JP4019711B2 - エンジンベンチシステムのシャフトばね定数計測方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジンにダイナモメータを直結してエンジンの各種性能試験を行うためのエンジンベンチシステムに係り、特にエンジンとダイナモメータを結合するシャフトの動的ばね定数を計測する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のエンジンベンチシステムでは、図４に示すように、エンジン１とトランスミッション（ＡＴあるいＭＴ、ＭＴの場合はクラッチ付）２を組み合わせ、シャフト３を介してダイナモメータ４と結合している。
【０００３】
エンジン側はスロットルアクチェータ（ＡＣＴ）５によりスロットル開度をコントロールする。ダイナモ４側には回転検出器６、トルク検出器（ロードセル）７を設け、この検出によりダイナモ４の速度、トルクの制御を実施する。このシステムによりエンジン１の耐久性や性能（燃費、排ガス計測等）、ＥＣＵ適合等の試験をしている。
【０００４】
但し、このようなシステムでは、機械の共振点が低く、ダイナモ側からエンジン側へ高応答なトルク特性をもってトルク伝達ができない、あるいはエンジン側の高応答な挙動をダイナモ側へ伝達することができないため、エンジンや車両関連部品の過渡性能試験が完成車両を使用しないと実施できない問題があった。
【０００５】
このような課題を解決する手段として、最近、図５に示すように、エンジン１とダイナモ４を高剛性のシャフト８で直結することで、ダイナモ４からエンジン１に対して高い周波数特性までのトルク加振を可能にし、実車に近い状態での過渡再現を実施することにより、車両レスでのエンジン試験を可能にするシステムが考えられている。
【０００６】
図６は、エンジンベンチシステムのダイナモメータ制御装置の基本構成図を示す。エンジン１とダイナモ４をシャフト８で機械結合した機構に対して、軸トルクメータ９によるエンジン軸トルク検出と、図示省略する回転検出器によるダイナモ４の速度検出を行い、コントローラ１０はダイナモ速度または軸トルクを指令値とし、軸トルク検出値またはダイナモ速度検出値をフィードバック信号として自動制御演算を行い、この演算結果としてダイナモトルク指令を求める。インバータ１１は、コントローラ１０からのダイナモトルク指令に応じた電流出力でダイナモ４を駆動することでダイナモ４にダイナモトルク指令に一致したトルクを発生させる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
図４に示すような従来のエンジンベンチシステムでは、トランスミッションを入れたり、シャフトのばね定数を低く設定して、対象機械系の共振周波数をエンジンのアイドリング回転以下（例えば１０Ｈｚ程度）にしていた。但し、図５のような高応答のシステムでは、エンジンへの加振トルクの周波数を高くする必要があるため、共振周波数を１００Ｈｚ以上に設定する場合がある。このような場合は通常のエンジン運転周波数領域にエンジン−ダイナモ機械系の共振周波数が存在することになる。そのため、その共振周波数を避けて運転したり、共振周波数でのゲインを抑制するような制御をする。
【０００８】
このような制御をする場合、制御対象となる機械的パラメータの把握が不可欠である。この時、系の機械的周波数特性に大きく影響を与えるものとして、エンジンやダイナモ慣性値およびシャフトのばね定数がある。慣性値は設計値を利用できるが、シャフトのばね定数は設計値との誤差が大きいため、実測が不可欠であった。
【０００９】
従来の実測方法を図７に示す。この手法はシャフト１２の一端を固定装置１３に固定し、他端にはそれに結合する加重装置１４のアームなどを用いて加重をかけ、その際の加重トルクとねじり角度を計測装置１５で計測してシャフト１２のばね定数を測定するものである。
【００１０】
この手法では静的な特性は把握できるが、動的な特性は把握できず、制御性能誤差の要因になっていた。
【００１１】
本発明の目的は、エンジンとダイナモメータを結合するためのシャフト等の動的ばね定数を正確に計測し、ひいては正確な試験ができるようにしたエンジンベンチシステムのシャフトばね定数計測方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、シャフトからダイナモメータまでの系を慣性系としてモデル化し、このモデルの運動方程式を解いてその理論伝達特性を求め、この理論伝達特性から共振周波数探索範囲を決定しておき、シャフトの一端を固定し、他端をダイナモメータに結合し、コントローラに加振指令を与えたときの軸トルク検出値を周波数分析してパワースペクトルを求め、このパワースペクトルから探索範囲内でのゲインのピーク値を共振周波数として順次算出し、この共振周波数からシャフト等の動的ばね定数を正確に算出できるようにしたもので、以下の方法を特徴とする。
【００１３】
（１）エンジンとダイナモメータをシャフトで結合し、コントローラによるエンジンの軸トルク制御またはダイナモトルク制御によってエンジンの各種性能試験を行うエンジンベンチシステムにおいて、
前記シャフトのばね定数を計測するコンピュータは、
前記シャフトの一端を固定し、他端にダイナモメータを結合した機械系を慣性系としてモデル化を行い、このモデルの運動方程式を解いてダイナモトルクに対する軸トルク検出のゲイン理論伝達特性を求め、この理論伝達特性から機械系に存在する共振周波数探索範囲を決定しておく手順と、
前記コントローラにランダム波または正弦波のダイナモトルク指令を与えたときの該ダイナモトルク指令に対する軸トルク検出値を周波数分析してパワースペクトルを求め、このパワースペクトルと前記探索範囲を基にゲインのピーク値を順次算出してそれを共振周波数とし、この共振周波数から動的ばね定数を算出する手順とを有することを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施形態を示すシャフトのばね定数計測装置の構成図である。本実施形態では、エンジンベンチシステムに既設のダイナモメータ制御装置を利用してシャフト等の動的ばね定数を計測するものである。
【００１５】
計測対象とするシャフト８には、図７の計測装置と同様に、一端を固定装置１３で固定する。一方、シャフト８の他端にはダイナモメータ４を結合し、ダイナモメータ４のトルク出力でシャフト８にねじりを加え、このときのトルクを軸トルクメータ１６で計測可能にする。
【００１６】
上位装置１７は、コントローラ１０にトルク加振指令を与え、この加振指令によりコントローラ１０とインバータ１１によるダイナモメータ４のトルク制御を行い、このときの軸トルクメータ１６の軸トルク検出値を利用してシャフト８等の動的ばね定数を算出する。
【００１７】
上位装置１７は、コンピュータとそのソフトウェア構成によるデータ入出力機能とデータ処理機能を有し、以下、図２及び図３を参照して詳細な処理機能を説明する。
【００１８】
図２は、固定装置１３とシャフト８とダイナモメータ４の機械系を３慣性系としてモデル化した例を示す。この機械系のモデルにおいて、各機械パラメータは、以下の表に示す意味である。
【００１９】
【表１】
【００２０】
このモデル化は、適用する計測対象で振動に大きく寄与する機械パラメータを利用してモデル化を行うもので、３慣性系に限らず、４慣性系などとしてモデル化をしてもよい。
【００２１】
次に、モデルの３慣性系の場合は、運動方程式を次のように展開する。なお、θｘは、機械要素ｘのねじれ角である。
【００２２】
【数１】
【００２３】
この運動方程式を解くことで、ダイナモトルク指令−軸トルク検出のゲイン理論伝達特性を求めておく。
【００２４】
次に、上位装置１７では、図３に計測フローを示すように、ダイナモトルク指令から軸トルク検出まのゲイン理論伝達特性を伝達関数形式で入力しておく（Ｓ１）、この特性から共振周波数探索範囲を決定しておく（Ｓ２）。例えば、判別される理論共振周波数の±１０％のように設定しておく。
【００２５】
次に、上位装置１７からコントローラ１０に加振指令を与え、ダイナモメータ４にトルク出力を発生させる（Ｓ３）。この加振はランダム的であったり、正弦波を周波数を変えてスイープさせてもよい。
【００２６】
この加振時の軸トルク検出値を軸トルクメータ１６からデータ収集する（Ｓ４）。
【００２７】
次に、受信した軸トルク検出値を周波数分析してパワースペクトルを求め、このスペクトルから先に決定された探索範囲を元に、ゲインのピーク値を順次算出し、共振周波数を得る（Ｓ５）。
【００２８】
次に、この共振周波数から、以下の式に基づいて、動的ばね定数を算出する（Ｓ６）。
【００２９】
【数２】
ｋ2＝ω1 2×ω2 2×ＪTM×Ｊd／ｋ1
この式は、図１に示した計測装置構成で固定装置１３、シャフト８、軸トルクメータ１６、ダイナモメータ４を３慣性系と見なした図２のモデルにおけるばね定数と他のパラメータの関係式を示したものである。ここでω1とω2は共振周波数の１次、２次を示している。
【００３０】
最後に、上位装置１７は、算出したシャフト８等の動的ばね定数を計測値として出力する（Ｓ７）。
【００３１】
本実施形態によれば、エンジンベンチシステムのダイナモメータとその制御系を利用し、エンジンに代えて固定装置でシャフトの一端を固定し、コントローラに加振指令を与えることでシャフト等の動的ばね定数を計測することができ、正確なパラメータの把握により、エンジンの実性能試験での制御性能を高めることができる。すなわち、エンジン運転周波数領域にシャフト等の動的ばね定数に因る共振周波数が存在する場合に、その共振周波数を避けて運転したり、共振周波数でのゲインを抑制するような制御を可能にする。
【００３２】
【発明の効果】
以上のとおり、本発明によれば、シャフトからダイナモメータまでの系を慣性系としてモデル化し、このモデルの運動方程式を解いてその理論伝達特性を求め、この理論伝達特性から共振周波数探索範囲を決定しておき、シャフトの一端を固定し、他端をダイナモメータに結合し、コントローラに加振指令を与えたときの軸トルク検出値を周波数分析してパワースペクトルを求め、このパワースペクトルから探索範囲内でのゲインのピーク値を共振周波数として順次算出し、この共振周波数からシャフト等の動的ばね定数を正確に算出するようにしたため、エンジンベンチシステムでの制御性能の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態を示すシャフトばね定数計測装置の構成図。
【図２】実施形態における機械系モデルの概念図。
【図３】実施形態における上位装置の計測フロー。
【図４】従来のエンジンベンチシステムの構成図。
【図５】従来の他のシステム構成図。
【図６】ダイナモメータ制御装置の構成図。
【図７】従来のシャフトばね定数計測装置。
【符号の説明】
１…エンジン
４…ダイナモメータ
８、１２…シャフト
９、１６…軸トルクメータ
１０…コントローラ
１１…インバータ
１３…固定装置
１７…上位装置
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジンにダイナモメータを直結してエンジンの各種性能試験を行うためのエンジンベンチシステムに係り、特にエンジンとダイナモメータを結合するシャフトの動的ばね定数を計測する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のエンジンベンチシステムでは、図４に示すように、エンジン１とトランスミッション（ＡＴあるいＭＴ、ＭＴの場合はクラッチ付）２を組み合わせ、シャフト３を介してダイナモメータ４と結合している。
【０００３】
エンジン側はスロットルアクチェータ（ＡＣＴ）５によりスロットル開度をコントロールする。ダイナモ４側には回転検出器６、トルク検出器（ロードセル）７を設け、この検出によりダイナモ４の速度、トルクの制御を実施する。このシステムによりエンジン１の耐久性や性能（燃費、排ガス計測等）、ＥＣＵ適合等の試験をしている。
【０００４】
但し、このようなシステムでは、機械の共振点が低く、ダイナモ側からエンジン側へ高応答なトルク特性をもってトルク伝達ができない、あるいはエンジン側の高応答な挙動をダイナモ側へ伝達することができないため、エンジンや車両関連部品の過渡性能試験が完成車両を使用しないと実施できない問題があった。
【０００５】
このような課題を解決する手段として、最近、図５に示すように、エンジン１とダイナモ４を高剛性のシャフト８で直結することで、ダイナモ４からエンジン１に対して高い周波数特性までのトルク加振を可能にし、実車に近い状態での過渡再現を実施することにより、車両レスでのエンジン試験を可能にするシステムが考えられている。
【０００６】
図６は、エンジンベンチシステムのダイナモメータ制御装置の基本構成図を示す。エンジン１とダイナモ４をシャフト８で機械結合した機構に対して、軸トルクメータ９によるエンジン軸トルク検出と、図示省略する回転検出器によるダイナモ４の速度検出を行い、コントローラ１０はダイナモ速度または軸トルクを指令値とし、軸トルク検出値またはダイナモ速度検出値をフィードバック信号として自動制御演算を行い、この演算結果としてダイナモトルク指令を求める。インバータ１１は、コントローラ１０からのダイナモトルク指令に応じた電流出力でダイナモ４を駆動することでダイナモ４にダイナモトルク指令に一致したトルクを発生させる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
図４に示すような従来のエンジンベンチシステムでは、トランスミッションを入れたり、シャフトのばね定数を低く設定して、対象機械系の共振周波数をエンジンのアイドリング回転以下（例えば１０Ｈｚ程度）にしていた。但し、図５のような高応答のシステムでは、エンジンへの加振トルクの周波数を高くする必要があるため、共振周波数を１００Ｈｚ以上に設定する場合がある。このような場合は通常のエンジン運転周波数領域にエンジン−ダイナモ機械系の共振周波数が存在することになる。そのため、その共振周波数を避けて運転したり、共振周波数でのゲインを抑制するような制御をする。
【０００８】
このような制御をする場合、制御対象となる機械的パラメータの把握が不可欠である。この時、系の機械的周波数特性に大きく影響を与えるものとして、エンジンやダイナモ慣性値およびシャフトのばね定数がある。慣性値は設計値を利用できるが、シャフトのばね定数は設計値との誤差が大きいため、実測が不可欠であった。
【０００９】
従来の実測方法を図７に示す。この手法はシャフト１２の一端を固定装置１３に固定し、他端にはそれに結合する加重装置１４のアームなどを用いて加重をかけ、その際の加重トルクとねじり角度を計測装置１５で計測してシャフト１２のばね定数を測定するものである。
【００１０】
この手法では静的な特性は把握できるが、動的な特性は把握できず、制御性能誤差の要因になっていた。
【００１１】
本発明の目的は、エンジンとダイナモメータを結合するためのシャフト等の動的ばね定数を正確に計測し、ひいては正確な試験ができるようにしたエンジンベンチシステムのシャフトばね定数計測方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、シャフトからダイナモメータまでの系を慣性系としてモデル化し、このモデルの運動方程式を解いてその理論伝達特性を求め、この理論伝達特性から共振周波数探索範囲を決定しておき、シャフトの一端を固定し、他端をダイナモメータに結合し、コントローラに加振指令を与えたときの軸トルク検出値を周波数分析してパワースペクトルを求め、このパワースペクトルから探索範囲内でのゲインのピーク値を共振周波数として順次算出し、この共振周波数からシャフト等の動的ばね定数を正確に算出できるようにしたもので、以下の方法を特徴とする。
【００１３】
（１）エンジンとダイナモメータをシャフトで結合し、コントローラによるエンジンの軸トルク制御またはダイナモトルク制御によってエンジンの各種性能試験を行うエンジンベンチシステムにおいて、
前記シャフトのばね定数を計測するコンピュータは、
前記シャフトの一端を固定し、他端にダイナモメータを結合した機械系を慣性系としてモデル化を行い、このモデルの運動方程式を解いてダイナモトルクに対する軸トルク検出のゲイン理論伝達特性を求め、この理論伝達特性から機械系に存在する共振周波数探索範囲を決定しておく手順と、
前記コントローラにランダム波または正弦波のダイナモトルク指令を与えたときの該ダイナモトルク指令に対する軸トルク検出値を周波数分析してパワースペクトルを求め、このパワースペクトルと前記探索範囲を基にゲインのピーク値を順次算出してそれを共振周波数とし、この共振周波数から動的ばね定数を算出する手順とを有することを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施形態を示すシャフトのばね定数計測装置の構成図である。本実施形態では、エンジンベンチシステムに既設のダイナモメータ制御装置を利用してシャフト等の動的ばね定数を計測するものである。
【００１５】
計測対象とするシャフト８には、図７の計測装置と同様に、一端を固定装置１３で固定する。一方、シャフト８の他端にはダイナモメータ４を結合し、ダイナモメータ４のトルク出力でシャフト８にねじりを加え、このときのトルクを軸トルクメータ１６で計測可能にする。
【００１６】
上位装置１７は、コントローラ１０にトルク加振指令を与え、この加振指令によりコントローラ１０とインバータ１１によるダイナモメータ４のトルク制御を行い、このときの軸トルクメータ１６の軸トルク検出値を利用してシャフト８等の動的ばね定数を算出する。
【００１７】
上位装置１７は、コンピュータとそのソフトウェア構成によるデータ入出力機能とデータ処理機能を有し、以下、図２及び図３を参照して詳細な処理機能を説明する。
【００１８】
図２は、固定装置１３とシャフト８とダイナモメータ４の機械系を３慣性系としてモデル化した例を示す。この機械系のモデルにおいて、各機械パラメータは、以下の表に示す意味である。
【００１９】
【表１】
このモデル化は、適用する計測対象で振動に大きく寄与する機械パラメータを利用してモデル化を行うもので、３慣性系に限らず、４慣性系などとしてモデル化をしてもよい。
【００２１】
次に、モデルの３慣性系の場合は、運動方程式を次のように展開する。なお、θｘは、機械要素ｘのねじれ角である。
【００２２】
【数１】
この運動方程式を解くことで、ダイナモトルク指令−軸トルク検出のゲイン理論伝達特性を求めておく。
【００２４】
次に、上位装置１７では、図３に計測フローを示すように、ダイナモトルク指令から軸トルク検出まのゲイン理論伝達特性を伝達関数形式で入力しておく（Ｓ１）、この特性から共振周波数探索範囲を決定しておく（Ｓ２）。例えば、判別される理論共振周波数の±１０％のように設定しておく。
【００２５】
次に、上位装置１７からコントローラ１０に加振指令を与え、ダイナモメータ４にトルク出力を発生させる（Ｓ３）。この加振はランダム的であったり、正弦波を周波数を変えてスイープさせてもよい。
【００２６】
この加振時の軸トルク検出値を軸トルクメータ１６からデータ収集する（Ｓ４）。
【００２７】
次に、受信した軸トルク検出値を周波数分析してパワースペクトルを求め、このスペクトルから先に決定された探索範囲を元に、ゲインのピーク値を順次算出し、共振周波数を得る（Ｓ５）。
【００２８】
次に、この共振周波数から、以下の式に基づいて、動的ばね定数を算出する（Ｓ６）。
【００２９】
【数２】
ｋ2＝ω1 2×ω2 2×ＪTM×Ｊd／ｋ1
この式は、図１に示した計測装置構成で固定装置１３、シャフト８、軸トルクメータ１６、ダイナモメータ４を３慣性系と見なした図２のモデルにおけるばね定数と他のパラメータの関係式を示したものである。ここでω1とω2は共振周波数の１次、２次を示している。
【００３０】
最後に、上位装置１７は、算出したシャフト８等の動的ばね定数を計測値として出力する（Ｓ７）。
【００３１】
本実施形態によれば、エンジンベンチシステムのダイナモメータとその制御系を利用し、エンジンに代えて固定装置でシャフトの一端を固定し、コントローラに加振指令を与えることでシャフト等の動的ばね定数を計測することができ、正確なパラメータの把握により、エンジンの実性能試験での制御性能を高めることができる。すなわち、エンジン運転周波数領域にシャフト等の動的ばね定数に因る共振周波数が存在する場合に、その共振周波数を避けて運転したり、共振周波数でのゲインを抑制するような制御を可能にする。
【００３２】
【発明の効果】
以上のとおり、本発明によれば、シャフトからダイナモメータまでの系を慣性系としてモデル化し、このモデルの運動方程式を解いてその理論伝達特性を求め、この理論伝達特性から共振周波数探索範囲を決定しておき、シャフトの一端を固定し、他端をダイナモメータに結合し、コントローラに加振指令を与えたときの軸トルク検出値を周波数分析してパワースペクトルを求め、このパワースペクトルから探索範囲内でのゲインのピーク値を共振周波数として順次算出し、この共振周波数からシャフト等の動的ばね定数を正確に算出するようにしたため、エンジンベンチシステムでの制御性能の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態を示すシャフトばね定数計測装置の構成図。
【図２】実施形態における機械系モデルの概念図。
【図３】実施形態における上位装置の計測フロー。
【図４】従来のエンジンベンチシステムの構成図。
【図５】従来の他のシステム構成図。
【図６】ダイナモメータ制御装置の構成図。
【図７】従来のシャフトばね定数計測装置。
【符号の説明】
１…エンジン
４…ダイナモメータ
８、１２…シャフト
９、１６…軸トルクメータ
１０…コントローラ
１１…インバータ
１３…固定装置
１７…上位装置
Claims (1)
- エンジンとダイナモメータをシャフトで結合し、コントローラによるエンジンの軸トルク制御またはダイナモトルク制御によってエンジンの各種性能試験を行うエンジンベンチシステムにおいて、
前記シャフトのばね定数を計測するコンピュータは、
前記シャフトの一端を固定し、他端にダイナモメータを結合した機械系を慣性系としてモデル化を行い、このモデルの運動方程式を解いてダイナモトルクに対する軸トルク検出のゲイン理論伝達特性を求め、この理論伝達特性から機械系に存在する共振周波数探索範囲を決定しておく手順と、
前記コントローラにランダム波または正弦波のダイナモトルク指令を与えたときの該ダイナモトルク指令に対する軸トルク検出値を周波数分析してパワースペクトルを求め、このパワースペクトルと前記探索範囲を基にゲインのピーク値を順次算出してそれを共振周波数とし、この共振周波数から動的ばね定数を算出する手順とを有することを特徴とするエンジンベンチシステムのシャフトばね定数計測方法。
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| JP2002002020A JP4019711B2 (ja) | 2002-01-09 | 2002-01-09 | エンジンベンチシステムのシャフトばね定数計測方法 |
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| JP2002002020A JP4019711B2 (ja) | 2002-01-09 | 2002-01-09 | エンジンベンチシステムのシャフトばね定数計測方法 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
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|---|---|---|---|---|
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| JP6465164B2 (ja) * | 2017-06-20 | 2019-02-06 | 株式会社明電舎 | 機械特性推定方法 |
| JP6911775B2 (ja) * | 2018-01-12 | 2021-07-28 | トヨタ自動車株式会社 | 車両用制御装置 |
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- 2002-01-09 JP JP2002002020A patent/JP4019711B2/ja not_active Expired - Fee Related
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