JP3119610U - 疲労試験機および逆伝達関数演算装置 - Google Patents

Abstract

【課題】収束性の良い疲労試験機を提供する。
【解決手段】伝達関数を算出する際に供試体に印加するランダム波形のスペクトラムを、低周波数域では細かい分解能による周波数成分を含み、高周波数域では粗い分解能による周波数成分を含むように設定する。このようなスペクトラムのランダム波形を使用して算出された伝達関数の高周波数域のデータは離散的である。そこで、離散的な伝達関数を直線補間する。このように算出された伝達関数の逆数である逆伝達関数と目標波形を乗じて駆動信号を得、この駆動信号で供試体を負荷する。駆動信号の高周波数域では振動成分が除去されており、供試体は迅速に目標波形に収束する。
【選択図】図５

Description

本考案は、車両用部品などの疲労試験を行うに好適な疲労試験機に関する。また本考案は、疲労試験に使用する逆伝達関数を演算する装置に関する。

たとえば、特開２００４−５３４５２号公報には、目標波形に逆伝達関数を乗じて生成した駆動信号で負荷アクチュエータを駆動し、供試体に負荷を与えるようにした疲労試験機が開示されている。この種の疲労試験機では、供試体にランダム波形を入力し、ランダム波形による供試体の変形量などを検出し、ランダム波形と検出波形との比から伝達関数を算出する。そして、算出された伝達関数の逆数を逆伝達関数とし、目標波形に逆伝達関数を乗じて駆動信号波形を生成する。

しかしながら、ランダム波形の周波数スペクトラムは、低周波数域から高周波数域まで同一の分解能の周波数成分を含むように設定されているため、算出される伝達関数の高周波数域には、すなわち、システムの応答性の悪い高周波数領域では振動成分が重畳する。その結果、逆伝達関数にも振動成分が重畳し、供試体を目標波形で負荷する際、目標波形に収束するまでに時間を要したり、あるいは、収束できないことがある。

（１）請求項１の考案による疲労試験機は、目標波形に逆伝達関数を乗じて生成された駆動信号により負荷アクチュエータを駆動して供試体に負荷を加えるようにした疲労試験機に適用される。疲労試験機は、目標波形を生成する目標波形生成手段と、逆伝達関数を演算する逆伝達関数演算手段と、目標波形と逆伝達関数とにより駆動信号を生成する駆動信号生成手段とを備え、逆伝達関数算出手段は、供試体に入力するランダム波形信号と、そのランダム波形信号の入力により得られる検出波形信号との比に基づいて伝達関数を算出する伝達関数算出部と、算出された伝達関数の逆数を算出して逆伝達関数を算出する逆伝達関数算出部を含む。そして、ランダム波形信号は、低周波数域では高い分解能で選択した周波数成分を含み、高周波数域では粗い分解能で選択した周波数成分を含むことを特徴とする。
（２）請求項２の考案による疲労試験機は、請求項１の疲労試験機において、逆伝達関数算出手段は、さらに、粗い分解能で算出された高周波数域の伝達関数を補間演算する補間演算部を含み、逆伝達関数算出部は、補間後の伝達関数の逆数を逆伝達関数として算出することを特徴とする。
（３）請求項３の考案による逆伝達関数演算装置は、供試体に入力するランダム波形信号を生成するランダム波形生成手段と、ランダム波形信号を供試体に入力して得られた検出波形信号と等価の検出波形信号を生成する検出波形生成手段と、ランダム波形信号と検出波形信号との比に基づいて伝達関数を算出する伝達関数算出手段と、算出された伝達関数の逆数を算出して逆伝達関数を算出する逆伝達関数算出手段を備え、ランダム波形信号は、低周波数域では高い分解能で選択した周波数成分を含み、高周波数域では粗い分解能で選択した周波数成分を含むことを特徴とする。
（４）請求項４の考案は、請求項３の逆伝達関数演算装置において、粗い分解能で算出された高周波数域の伝達関数を補間演算する補間演算手段をさらに備え、補間後の伝達関数の逆数を逆伝達関数として算出することを特徴とする。

本考案によれば、高周波数域で振動成分が少ない駆動信号を生成することができ、目標信号に迅速に収束し、応答性の優れた疲労試験機を提供できる。また、請求項３および４の考案によれば、高周波数域で振動成分が少ない逆伝達関数を生成することができる。

この種の疲労試験機は、たとえば、車両用部品の疲労試験機などであり、次の手順で測定が行われる。実車走行により収集した振動波形を目標波形とし、この目標波形で供試体を負荷し、データを採取する。車両用部品の疲労試験機のように測定対象の供試体に実測した波形を与えるような場合、負荷対象となるシステム、すなわち供試体および負荷アクチュエータの伝達関数を算出し、その逆数である逆伝達関数を目標波形に乗じて駆動信号を生成する。これにより、供試体は目標波形で負荷されることになる。

そのため、この種の疲労試験機での試験に先立って、システムの伝達関数を次のように算出する。供試体を負荷する油圧アクチュエータにランダム波形を入力し、ランダム波形による供試体の変形量などの検出波形を検出する。ランダム波形と検出波形との比から伝達関数を算出する。そして、算出された伝達関数の逆数を逆伝達関数とし、実測波形と等価である目標波形に逆伝達関数を乗じて駆動信号波形を生成する。本考案は、少なくとも高周波数領域で振動成分が少ない伝達関数を求め、結果として、高周波数領域で振動成分が少ない駆動信号を算出し、精度の高い試験機を提供するものである。

図１は、本考案の一実施の形態による疲労試験機の構成図である。油圧アクチュエータ１はサーボ弁２で開閉動作が制御される。制御装置２０から出力されるデジタル駆動信号はＤ／Ａ変換器３でアナログ信号に変換された後に増幅器４で増幅されてサーボ弁２に入力される。供試体ＳＰの変位量は変位計５で検出される。変位検出信号は、増幅器６で増幅され、Ａ／Ｄ変換器７でデジタル検出信号に変換されて制御装置２０に入力される。制御装置２０は、変位検出信号と駆動信号との差分を算出し、その差分をサーボ弁２にフィードバックして油圧アクチュエータ１を駆動する。

荷重フィードバック制御してもよく、この場合の動作は次のとおりである。供試体ＳＰに負荷される荷重は荷重計８で検出される。荷重検出信号は、増幅器９で増幅され、Ａ／Ｄ変換器１０でデジタル検出信号に変換されて制御装置２０に入力される。制御装置２０は、荷重検出信号と駆動信号との差分を算出し、その差分をサーボ弁２にフィードバックして油圧アクチュエータ１を駆動する。

図２は、制御装置２０内部のフィードバック駆動系機能ブロック図である。制御装置２０は、実車走行により採取した測定信号から目標波形を生成して出力する目標波形生成回路２１と、詳細は後述する逆伝達関数演算部２６と、その演算結果が記憶される逆伝達関数記憶部２２と、目標波形に逆伝達関数を乗じて駆動信号を演算する乗算器２３と、フィードバックする変位信号もしくは荷重信号を選択するスイッチ２４と、駆動信号と変位もしくは荷重のフィードバック信号の偏差を演算する偏差器２５とを備えている。

図３は、制御装置２０内部の逆伝達関数演算部２６の詳細を説明する機能ブロック図である。伝達関数は、アクチュエータと供試体を含む制御系に入力するランダム入力波形と、そのランダム入力波形により得られる制御系の出力波形（変位検出波形や荷重検出波形）との比に基づいて算出される。すなわち、図３に示すように、逆伝達関数演算部２６は、ランダム入力波形信号の生成回路２６１と、ランダム入力波形をフーリエ変換するフーリエ変換回路２６２と、出力波形信号（検出波形）の生成回路２６３と、出力波形をフーリエ変換するフーリエ変換回路２６４と、入力信号波形用フーリエ変換回路２６２からの出力信号を、出力波形信号波形用フーリエ変換回路２６４からの出力信号で除して伝達関数を算出する除算器２６５と、除算器２６５から出力される伝達関数の高周波数域の補間演算を行う補間演算器２６６と、補間後の伝達関数の逆数を演算する逆数演算回路２６７とを備える。

この実施の形態では、供試体に印加するランダム波形のスペクトラムを、低周波数域では細かい分解能による周波数成分を含み、高周波数域では粗い分解能による周波数成分を含むように設定する。このようなスペクトラムのランダム波形を負荷アクチュエータ１に与えて供試体ＳＰを負荷し、供試体ＳＰの変形量などを検出波形として取得する。

そして、図３のランダム波形発生回路２６１から上述したスペクトラムのランダム波形が出力され、検出波形生成回路２６３から測定した供試体ＳＰの変形量などの検出波形と等価の波形が出力されるように、両回路２６１，２６３を設定する。フーリエ変換回路２６２および２６４からは、それぞれランダム波形のフーリエ変換出力と検出波形のフーリエ変換出力が出力される。除算器２６５は、両フーリエ変換出力の比、すなわち、伝達関数を算出する。

このようにして算出された伝達関数は、図４（ａ）に示すように、低周波数域では細かい分解能、高周波数域では粗い分解能のデータを含んでいる。図４（ａ）の例では、１０Ｈｚまでの低周波数域では０．２５Ｈｚ間隔の分解能、１０Ｈｚ以上の高周波数域では４Ｈｚ間隔の分解能で算出された伝達関数を示している。ここで、１０Ｈｚまでは測定対象の応答性が比較的良好である。すなわち、離散的な伝達関数をどの周波数以上で算出するかを決定するためには、測定対象の応答性を考慮する。

なお、ランダム波形はランダム波形発生装置により任意に出力することができる。したがって、分解能を粗くする高周波数域、低周波数域での周波数間隔である分解能、高周波数域での周波数間隔である分解能などの各種パラメータを入力すれば、任意の周波数スペクトラムのランダム波形を出力できる。

図４（ａ）からも分かるとおり、この伝達関数は、高周波数域のデータ数が離散的である。そこで、逆伝達関数を算出するに先だって、補間演算器２６６により高周波数域の伝達関数を直線補間処理などの補間処理を行い、図５に示すような伝達関数を算出する。直線部分は、低周波数域の分解能である０．２５Ｈｚピッチのデータで補間し、全周波数域で等間隔（等分解能）の伝達関数を算出する。

なお、図４（ｂ）は、ランダム波形のスペクトラムを低周波数域から高周波数域まで細かい分解能とした周波数成分が含まれるように設定した場合に算出される伝達関数を示す。具体的には、全周波数域で０．２５Ｈｚ間隔の分解能の信号成分を含むランダム波形により算出した伝達関数の一例を示している。

このように構成された疲労試験機では次のようにして疲労試験が行われる。
目標波形生成回路２１から出力される目標波形信号と記憶部２２から出力される逆伝達関数とを乗算器２３で乗じて駆動信号を生成する。駆動信号とフィードバック信号との偏差を偏差器２５で演算し、この差分駆動信号でサーボ弁２を駆動する。すなわち、差分駆動信号は、Ｄ／Ａ変換器３でアナログ信号に変換され、増幅器４で増幅されてサーボ弁２に印加される。このような差分駆動信号でサーボ弁２が駆動されることにより、アクチュエータ１５が駆動されて供試体ＳＰが負荷される。

供試体ＳＰの変位は変位計５で検出され、増幅器６で増幅される。この変位検出信号はＡ／Ｄ変換器７でデジタル信号に変換されて制御装置２０にフィードバックされ、変位検出信号と駆動信号と偏差が上述したように演算される。

本考案の一実施の形態の疲労試験機によれば次の作用効果を得ることができる。
（１）上述した周波数スペクトラムを有するランダム波形を使用して逆伝達関数を算出した。その結果、逆伝達関数の高周波数域の振動成分が少なくなり、目標信号と逆伝達関数との乗算結果である駆動信号においても、高周波数域での振動成分が低減され、目標波形に迅速に収束する疲労試験を行うことができる。

（２）高周波数域で分解能が粗いランダム波形を使用することにより、ランダム波形を供試体に印加した際に得られる振幅を小さくできる。図６（ａ）は、図４（ａ）で説明したランダム波形印加時の振幅を示し、最大振幅は２．７ｍｍである。一方、図６（ｂ）は、図４（ｂ）で説明したランダム波形印加時の振幅を示し、最大振幅は５．０ｍｍである。したがって、実際の試験前に供試体に与えるダメージを抑制することができる。

本考案を以下のように変形して実施することができる。
（１）以上では、１台の油圧アクチュエータを使用した１軸疲労試験機について説明したが、２軸、３軸の疲労試験機においても、各軸に上述したものと同様に本考案を適用できる。
（２）車両用疲労試験機に限定されず、各種の形式の疲労試験機に本考案を適用できる。

（３）ランダム波形の周波数スペクトラムは一例であり、本考案は、低周波数域の分解能を細かくし、高周波数域の分解能を粗くしたスペクトラムを有するランダム波形であれば、実施の形態に何ら限定されない。

（４）ランダム波形の出力時間は、実車走行により採取した測定信号のサンプリング時間と同じ時間としたり、サンプリング時間に比べて相当短い時間としてもよい。たとえば、サンプリング時間が２０分乃至３０分程度とすると、５秒乃至１０秒程度としてもよい。なお、ランダム波形の出力時間を短くした場合、演算される伝達関数の分解能は、低周波域でも粗くなるので、高周波数域のみならず、低周波数域でも直線補間などの補間処理を行い、フーリエ変換処理に好ましい分解能で伝達関数を算出する必要がある。

図１は疲労試験機の一実施の形態を説明するブロック図。 図２は、図１の疲労試験機における制御装置の詳細を示すブロック図。 図３は、図２の逆伝達関数演算部の詳細を示すブロック図。 図４（ａ）は、この実施の形態で得られる伝達関数を説明する図であり、図４（ｂ）は、比較例を示す図。 図５は、補間演算後の伝達関数を示す図。 図６（ａ）は、この実施の形態におけるランダム波形を供試体に印加したときの振幅を示す図であり、図６（ｂ）は比較例を示す図。

符号の説明

２１：目標波形生成回路 ２２：逆伝達関数記憶部
２６：逆伝達関数演算部 ２６１：ランダム波形信号発生回路
２６２：フーリエ変換回路 ２６３：検出波形発生回路
２６４：フーリエ変換回路 ２６６：補間演算部

Claims (4)

1. 目標波形に逆伝達関数を乗じて生成された駆動信号により負荷アクチュエータを駆動して供試体に負荷を加えるようにした疲労試験機であって、
   前記目標波形を生成する目標波形生成手段と、
   前記逆伝達関数を演算する逆伝達関数演算手段と、
   前記目標波形と前記逆伝達関数とにより前記駆動信号を生成する駆動信号生成手段とを備え、
   前記逆伝達関数算出手段は、前記供試体に入力するランダム波形信号と、そのランダム波形信号の入力により得られる検出波形信号との比に基づいて伝達関数を算出する伝達関数算出部と、前記算出された伝達関数の逆数を算出して前記逆伝達関数を算出する逆伝達関数算出部を含み、
   前記ランダム波形信号は、低周波数域では高い分解能で選択した周波数成分を含み、高周波数域では粗い分解能で選択した周波数成分を含むことを特徴とする疲労試験機。
2. 請求項１に記載の疲労試験機において、
   前記逆伝達関数算出手段は、さらに、前記粗い分解能で算出された高周波数域の伝達関数を補間演算する補間演算部を含み、前記逆伝達関数算出部は、前記補間後の伝達関数の逆数を前記逆伝達関数として算出することを特徴とする疲労試験機。
3. 供試体に入力するランダム波形信号を生成するランダム波形生成手段と、
   前記ランダム波形信号を前記供試体に入力して得られた検出波形信号と等価の検出波形信号を生成する検出波形生成手段と、
   前記ランダム波形信号と前記検出波形信号との比に基づいて伝達関数を算出する伝達関数算出手段と、
   前記算出された伝達関数の逆数を算出して前記逆伝達関数を算出する逆伝達関数算出手段を備え、
   前記ランダム波形信号は、低周波数域では高い分解能で選択した周波数成分を含み、高周波数域では粗い分解能で選択した周波数成分を含むことを特徴とする逆伝達関数演算装置。
4. 請求項３に記載の逆伝達関数演算装置において、
   前記粗い分解能で算出された高周波数域の伝達関数を補間演算する補間演算手段をさらに備え、前記補間後の伝達関数の逆数を前記逆伝達関数として算出することを特徴とする逆伝達関数演算装置。

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