前記コラムシャフトの回転に応じて車輪を転舵させるステアリングシステムからの異音を検出するステアリングシステムの異音検出方法であって、
    前記コラムシャフトの前記ステアリングホイール側のコラムシャフト端部に対面して配置されるマイクロホンを用いて、前記コラムシャフト端部からの音を計測し、
    前記マイクロホンから出力される音信号から前記ステアリングシステムに起因する異音検出信号を生成する
    ステアリングシステムの異音検出方法。
  2. 前記ステアリングホイールが前記コラムシャフトに取り付けられた状態で行う請求項１に記載のステアリングシステムの異音検出方法。
  3. 前記ステアリングシステムを搭載した車両を走行させて前記マイクロホンによる音の検出を行う請求項１又は請求項２に記載のステアリングシステムの異音検出方法。
  4. 加振器を備える架台に搭載された前記ステアリングシステムを、前記加振器により前記架台に振動を付与しながら前記マイクロホンによる音の検出を行う
    請求項１又は請求項２に記載のステアリングシステムの異音検出方法。
  5. ステアリングホイールを回転可能に支持するコラムシャフトを有し、前記コラムシャフトの回転に応じて車輪を転舵させるステアリングシステムからの異音を検出するステアリングシステムの評価装置であって、
    前記コラムシャフトの前記ステアリングホイール側のコラムシャフト端部に対面して配置されるマイクロホンと、
    前記ステアリングシステムを支持し、振動を付与する加振器を備える架台と、
    前記加振器により前記架台に振動を付与しながら、前記マイクロホンを用いて、前記コラムシャフト端部からの音を計測し、前記マイクロホンから出力される音信号から前記ステアリングシステムに起因する異音検出信号を生成する検出装置と、
    を備えるステアリングシステムの評価装置。
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