JP2773473B2

JP2773473B2 - 回転体のアンバランス測定装置

Info

Publication number: JP2773473B2
Application number: JP19539691A
Authority: JP
Inventors: 今朝雄菅野; 貴信金子
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1991-08-05
Filing date: 1991-08-05
Publication date: 1998-07-09
Anticipated expiration: 2013-07-09
Also published as: JPH0540070A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、例えば車両のプロペ
ラシャフトのような回転体のアンバランス量を測定する
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のアンバランス測定装置としては、
例えば図１０に示すようなものがある。図１０におい
て、１はトランスミッションのエクステンション、２は
第１プロペラシャフト、３はセンターベアリング、４は
第２プロペラシャフト、５はディファレンシャル・ギ
ア、６、７、８はそれぞれ接続用のジョイントであり、
上記の部分は車両の駆動系の構成である。また、１０は
第２プロペラシャフト４に接着された反射テープ、１１
は第２プロペラシャフト４に光を照射し、反射テープ１
０からの反射波を検出することによって回転速度を検出
する光ファイバセンサである。また、１２は光ファイバ
センサ１１の出力を電圧出力に変換するアンプ、１３は
ディファレンシャル・ギア下部に接着された加速度セン
サ、１４は加速度センサアンプ、１５はアンバランス演
算装置である。

【０００３】上記の装置において、光ファイバセンサア
ンプ１２からは、図１１（ａ）に示すような回転速度に
応じた周期のパルス電圧が出力される。上記の信号をア
ンバランス演算装置１５でフーリエ変換すると、図１１
（ｂ）に示すように、一定回転速度ならば所定の周波数
ｆpにピークスペクトルが生じる。同様に、加速度セン
サ１４の出力は図１２（ａ）に示すようになり、それを
フーリエ変換した結果は図１２（ｂ）に示すようにな
る。上記図１１（ｂ）に示した光パルスのフーリエ変換
結果は下記（数１）式、上記図１２（ｂ）に示した加速
度センサ信号のフーリエ変換結果は下記（数２）式で示
され、光パルスと加速度の間の位相差θは下記（数３）
式で求めることが出来る。

【０００４】

【数１】

【０００５】

【数２】

【０００６】

【数３】

【０００７】上記のごとき計測を、プロペラシャフトに
取付けるウエイトを交換して２回行なうと、図１３に示
すように、大きさが｜Ｆy₁(ω)｜で位相角がθ₁のベク
トルと、大きさが｜Ｆy₂(ω)｜で位相角がθ₂の２つの
ベクトルとが求められ、これらの合成ベクトルがプロペ
ラシャフトのアンバランスのベクトルとなる。したがっ
て上記の合成ベクトルと逆方向のベクトルＷに対応した
大きさと位相角θxを持つバランス用ウエイトをプロペ
ラシャフトに取付ければ、プロペラシャフトのアンバラ
ンスを解消することが出来る。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記のような従来のア
ンバランス測定装置においては、加速度センサ１３の取
付け位置によって検出信号のレベルが変化したり、また
プロペラシャフトの回転速度によって振動のレベルが変
化し、共振点では非常に大きくなるので加速度センサの
検出信号が大幅に変化する。そして振動検出のレベルが
小さい場合にはエンジン等の振動に埋もれてＳ／Ｎが小
さくなり、またレベルが大きすぎるとスケールオーバす
る畏れがあり、そのような場合には正確な測定を行なう
ことが出来ない。そして不正確な計測結果に基づいてア
ンバランス量を演算し、バランス用ウエイトをプロペラ
シャフトに取り付けると、さらに振動が増大してしまう
ということがあり、正確なバランス調整が困難である、
という問題があった。また、正確な計測を行なうために
は、被検査車両にセンサ類を取り付けた段階で、検査員
が予めセンサ入力のチェックを行ない、適正なレベルに
なるようにセンサの取付け位置、アンプのゲイン、フィ
ルタのカットオフ周波数等を調整する必要があり、さら
に共振点でスケールオーバするような場合は、その都
度、調整をし直す必要があるので、検査員の手数が大変
であり、時間工数が大きくなるという問題があった。

【０００９】本発明は上記のごとき従来技術の問題を解
決するためになされたものであり、正確なアンバランス
測定を簡単な操作で容易に行なうことの出来る回転体の
アンバランス測定装置を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め本発明においては、特許請求の範囲に記載するように
構成している。図１は、本発明の構成を示すブロック図
である。図１において、５０は、回転体の回転速度に応
じた信号を出力する回転検出手段であり、例えば後記図
２の光ファイバセンサ２２に相当する。また、５１は、
回転検出手段５０の出力のフィルタリングと増幅を行な
い、かつカットオフ周波数の調整可能な第１のフィルタ
増幅手段であり、例えば後記図２のフィルタ２５とアン
プ２７の部分に相当する。また、５２は、回転体の支持
部に取付けられ、該支持部の振動を検出する振動検出手
段であり、例えば後記図２の加速度センサ２１に相当す
る。また、５３は、振動検出手段５２の出力のフィルタ
リングと増幅を行ない、かつカットオフ周波数とゲイン
の調整可能な第２のフィルタ増幅手段であり、例えば後
記図２のフィルタ２４とアンプ２６の部分に相当する。
また、５４は、第１のフィルタ増幅手段５１と第２のフ
ィルタ増幅手段５３とを介して与えられる回転検出手段
５０と振動検出手段５２の信号をそれぞれフーリエ変換
するフーリエ変換手段である。なお、フーリエ変換につ
いては詳細を後述する。また、５５は、フーリエ変換手
段５４による変換結果から回転体のアンバランス量およ
びアンバランス位置を演算するアンバランス演算手段で
ある。なお、上記の演算については後記図５で詳述す
る。また、５６は、回転検出手段５０の検出信号をフー
リエ変換手段５４で変換した周波数スペクトルのピーク
周波数を検出し、かつ振動検出手段５２の検出信号をフ
ーリエ変換手段５４で変換した値が所定範囲内にあるか
否かを判定する判定手段である。なお、この検出判定演
算については後記図３、図４で詳述する。上記のフーリ
エ変換手段５４、アンバランス演算手段５５、判定手段
５６の部分は、後記図２の演算部２３に相当し、例えば
マイクロコンピュータ等を用いて構成することが出来
る。また、５７は、判定手段５６の検出判定結果に基づ
き、上記ピーク周波数に応じて第１および第２のフィル
タ増幅手段５１、５３のカットオフ周波数を、上記判定
結果に応じて第２のフィルタ増幅手段５３のゲインを、
自動的に調整する調整手段であり、例えば、後記図２の
可変周波数発振器３０、リレー３１、３２および演算部
２３の部分に相当する。また、５８は、アンバランス演
算手段５５の演算結果を表示する表示手段であり、例え
ば後記図２のサーマルプリンタのようなハードコピーを
作るプリンタ２９や液晶表示器２８等に相当する。

【００１１】

【作用】上記のように本発明においては、カットオフ周
波数やゲインの調整可能な第１および第２のフィルタ増
幅手段５１、５３および判定手段５６、調整手段５８を
設け、フーリエ変換手段５４で変換した結果に基づい
て、アンプのゲインやフィルタのカットオフ周波数を適
正値とするように自動的に調整するように構成してい
る。したがって実際のアンバランス計測を行なう前に、
回転検出手段（光ファイバセンサ）と振動検出手段（加
速度センサ）の検出信号の状態が計測に適した状態に自
動的に調整されるので、計測の前処理工程が大幅に簡略
化され、正確なアンバランス計測を短時間で容易に行な
うことが出来る。

【００１２】

【実施例】図２は、本発明の一実施例のブロック図であ
る。なお、車両のプロペラシャフトのアンバランスを測
定する場合における車両の駆動系や各センサの取付け状
態は前記図１０と同様である。図２において、２１は、
回転体の支持部の振動を検出する加速度センサであり、
前記図１０の加速度センサ１３に相当する。また、２２
は回転体の回転速度を検出する光ファイバセンサであ
り、前記図１０の光ファイバセンサ１１に相当する。ま
た、２４、２５はフィルタである。これらのフィルタは
可変周波数発振器３０の信号に応じてカットオフ周波数
が可変になっている。また、２６、２７はアンプであ
り、アンプ２６はリレー３１、３２の接点３３、３４の
開閉に応じてゲインが可変になっている。また、２３は
演算部であり、例えばマイクロコンピュータで構成され
る。また、２８は液晶表示器、２９はプリンタである。
また、可変周波数発振器３０は、例えば水晶発振器であ
り、演算部２３から与えられる制御信号（例えば３ビッ
トの信号）に応じて発振周波数が可変になっている。ま
た、リレー３１、３２は、演算部２３から与えられる制
御信号に応じて接点３３、３４を開閉する。

【００１３】次に、この実施例の作用について説明す
る。まず、周波数スペクトル分析およびフーリエ変換の
方法について簡単に説明する。周波数スペクトル分析
は、まず、図７に示すように、例えば、センサ出力（時
間軸）波形をＡ／Ｄ変換してディジタルの離散系にし、
例えば１０２４点のディジタル値として表わす。そして
それのフーリエ変換を行なって図９に示すような周波数
スペクトル分布として表わす。また、フーリエ変換を行
なう前に、図８に示すごときウインドウ関数（重み関
数）を１０２４点のデータに乗算する。これは、有限個
のデータに対して離散的なフーリエ変換を行なう場合に
は必要であり、図８の特性はハニング・ウインドウ（Ha
nnings window）特性を示す。このハニング・ウインド
ウは、Ｗ(Ｎ）＝０.５−０.５cos(２πＮ／１０２４）の特性を有する。次に、一般のフーリエ変換は、下記
（数４）式で行なわれる。

【００１４】

【数４】

【００１５】なお、ｇ(ｔ)は関数であり、ここではセン
サの値（時間軸上）を示す。上記（数４）式をディジタ
ル化された離散的なフーリエ変換で表わすと、下記（数
５）式のようになる。

【００１６】

【数５】

【００１７】なお、上記（数５）式において、ｇ_n＝ｇ(ｎΔｔ）Ｆ_m＝Ｆ(_mΔω）、ただし（ｍ＝０〜Ｎ−１）Ｋ＝ｍ×ｎであり、かつ

【００１８】

【数６】

【００１９】である。なお、（数５）式、（数６）式に
おいて、Ｎはサンプル数（例では１０２４）、Δｔはサ
ンプリング周期であり、取り込んだデータｇ₀〜ｇ_n-1に
sin、cos関数を乗算して和を求めることによって演算す
ることが出来る。或る周波数ｘのパワースペクトル｜Ｆ
_x｜²は、｜Ｆ_x｜²＝（Ｆ_XR)²＋（Ｆ_XI)² …（数７）ただし、Ｆ_XR：ＦＦＴ演算結果の実数部Ｆ_XI：ＦＦＴ演算結果の虚数部として求まり、演算部２３を構成するマイクロコンピュ
ータのメモリ内に所定の周波数Δｆの間隔で０〜Ｎ−１
まで書き込まれる。これを表示したものが図９である。
さらに、通常は分析結果の精度を上げるため図７のよう
に数〜数１０ブロックのフーリエ変換した結果を平均化
してスペクトルを表示する。

【００２０】次に、実施例の作用を説明する。図示しな
い電源スイッチをＯＮにすると、演算部２３を構成する
マイクロコンピュータはＲＯＭに書かれた所定のプログ
ラムのフローチャート（後記図３〜図６）に従って動作
する。図３〜図６は、本発明の演算を示すフローチャー
トであり、図３および図４は前処理の演算を示すプログ
ラム、図５は本計測の演算を示すメインプログラム、図
６は所定のサンプリング周期でＡ／Ｄ変換を行なう割り
込み処理プログラムである。

【００２１】まず、図３、図４の前処理演算について説
明する。図３において、まず、Ｐ１では、演算部２３を
構成するマイクロコンピュータのＲＡＭおよびレジスタ
に初期値を設定する。次に、Ｐ２では、計測を行なうス
タートスイッチがオンかオフかを判断し、オンの場合
は、Ｐ３で分析中を示すランプを点灯させる。次に、Ｐ
４では、フィルタ２６、２７のカットオフ周波数ｆmax
の初期値を設定する。プロペラシャフトのバランス測定
の場合は、プロペラシャフトの回転速度が１００００rp
m（周波数１６７Ｈz）以下のため、カットオフ周波数ｆ
maxを例えば２００Ｈzになるように演算部２３から３ビ
ットの指令信号を出力し、可変周波数発振器３０の発振
周波数を設定する。この周波数に応じてフィルタ２４、
２５のカットオフ周波数が設定される。次に、Ｐ５で
は、サンプリング回数Ｎsとアベレージ回数ＡＶを設定
する。例えばアベレージ回数ＡＶ＝４回とすれば、サン
プリング回数Ｎs＝１０２４×４＝４０９６となる。次
に、Ｐ６では、サンプリング周期ΔＴを設定する。サン
プリング周期ΔＴは、上記のようにカットオフ周波数ｆ
max２００Ｈzとすれば、 ΔＴ＝１／２・ｆmax （サンプリングの定理）により、サンプリング周期ΔＴ＝２.５ｍsecとなる。次
に、Ｐ７では、タイマ割り込みを許可する。このタイマ
割り込み許可により、図６に示す割り込みフローチャー
トがΔＴ周期で実施される。

【００２２】図６においては、チャンネル１の光ファイ
バセンサからのパルス信号とチャンネル２の加速度セン
サからの信号とをそれぞれＡ／Ｄ変換し、所定のメモリ
エリアにストアする。そしてサンプリング数Ｎs＝４０
９６回に達したらサンプリング終了フラグＳＰＥＮＤ＝
１とし、タイマ割り込みを終了し、図３のプログラムに
戻る。

【００２３】次に、図３のＰ８では、サンプリング中の
判断フラグＳＰＥＮＤをチェックして、ＳＰＥＮＤ＝１
の時、すなわちサンプリングが終了している場合には、
次のフーリエ変換処理に進む。Ｐ９では、チャンネル１
のデータ（光ファイバセンサデータ）のフーリエ変換演
算を行なう。この演算の際には、まず、チャンネル１の
サンプリングしたデータに前記図８のハニング・ウイン
ドウ関数を乗算し、１ブロック１０２４点のデータを４
ブロックについてフーリエ変換する。次に、Ｐ１０で
は、４ブロックの変換結果の平均値演算を行なう。次
に、Ｐ１１では、フーリエ変換結果の周波数スペクトル
のピーク周波数ｆpを求める。次に、Ｐ１２では、チャ
ンネル２のデータ（加速度センサデータ）に対しても同
様にフーリエ変換する。そしてＰ１３では、フーリエ変
換結果の平均値とゲインを求める。次に、Ｐ１４では、
上記光ファイバセンサ信号と加速度センサ信号の変換結
果を液晶表示器２８に表示する。図３のＰ１４から図４
のＰ１５へ続く。

【００２４】Ｐ１５〜Ｐ１７では、フィルタ２４、２５
のカットオフ周波数を正式に設定する。まず、Ｐ１５で
は、チャンネル１の光ファイバセンサ信号のフーリエ変
換結果から、スペクトルのピーク周波数の２倍の値を演
算する。なお、被測定物がプロペラシャフトの場合に
は、ピーク周波数は５５Ｈz〜８０Ｈz前後であり、その
値の２倍程度にカットオフ周波数を設定すると良好な計
測を行なうことが出来る。次に、Ｐ１６では、ＲＯＭの
周波数テーブルから上記の値に最も近い値を検索し、Ｐ
１７で、上記の検索値を出力し、図２の可変周波数発振
器３０へ３ビットの信号を送る。例えば１００Ｈzの場
合は“０００”１５０Ｈzの場合は“００１”、２００
Ｈzの場合は“０１０”を送り、可変周波数発振器３０
の内部の分周比を変えて出力周波数を変える。上記のよ
うにして設定された可変周波数発振器３０の信号をフィ
ルタ２４、２５へ与えることにより、フィルタのカット
オフ周波数が設定される。次に、Ｐ１８では、チャンネ
ル２の加速度センサの出力をフーリエ変換した値のレベ
ルをチェックし、Ｐ１９〜Ｐ２２で、処理レベルが０〜
２０ｄＢの間になるようにアンプ２６の増幅率を設定す
る。具体的には、リレー３１、３２を制御して、接点３
３、３４をオン／オフさせることにより、アンプ２６の
ゲインを調整する。

【００２５】なお、この実施例においては、上記のカッ
トオフ周波数および増幅率の設定方法としてテーブルル
ックアップ方式を用いた場合を例示したが、定数設定法
やレベルマトリックス（信号レベルでコンパレータを動
作させ、リレー等で制御する方法）等によって設定する
ことも同様に可能である。

【００２６】上記のようにして前処理を行なった後、図
５の本計測の演算を行なう。図５において、Ｐ３１〜Ｐ
３６の部分は、前記図３のＰ２〜Ｐ８と同様である。た
だ、前記図４の前処理においてフィルタのカットオフ周
波数を最適値に設定しているので、カットオフ周波数の
設定は不要である。次に、Ｐ３７以降ではフーリエ変換
処理を行なう。まず、Ｐ３７では、チャンネル１のサン
プリングしたデータ（光ファイバセンサデータ）に前記
図８のハニング・ウインドウ関数を乗算する。次に、Ｐ
３８では、１ブロックの１０２４点データに対してフー
リエ変換を行なう。そしてＰ３９、Ｐ４０では終了した
回数を判断し、ＡＶ＝４回終了するまでこのルーチンを
繰り返す。次に、Ｐ４１では、ＡＶ回数のブロック（４
ブロック）のフーリエ変換が終了したらＡＶ回の平均し
たパワースペクトル｜Ｆ_AV(ω)｜²を求める。次に、Ｐ
４２では、上記パワースペクトル｜Ｆ_AV(ω)｜²の値の
最大値を求め、その時の周波数をｆpとする。次に、Ｐ
４３では、チャンネル２のデータ（加速度センサデー
タ）に対しても同様にフーリエ変換する。なお、Ｐ４３
は一つのパートで示しているが、その内容は前記Ｐ３７
〜Ｐ４０と同じである。次に、Ｐ４４では、Ｐ４３で求
めた結果の平均値を求める。次に、Ｐ４５以降では、ア
ンバランス量計算を行なう。アンバランスベクトルを求
めるためには２回の測定が必要なため、Ｐ４５では、そ
のカウントＣ_NTに１を加える。次に、Ｐ４６では、Ｃ_NT
が２か否かを判定し、ＮＯの場合（すなわちＣ_NT＝１）
は、Ｐ４７で、１回目の１〜２チャンネル間の位相差、
チャンネル２のゲインをメモリに記憶してから、スター
トに戻って２回目の測定を行なう。Ｐ４６でＣ_NTが２の
場合は、Ｐ４８で、１回目と２回目の位相差とゲイン、
すなわち１回目のベクトルと２回目のベクトルとからア
ンバランスベクトルを計算し、プロペラシャフトに付加
するバランサの重さ、および反射テープ１０を基準位置
とした取付け位置の角度を液晶表示器３４やプリンタ３
５に出力する。次に、Ｐ４９では、カウンタＣ_NT＝０に
し、次のアンバランス測定の待ち状態となる。

【００２７】なお、上記の実施例では図示しないが、前
記の前処理結果において入力信号判断が全てＯＫの場合
に青ランプ点灯や測定開始の表示をしたり、或いは本計
測スタートのスイッチが有効となるように構成してもよ
い。また、上記の実施例においては、回転１次の振動に
ついて計測する例を記載したが、回転２次、３次等につ
いても同様に測定することが出来る。さらに、プロペラ
シャフトだけでなくタイヤ回転のアンバランス等他の回
転体のバランシングにも応用することが出来る。

【００２８】

【発明の効果】以上説明してきたように、この発明にお
いては、カットオフ周波数やゲインの調整可能な第１及
び第２のフィルタ増幅手段５１、５３および判定手段５
６、調整手段５７を設け、フーリエ変換手段５４で変換
した結果に基づいて、アンプのゲインやフィルタのカッ
トオフ周波数を適正値とするように自動的に調整するよ
うに構成している。したがって実際のアンバランス計測
を行なう前に、回転検出手段（光ファイバセンサ）と振
動検出手段（加速度センサ）の検出信号の状態が計測に
適した状態に自動的に調整されるので、計測の前処理工
程が大幅に簡略化され、正確なアンバランス計測を短時
間で容易に行なうことが出来る、という効果が得られ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の構成を示すブロック図。

【図２】本発明の一実施例の回路図。

【図３】本発明の実施例における前処理の演算内容を示
すフローチャートの一部。

【図４】本発明の実施例における前処理の演算内容を示
すフローチャートの他の一部。

【図５】本発明の実施例における本計測の演算処理を示
すメインフローチャート。

【図６】本発明の実施例における演算処理の一部を示す
フローチャート。

【図７】周波数スペクトル解析における加速度センサ出
力波形の一例図。

【図８】重み関数の特性図であり、ハニング・ウインド
ウ特性を示す図。

【図９】フーリエ変換後の周波数スペクトル分布の一例
を示す特性図。

【図１０】従来の回転体のアンバランス測定方法の一例
を示す概略図。

【図１１】回転センサ信号とそのフーリエ変換結果を示
す図。

【図１２】加速度センサ信号とそのフーリエ変換結果を
示す図。

【図１３】アンバランスベクトルを示す図。

【符号の説明】

１…トランスミッションのエクステンション２…第１プロペラシャフト３…センターベアリング４…第２プロペラシャフト５…ディファレンシャル・ギア６、７、８…ジョイント１０…反射テープ１１…光ファイバセンサ１２…光ファイバセンサアンプ１３…加速度センサ１４…加速度センサアンプ１５…アンバランス演算装置２１…加速度センサ２２…光ファイバセンサ２３…演算部２４、２５…フィルタ２６、２７…アンプ２８…液晶表示器２９…プリンタ３０…可変周波数発振器３１、３２…リレー３３、３４…リレーの接点５０…回転検出手段５１…第１のフィルタ増幅手段５２…振動検出手段５３…第２のフィルタ増幅手段５４…フーリエ変換手段５５…アンバランス演算手段５６…判定手段５７…調整手段５８…表示手段

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】回転体の回転速度に応じた信号を出力する
回転検出手段と、上記回転検出手段の出力のフィルタリングと増幅を行な
い、かつカットオフ周波数の調整可能な第１のフィルタ
増幅手段と、回転体の支持部に取付けられ、該支持部の振動を検出す
る振動検出手段と、上記振動検出手段の出力のフィルタリングと増幅を行な
い、かつカットオフ周波数とゲインの調整可能な第２の
フィルタ増幅手段と、上記第１および第２のフィルタ増幅手段を介した上記回
転検出手段と上記振動検出手段の信号をそれぞれフーリ
エ変換するフーリエ変換手段と、上記フーリエ変換手段による変換結果から上記回転体の
アンバランス量およびアンバランス位置を演算するアン
バランス演算手段と、上記回転検出手段の検出信号を上記フーリエ変換手段で
変換した周波数スペクトルのピーク周波数を検出し、か
つ上記振動検出手段の検出信号を上記フーリエ変換手段
で変換した値が所定範囲内にあるか否かを判定する判定
手段と、上記判定手段の検出判定結果に基づき、上記ピーク周波
数に応じて上記第１および第２のフィルタ増幅手段のカ
ットオフ周波数を、上記判定結果に応じて上記第２のフ
ィルタ増幅手段のゲインを、自動的に調整する調整手段
と、上記アンバランス演算手段の演算結果を表示する表示手
段と、を備えたことを特徴とする回転体のアンバランス測定装
置。