JP5858003B2 - 自動車車体剛性試験方法および自動車車体剛性試験装置 - Google Patents

Description

本発明は、懸架装置を用いて自動車車体の剛性試験を行う自動車車体剛性試験方法および自動車車体剛性試験装置に関する。

自動車車体や部品の開発にあたっては、部品を自動車車体に取り付けた状態で、自動車車体全体の剛性試験を行い、自動車車体や部品の変形状態や、その応力集中部分を特定することが重要である。このような自動車車体剛性試験においては、自動車車体や部品の剛性に関する詳細情報の取得が望まれている。

従来は、自動車車体全体の剛性を評価する場合、自動車車体を載置した懸架装置の取付部分に、応力または変位を付与する装置を締結し、サイドシルや自動車車体外側付近に複数の変位計を設置し、自動車車体の変位量を検出していた。

例えば、上記のような剛性試験方法は、特許文献１に開示されている。

特開２００６−２９２７３７号公報

従来の剛性試験方法では、一度に測定可能な部位が、変位計を設置できる位置に限られている。また、測定可能な変位の方向は、変位計で変位を検出できる一方向に限られている。

ここで、自動車車体の剛性試験の最終的な目的は、自動車車体開発や部品設計時に、自動車車体の剛性を改善することにある。この目的を達成するためには、部品変形状態の詳細なデータの取得や、応力集中部位の特定が重要である。しかしながら、従来の方法では、上述のように、取得できるデータが限られており、部品変形状態の詳細なデータの取得や、応力集中部位の特定を行うことが困難であった。

本発明は、このような問題点に対してなされたものであり、部品変形状態の詳細なデータの取得や、応力集中部位の特定を行うことができる自動車車体剛性試験方法および自動車車体剛性試験装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記の目的を達成するために、以下のような特徴を有している。
［１］懸架装置に固定された自動車車体に、振動を負荷することによって応力または変位を付与し、自動車車体に生じる変形を測定する自動車車体剛性試験方法であって、
前記自動車車体に負荷される前記振動と、前記自動車車体の変位検出点における変位のずれに基づいて、前記自動車車体の動的な変位挙動を解析することを特徴とする自動車車体剛性試験方法。
［２］前記自動車車体の前記変位検出点に負荷される前記振動は、サインカーブによって近似でき、
前記自動車車体の前記変位検出点における位置および／または変位をサインカーブによって近似した近似式のサインカーブを前記振動のサインカーブと仮定し、
前記近似式のサインカーブと前記自動車車体の変位検出点における位置および／または変位の差分に基づいて、前記自動車車体の変位挙動を解析することを特徴とする［１］に記載の自動車車体剛性試験方法。
［３］前記自動車車体の変位検出点の変位を、前記自動車車体の長さ方向、幅方向、および高さ方向によって規定される座標系に変換し、
長さ方向、幅方向、および高さ方向毎に、前記自動車車体の変位検出点の動的な変位挙動を解析することを特徴とする［１］または［２］に記載の自動車車体剛性試験方法。
［４］前記自動車車体の位置および／または変位をステレオマッチング法により取得することを特徴とする［１］乃至［３］のうちいずれかに記載の自動車車体剛性試験方法。
［５］懸架装置に固定された自動車車体に、振動を負荷することによって応力または変位を付与し、自動車車体に生じる変形を測定する自動車車体剛性試験装置であって、
前記自動車車体に負荷される前記振動と、前記自動車車体の変位検出点における変位のずれを算出する差分算出手段を有することを特徴とする自動車車体剛性試験装置。
［６］前記自動車車体の前記変位検出点に負荷される前記振動は、サインカーブによって近似でき、
前記自動車車体の前記変位検出点における位置および／または変位をサインカーブによって近似した近似式のサインカーブを設定する近似式設定手段を有し、
前記差分算出手段は、前記近似式設定手段によって設定された近似式のサインカーブと、前記変位検出点の位置および／または変位との差分を算出することで、前記前記振動と、前記自動車車体の変位検出点における変位のずれを算出することを特徴とする［５］に記載の自動車車体剛性試験装置。
［７］前記差分算出手段によって算出された前記振動と前記自動車車体の変位のずれに基づいて、前記自動車車体の動的な変位挙動を解析する評価手段を有することを特徴とする［５］または［６］に記載の自動車車体剛性試験装置。

本発明に係る剛性試験方法および剛性試験装置によれば、部品変形状態の詳細なデータを取得し、応力集中部位の特定を行うことができる。

本発明の実施の形態に係る剛性試験装置を示す図である。 本発明の実施例に係る剛性試験方法の変位検出点を示す図である。 本発明の実施例に係る剛性試験方法の複数の変位検出点（代表点）の変位量を示す図である。 図３の変位検出点（代表点）のｘ変位量、ｙ変位量、ｚ変位量を示す図である。 本発明の実施例における代表点（１０５）におけるY方向およびZ方向の位置と近似式を示す図である。 本発明の実施例における代表点（１０６）におけるY方向およびZ方向の位置と近似式を示す図である。

以下、添付した図面を参照し、本発明の実施の形態について説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係る剛性試験装置を示す図である。以下の説明においては、自動車車体１の前後方向をＸ方向（前方を＋Ｘ）、自動車車体１の左右方向をＹ方向（右側を＋Ｙ）、自動車車体１の上下方向をＺ方向（上方を＋Ｚ）と定義する。また、自動車車体１の特定点からのＸ方向の変位量をｘ変位量、Ｙ方向の変位量をｙ変位量、Ｚ方向の変位量をｚ変位量と定義する。

剛性試験装置５は、懸架装置１０を有している。懸架装置１０のテストベッドには、剛性試験対象である自動車車体１が設置される。懸架装置１０には、自動車車体１をテストベッドに支持する部材（図示せず）と、自動車車体１に荷重を入力する（応力を負荷する）アクチュエータ（図示せず）が設けられている。

自動車車体１のうち、支持部材によって固定されている点を固定点とし、アクチュエータによって応力が入力される点を荷重入力点とする。図１の例では、固定点が自動車車体１の前方のバンパーの幅方向中心Ａと、左右の後輪のリアサスペンション取付部ＤおよびＥのそれぞれに設けられている。また、荷重入力点は、自動車車体１の前輪のフロントサスペンション取付部ＢおよびＣのそれぞれに設けられている。

アクチュエータから自動車車体１に振動を与えることで、自動車車体１に応力または変位を付与する。具体的には、アクチュエータは、荷重入力点から、自動車車体１の左右にそれぞれ異なる応力を与えることで、自動車車体１に捻じるような負荷を与える。この捻るような負荷は、左右交互に繰り返し付与される。アクチュエータによって自動車車体１の各変位検出点に負荷される振動（応力または変位）は、サインカーブによって近似することができる。アクチュエータによって自動車車体１に入力される応力または変位は、アクチュエータ制御装置１１により制御されている。

剛性試験装置５には、自動車車体１を異なる方向から撮影するステレオカメラ１５、１６が設けられている。例えば、ステレオカメラ１５は、自動車車体１を左の側面側から撮像するように構成されている。ステレオカメラ１６は、自動車車体１を後方から撮像するように構成されている。ステレオカメラ１５および１６は、それぞれ所定の間隔を設けて設置された２台のカメラを備えている。それぞれのステレオカメラ１５および１６は、自動車車体１を複数の異なる方向から同時に２台のカメラで撮影することで、奥行き方向の情報を記録できる。

ステレオカメラ１５、１６の２台のカメラは、デジタルカメラにより構成することができる。デジタルカメラの解像度やシャッタースピード（記録速度）は、アクチュエータの作動動作、アクチュエータの変位の大きさ、必要とする測定範囲の大きさ、分解能に応じて選択すればよい。例えば、解像度が１０Ｍピクセル、シャッタースピードが５ｆｐｓ(flame per second)程度のデジタルカメラを用いれば、広範囲のデータを同時に記録することができる。

ステレオカメラ制御・画像データ記録装置１３は、ステレオカメラ１５、１６の撮像を制御している。ステレオカメラ１５、１６によって撮像された画像または動画は、ステレオカメラ制御・画像データ記録装置１３に出力される。なお、ステレオカメラの数や位置は、任意に設定すればよい。

剛性試験装置５には、デジタイザ１４が設けられている。デジタイザ１４は、多関節アームに、位置検出部が設けられることにより構成されている。デジタイザ１４は、自動車車体１に設置された変位を検出する点（以下、変位検出点とする）の３次元の位置情報を取得することができる。デジタイザ１４によって検出された変位検出点の３次元の位置情報は、データ処理パーソナルコンピュータ１２（以下、データ処理ＰＣ１２とする）に出力される。

データ処理ＰＣ１２は、アクチュエータ制御装置１１によるアクチュエータの駆動を制御している。また、データ処理ＰＣ１２は、ステレオカメラ制御・画像データ記録装置１３の動作を制御している。データ処理ＰＣ１２は、撮影画像データを、アクチュエータの負荷荷重および変位量と同期して記録している。

例えば、データ処理ＰＣ１２は、アクチュエータ制御装置１１から自動車車体１に入力した応力に関する情報を、時間情報と対応付けて取得する。また、データ処理ＰＣ１２は、ステレオカメラ制御・画像データ記録装置１３から、ステレオカメラ１５、１６によって撮像された画像または動画に関する情報を、時間情報と対応付けて取得する。これにより、データ処理ＰＣ１２は、アクチュエータ制御装置１１から入力された応力に関する情報と、ステレオカメラ制御・画像データ記録装置１３から入力された画像または動画に関する情報の時間情報を参照すれば、両者を対応付けることができる。

このように構成された自動車車体１の剛性試験装置５では、懸架装置１０によって自動車車体１に応力または変位を付与し、ステレオカメラ１５、１６によって自動車車体１を撮像する。そして、データ処理ＰＣ１２が、ステレオカメラ１５、１６によって撮像された画像または動画について画像解析を行うことにより、自動車車体１の変位検出点における３次元的な変位量を得ることができる。具体的には、ステレオカメラ１５、１６により撮像した連続撮影画像について、三角測量の原理に基づいて３次元的な変位情報を求めればよい。

なお、自動車車体１の特定の部位について変位挙動を解析する場合には、測定対象範囲に、同一形状で自動車車体１とのコントラストが明確なターゲットマーカーを貼付し、このターゲットマーカーの位置の変位を画像解析により求めればよい。

ターゲットマーカーを使用する場合には、ステレオカメラ１５、１６のカメラの解像度により、使用できるマーカーの大きさが限られる。具体的には、高解像度のカメラを用いる場合には、ターゲットマーカーの大きさを小さくする必要がある。

より詳細な解析が必要な場合には、ターゲットマーカーを用いた測定方法の代わりに、ステレオマッチング法を用いた測定方法を用いて、変位検出点の位置および／または変位を求めることが好ましい。具体的には、ステレオカメラの左右のカメラにより得られた１対の画像の中から、決められた大きさの画像を抽出する。そして、左右のパターン比較から３次元座標に変換された点群データを定義する。そして、この点群データの動きを、応力負荷の状況と共に追跡することで、自動車車体１の動的な変位挙動を解析することができる。

すなわち、ステレオマッチング法を用いた測定方法においては、設定した点群データが、ターゲットマーカーに相当する。ステレオマッチング法を用いた測定方法では、ターゲットマーカーよりも細かく点群データを設定することで、より詳細な変位挙動を把握することができる。

なお、一般的な自動車車体１の部品表面は、塗装が施されており、撮影画像のパターン認識が難しい。そのため、ステレオマッチング法を用いる場合には、ペイントスプレーなどを用いて、測定範囲の部材表面にランダムな模様を付与することが好ましい。本発明は、いずれの方法を用いて変位挙動を取得してもよく、測定目的に応じて測定方法を選択すればよい。

次に、上記のような剛性試験装置を用いた本発明の剛性試験方法について説明する。変位検出点の変位量には、自動車車体１が捻られることによる自動車車体１の必然的な変位に加え、構造上の弱点に起因する特異的な挙動が現れる。通常の自動車車体１について検出される変位量は、自動車車体１の必然的な変位の占める割合が多く、特異的な挙動を把握することが難しい。従来から用いられている、測定点の最大変位量と変位の方向を部位毎に比較する方法も有用であるが、最大変位時の座標のみの比較では、最大変位量に至るまでの過程に現れる特異的な挙動を見つけることが難しい。

本発明者らは、自動車車体１の変形による変位量の変化が、アクチュエータから各変位検出点に与えられる振動に従っていることを見出し、この振動と、振動によって生じる変位量の乱れを見つけることで、構造上の弱点に起因する特異的な挙動を評価する手法を考案した。本発明では、自動車車体１に与えられる振動と、振動によって生じる変位検出点の変位量のずれに基づいて、自動車車体の動的な変位挙動を解析する。以下に、具体的な解析方法を説明する。

自動車車体１には、荷重入力点から左右に異なる応力が与えられる動作が繰り返し付与される。そのため、自動車車体１の変位検出点に与えられるアクチュエータからの振動は、サインカーブによって近似することができる。自動車車体１が均一な材質により構成され、自動車車体１に構造的な弱点が存在しない場合では、自動車車体１の各変位検出点の変位量は、振動のサインカーブに従って変化する。しかしながら、自動車車体１は、複数の異なる材質からなる部品により構成され、剛性が弱い部分が存在する。このような部分では、振動によって生じる変位検出点の変位量は、変位検出点に与えられる振動のサインカーブからずれることとなる。そこで、本実施の形態では、変位検出点の変位量に基づいて、変位量のサインカーブからなる近似式を設定し、この近似式のサインカーブを、各変位検出点に付与される振動のサインカーブと仮定する。

そして、近似式のサインカーブと、変位検出点の変位量とのずれに基づいて、各変位検出点における剛性を評価する。例えば、近似式のサインカーブと変位検出点の変位量とのずれが大きい変位検出点において、剛性が弱いと評価することができる。

以下に、具体的な近似式の設定方法と評価方法の例を説明する。なお、以下では、Z方向のｚ変位量を例として説明する。なお以下の方法は、ｘ変位量、ｙ変位量、およびｘ、ｙ、ｚ変位量の少なくとも２つ以上からなる合成ベクトルの変位量の値についても適用することができる。

まず、変位検出点ごとに、変位検出点に適用するサインカーブの近似式を設定する。変位検出点iのｚ変位量の近似式のサインカーブｚ_i,calは、式（１）により表すことができる。

式（１）において、ｍは倍率、ｔ_ｉは時間、ａは位相差、Ｔは周期、シフト定数ｚ_０は無負荷時の原点におけるｚ方向の座標である。

次に、測定データである変位検出点ｉの観測値ｚ_i,obsの相関性が高くなるように、倍率ｍと位相差ａを決定する。具体的には、変位検出点iの近似式のサインカーブの１周期と、この１周期に相当する変位検出点iの観測値である変位量ｚ_i,obsの偏差の積算値Ｓ_１とし、積算値Ｓ_１が最小となるように、倍率ｍと位相差ａを決定する。積算値Ｓ_１は、式（２）によって表される。式（２）において、ｖは、変位を計測する測定間隔（時間）を示している。

若しくは、１周期分の近似式のサインカーブの積算値Ｓ_２に対する積算値Ｓ_１の割合を規格化した差分Rとして算出し、この規格化した差分Rが最小となるように、倍率ｍと位相差ａを決定するようにしてもよい。積算値Ｓ_２は、式（３）によって表され、規格化した差分Ｒは、式（４）によって表される。なお、式（１）の倍率ｍ、位相差ａは、その他、任意の方法により設定することができる。

式（２）および式（４）による評価は、あくまで評価方法の一例であり、変位検出点の変位についての評価は、振動のサインカーブと、変位検出点の位置および／または変位との差分に基づいた評価を行えば、どのような評価値を用いてもよい。

なお、上記のような評価は、ベクトル（ｘ変位量、ｙ変位量、ｚ変位量）毎に行うことが好ましい。また、正しい自動車車体１の挙動を把握するためには、図１に示すように、自動車車体１の長さ・幅・高さ方向を軸とするグローバル座標系を用いることが好ましい。そのため、変位測定時においてローカル座標系を用いている場合には、グローバル座標系に変換することが好ましい。

このように、本発明に係る剛性試験方法では、応力または変位を付与する際の振動と変位量のずれに基づいて、動的な自動車車体の変位挙動を解析する。これにより、振動と変位量のずれに現れる特異的な動きを発見することができ、自動車車体構造上の弱点部位を容易に検出することができる。

なお、上記のような解析は、データ処理ＰＣ１２によって行うように構成することができる。具体的には、データ処理ＰＣ１２に、変位検出点に適用するサインカーブの近似式を設定する近似式設定手段と、近似式と変位検出点の観測値との差分を算出する差分算出手段を設ければよい。

変位検出点に適用するサインカーブの近似式と、近似式と変位検出点の観測値との差分は、式（２）、（４）に示すように同時に求められるため、近似式設定手段と差分算出手段は同一の要素により構成してもよい。また、差分算出手段によって算出された差分から、変位検出点の挙動を評価する評価手段をさらに設けるように構成してもよい。評価手段では、例えば、近似式と変位検出点の観測値との差分がしきい値以上である場合には、剛性が弱いと評価するように構成することができる。

本発明は、上記のような実施の形態に限られず、種々の設計変更を適用することができる。例えば、上記の説明では、検出された変位量から近似式を求め、この近似式と変位量との差分から各変位検出点の剛性を評価するとして説明したが、アクチュエータ制御装置１１からアクチュエータに出力される制御信号や、アクチュエータの伸縮長さ、荷重入力点における変位をサインカーブで近似し、この近似式を１／ｎ倍したサインカーブを、各変位検出点に負荷される振動と仮定して差分を算出するように構成してもよい。

本発明を適用して、自動車車体の剛性試験を行った。図１に示すような剛性試験装置５を用いて、自動車車体１の荷重入力点にアクチュエータから応力を付与し、自動車車体１の変形をステレオカメラ１５、１６によって撮像した。そして、ステレオカメラ１５、１６によって撮像した変位検出点の変位を、データ処理ＰＣ１２によって画像解析して取得した。さらに、データ処理ＰＣ１２によって、取得された変位検出点の変位について近似式を設定し、変位検出点の変位について近似式との差分を算出した。

図２は、実施例における自動車車体のクウォーターパネルおよびバックサイドドアサイドを含むキャビン後方を示す図である。図２に示すように、自動車車体の測定対象であるキャビン後方において、変位を検出する変位検出点に、直径１８ｍｍの測定用の複数のターゲットマーカーを貼り付けた。

ターゲットマーカーには、それぞれの変位検出点の識別番号（１０１、１０２等）が付与されている。ターゲットマーカーの位置情報は、デジタイザ１４によって取得され、ターゲットマーカーの識別番号に対応付けられている。

図３は、本実施例に係る剛性試験方法の複数の変位検出点の代表点の変位を示す図である。図３に示すように、ある時間における各変位検出点の変位は、ベクトルとして取得することができる。図３の例では、図２に示す複数の変位検出点のうち代表点（１０１）、（１０２）、（１０３）、（１０４）、（１０５）における変位ベクトルが示されている。それぞれの代表点（１０１）〜（１０５）における変位は、Ｘ成分、Ｙ成分、Ｚ成分に分けることができる。

図４は、図３の各代表点の変位量のＸ成分、Ｙ成分、Ｚ成分の時間的な変化を示す図である。算出された代表点のｘ変位量、ｙ変位量、ｚ変位量のそれぞれについて、近似式のサインカーブを求める。なお、図４に示すように、変位量のサインカーブは、変位検出点の位置や、変位検出点の設けられる部材の構造により、自動車車体１全体に負荷される振動のサインカーブに対して、時間軸を中心として反転したサインカーブとして現れることがある。このようにサインカーブが反転して現れる変位検出点についての式（１）の倍率ｍは、他の変位検出点の式（１）の倍率ｍと正負が逆となる。

図５および図６は、代表点（１０５）、（１０６）におけるY方向およびZ方向の位置と近似式を示す図である。図５および図６において、点は、Y方向およびZ方向の位置のそれぞれの観測値であり、実線は、計算により求めた変位量の近似式（加振曲線計算値）を示している。図５および図６中の加振曲線計算値は、自動車車体１の変位検出点iに与えられる振動を、変位検出点iの変位量の近似式であると仮定して、この近似式を計算により求めた曲線である。なお、図５および図６では、縦軸をY方向およびZ方向の位置としているが、ｙ変位量、ｚ変位量によって示すようにしてもよい。

図５（ａ）は、本発明の実施例の変位検出点（１０５）のY方向の位置とその近似式を示す図であり、図５（ｂ）は、変位検出点（１０５）のZ方向の位置とその近似式を示す図である。また、図６（ａ）は、本発明の実施例の変位検出点（１０６）のY方向の位置とその近似式を示す図であり、図６（ｂ）は、変位検出点（１０６）のZ方向の位置とその近似式を示す図である。

なお、X方向の位置については図示しないが、X方向の位置、Y方向の位置、Z方向の位置は全て算出する必要はなく、必要なものを算出すればよい。

加振曲線計算値と、測定された観測値との差分を求め、この差分の変動を解析することで、振動と変位量のずれに現れる特異的な動きを発見することができる。例えば、図５（ｂ）のZ方向の位置と近似式との差分は、図６（ｂ）のZ方向の位置と近似式の差分より大きいため、変位検出点（１０５）のｚ方向の剛性が弱いと判断することができる。

１ 自動車車体
５ 剛性試験装置
１０ 懸架装置
１１ アクチュエータ制御装置
１２ データ処理ＰＣ
１３ ステレオカメラ制御・画像データ記録装置
１４ デジタイザ
１５、１６ ステレオカメラ

Claims (7)

1. 懸架装置に固定された自動車車体に、振動を与えることによって応力または変位を付与し、自動車車体に生じる変形を測定する自動車車体剛性試験方法であって、
   前記自動車車体に負荷される前記振動と、前記振動によって生じる前記自動車車体の変位検出点における変位のずれに基づいて、前記自動車車体の動的な変位挙動を解析することを特徴とする自動車車体剛性試験方法。
2. 前記自動車車体の前記変位検出点における位置および／または変位をサインカーブによって近似した近似式のサインカーブを前記振動のサインカーブと仮定し、
   前記近似式のサインカーブと前記自動車車体の変位検出点における位置および／または変位の差分に基づいて、前記自動車車体の変位挙動を解析することを特徴とする請求項１に記載の自動車車体剛性試験方法。
3. 前記自動車車体の変位検出点の変位を、前記自動車車体の長さ方向、幅方向、および高さ方向によって規定される座標系に変換し、
   長さ方向、幅方向、および高さ方向毎に、前記自動車車体の変位検出点の動的な変位挙動を解析することを特徴とする請求項１または２に記載の自動車車体剛性試験方法。
4. 前記自動車車体の位置および／または変位をステレオマッチング法により取得することを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれかに記載の自動車車体剛性試験方法。
5. 懸架装置に固定された自動車車体に、振動を与えることによって応力または変位を付与し、自動車車体に生じる変形を測定する自動車車体剛性試験装置であって、
   前記自動車車体に負荷される前記振動と、前記振動によって生じる前記自動車車体の変位検出点における変位のずれを算出する差分算出手段を有することを特徴とする自動車車体剛性試験装置。
6. 前記自動車車体の前記変位検出点における位置および／または変位をサインカーブによって近似した近似式のサインカーブを設定する近似式設定手段を有し、
   前記差分算出手段は、前記近似式設定手段によって設定された近似式のサインカーブと、前記変位検出点の位置および／または変位との差分を算出することで、前記前記振動と、前記自動車車体の変位検出点における変位のずれを算出することを特徴とする請求項５に記載の自動車車体剛性試験装置。
7. 前記差分算出手段によって算出された前記振動と前記自動車車体の変位のずれに基づいて、前記自動車車体の動的な変位挙動を解析する評価手段を有することを特徴とする請求項５または６に記載の自動車車体剛性試験装置。