JP5353808B2 - 疲労試験機 - Google Patents

Description

この発明は、車両用部品等の供試体に対して疲労・耐久試験を行う疲労試験機に関する。

このような疲労試験機においては、目的とする疲労・耐久試験を行うための目標波形が、予め、設定される。そして、目標波形により近い波形で実際の疲労・耐久試験を実行するために、負荷アクチュエータに与える駆動信号は、目標波形に逆伝達関数を乗じて生成している。より具体的には、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応答信号波形を検出し、ランダム波形と応答信号の波形（検出波形）との減衰率と位相遅れ量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行列を逆伝達関数とし、目標波形に逆伝達関数を乗じて駆動信号の波形を生成している（特許文献１参照）。

駆動信号が決定された後には、この駆動信号に基づいてアクチュエータを駆動したときの応答信号の波形と、目標波形との差異から、駆動信号の波形を補正するイタレーション（繰り返し補正）が実行される。なお、応答信号の波形と目標波形との差異に基づく駆動信号の波形の補正は、疲労試験中においても継続して実行される。

登録実用新案第３１１９６１０号公報

図１０は、駆動信号１の波形とその応答信号２の波形とを示す波形図である。ここで、図１０（ａ）の縦軸は試験力を示し、横軸は時間を示している。また、図１０（ｂ）の横軸は駆動信号を示し、縦軸は応答信号を示している。なお、この実施形態においては、駆動信号として正弦波を使用し、応答信号としては試験力信号を使用している。

例えば、供試体として車両用部品を使用した場合に、供試体にクリアランスがあった場合等においては、駆動信号に対して線形な応答が得られない場合がある。図１０に示す実施形態においては、試験力がゼロとなる付近の領域に、駆動信号が変化してアクチュエータが移動しても試験力がほとんど変化しない領域Ａが存在する。

上述したイタレーションを実行するときには、一般的に、目標波形と応答信号の波形とを各々フーリエ変換し、これらの比を周波数ごとに求めている。このため、図１０における領域Ａのような非線形な領域をも含んでフーリエ変換が行われた場合には、その領域Ａの影響が広い周波数範囲で大きな強度成分となって現れる。

従って、このようにして得られたフーリエ変換後のデータに基づいてイタレーションを実行すると、領域Ａに基づく周波数成分の影響を打ち消すために逆位相の成分が駆動信号に加算されるが、その周波数成分への加算は駆動信号の波形全体に影響を与えることから、駆動信号の波形全体が大きく歪むことになる。そして、このような状況のままイタレーションを継続して実行しても、供試体のクリアランスといった非線形領域はなくならないことから、応答信号の波形を目標波形に近づけることは困難であり、場合によってはイタレーションを繰り返すに程、波形全体の歪が大きくなっていくこともある。

この発明は上記課題を解決するためになされたものであり、駆動信号に対して線形な応答が得られない場合においても、イタレーションにより応答信号の波形を目標波形に近づけることが可能な疲労試験機を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、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、供試体に負荷を付与する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、前記目標波形に前記逆伝達関数を乗じて前記駆動信号を生成する駆動信号生成手段と、供試体に前記駆動信号により試験力を付与したときの応答信号を検出する応答信号検出手段と、前記応答信号における前記駆動信号の変化にかかわらず前記応答信号が変化しない領域であるイタレーション不適格領域に対して補正を行う補正手段と、前記目標波形と前記補正後の応答信号とに基づいて、前記駆動信号を補正するイタレーション手段とを備えたことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記逆伝達関数演算手段は、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応答信号との比に基づいて伝達関数を算出する伝達関数演算部と、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演算部を備える。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、前記イタレーション不適格領域は、試験力がゼロ付近の領域である。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、前記イタレーション不適格領域は、試験力が、その最大値の４０％以下となる領域である。

請求項５に記載の発明は、請求項３または請求項４に記載の発明において、前記補正手段は、前記イタレーション不適格領域における応答信号に対してフィルターをかけるフィルター手段である。

請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の発明において、前記フィルター手段は、前記イタレーション不適格領域における応答信号に対して、前記目標波形における基本周波数以下の周波数のみを通過させるローパスフィルターである。

請求項１に記載の発明によれば、供試体にクリアランスがあった場合など駆動信号に対して線形な応答がえられない場合においても、応答信号におけるイタレーション不適格領域に対して補正を行うことにより、イタレーションにより応答信号の波形を目標波形に近づけることが可能となる。

請求項２に記載の発明によれば、逆伝達関数を容易かつ正確に算出することが可能となる。

請求項３または請求項４に記載の発明によれば、応答信号におけるイタレーション不適格領域を容易に判定して、その補正を実行することが可能となる。

請求項５および請求項６に記載の発明によれば、応答信号におけるイタレーション不適格領域に対する補正を、容易かつ正確に実行することが可能となる。

この発明に係る疲労試験機の概要図である。 制御装置５０内部のフィードバック駆動系を示す機能ブロック図である。 制御装置５０における逆伝達関数演算部５３を示す機能ブロック図である。 応答信号３と、この応答信号３に対してローパスフィルターをかけた後の信号４とを示す波形図である。 補正後の信号５の波形を示す波形図である。 応答信号３と、この応答信号３に対してローパスフィルターをかけた後の信号４と、補正後の信号５とを示す波形図である。 応答信号３からローパスフィルターをかけた後の信号４への切替を行って補正後の信号５を得る状態を示す波形図である。 目標信号と、応答信号と、補正後の信号とを各々フーリエ変換し、周波数ごとの強度をプロットしたグラフである。 応答信号３の波形と、目標信号６の波形と、補正後の信号によりイタレーションを行った後の信号７の波形とを示す波形図である。 駆動信号の波形とその応答信号の波形とを示す波形図である。

以下、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、この発明に係る疲労試験機の概要図である。

この疲労試験機は、油圧アクチュエータ３１を介して車両用部品等の供試体３８に連続して負荷を付与することより疲労試験を行うものである。制御装置５０からは、この油圧アクチュエータ３１の駆動信号が送信される。このデジタル駆動信号は、Ｄ／Ａ変換器４１でアナログ信号に変換された後、増幅器３５で増幅されて、油圧アクチュエータ３１のサーボ弁３２に入力される。供試体３８の変位量は変位計３３で検出され、その変位検出信号は、増幅器３６で増幅されてＡ／Ｄ変換器４２でデジタル検出信号に変換された後、制御装置５０に入力される。制御装置５０は、変位検出信号と駆動信号との差分を算出し、その差分に基づくデータをサーボ弁３２にフィードバックすることにより油圧アクチュエータ３１を駆動制御する。

また、供試体３８の変位量に基づいてフィードバック制御を行う変位制御ではなく、供試体３８に付与される荷重に基づいてフィードバック制御をおこなう荷重制御を採用することもできる。この場合においては、供試体３８に負荷される荷重は荷重計３４により検出される。荷重検出信号は、増幅器３７で増幅され、Ａ／Ｄ変換器４３でデジタル検出信号に変換された後、制御装置５０に入力される。制御装置５０は、荷重検出信号と駆動信号との差分を算出し、その差分に基づくデータをサーボ弁３２にフィードバックすることにより、油圧アクチュエータ３１を駆動制御する。

図２は、制御装置５０内部のフィードバック駆動系を示す機能ブロック図である。

この制御装置５０は、目標波形生成回路５１と、逆伝達関数演算部５３と、逆伝達関数記憶部５２と、乗算器５４と、スイッチ５６と、偏差器５５と、この発明の特徴部分であるフィルター回路５７とを備える。

目標波形生成回路５１は、例えば供試体３８が車両用部品の場合には、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、その信号を出力する。逆伝達関数演算部５３は、後述する工程により逆伝達関数を演算し、逆伝達関数記憶部５２は、演算後の逆伝達関数を記憶する。乗算器５４は、目標波形生成回路５１からの目標波形に対して、逆伝達関数記憶部５２に記憶した逆伝達関数を乗じて駆動信号を演算する。スイッチ５６は、図１に示す変位計３３からの変位信号または荷重計３４からの荷重信号を応答信号として選択する。偏差器５５は、駆動信号と変位もしくは荷重のフィードバック信号との偏差を演算する。そして、フィルター回路５７は、逆伝達関数演算部５３に入力される応答信号におけるイタレーション不適格領域に対して補正を実行する。

図３は、制御装置５０における逆伝達関数演算部５３を示す機能ブロック図である。

伝達関数は、油圧アクチュエータ３１と供試体３８とを含む制御系全体に入力されるランダム波形等の波形と、その波形に基づいて供試体３８に負荷を付与したときに得られる応答信号の波形（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５３は、ランダム波形等の波形を発生する波形信号発生部６１と、波形信号発生部６１から発生した波形をフーリエ変換するフーリエ変換部６２と、応答信号の波形をフーリエ変換するフーリエ変換部６３と、フーリエ変換部６２からの出力信号を、フーリエ変換部６３からの出力信号で除して伝達関数を算出する除算器６４と、除算器６４から出力される伝達関数に対して、補正および補間演算を実行する補正回路６５と、補正後の伝達関数の逆数を演算する逆数演算回路６６とを備える。

次に、以上のような構成を有する疲労試験機において疲労試験を実行する場合の動作について説明する。なお、以下の実施形態においては、変位計３３からの変位信号を応答信号として選択し、また、目標信号として正弦信号を使用した場合について説明する。

疲労試験を実行するときには、最初に、駆動信号の波形を生成する。この場合には、供試体３８に対してランダム波形を付与し、ランダム波形による供試体３８の変形量を変位計３３で検出する。そして、図３に示す逆伝達関数演算部５３において、波形信号発生部６１から発生したランダム波形をフーリエ変換部６２でフーリエ変換するとともに、応答信号の波形をフーリエ変換部６３でフーリエ変換し、除算器６４においてフーリエ変換部６２からの出力信号を、フーリエ変換部６３からの出力信号で除算する。そして、除算器６４から出力される伝達関数に対して、補正回路６５で補正および補間演算を実行した後、逆数演算回路６６において補正後の伝達関数の逆数（正確には逆行列）を演算して逆伝達関数を演算する。この逆伝達関数は、図２に示す逆伝達関数記憶部５２に記憶される。そして、この逆伝達関数記憶部５２に記憶された逆伝達関数と目標波形生成回路５１から発生する目標波形とを乗算器５４において乗算することにより、駆動信号を演算する。これにより、初期の駆動信号を得ることができる。

次に、この状態において、この駆動信号に基づいて油圧アクチュエータ３１を駆動したときの応答信号の波形と目標波形との比から、駆動信号の波形を補正するイタレーション（繰り返し補正）を実行する。この場合においては、初期の駆動信号と変位計３３からのフィードバック信号との偏差を図１に示す偏差器５５で演算し、この差分駆動信号に基づいて油圧アクチュエータ３１のサーボ弁３２を駆動する。すなわち、差分駆動信号は、Ｄ／Ａ変換器４１でアナログ信号に変換され、増幅器３５で増幅されてサーボ弁３２に印加される。このような差分駆動信号でサーボ弁３２が駆動されることにより、油圧アクチュエータ３１が駆動されて供試体３８に負荷が付与される。

そして、このときの供試体３８の変位は変位計３３で検出され、増幅器３６で増幅される。この変位についての応答信号はＡ／Ｄ変換器４２でデジタル信号に変換されて制御装置５０にフィードバックされる。このときの応答信号には、図１０に示すように、非線形の領域Ａが存在する。このため、この発明に係る疲労試験機においては、図２に示すフィルター回路５７により、応答信号におけるイタレーション不適格領域に対して補正を実行している。

図４は、応答信号３と、この応答信号３に対してフィルター回路５７によりローパスフィルターをかけた後の信号４とを示す波形図である。なお、この図においては、縦軸は試験力を示し、横軸は時間を示している。

イタレーションを実行するときには、通常は、応答波形と目標波形とを比較する。しかしながら、上述したように、応答信号３には、主としてその試験力がゼロとなる領域付近に非線形な領域が存在する。このため、応答波形をそのまま利用してイタレーションを実行した場合には、応答信号の波形を目標波形に近づけることは困難となる。このため、この応答信号３に対してローパスフィルターをかけた信号４を利用する。より具体的には、フィルター回路５７により、応答信号３に対してその基本周波数以下の周波数のみを通過させるローパスフィルターを適用した信号４を利用する。

そして、応答信号３のうち、イタレーションを適切に実行し得ない応答信号におけるイタレーション不適格領域に対して補正を行う。このイタレーション不適格領域は、この実施形態においては、試験力がゼロ付近の領域であり、より具体的には、試験力がその最大値の４０％以下となる領域である。すなわち、非線形領域は主として試験力がゼロとなる領域において発生することと、疲労試験において重要となるのは疲労に寄与する最大・最小値付近での波形の再現性であることを考慮し、試験力がゼロ付近の領域のうち、試験力がその最大値の４０％以下となる領域をイタレーション不適格領域として認定する。そして、この領域においては、応答信号３をローパスフィルターを適用した信号４に置き換える補正を行う。

図５は、補正後の信号５の波形を示す波形図である。また、図６は、応答信号３と、この応答信号３に対してローパスフィルターをかけた後の信号４と、補正後の信号５とを示す波形図である。なお、図５においては、縦軸は試験力を示し、横軸は時間を示しており、図６においては、縦軸は試験力を示し、横軸は駆動信号を示している。

この図に示すように、補正後の信号５は、試験力がその最大値の４０％以下となる領域においては、応答信号３に対してローパスフィルターを適用した信号４が使用され、その他の領域においては、応答信号３自体が使用される。この補正後の信号５においては、非線形な領域の波形が除外されるとともに、疲労試験において重要となる領域の波形がそのまま残されている。

図７は、応答信号３からローパスフィルターをかけた後の信号４への切替を行って補正後の信号５を得る状態を示す波形図である。

オリジナルの応答信号３とローパスフィルター後の信号４との切替は、段差が生じないように滑らかに実行する必要がある。このため、図７に示すように、余弦信号を利用すること等により、両者の信号を滑らかに接合するようにしている。

図８は、目標信号と、応答信号と、補正後の信号とを各々フーリエ変換し、周波数ごとの強度をプロットしたグラフである。なお、この図において、縦軸は強度を示し横軸は周波数を示している。

この図においては、符号３は応答信号をフーリエ変換した結果を示し、符号５は補正後の信号をフーリエ変換した結果を示し、符号６は目標信号をフーリエ変換した結果を示している。この図に示すように、補正後の信号の波形においては、応答信号の波形における非線形部分が取り除かれていることから、非線形領域にフィルターを適用した領域における周波数強度が小さくなっている。このため、試験力がゼロとなる領域付近の非線形領域の影響により、イタレーションによる補正が過度となることを有効に防止することが可能となる。

以上のように、応答信号に対してローパスフィルターを利用した補正を行った後に、イタレーションを実行する。この場合においては、例えば、図３に示す逆伝達関数演算部５３において、波形信号発生部６１から発生させた目標信号をフーリエ変換部６２でフーリエ変換するとともに、補正後の応答信号の波形をフーリエ変換部６３でフーリエ変換し、除算器６４においてフーリエ変換部６２からの出力信号を、フーリエ変換部６３回路からの出力信号で除算する。そして、除算器６４から出力される伝達関数に対して、補正回路６５で補正および補間演算を実行した後、逆数演算回路６６において補正後の伝達関数の逆数を演算して逆伝達関数を演算する。この逆伝達関数は、図２に示す逆伝達関数記憶部５２に記憶される。そして、この逆伝達関数を利用して、イタレーションを実行する。

図９は、応答信号３の波形と、目標信号６の波形と、補正後の信号によりイタレーションを行った後の信号７の波形とを示す波形図である。

この図に示すように、非線形領域を含むことからいままではイタレーションを実行しても目標信号の波形に近づけることが困難であった波形に対しても、応答信号３に対してフィルター回路５７によりローパスフィルターをかけた後の信号４の一部の領域を使用してイタレーションを行うことにより、応答信号の波形を目標信号の波形に近づけることが可能となる。

なお、上述した実施形態においては、応答信号３のうち試験力がその最大値の４０％以下となる領域の信号を、イタレーションを適切に実行し得ないイタレーション不適格領域として認定し、この領域に対してローパスフィルターを適用することで補正を行っている。しかしながら、この発明は、このような形態に限定されるものではない。例えば、イタレーション不適格領域における応答信号のみを、目標信号に置き換えることにより、イタレーション不適格領域に対する補正を行う形態を採用してもよい。

３１ 油圧アクチュエータ
３２ サーボ弁
３３ 変位計
３４ 荷重計
３８ 供試体
５０ 制御装置
５１ 目標波形生成回路
５２ 逆伝達関数記憶部
５３ 伝達関数演算部
５４ 乗算器
５５ 偏差器
５６ スイッチ
５７ フィルター回路
６１ 波形信号発生部
６２ フーリエ変換部
６３ フーリエ変換部
６４ 除算器
６５ 補正回路
６６ 逆数演算回路

Claims (6)

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、供試体に負荷を付与する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、
   前記目標波形に前記逆伝達関数を乗じて前記駆動信号を生成する駆動信号生成手段と、
   供試体に前記駆動信号により試験力を付与したときの応答信号を検出する応答信号検出手段と、
   前記応答信号における前記駆動信号の変化にかかわらず前記応答信号が変化しない領域であるイタレーション不適格領域に対して補正を行う補正手段と、
   前記目標波形と前記補正後の応答信号とに基づいて、前記駆動信号を補正するイタレーション手段と、
   を備えた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、
   前記逆伝達関数演算手段は、
   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応答信号との比に基づいて伝達関数を算出する伝達関数演算部と、
   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演算部を備える疲労試験機。
3. 請求項２に記載の疲労試験機において、
   前記イタレーション不適格領域は、試験力がゼロ付近の領域である疲労試験機。
4. 請求項３に記載の疲労試験機において、
   前記イタレーション不適格領域は、試験力が、その最大値の４０％以下となる領域である疲労試験機。
5. 請求項３または請求項４に記載の疲労試験機において、
   前記補正手段は、前記イタレーション不適格領域における応答信号に対してフィルターをかけるフィルター手段である疲労試験機。
6. 請求項５に記載の疲労試験機において、
   前記フィルター手段は、前記イタレーション不適格領域における応答信号に対して、前記目標波形における基本周波数以下の周波数のみを通過させるローパスフィルターである疲労試験機。