JP6406218B2 - トルク計測装置の精度判定方法 - Google Patents

Description

本発明は、トルク計測装置の精度判定方法に関する。

従来から被計測対象となる動力伝達機関の出力部に外部から回転駆動力を付与した際の出力トルクを計測するトルク計測技術が用いられている。例えば、接続不良に起因する出力トルクの波形成分の乱れを定量的に評価し、接続不良の有無を確実に判定することで、被計測対象の出力トルクを正確かつ高精度に計測することのできるトルク計測装置及びその計測方法が知られている（下記特許文献１を参照）。

特許文献１に記載されたトルク計測装置は、被計測対象の出力部と接続される接続部を有し、前記出力部に前記接続部を接続した状態で回転駆動力を付与する回転駆動部と、前記被計測対象の出力トルク波形を計測するトルク波形計測部とを具備している。このトルク計測装置は、前記トルク波形計測部で計測した出力トルク波形の周波数解析を行う周波数解析部と、前記周波数解析部の解析結果に基づいて、前記出力部と前記接続部との接続不良の有無を判定する接続良否判定部とをさらに具備したことを特徴としている。特許文献１によれば、このトルク計測装置は、以下の作用効果を有している。

上記構成のトルク計測装置によれば、トルク波形計測部で被計測対象の出力トルク波形を計測し、当該計測した出力トルク波形に対して周波数解析を行う。これにより、計測された出力トルク波形の周波数分布が得られる。この際、計測対象となるエンジンやミッション等は、それぞれに固有の振動系を有することから、この種の不良がない場合には、一定の振動特性、言い換えると一定の周波数分布を示す。従って、例えば実験レベルないし解析レベルで正常な被計測対象の周波数分布を求めておき、これを接続良否判定部において、実際に計測した出力トルク波形の周波数分布と比較することにより、上記接続不良の有無を正確に判定することができる。

これにより、その都度、実際に計測した出力トルク（波形）が、接続不良を含むものか否かを判別することができる。そして、上記接続不良が含まれると判定された場合には、被計測対象とトルク計測装置とを接続し直し、上記接続状態は良好との判定結果が出るまで、出力トルク波形の計測、周波数解析、上記接続不良の有無の判定工程を繰り返し行う。これにより、上記接続不良に起因する波形成分を含まない出力トルク波形を計測することができ、より正確かつ高精度なトルク計測を行うことが可能となる。

特開２０１２−１３７４０６号公報

特許文献１に記載されたトルク計測装置によれば、被計測対象とトルク計測装置との接続不良に起因する計測精度の低下を防止することが可能である。しかし、トルク計測装置自体の計測精度が低い場合には、被計測対象とトルク計測装置との接続状態の判定結果に誤判定が生じる虞がある。

本発明は、前記課題に鑑みてなされたものであり、トルク計測装置自体の計測精度を検証する方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成すべく、本発明のトルク計測装置の計測精度判定方法は、前記トルク計測装置にフライホイールを取り付けて回転方向に加振したときの前記トルク計測装置の出力トルク値を周波数解析する工程と、加振された前記フライホイールの慣性モーメントと角加速度の計測値に基づいて算出した算出トルク値を周波数解析する工程と、前記出力トルク値の周波数解析結果と前記算出トルク値の周波数解析結果とを比較して、前記トルク計測装置の計測精度を判定する工程と、を有することを特徴とする。

本発明による計測精度の判定対象であるトルク計測装置は、例えば、外部から加えられた動的トルクを計測し、計測したトルクに応じた信号を出力するトルクセンサである。トルク計測装置は、例えば、信号を増幅するアンプや、信号データを記録する計測機等を含むことができる。例えば、動力伝達機関の出力部に外部から回転駆動力を付与した際の出力トルクを計測するトルクセンサを、計測精度の判定対象であるトルク計測装置とすることができる。

トルク計測装置に取り付けられるフライホイールは、トルク計測装置に取り付けることができ、トルク計測装置に捩じり方向の慣性を付与することができるものであれば特に限定されないが、例えば金属製の円板を用いることができる。フライホイールが円板状である場合には、トルク計測装置に対するフライホイールの取り付けは、例えば、フライホイールの円形の回転面の中心を通る、回転面に垂直な中心軸を、トルク計測装置の計測軸に一致させるようにして行うことができる。

なお、フライホイールの慣性モーメントと、加振されたフライホイールの角加速度の計測値とに基づいて算出トルクが算出されるので、予め可能な限り高精度に慣性モーメントが測定されたフライホイールを用いることが好ましい。

トルク計測装置に取り付けたフライホイールを加振する方法としては、加振機を用いる方法がある。加振機としては、例えば、モータを用いることができる。具体的には、モータの駆動軸の中心軸線にトルク計測装置の計測軸及びフライホイールの中心軸を一致させた状態で、モータの駆動軸にトルク計測装置を取り付ける。そして、モータの駆動軸を回転させ、回転方向を順方向と逆方向に所定の周波数で交互に切り替えて、トルク計測装置に取り付けたフライホイールを所定の角速度及び角加速度で加振する。

これにより、トルク計測装置に対して、定周期、定振幅のトルク変動を付与することができ、トルク計測装置からトルク変動に応じた出力トルク値Ｔｏが出力される。なお、加振装置は、モータに限定されず、例えば、フライホイールに取り付けられるアームを備えた加振機であってもよい。また、トルク計測装置に取り付けたフライホイールの加振は、ハンマリングによって行ってもよい。

また、トルク計測装置に取り付けたフライホイールの加振は、各構成物品を連結する軸を用いて行ってもよい。例えば、モータ等の加振機の駆動軸と、トルク計測装置を取り付けるための台座部とを連結する連結軸を用いることができる。この場合、連結軸の一端の台座部にトルク計測装置を固定し、連結軸の他端を駆動軸に固定し、駆動軸の回転によって、連結軸及び台座部を介してトルク計測装置を加振することで、トルク計測装置に取り付けられたフライホイールを加振する。

このような各構成物品を連結する軸の設計により、例えば、加振機の駆動軸、連結軸、台座部、及びトルク計測装置を含む、トルク伝達軸の捩じり共振点を制御することができる。これにより、トルク伝達軸の捩じり共振によって、フライホイールを高周波側まで加振することができ、加振機の最大加振周波数以上の周波数の動的トルクをトルク計測装置に付与し、トルク計測装置の計測精度を判定することが可能になる。

なお、トルク伝達軸は、上記の構成に限定されず、例えば連結軸を省略して加振機の駆動軸を台座部に連結してもよい。この場合、トルク伝達軸は、加振機の駆動軸、台座部及びトルク計測装置を含む。また、台座部を省略して、トルク計測装置に、直接、連結軸又は加振機の駆動軸を連結してもよい。この場合、トルク伝達軸は、加振機の駆動軸、連結軸及びトルク計測機、又は、加振機の駆動軸及びトルク計測機を含む。

加振されたフライホイールの角加速度は、例えば、フライホイールに取り付けられた加速度計によって加速度を測定することによって求めることができる。具体的には、例えば円板状のフライホイールの外周面に加速度計を取り付けて加速度を計測し、計測した加速度を、加速度検出半径、すなわちフライホイールの半径で除することによって、フライホイールの角加速度を算出することができる（角加速度＝加速度／加速度検出半径）。加速度計は、検出した加速度の信号を有線で出力してもよいし、テレメータ等の技術によって無線で出力してもよい。

加振されたフライホイールの慣性モーメントと角加速度の計測値に基づく算出トルク値Ｔｃは、求められたフライホイールの角加速度αと、フライホイールの慣性モーメントＩを用いて、以下の式（１）によって算出することができる。

Ｔｃ＝α・Ｉ …（１）

トルク計測装置の出力トルク値Ｔｏの周波数解析、及び、算出トルク値Ｔｃの周波数解析は、例えば、市販のＦＦＴアナライザによって行うことができる。そして、出力トルク値Ｔｏの周波数解析結果と、算出トルク値Ｔｃの周波数解析結果とを比較して、トルク計測装置の計測精度を判定する。トルク計測装置の計測精度は、例えば、出力トルク値Ｔｏと算出トルク値Ｔｃとの差を算出し、その差が許容範囲内であるか否かによって判定することができる。

以上の説明から理解できるように、本発明のトルク計測装置の計測精度判定方法によれば、トルク計測装置に取り付けたフライホイールによって、トルク計測装置に動的トルクを付与し、トルク計測装置による出力トルク値を得ることができる。また、フライホイールの角加速度と慣性モーメントに基づいて、トルク計測装置に作用するトルクを算出した算出トルク値を得ることができる。したがって、出力トルク値の周波数解析結果と、算出トルク値の周波数解析結果とを比較して、トルク計測装置自体の動的トルクの計測精度を検証することができる。

本発明の実施形態に係るトルク計測装置の計測精度判定装置の概略図。 図１に示すトルク計測装置の計測精度判定装置のブロック図。 本発明の実施形態に係るトルク計測装置の計測精度判定方法のフロー図。 出力トルク値及び算出トルク値の周波数解析結果の一例を示すグラフ。 トルク計測装置の計測精度の判定方法の一例を示すグラフ。

以下、本発明のトルク計測装置の計測精度判定方法の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

［計測精度判定装置］
まず、本発明のトルク計測装置の計測精度判定方法に用いられる計測精度判定装置の実施形態について説明する。図１は、本実施形態に係る計測精度判定装置１の概略構成を示す斜視図である。図２は、図１に示す計測精度判定装置１のブロック図である。

本実施形態に係る計測精度判定装置１は、トルク計測装置１０に取り付けられるフライホイール２０と、フライホイール２０を回転方向に加振する加振機３０と、フライホイールの回転方向の加速度を測定する加速度計４０とを備えている。

また、計測精度判定装置１は、トルク計測装置１０、加振機３０、及び加速度計４０に接続されたパーソナルコンピュータ（ＰＣ）５０と、ＰＣ５０に接続されたＦＦＴアナライザ６０とを備えている。なお、ＦＦＴアナライザ６０がＰＣ５０としての機能を有する場合には、トルク計測装置１０、加振機３０、及び加速度計４０は、ＰＣ５０を介さずに直接ＦＦＴアナライザ６０に接続されていてもよい。

計測精度の判定対象であるトルク計測装置１０は、例えば、外部から加えられた動的トルクを計測し、計測したトルクに応じた信号を出力するトルクセンサである。トルク計測装置１０は、例えば、信号を増幅するアンプや、信号データを記録する計測機等を含むことができる。例えば、動力伝達機関の出力部に外部から回転駆動力を付与した際の出力トルクを計測するトルクセンサを、計測精度の判定対象であるトルク計測装置１０とすることができる。

フライホイール２０は、トルク計測装置１０に捩じり方向の慣性を付与することができるものであれば特に限定されないが、例えば金属製の円板を用いることができる。フライホイール２０が円板である場合には、トルク計測装置１０に対するフライホイール２０の取り付けは、例えば、フライホイール２０の円形の回転面の中心を通る、回転面に垂直な中心軸Ｃ２を、トルク計測装置１０の計測軸Ｃ１に一致させるようにして行うことができる。

なお、フライホイール２０の慣性モーメントＩと、加振されたフライホイール２０の角加速度αの計測値とに基づいて、算出トルク値Ｔｃが算出されるので、可能な限り高精度に慣性モーメントＩが測定されたフライホイール２０を用いることが好ましい。

加振機３０としては、例えば、モータを用いることができる。具体的には、モータの駆動軸の中心軸線Ｃ３にトルク計測装置１０の計測軸Ｃ１及びフライホイール２０の中心軸Ｃ２を一致させた状態で、モータの駆動軸にトルク計測装置１０を取り付ける。そして、ＰＣ５０によってモータを制御して駆動軸を回転させ、回転方向を順方向と逆方向に所定の周波数で交互に切り替えて、トルク計測装置１０に取り付けたフライホイール２０を所定の角速度及び角加速度αで加振する。

これにより、トルク計測装置１０に対して、定周期、定振幅のトルク変動を付与することができ、トルク計測装置１０からＰＣ５０へトルク変動に応じた出力トルク値Ｔｏが出力される。なお、加振機３０は、モータに限定されず、例えば、フライホイール２０にアームを取り付けた加振機であってもよい。また、トルク計測装置１０に取り付けたフライホイール２０の加振は、ハンマリングによって行ってもよい。

また、トルク計測装置１０に取り付けたフライホイール２０の加振は、各構成物品を連結する軸を用いて行ってもよい。例えば、モータ等の加振機３０の駆動軸と、トルク計測装置１０を取り付けるための台座部８０とを連結する連結軸７０を用いることができる。この場合、トルク計測装置１０を台座部８０に固定し、加振機３０の駆動軸の回転によって、連結軸７０及び台座部８０を介してトルク計測装置１０に取り付けられたフライホイール２０を加振する。

このような各構成物品を連結する軸の設計により、例えば、加振機３０、連結軸７０、台座部８０、及びトルク計測装置１０を含む、トルク伝達軸の捩じり共振点を制御することができる。これにより、トルク伝達軸の捩じり共振によって、フライホイール２０を高周波側まで加振することができ、加振機３０の最大加振周波数以上の周波数の動的トルクをトルク計測装置１０に付与して、トルク計測装置１０の計測精度を判定することが可能になる。

なお、トルク伝達軸は、上記の構成に限定されず、例えば連結軸７０を省略して加振機３０の駆動軸を台座部８０に連結してもよい。この場合、トルク伝達軸は、加振機３０の駆動軸、台座部８０、及びトルク計測装置１０を含む。また、台座部８０を省略して、トルク計測装置１０に、直接、連結軸７０又は加振機３０の駆動軸を連結してもよい。この場合、トルク伝達軸は、加振機３０の駆動軸、連結軸７０及びトルク計測装置１０、又は、加振機３０の駆動軸及びトルク計測装置１０を含む。

加速度計４０は、例えば、円板状のフライホイール２０の外周面に取り付けられ、加振されたフライホイール２０の加速度を測定してＰＣ５０へ出力する。ＰＣ５０は、例えば、加速度計４０から入力された加速度を加速度検出半径、すなわちフライホイール２０の半径で除することによって、フライホイール２０の角加速度αを算出する（角加速度α＝加速度／加速度検出半径）。加速度計４０は、検出した加速度をＰＣ５０へ有線で出力してもよいし、テレメータ等の技術によって無線で出力してもよい。

ＰＣ５０は、例えば、予め入力されたフライホイール２０の慣性モーメントＩと、算出した角加速度αに基づいて、算出トルク値Ｔｃを算出する。算出トルク値Ｔｃは、フライホイール２０の角加速度αと、慣性モーメントＩを用いて、以下の式（１）によって算出することができる。

Ｔｃ＝α・Ｉ …（１）

ＦＦＴアナライザ６０は、ＰＣ５０から入力されたトルク計測装置１０の出力トルク値Ｔｏと算出トルク値Ｔｃを、それぞれ高速フーリエ変換（ＦＦＴ）することによって、出力トルク値Ｔｏと算出トルク値Ｔｃの周波数解析を行う。ＦＦＴアナライザ６０は、周波数解析を行うことができるものであれば特に限定されず、例えば市販のものを用いることができる。

［トルク計測装置の計測精度判定方法］
次に、本発明の実施形態に係るトルク計測装置１０の計測精度判定方法について説明する。本実施形態のトルク計測装置１０の計測精度判定方法は、例えば、前述の計測精度判定装置１を用いて実施することができる。

図３は、本実施形態のトルク計測装置１０の計測精度判定方法を示すフロー図である。

本実施形態のトルク計測装置１０の計測精度判定方法は、トルク計測装置１０にフライホイール２０を取り付けて回転方向に加振したときのトルク計測装置１０の出力トルク値Ｔｏを周波数解析する工程Ｓ１を有している。

より詳細には、トルク計測装置１０に取り付けたフライホイール２０を、加振機３０によって順方向と逆方向に所定の周波数で交互に回転させ、所定の角速度及び角加速度αで加振することで、トルク計測装置１０に対して、定周期、定振幅のトルク変動を付与する（工程Ｓ１１）。さらに、トルク伝達軸の捩じり共振を利用して、加振機３０の最大加振周波数よりも高い加振周波数でフライホイール２０を加振する（工程Ｓ１２）。そして、トルク計測装置１０からＰＣ５０へ出力トルク値Ｔｏを出力する（工程Ｓ１３）。次いで、ＰＣ５０からＦＦＴアナライザ６０へ出力トルク値Ｔｏを出力して周波数解析を実施し、ＦＦＴアナライザ６０からＰＣ５０へ解析結果を出力する（工程Ｓ１４）。

また、本実施形態のトルク計測装置１０の計測精度判定方法は、加振された前記フライホイール２０の慣性モーメントＩと角加速度αの計測値に基づいて算出した算出トルク値Ｔｃを周波数解析する工程Ｓ２を有している。

より詳細には、ＰＣ５０は、加速度計４０から入力された加速度を加速度検出半径、すなわちフライホイール２０の半径で除することによって、フライホイール２０の角加速度αを算出する（角加速度α＝加速度／加速度検出半径）。ＰＣ５０は、例えば、予め入力されたフライホイール２０の慣性モーメントＩと、算出した角加速度αとを用い、前記式（１）によって算出トルク値Ｔｃを算出する（工程Ｓ２１）。そして、ＰＣ５０からＦＦＴアナライザ６０へ算出トルク値Ｔｃを出力して周波数解析を実施し、ＦＦＴアナライザ６０からＰＣ５０へ解析結果を出力する（工程Ｓ２２）。

また、本実施形態のトルク計測装置１０の計測精度判定方法は、出力トルク値Ｔｏの周波数解析結果と算出トルク値Ｔｃの周波数解析結果とを比較して、トルク計測装置１０の計測精度を判定する工程Ｓ３を有している。

図４は、出力トルク値Ｔｏと算出トルク値Ｔｃの周波数解析結果を示すグラフである。図４に示す例では、縦軸を出力トルク値Ｔｏ［Ｎｍ］又は算出トルク値Ｔｃ［Ｎｍ］、横軸をフライホイール２０の加振周波数［Ｈｚ］としている。

ＰＣ５０は、ＦＦＴアナライザ６０から入力された出力トルク値Ｔｏと算出トルク値Ｔｃの周波数解析結果を用い、例えば、加振周波数毎に算出トルク値Ｔｃと出力トルク値Ｔｏとの差分Δ＝Ｔｃ−Ｔｏを算出することで、出力トルク値Ｔｏと算出トルク値Ｔｃの周波数解析結果を比較する。

この差分Δの絶対値が大きいほどトルク計測装置１０の計測精度は低く、差分Δの絶対値が小さいほどトルク計測装置１０の計測精度が高いことを示している。したがって、差分Δに基づいて、トルク計測装置１０の計測精度を判定することができる。トルク計測装置１０の計測精度は、例えば、差分Δが許容範囲内であるか否かによって判定することができる。

図５は、トルク計測装置１０の計測精度の判定方法の一例を示すグラフである。図５に示す例では、縦軸をトルク計測装置１０に付与したトルク振幅［Ｎｍ］、横軸をフライホイール２０の加振周波数［Ｈｚ］として、算出トルク値Ｔｃと出力トルク値Ｔｏとの差分Δをプロットしている。

図５中、実線で囲まれた暗色の丸印、実線で囲まれた白色の丸印、破線で囲まれた暗色の丸印、破線で囲まれた白色の丸印、実線で囲まれた暗色の四角印の順に、差分Δが大きくなっている。このようなグラフを用いることで、トルク計測装置１０の計測精度の良否の判定をより的確に行うことが可能になる。

トルク計測装置に静的トルクを付与してトルク計測装置を校正する手法は、従来から、広く実用化されている。例えば、トルク計測装置の一端を剛体に接続することで回転方向に拘束し、他端にアームの一端を接続する。そして、アームの他端に錘を吊るすことでトルク計測装置に静的なトルクを付与する。そして、アームの長さと重りの質量から付与されたトルクを算出し、トルク計測装置の出力値と比較することで、トルク計測装置の校正を行うことができる。

しかし、上記従来のトルク計測装置の校正では、トルク計測装置の静的な精度検証のみが可能で、動的な精度検証を行うことができない。その理由は、トルク計測装置へトルクを付与する方法が重りを吊るすという静的な方法であるためである。また、トルク計測装置の出力値と比較する値として、アームの長さと錘の質量との乗算によって求められる計算値を使用するが、この計算によるトルク値は、錘が静止した状態でしか求めることができない。すなわち、錘が動いている場合には、その慣性力もトルク計測装置に付与されるため、トルク計測装置に付与されるトルク値は、単純にアームの長さと錘の質量との乗算では求めることができない。

これに対し、本実施形態のトルク計測装置１０の計測精度判定方法は、以下の各工程を有している。すなわち、トルク計測装置１０にフライホイール２０を取り付けて回転方向に加振したときの前記トルク計測装置１０の出力トルク値Ｔｏを周波数解析する工程Ｓ１と、加振された前記フライホイール２０の慣性モーメントＩと角加速度αの計測値に基づいて算出した算出トルク値Ｔｃを周波数解析する工程Ｓ２と、出力トルク値Ｔｏの周波数解析結果と算出トルク値Ｔｃの周波数解析結果とを比較して、トルク計測装置１０の計測精度を判定する工程Ｓ３である。

これにより、フライホイール２０によってトルク計測装置１０に付与される算出トルク値Ｔｃを、計算によって求めることができる。また、算出トルク値Ｔｃを正として、算出トルク値Ｔｃとトルク計測装置１０から出力された出力トルク値Ｔｏとを比較することで、出力トルク値Ｔｏの誤差を求め、トルク計測装置１０自体の精度を検証することが可能になる。したがって、本実施形態のトルク計測装置１０の計測精度判定方法によれば、トルク計測装置１０自体の計測精度を検証する方法を提供することができる。これにより、例えば、エンジンやトランスミッション等の性能評価におけるトルク計測の確実性を向上させることができる。

以上、図面を用いて本発明の実施の形態を詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。

１０ トルク計測装置
２０ フライホイール
α 角加速度
Ｉ 慣性モーメント
Ｓ１ 出力トルク値を周波数解析する工程
Ｓ２ 算出トルク値を周波数解析する工程
Ｓ３ 計測精度を判定する工程
Ｔｃ 算出トルク値
Ｔｏ 出力トルク値

Claims (1)

1. トルク計測装置の計測精度判定方法であって、
   前記トルク計測装置にフライホイールを取り付けて回転方向に加振したときの前記トルク計測装置の出力トルク値を周波数解析する工程と、
   加振された前記フライホイールの慣性モーメントと角加速度の計測値に基づいて算出した算出トルク値を周波数解析する工程と、
   前記出力トルク値の周波数解析結果と前記算出トルク値の周波数解析結果とを比較して、前記トルク計測装置の計測精度を判定する工程と、
   を有することを特徴とするトルク計測装置の計測精度判定方法。

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