JP5520382B2 - 並進動吸振器を備えた供試体用回転テストスタンド - Google Patents

Description

本発明は、供試体用回転テストスタンドに関する。

この種のテストスタンドは、特に車両及び車両構成部品、例えば内燃機関、駆動系及びブレーキ等を試験するために用いられる。その際、供試体は負荷装置に連結され、供試体と負荷装置との間で作用する負荷が監視される。内燃機関を試験するためには、負荷装置はブレーキとして作用し、例えばダイナモメータ、液圧ブレーキ又は渦電流ブレーキを用いることで実現できる。ブレーキを試験するためには、負荷装置は駆動装置として具現化しなければならず、例えばダイナモメータ（例えば直流電動機）を用いることで実現できる。負荷装置、供試体及び測定装置は、適切な構成部品、例えば駆動シャフト、カプラ及びレバーを用いて互いに連結され、これにより、作用するトルク及び力を確実に伝達することができる。

測定装置として、様々な解決手段が公知である。従って、例えば、トルク測定フランジを負荷装置と供試体との間の接続ライン内に設置することが可能である。同様に、例えば、負荷装置或いはまた供試体を振動するように支持し、力測定デバイスに対して作用するレバーを介して振動中に生じるトルクを支持することも公知である。

供試体の試験は、通例、アイドル状態と全負荷状態との間の実際の動作を模擬できるように、様々な回転速度及びトルクによる動作を必要とする。

各々の場合のテストスタンドの様々な構成部品は、機械技術的に要約すると、バネ−質量系である。従って、特にテストスタンドが比較的大きい場合、その構成部品は比較的低い固有周波数を有する。このことはまた、特にねじり振動に関係する。

供試体及び負荷装置は回転振動及び並進振動を発生させ、これらの振動はテストスタンドへ導入され、テストスタンドの構成部品へと伝達される。供試体は広い速度範囲で動作するので、供試体により発生した振動が、テストスタンドの他の構成部品の共振周波数と一致することを回避できない。固有周波数或いは共振範囲内にある周波数となって構成部品が励振することにより、当該各構成部品及び隣接する集合体に対して過度に強い振動負荷を引き起こされ、これにより、テストスタンドの部品が損傷する恐れ、或いは少なくとも測定結果が歪められる恐れがある。

特に測定装置の構成部品の１つにおいて共振周波数と一致する振動がテストスタンドの動作中に発生した場合、強い振動超過が当該各構成部品に生じ、このことが測定結果を歪めるか、或いは実負荷の測定を不可能にさえする。

特許文献１によって、共振周波数付近の振動の影響を除去するために電子回路を用いて測定信号を補正することが公知である。

特許文献２が開示している解決手段の場合、振動するように支持されたダイナモメータに固定されているレバーアームとこのレバーアームの端部に接続された力測定デバイスとの間の力の流れの中にバネ組立体が、設置されている。バネ組立体を用いて、レバーアーム−力測定系の固有周波数を致命的ではない領域にまで偏移させる試みがなされている。

これらの周波数を危険周波数よりも高い周波数領域、あるいは、危険周波数よりも低い周波数領域へと偏移させるための対策は、テストスタンドの場合には大抵有効ではない。なぜなら、供試体は、可能な限り実際と同じ条件の下で試験されねばならないからである。例えば供試体の振動臨界における挙動も、そのような条件で決定されねばならない。共振周波数を偏移させることはこれを妨げることになるであろう。

駆動系にカップリング或いは補償カップリングを用いて振動を減衰させること、又は励振を低減させること（供試体自体を変更すること）も現実的には容認できない。なぜなら、これは、テストスタンドの結果を実際の場面へ転用することの妥当性を疑問視させることになるからである。このような解決手段は、例えば特許文献３から公知である。

独国特許出願公開第３９１０４５４号明細書 特公平０１−０３４３３１号公報（ＪＰ５８１７６５３１） 米国特許第５，８２９，３２０号明細書

本発明の根底をなす課題は、共振周波数の干渉を低減できるテストスタンドを提示することである。

この課題は、本発明に従って、請求項１に記載の特徴を有するテストスタンドによって解決される。有利な実施形態が従属請求項に提示されている。

供試体用回転テストスタンドが、供試体に対する負荷を発生させるための負荷装置、並びに供試体を収容して負荷を供試体に伝達するための供試体収容部、供試体に作用する測定変数を測定するための測定装置、及びテストスタンドに生じる振動を減衰するための動吸振デバイスを含む。

従って、ここに提示するテストスタンドには供試体自体は含まれない。その代わりに、供試体は、テストスタンドの顧客或いは使用者が所望通りに供試体収容部へ挿入することができ、その位置で、負荷装置によって発生された負荷に連結することができる。従って、本テストスタンドのシステム境界は供試体の直近で終端する。

従って、供試体収容部は、特に供試体用の支持部と、供試体を本テストスタンドに連結して負荷装置からの負荷を供試体に伝達するための接続要素とを含む。従って、本テストスタンドのシステム境界は、供試体収容部と操作者により提供される供試体自体との間に延びている。

従って、本発明では伝統的なテストスタンドが提示されるが、このテストスタンドの場合、更に動吸振器（以降、動吸振器とも呼ぶ）が追加的に設けられている。動吸振器（英語：tuned mass damper - TMD（同調質量ダンパ））は、補助振動子を提供する機構を含む非減衰又は減衰バネ−質量系であり、補助振動子は、共振周波数に呼応して振動し、システムの振幅を著しく低減することができる。動吸振器は、安定化されるべきシステムの適切な箇所、有意には大きな振動振幅を有する箇所に固定される。

動吸振器の機械システムは、適宜、固定装置を含み、この固定装置が動吸振器における固定部分を保持する。このシステムは質量体（また、例えば複数の質量体を含む質量装置）を具備し、この質量体は固定装置に対して相対的に移動可能である。質量体は、バネ及び／又はダンパー（以降、略してバネ装置とも呼ぶ）を介して固定装置に連結されている。バネ装置は、例えば、適当な剛性及び減衰性を有するエラストマー要素（例えばゴム）、或いはまたその他の適切な材料、例えば粘性流体を含むことができる。質量体は、安定化されるべきシステムの質量によって決定され、最適には、システムの質量の約５〜１０％であるべきだが、また、重量及びスペースの都合上、それより軽量であってもよい。周波数、質量及び減衰性は、動吸振器を設計する際に互いに最適に調整しなければならない。

従って、動吸振器は、受動又は能動動吸振器を含むことも可能であり、或いは、非減衰性、減衰性又は粘性減衰性の動吸振器であってもよい。

動吸振器は、安定化されるべきシステムの固有周波数の範囲において、このシステムの調整に応じて、共振を著しく減衰させること又は完全に除去することを可能にする。

動吸振器は、本テストスタンドの諸構成部品間の力の流れ内に配置すべきではない。しかし、力の流れ内に位置する構成部品の直近には容易に設置できる。

特に、動吸振器は、以下の群、すなわち、負荷装置と供試体収容部との間の接続ライン、供試体収容部と測定装置との間の接続ライン、負荷装置と測定装置との間の接続ライン、負荷装置自体、供試体収容部及び／又は測定装置からなる群から選択された位置に配置できる。

従って、状況に応じて、動吸振器を有利に配置できる（１つ又は複数の）位置を決定することができる。しかし、動吸振器を配置及び設計する際、供試体自体に由来する振動振幅は、できれば、除去されないように留意しなければならない。何よりもまず、供試体の挙動を検出し、分析することが本テストスタンドの目的である。従って、供試体（例えば内燃機関やブレーキ）の駆動シャフトにおける振動特性或いはねじり振動を検出してはいるが、除去しないということも可能であるべきである。

本テストスタンドには、複数の動吸振器−また様々な構造を含む−を設けることも容易に可能であり、これらの装置は、本テストスタンドの様々な位置に配置される。このようにすることで、干渉する振幅及び共振周波数を処理することが可能である。

動吸振器は並進動吸振器であってもよく、この場合、動吸振器の質量装置が、並進方向に往復運動することができる質量体を含む。論理上当然であるが、並進動吸振器は、共振した場合に並進振動が増大すると予想される構成部品に取り付けるべきである。

或いは、動吸振器は、ねじり動吸振器であってもよく、この場合、質量装置は、軸（動吸振器の主軸）を中心に回転するように往復運動できる質量体を含む。この場合、質量体は、例えば円環状に具現化でき、円環の内側に配置される内部バネを用いて固定装置に連結できる。ねじり動吸振器は、例えば駆動シャフトに生じる可能性のあるねじり振動を吸収することに適している。

本テストスタンドの１代替態様の場合、少なくとも１つの並進動吸振器と少なくとも１つのねじり動吸振器とが設けられている。このようにすることで、駆動系のねじり振動、特に負荷装置と供試体との間のねじり振動を除去することができ、一方、並進動吸振器は、測定装置に属する力測定デバイスに設けることができる。

負荷装置と供試体収容部との間の接続ライン、及び／又は供試体収容部と測定装置との間の接続ライン、及び／又は負荷装置と測定装置との間の接続ラインは、回転可能なシャフトを含むことができる。この場合、動吸振器は、シャフトに配置されたねじり動吸振器であってもよい。また、ここで留意しなければならないことは、動吸振器は、シャフトの力或いはトルクの流れ内に挿入されているのではなく、追加的にシャフトに嵌合させてある。

或いはまた、シャフトを中空シャフトとして具現化し、この中空シャフトの内部に動吸振器を配置することも可能である。

また別の代替態様では、シャフトは、軸方向に各接続ラインを越えて少なくとも一方の側へ突出していてもよく、且つ、自由端を形成することもできる。その際、動吸振器は、シャフトの自由端に配置することができる。これは、利用可能なスペースの点で利点を有する。なぜなら、本テストスタンドの内部領域、すなわち負荷装置と供試体との間の領域は、必ずしも容易にアクセスできるとは限らないからである。動吸振器、特にねじり動吸振器をシャフトの自由端に嵌合させておけば十分である。

測定装置は、本テストスタンドの主軸を中心に回転可能なレバーアームを含むことができ、このレバーアームに力測定デバイスが連結されている。その際、動吸振器は、並進動吸振器であってもよく、レバーアーム上に配置することができる。

本書で説明している測定原理は、特に、負荷装置又は供試体がその主軸に対して振動するように支持されている場合である。測定装置は、主軸に対して垂直方向に延在するレバーアームを含み、このレバーアームを介して供試体又は負荷装置に作用するトルクが支持される。作用するトルクから生じる力を受けるロードセルが、レバーアームの端部に連結されている。力測定デバイスは、特に、ロードセル又は同様の公知の装置を用いることによって形成できる。

別の１実施形態では、測定装置は、本テストスタンドの主軸を中心に回転可能な第１のレバーアームを含み、この第１のレバーアームに力測定デバイスが連結されている。第１のレバーアームに対向し、且つ、このレバーアームに固定的に連結されて、第２のレバーアームが設けられており、この場合、並進動吸振器の形態の動吸振器は、第２のレバーアームに配置されている。第１及び第２のレバーアームは、特に、一体的に振り子ブロックの形態で具現化でき、この振り子ブロックは、主軸を通って延在する鉛直方向の中心平面に対してほぼ対称的に延在する。

本発明のこれら及びその他の利点並びに特徴について、以下において、添付した図面を参照しながら例を用いて更に詳述する。

動吸振器の可能な構成例を備えたテストスタンドを模式的に示す。 動吸振器の可能な構成例を備えた別のテストスタンドを模式的に示す。 動吸振器の可能な構成例を備えた更に別のテストスタンドを模式的に示す。 動吸振器の可能な構成例を備えた異なる形態のテストスタンドを模式的に示す。 動吸振器の可能な構成例を備えたさらに異なる形態のテストスタンドを模式的に示す。 動吸振器を具備する測定装置を模式的に示す。 測定装置の別の実施形態を模式的に示す。 並進動吸振器の断面図を示す。 ねじり動吸振器の平面図及び断面図を示す。

図１〜５は、テストスタンドの様々な例を示す模式図であり、これらの例では、必須の構成部品が様々に配置されている。テストスタンドは様々な用途に適しており、これについてはそれぞれ図に基づいて明らかにする。

図１は、駆動部１を具備するブレーキテストスタンドを示す。駆動部１は負荷装置として働き、供試体として働くブレーキ３に第１の接続ライン２を介して負荷を与える。駆動部１は、例えばダイナモメータを用いて、すなわち例えば直流電動機を用いて形成することができる。実際には、ブレーキ３は本テストスタンドの構成部品ではなく、図示されていない供試体収容部に挿入されており、この供試体収容部が、ブレーキ３を支持或いは収容する働きをし、且つ、ブレーキ３をテストスタンドの残りの部分に連結し、駆動部１から負荷をブレーキ３に伝達するための適当な接続要素を提供する。

ブレーキ３は、接続ライン４を介して測定装置５に連結されている。接続ライン４はシャフトである必要はない。代わりに、図１には、線の形としての接続作用のみが接続ライン４として示されている。また、接続ライン４が剛性を有し、且つ、例えば、測定装置５をブレーキ３の隣に配置して、レバー装置を介してブレーキ３に接続しておくことも容易に可能である。その際、一般に、測定装置５は力測定デバイスを含むが、測定フランジを含むことはないであろう。

この点において、図１に示された構成は「伝統的な」ブレーキテストスタンドである。

しかし、図１には、動吸振器６、７を配置するための様々な可能性が補足的に示されている。すなわち、ねじり動吸振器６を駆動部１とブレーキ３との間の接続ライン２、ブレーキ３と測定装置５との間の接続ライン４及び接続ライン４の突出端に設けることが可能である。また、例として、並進動吸振器７が測定装置５に配置されている。

動吸振器６、７の作動形態については、後に具体例を用いながら説明する。

測定装置５は、特にレバーアーム用い、且つ、このレバーアームの端部に設けられた力測定デバイス（例えばロードセル）を用いることで形成することができる。振動可能に支持されたブレーキ３で支持されるべき制動トルクは、レバーアームを用いて取り出し、力としてロードセルで支持することができる。

図２は、ブレーキテストスタンドのまた別の実施形態を示す。

ここでは、測定装置５は、駆動部１とブレーキ３との間に配置されている。この場合、測定装置５は、例えばトルク測定フランジを用いて形成することができる。

動吸振器６、７は、例えば、駆動部１と測定装置５との間の接続ライン８、測定装置５とブレーキ３との間の接続ライン４、接続ライン４の自由端及び測定装置５に設けることができ、これは、図２に詳細に示されている通りである。

本テストスタンドの、図２において破線枠で示された部分はオプションとして利用できる。従って、本テストスタンドは、図２の破線枠の左側に示された諸構成部品の形態だけに簡略化して設計することができる。この破線枠内の諸構成部品は、図１のテストスタンドにおける一部分の構造と一致する。破線枠内の諸構成部品を含む本テストスタンド全体が提供する性能測定では、代替的に測定フランジ（図２の左側の測定装置５；この測定装置に動吸振器を取り付けることは合理的ではない）を用いて、又は振り子ブロック（レバー−ロードセルの組み合わせ；図２の右側の測定装置５）を用いて測定を行うこともできる。

図３はエンジンテストスタンドを示し、このテストスタンドは、図示されていない供試体収容部に支持されて供試体として働くエンジン９、負荷装置として働くダイナモメータ１０、及び測定装置５を含む。この場合も、動吸振器６、７を適当な方法で配置することが可能である。

図４はまた別のエンジンテストスタンドを示し、このテストスタンドの場合、測定装置５、例えばトルク測定フランジは、エンジン９とダイナモメータ１０との間に配置されている。

最後に、図５は、また別の実施形態として回転テストスタンドを模式的に示す。「車両部品（供試体）」３と記された２つの小ボックスは、例えば、試験されるべき自動車の車輪と共に転動するテストスタンドローラを表す。その際、通例２つのテストスタンドローラの間に配置されるダイナモメータ１０は負荷装置として働く。測定装置５、例えばロードセルは、揺動アームを介してダイナモメータ１０に連結されており、これにより、ダイナモメータ１０に作用するトルクを決定できる。

両ローラ（参照番号３）とダイナモメータ１０との間の回転軸には、それぞれねじり動吸振器６が取り付けられており、一方、測定装置５の揺動アームには並進動吸振器が設けられている。

上述の各代替態様では、ねじり動吸振器６又は並進動吸振器７を適切な位置に配置することができる。全ての代替態様に当てはまることであるが、動吸振器としては、それぞれ支配的な振動に応じて適切にねじり動吸振器６及び／又は並進動吸振器７を設けなければならない。従って、ねじり動吸振器６は、主に回転構成部品の場合に、すなわちシャフト又はシャフト端の位置で有用であろうし、一方、並進動吸振器７は、並進方向に振動する構成部品、例えばハウジングや揺動アームにおける振動を吸収する際に適している。

図１〜５には、それぞれ複数の動吸振器６、７が示されている。また、テストスタンドに動吸振器６、７を一台だけ配置することで、特に負荷のかかる箇所又は問題のある箇所の致命的な振動振幅を除去することも容易に可能である。

図６は、測定装置５の模式的な例を示す。

この場合、レバー１１（レバーアーム）が主軸１２を中心に回転可能である。レバー１１は、例えば、ダイナモメータの外側に又はブレーキ３のブレーキキャリパに連結でき、これにより、トルクがレバーに伝達される。

例えばロードセルの形態で構成された力測定デバイス１３が、レバー１１の端部においてその下側に配置されている。ロードセルはバネ特性を有し、従って、図５にはバネとして図案化して示されている。

更に、並進動吸振器７がレバー１１の上側に取り付けられている。基本的に、並進動吸振器７は、移動可能に保持された質量体１４からなり、この質量体は、バネ−減衰器系１５を介して固定装置１６に連結されている。次に、固定装置１６はレバー１１に連結されており、これにより、質量体１４は、レバー１１に対して相対的に移動することができる。

動吸振器７は、測定５の固有周波数範囲における振動振幅を除去する。

図７は、測定装置５の代替態様の１例を示す。

この場合、図６に示されたレバーアーム１１は第１のレバーアームであり、この第１のレバーアームに対して、主軸１２を中心に反対側に第２のレバーアーム１７が配置されている。第１のレバーアーム１１と第２のレバーアーム１７は、統合して一体的に具現化することが可能であり、いわば振り子ブロック式レバーアームを形成することができる。

力測定デバイス１３は第１のレバーアーム１１の下側に配置されており、一方、並進動吸振器７は反対側の第２のレバーアーム１７に配置されている。

言うまでもなく、力測定デバイス１３と並進動吸振器７は、レバーアーム１１、１７の上方に配置することも可能である。

レバーアーム１１、１７を具備する振り子ブロックは収容部に連結されており、この収容部にブレーキ３のブレーキキャリパが固定されている。ブレーキ３を作動させたとき、ブレーキキャリパは、振り子ブロックを介して力測定デバイス１３に伝達されるトルクを吸収しなければならない。

図８は、並進動吸振器７の構造を模式的に示す。

動吸振器７は固定装置１６を含み、この固定装置が、バネ減衰装置１５を介して移動可能な質量体１４を保持する。

バネ減衰装置１５は、エラストマー、すなわち、例えばゴム又はその他の適切な材料を用いて形成することができる。理想的には、動吸振器の質量体１４は、安定化されるべきシステムの質量の５〜１０％である。しかし、スペースや重量の都合上、質量体はそれよりも軽量であってもよい。

動吸振器７は、例えば接続板の形態の固定装置１６を用いてレバーアーム１１に固定できる。

図９は、ねじり動吸振器６を示す正面図及び断面図である。

ねじり動吸振器６は、大抵、主軸１２を中心に円対称に配置されている。その際、固定装置１６はハブとして具現化でき、駆動シャフトへ、又は本テストスタンドの構成部品間の対応接続ラインへ嵌合させることができる。バネ減衰装置１５を介して、固定装置１６は質量体１４を保持し、質量体１４は、環状に具現化されており、固定装置１６に対して少なくとも回転方向に相対的に移動することができる。

Claims (7)

1. 供試体（３、９）用回転テストスタンドであって、
   − 供試体（３、９）に対する負荷を発生させるための負荷装置（１、１０）、
   − 供試体（３、９）を収容するための、且つ、負荷を供試体（３、９）に伝達するための供試体収容部、
   − 供試体（３、９）に作用する測定変数を測定するための測定装置、及び、
   − テストスタンドに生じる振動を減衰するための動吸振器、
   を具備し、
   − 動吸振器が１つ又は複数の機械システムを含むこと、及び、
   − 機械システムが、それぞれ、固定装置（１６）、固定装置（１６）に対して相対的に移動可能な質量装置（１４）、及び、固定装置（１６）と質量装置（１４）との間に作動的に設けられているバネ及び／又は減衰装置（１５）を含み、
   − 動吸振器が並進動吸振器（７）であり、質量装置が、並進方向に往復運動することができる質量体（１４）を含むことを特徴とする供試体用回転テストスタンド。
2. 動吸振器が、以下の群、すなわち、
   ＋ 負荷装置（１）と供試体収容部との間の接続ライン（２）、
   ＋ 供試体収容部と測定装置（５）との間の接続ライン（４）、
   ＋ 負荷装置（１、１０）と測定装置（５）との間の接続ライン（８）、
   ＋ 負荷装置（１、１０）、
   ＋ 供試体収容部、
   ＋ 測定装置（５）、
   からなる群から選択された位置に配置できることを特徴とする請求項１に記載の供試体用回転テストスタンド。
3. 複数の動吸振器が設けられており、これらの動吸振器が相異なる位置に配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の供試体用回転テストスタンド。
4. 供試体収容部が、供試体（３、９）用の支持部と、供試体（３）をテストスタンドに連結するための、且つ、負荷装置（１、１０）からの負荷を供試体（３、９）に伝達するための接続要素とを含むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の供試体用回転テストスタンド。
5. − シャフトが、軸方向に接続ラインを越えて少なくとも一方の側へ突出しており、且つ、自由端を形成すること、及び、
   − 動吸振器が、シャフトの自由端に配置されていること、
   を特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の供試体用回転テストスタンド。
6. − 測定装置（５）が、テストスタンドの主軸（１２）を中心に回転可能なレバーアーム（１１）を含み、且つ、レバーアームに力測定デバイス（１３）が連結されていること、及び、
   − 動吸振器が、レバーアーム（１１）上に配置されており、且つ、並進動吸振器（７）であること、
   を特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の供試体用回転テストスタンド。
7. − 測定装置（５）が、テストスタンドの主軸（１２）を中心に回転可能な第１のレバーアーム（１１）を含み、この第１のレバーアームに力測定デバイス（１３）が連結されていること、
   − 測定装置が第２のレバーアーム（１７）を含み、第２のレバーアーム（１７）が、第１のレバーアーム（１１）に対向するように配置されており、且つ、第１のレバーアーム（１１）に固定的に連結されていること、及び、
   − 動吸振器が、第２のレバーアーム（１７）に配置されており、且つ、並進動吸振器（７）であること、
   を特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の供試体用回転テストスタンド。