JP4999532B2 - シャシーダイナモメータ - Google Patents

Description

本発明は、車両の駆動輪のトルクを検出するシャシーダイナモメータに関する。

シャシーダイナモメータは、一般的に車両の動的な走行性能試験を室内で行うために用いられる。より具体的には、路面の代わりに回転自在なローラ上に車両の駆動輪を乗せて走行状態におき、駆動輪のトルクをローラに伝えることでトルク測定を行うと共に、各種加速試験や排ガスモード試験のような動的試験において、車輪が路面から受ける所定の抵抗（走行抵抗）を付与することができるようになっている。
特開平６−５０８５０号公報 特開平５−２４０７３９号公報

従来技術のシャシーダイナモメータとしては、例えば図１に示すものがある。図１において、地面或いは床面に設置された架台Ｂ上にモータＭが設置されている。モータＭの片側から突出する回転軸Ｓには２つのローラＲ１，Ｒ２が連結されており、回転軸Ｓの端部は柱Ｐにより回転自在に支持されている。

一方、別な従来技術のシャシーダイナモメータとしては、特許文献１に掲げるものがあり、それの概略図を図２に示す。図２において、地面或いは床面に設置された架台Ｂ上にモータＭが設置されている。モータＭの両側から突出する片持ち状の回転軸Ｓには、それぞれ２つのローラＲ１，Ｒ２が連結されている。

かかるシャシーダイナモメータによれば、車両Ｖの駆動輪Ｔ、ＴがローラＲ１，Ｒ２上に載せられ、その駆動力でローラＲ１，Ｒ２を回転させることで、トルクメータによりトルク計測を行うことができる。又、モータＭが回転軸Ｓを回転させることで、ローラＲ１，Ｒ２を介して駆動輪Ｔ、Ｔに動力を伝達することにより、車両の駆動系の抵抗などを測定することができる。

ところで、従来のシャシーダイナモメータにおけるトルク計測の一手法として、モータのフレームを揺動可能として、反力として受ける力をアームを経由してロードセルにて計測しトルクに変換するものが知られている。又、トルク計測の別の手法として、モータの出力軸に軸トルク計を取り付けて直接トルクを計測するものも知られている。しかるに、計測にあたっては精度を出すために、軸受のロスと風損を事前に計測して、これらをキャンセルする手法をとることが必要となる。

ここで軸受のロスは、車両の重量や運転中の温度によって大きく変化するので、これを精度良く特定することは難しく、そのため精密な計測はきわめて困難である。更に、揺動による計測方式は、モータのフレームとロードセルのばね定数からくる低剛性の問題があって、計測の応答は遅くなり迅速な評価ができない傾向がある。これに対し、軸トルク計を用いた計測の場合は、回転系の剛性を弱くする構造となる場合が多く、これにより低い周波数の機械系共振が存在することになり、計測範囲に回転速度が重ならないような設計が求められるという問題がある。尚、特許文献２には、車両の車輪のトルクを測定して、モータの吸収トルクを補正する構成が開示されているが、構成が複雑になるという問題がある。

本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑みてなされたものであって、高精度な測定を行えるコンパクトなシャシーダイナモメータを提供することを目的とする。

本発明のシャシーダイナモメータは、
車両の車輪を載せるローラと、
台座に取り付けられた固定子と、
前記台座に固定された固定軸に、軸受および回転基部を介して回転自在に支持された回転子と、
前記回転子と前記ローラとを連結し、前記ローラの外周接線力を計測できる６分力計である円環状のトルクメータとを有し、
前記ローラは、２つの円錐面を突き合わせて形成され前記回転子に連結されるフランジ部と、前記フランジ部の外周に設けられた円筒状の外周部と、前記フランジ部の円錐面同士を内側で接合した補強部とを有し、
前記ローラの重心位置が、前記トルクメータと、前記固定軸の軸線方向において一致するように、前記ローラと前記トルクメータとが配置されていることを特徴とする。

ここで、ローラに直接トルクメータを連結することを考える。かかる場合、ローラが車両の車輪から荷重を受ける位置が、トルクメータに対して軸線方向にシフトしていると、ローラを介してトルクメータに、軸線方向に傾くモーメントが付与されることとなる。このようなモーメントが付与されたまま、トルクメータによりローラのトルクを検出するとその分の誤差が付加されるため、精度の良い測定を行えない恐れがある。これに対し、本発明のシャシーダイナモメータによれば、車両の車輪を載せるローラの重心位置が、前記ローラの外周接線力を計測できるトルクメータの軸線方向範囲内に含まれるように、前記ローラと前記トルクメータとが配置されているので、前記トルクメータに、前記ローラからの荷重が印加されたときに、軸線方向に傾くモーメントを抑制できるため、高精度なトルク測定を行うことができる。

更に、前記ローラの半径方向内方に、前記ローラを駆動するモータの少なくとも一部を配置すれば、モータの回転軸を短く、場合によっては不要とすることができ、それにより省スペースを図りながらも、回転系のねじり剛性を高め、重量物を集中させることにより回転バランスを向上させることができる。又、ローラを支持するベアリングには、半径方向外方から車両の荷重を付与することができるため、従来技術のように回転軸を支持する場合と異なり曲げモーメントが作用せず、ベアリングの寿命を長く確保することができる。更に、ローラの内方にモータを設けているために、ローラ間の距離を任意に設定できる。従って同様のシャシーダイナモメータを、車両の車輪個々の位置に合わせて設置することで、ローラ幅を短くでき、慣性質量を小さく抑えることができるため、低μ路の試験などをベンチ上で再現することが可能となる。

前記モータは、前記モータは、台座に取り付けられた固定子と、前記ローラと一体的に回転するように取り付けられた回転子とを有すると好ましい。

更に、車両の車輪を載せるローラから半径方向内方に延在するフランジ部と、モータの回転子を支持する回転子ブラケットとを、前記トルクメータを介して連結したので、トルク測定の際に軸受の影響を回避することができる。したがって、トルク計測の誤差はローラの風損が主となる。風損はローラの構造により決定されるので、これを極力減少させることは可能であり、また構造が決定した後は、温度などに左右されず安定した値となることから正確に補正することが可能になる。即ち、本発明によれば、従来にない精密な計測が実現できる。更に、モータの回転軸に軸トルク計を設ける必要がないため、そのねじり剛性を機械構造上きわめて高剛性設計とすることが可能であり、これにより高速応答のトルク計測評価が実現できる。

前記トルクメータを６分力計とすると、前記ローラに加わる外周接線力即ち前記車両の進行方向以外の分力を計測できるので好ましい。

前記ローラと前記モータは複数個設けられ、独立して動作すると、総輪駆動車の各駆動輪ごとに前記シャシーダイナモメータを設けて、それぞれについて試験を行うことができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図３は、本実施の形態にかかるシャシーダイナモメータをベンチに設置した状態で示す斜視図である。図３において、同様のシャシーダイナモメータ１００が２基、回転軸線を共通にして配置されている。シャシーダイナモメータ１００のローラ上に、車両のＶの駆動輪Ｔ、Ｔが載置されている。シャシーダイナモメータ１００は、Ｌ字状の台座１０１を介して床面にボルトで固定されている。

図４は、本実施の形態にかかるシャシーダイナモメータ１００を軸線方向から見た図である。図５は、図４の構成をV-V線で切断して矢印方向に見た図である。

図５において、台座１０１の上部側面には、円盤状のベース１０２がボルト固定されている。ベース１０２には、固定軸１０３が軸線を水平にしてボルト固定されている。固定軸１０３は、ベース１０２に固定される円板部１０３ａと、円板部１０３ａから延在する中空軸１０３ｂとを有している。中空軸１０３ｂの周囲には、一対の円錐ころ軸受１０４，１０５を介して、回転基部１０６が回転自在に支持されている。軸受１０４，１０５は、中空軸１０３ｂの端部に螺合するナット１１０により予圧を与えられ、内部のガタが排除されている。

回転基部１０６は、軸受１０４，１０５により支持される中空円筒部１０６ａと、中空円筒部１０６ａから半径方向外方に延在するフランジ部１０６ｂとを有する。フランジ部１０６ｂの内側（ベース１０２側）面に、回転子ブラケット１０７が固定されている。断面がＬ字状の回転子ブラケット１０７は、フランジ部１０６ｂに取り付けられ且つ半径方向外方に延在するフランジ部１０７ａと、フランジ部１０７ａの外周縁から軸線方向内側（ベース１０２側）に延在する円筒状の回転子保持部１０７ｂとからなっている。回転子保持部１０７ｂの外周面に、永久磁石からなる回転子１１４が周方向に並んで取り付けられている。

一方、フランジ部１０６ｂの外側には、環状のトルクメータ１０８が、回転子ブラケット１０７とボルトを共通として共締めされる形で取り付けられている。トルクメータ１０８の外周には、ローラ１０９が多数のボルトＳＢにより取り付けられている。トルクメータ１０８は、ローラ１０９が受けたトルクを歪み等で検出するものであり、詳細は後述する。

図５に示すように、ローラ１０９は、２つの円錐面を突き合わせて中央で同軸に接合したような形状を有し、より具体的には、トルクメータ１０８に固定されて半径方向外方に且つ軸線方向内側に延在するフランジ部１０９ａと、フランジ部１０９ａの外周に形成された円筒状の外周部１０９ｂと、フランジ部１０９ａの円錐面同士を内側で接合した補強部１０９ｃとからなる。尚、ローラ１０９は、アルミニウムや繊維強化プラスチックで形成されていても良く、また別体に限らず一体物として形成されることもできる。図５から明らかなように、ローラ１０９は、軸線方向断面において線対称な構造を有し、且つ軸線方向からみて点対称な構造を有しており、その重心位置Ｇｐは、軸線上におけるローラ１０９の幅中央の位置となる。本実施の形態では、ローラ１０９の重心位置Ｇｐをトルクメータ１０８の中心に配置しているが、トルクメータ１０８の軸線方向範囲（幅）内に含まれれば良い。

図６は、トルクメータ１０８の正面図であり、図７は、図６の構成をVII-VII線で切断して矢印方向に見た図である。図６，７において、トルクメータ１０８は、ボルト孔１０８ｂに挿通された６本の大ボルトＬＢ（図５）により回転基部１０６及び回転子ブラケット１０７に固定される基部１０８ａと、ボルト孔１０８ｄに挿通された小ボルトＳＢ（図５）によりローラ１０９のフランジ部１０９ａに固定される鍔部１０８ｃとを有する。基部１０８ａおいて、隣接するボルト孔１０８ｂの間に形成されたブロック状の被測定部１０８ｅ上には、ストレインゲージＳＧが貼り付けられている。各ストレインゲージＳＧは、不図示の測定回路に接続されている。

各被測定部１０８ｅの半径方向外方部は、それから接線方向両方向に延在する薄板状の連結部１０８ｆにより、鍔部１０８ｃに連結されている。尚、ボルト孔１０８ｂの半径方向外方から被測定部１０８ｅの側面にかけてスリット状の開口１０８ｇが形成され、且つそれとは独立して被測定部１０８ｅの半径方向外方にはスリット状の開口１０８ｈが形成され、トルクを受けたときに被測定部１０８ｅがある程度変形できるようにしている。

図８は、測定時にローラ１０９と車輪Ｔとの間に作用する力を示す図である。図８において、ローラ１０９と車輪Ｔとの接点に対して、車両の進行方向をＸ軸、車両の幅方向をＹ軸、ローラ１０９の法線方向をＺ軸としたときに、ローラ１０９は、車輪ＴからＸ軸方向の力（外周接線力）Ｆ_X、Ｙ軸方向の力Ｆ_Y、Ｚ軸方向の力Ｆ_Z、Ｘ軸回りのモーメントθ_X、Ｙ軸回りのモーメントθ_Y、Ｚ軸回りのモーメントθ_Zを受けることとなる。これを６分力といい、従って６分力全てを測定できる装置を６分力計という。トルクメータ１０８は、従来の軸トルク計と異なり、ローラ１０９に加わる車両Ｖの進行方向（Ｘ軸方向）以外の分散力を含む６分力を測定することができるので、車両Ｖの高精度な動的解析を行える。

図５において、トルクメータ１０８の半径方向内側に、カバーを兼ねた支持部材１１１が、回転基部１０６の端面にボルト止めされている。固定軸１０３の中空軸１０３ｂ内を延在する連結軸１１２の図で右端は、支持部材１１１に一体的に回転するように係合している。連結軸１１２の他端は、中空軸１０３ｂの根元に形成された凹部内に配置されたレゾルバ１１３に連結されている。レゾルバ１１３は、固定軸１０３に取り付けられたステータと、連結軸１１２に取り付けられたロータとの相対変位を磁気的に検出し、それに基づいて固定軸１０３と連結軸１１２の相対回転、即ちローラ１０９の回転速度を検出できるものであり、例えば多摩川精機株式会社より商標名「Ｓｉｎｇｌｓｙｎ」として上市されている。このように、レゾルバ１１３を固定軸１０３の根元側に設けたのは、トルクメータ１０８との磁気的干渉を回避するためであるが、適切なシールドを用いれば、トルクメータ１０８の近傍に設けることもできる。尚、ローラ１０９の回転速度を検出する手段としては、レゾルバに限らず磁気式又は光学式エンコーダなど種々の回転検出器を用いることができる。

図５において、固定軸１０３の円板部１０３ａに、固定子ブラケット１１５がボルト固定されている。断面が略Ｌ字状の固定子ブラケット１１５は、円板部１０３ａに取り付けられ且つ半径方向外方に延在するフランジ部１１５ａと、フランジ部１１５ａの外周縁から軸線方向外側に向いて回転子保持部１０７ｂの半径方向外方を延在する円筒状の固定子保持部１１５ｂと、回転子１１４の外方をおうように固定子保持部１１５ｂの端部から半径方向内方に延在するカバー部１１５ｃとからなっている。固定子保持部１１５ｂの内周面に、回転子１１４に対して僅かなスキマを持って、固定子１１６が取り付けられている。回転子１１４と、固定子１１６とでモータを構成する。

不図示の配線が、固定子１１６のコイルから固定子ブラケット１１５の表面を伝わって、外部インバータユニット（不図示）に接続されている。固定子１１６のコイルは駆動時に発熱するので、放熱効果を高めるために、フランジ部１１５ａに、等間隔に複数のフィン１１５ｄを形成すると好ましい。かかるフィン１１５ｄは、補強用のリブとして固定子ブラケット１１５の剛性向上にも貢献する。

更に、固定子保持部１１５ｂを二重円筒状として、外壁と内壁との間に形成される閉鎖空間内を冷却水を通過させることで、冷却機能を持たせている。

本実施の形態の動作について説明する。図３に示すように、ローラ１０９の上に車両Ｖの駆動輪Ｔ、Ｔを載せた状態で、不図示のスイッチを投入すると、インバータユニットから高周波電流が配線を介して固定子１１６に伝達され、それにより回転子１１４との間に磁力が生じ、かかる磁力を用いて回転基部１０６を介してローラ１０９を回転駆動させることができる。このとき、トルクメータ１０８の基部１０８ａと鍔部１０８ｂとの間に、トルクに応じて微小な回転ズレが生じるので、被測定部１０８ｅが弾性変形し、ストレインゲージＳＧに歪みが生じるから、その抵抗値変化よりトルク値を検出できる。従って車両がエンジンブレーキをかけたときの抵抗などを、トルクメータ１０８により高精度に測定することができる。

即ち、本実施の形態のシャシーダイナモメータ１００によれば、車両の車輪を載せるローラ１０９のフランジ部１０９ａと、モータの回転子１１４の回転子ブラケット１０７とをトルクメータ１０８を介して連結したので、トルク測定の際に軸受の影響を回避することができる。したがって、トルク計測の誤差はローラ１０９の風損が主となる。風損はローラ１０９の構造により決定されるので、これを極力減少させることは可能であり、また構造が決定した後は、温度などに左右されず安定した値となることから、実験値などを用いて正確に補正することが可能になる。更に、軸トルク計を用いないため回転基部１０６を機械構造上きわめて高剛性設計とすることが可能であり、これにより高速応答でのトルク計測評価が実現できる。

一方、エンジンからの動力で駆動輪Ｔ、Ｔを回転させると、それによりローラ１０９が回転駆動される。このとき、回転基部１０６を介して回転子１１４が回転するので、固定子１１６側に電力が発生する。即ち、モータを発電機として用いることで、駆動輪Ｔ、Ｔから供給される駆動力を電気に変換して吸収できることとなる。このときの駆動力はトルクメータで測定できる。特に、本実施の形態においては、ローラ１０９の重心位置Ｇｐをトルクメータ１０８の中心に配置しているので、トルクメータ１０８に、ローラ１０９からの荷重が印加されたときに、軸線方向に傾くモーメントを抑制できるため、ストレインゲージＳＧの歪みに悪影響を及ぼすことが抑制され、高精度なトルク測定を行うことができる。更に、個々のトルクメータ１０８を用いて駆動輪Ｔ、Ｔに発生する駆動力をそれぞれ測定できるので、例えばデファレンシャル機構により各駆動輪に分配される動力の配分を確認できる。又、４ＷＤなどいわゆる総輪駆動車において、各輪にシャシーダイナモメータ１００を配置することで、その駆動力を独立して測定できる。

シャシーダイナモメータ１００において、固定子１１６のコイルに発熱が生じた場合でも、固定子ブラケット１１５の固定子保持部１１５ｂが冷却水により冷却されているので、各部への熱の影響を回避できる。

更に、本実施の形態のシャシーダイナモメータ１００によれば、車両Ｖの車輪Ｔ、Ｔを載せるローラ１０９，１０９の半径方向内方に、モータを配置したので、省スペースを図りながらも、トルクメータ１０８と回転基部１０６からなるボックス状の高剛性構造により回転系のねじり剛性を高め、重量物を集中させることにより回転バランスを向上させることができる。又、ローラ１０９を支持する円錐ころ軸受１０４，１０５には、半径方向外方から車両の荷重を付与することができるため、従来技術のように回転軸を支持する場合と異なり曲げモーメントが作用せず、円錐ころ軸受の寿命を長く確保することができる。更に、ローラ１０９の内方にモータを設けているために、ローラ１０９，１０９間の距離を任意に設定できる。従ってシャシーダイナモメータ１００，１００を、車両Ｖの車輪Ｔ、Ｔ個々の位置に合わせて設置することができるので、ローラ１０９の幅を短くでき、慣性質量を小さく抑えることができるため、省スペースを図りつつ、低μ路の試験などをベンチ上で再現することが可能となる。

以上、実施の形態を参照して本発明を詳細に説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定して解釈されるべきでなく、その趣旨を損ねない範囲で適宜変更、改良可能であることはもちろんである。例えば、モータの一部はロータの軸線方向端部からはみ出していても良い。

従来例のシャシーダイナモメータを示す概略図である。 従来例のシャシーダイナモメータを示す概略図である。 本実施の形態にかかるシャシーダイナモメータをベンチに設置した状態で示す斜視図である。 本実施の形態にかかるシャシーダイナモメータ１００の軸線方向から見た図である。 図４の構成をV-V線で切断して矢印方向に見た図である。 トルクメータ１０８の正面図である。 図６の構成をVII-VII線で切断して矢印方向に見た図である。 測定時にローラ１０９と車輪Ｔとの間に作用する力を示す図である。

符号の説明

１００ シャシーダイナモメータ
１０１ 台座
１０１ａ アイボルト
１０２ ベース
１０３ 固定軸
１０３ａ 円板部
１０３ｂ 中空軸
１０３ｃ 凹部
１０４，１０５ 軸受
１０６ 回転基部
１０６ａ 中空円筒部
１０６ｂ フランジ部
１０７ 回転子ブラケット
１０７ａ フランジ部
１０７ｂ 回転子保持部
１０８ トルクメータ
１０９ ローラ
１０９ａ フランジ部
１０９ｂ 外周部
１０９ｃ リブ
１１０ ナット
１１１ 支持部材
１１２ 連結軸
１１３ レゾルバ
１１４ 回転子
１１５ 固定子ブラケット
１１５ａ フランジ部
１１５ｂ 固定子保持部
１１５ｃ カバー
１１５ｄ フィン
１１６ 固定子

Claims (2)

1. 車両の車輪を載せるローラと、
   台座に取り付けられた固定子と、
   前記台座に固定された固定軸に、軸受および回転基部を介して回転自在に支持された回転子と、
   前記回転子と前記ローラとを連結し、前記ローラの外周接線力を計測できる６分力計である円環状のトルクメータとを有し、
   前記ローラは、２つの円錐面を突き合わせて形成され前記回転子に連結されるフランジ部と、前記フランジ部の外周に設けられた円筒状の外周部と、前記フランジ部の円錐面同士を内側で接合した補強部とを有し、
   前記ローラの重心位置が、前記トルクメータと、前記固定軸の軸線方向において一致するように、前記ローラと前記トルクメータとが配置されていることを特徴とするシャシーダイナモメータ。
2. 前記ローラの半径方向内方に、前記回転子の少なくとも一部を配置したことを特徴とする請求項１に記載のシャシーダイナモメータ。

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