JP7062576B2 - 動特性測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、動特性測定装置に関し、特に自動車用等の防振ゴムの動特性を測定する動特性測定装置に関する。

防振ゴムの動特性は、自動車等の防振性、乗り心地、操縦安定性、運動性能、防音、省エネルギー性を決める重要なファクタであり、この動特性を管理することは、防振ゴムメーカはもちろんのこと、自動車メーカにとっても重要なこととなっている。防振ゴムの動特性は、周波数、環境温度、振幅、プリロード等により左右されるので、精度の高い計測を行うためには、高度な設計技術、計測技術、及び、信号処理技術が必要とされる。

防振ゴムの動的性質については、自動車用防振ゴムを中心に、製品の動的性能の改善、管理水準の向上を求める要求が強いため、例えば、ＳＲＩＳ３５０３（日本ゴム協会標準規格）に規定されたように、試験方法が標準化されている。なお、ここでいう動的性質とは、貯蔵ばね定数、損失ばね定数、絶対ばね定数、減衰係数、損失係数、及び、位相角を総称したものである。

特許文献１には、基部材と基部材に弾性体を介して載置された支持部材との間に、加振機、テストピース、及び、荷重検出器を直列に設置してテストピースに加振機より動的荷重を加えるように構成し、基部材に弾性体を介して支えられている支持部材の側の質量と弾性体のバネ定数により定まる共振周波数が加振機による加振周波数より十分に小さくなるように、支持部材の側の質量と弾性体のバネ定数とを設定した動的特性試験装置が記載されている。

また、特許文献２には、防振ゴム等の試験片に繰り返し荷重を与えてロードセルにより動的特性測定を行う測定装置において、ロードセルとして圧電素子を３個以上並列的に配置した圧電素子型ロードセルを使用した防振ゴムの動的特性測定装置が記載されている。

また、特許文献３には、防振ゴムが、弾性体を介して基礎に固定される第１支持部材と第２支持部材により振動方向において挟持され、第１支持部材が加振側と反対側に配設され、加振に対して影響されない十分な質量を有しており、第１支持部材及び第２支持部材の一方が他方に接近する方向に弾性体の外側から弾性体を介して押圧装置により防振ゴムに対して一定の荷重が加えられ、防振ゴムが外部から加振機により加振される動特性測定装置が記載されている。

一方で、近年、従来のガソリンエンジンを使用した車両に加えて、電動モータの回転力を利用したハイブリッドタイプの車両、及び、電気自動車が急速に普及している。このような電動モータの振動領域は、従来のレシプロエンジンの振動領域である１．５ｋＨｚ程度を超えて、５ｋＨｚまでの高周波数領域まで達している。特に運転手や、乗員に不快感を与える騒音、振動、ハーシュネス（ＮＶＨ）などの要因を解析するため、このような電動モータを搭載した車両に使用される防振ゴムについても、３ｋＨｚまでの高周波数領域での動的振動特性データを測定する必要性が高まっている。

特公昭６１－２２２５１号公報 特開昭６４－１３４３４号公報 特開２００７－２７１２６８号公報

しかしながら、特許文献１及び２に記載されたような従来の動特性測定装置では、その構造上加振周波数の上限が１．５ｋＨｚ程度であるため、上述の高周波数領域での振動には対応することができなかった。

また、特許文献３では、高周波対応するために、５ｋＨｚ程度までの振動を印加できる加振器および押圧装置による一定荷重を加える機構を搭載した動特性測定装置が記載されているが、高い周波数まで精度よく計測できるかについて、記載されていない。

つまり、高周波振動域での動特性の測定では、フレームの共振点を計測周波数範囲よりも高くしないと、その周波数前後の範囲での正確な測定が困難になるという問題がある。また、特に自動車用防振ゴム等では、実車状態を想定して、高負荷（プリロード）をかけた状態で動特性を測定する必要があるが、このようなプリロードをかけた状態では、荷重検出器での計測において計測レンジを大きくする必要があり、高周波での小さい動荷重の計測が困難であるという問題がある。また、高周波振動域では周波数の２乗に比例する高い加振能力と振幅が必要となるが、動電加振機を高速で作動させるために、重量を軽くすると共振周波数が低くなり、加振能力が低下し必要な加振振幅を得ることが困難であるという問題もある。

従って、本発明の目的は、３ｋＨｚまでの高周波数振動領域においても、フレームの共振周波数の影響を排除し、プリロードをかけた状態で小さい動荷重を計測でき、さらに被試験体の加振レベルを上昇させることにより、高周波数振動領域における防振ゴム等の動的振動特性を正確に測定できる動特性測定装置を提供することである。

上記課題を解決するために、本発明の動特性測定装置は、基部と、前記基部の上部に、弾性体を介してフローティング状態とすることを可能に載置された支持部と、前記基部と前記支持部との間に取付けられた被試験体の前記基部の側に設けられ、前記被試験体に振動を加える動電加振機と、前記被試験体の前記支持部の側に設けられ、前記被試験体に加えられた動荷重を計測する動荷重計測器とを備える動特性測定装置において、前記支持部の形状を共振周波数が３ｋＨｚ以上となる形状とすることを特徴とする。

また、前記動電加振機に取付けられ、前記被試験体に加えられた静荷重を計測する静荷重計測器をさらに備えるものとしてもよい。

また、前記静荷重計測器は、前記動電加振機に取付けられた共振治具に取付けられるものとしてもよい。

また、前記動荷重計測器には、前記支持部の動荷重の影響を除去する加速度計が取付けられるものとしてもよい。

また、前記動電加振機に、前記動電加振機の位置を測定する位置センサが取り付けられ、当該位置センサによる変位信号に基づきフィードバック制御により前記動電加振機の変位が制御されるものとしてもよい。

また、前記被試験体には、前記動電加振機の側からプリロードが加えられるものとしてもよい。

さらに、上記プリロードは、前記動電加振機と前記動電加振機の側に設けられるエアと合わせて加えられるものとしてよい。

本発明によれば、３ｋＨｚまでの高周波数振動領域においても、フレームの共振周波数の影響を排除し、プリロードをかけた状態で小さい動荷重を計測でき、さらに被試験体の加振レベルを上昇させることにより、高周波数振動領域における防振ゴム等の動的振動特性を正確に測定できる動特性測定装置を提供できる。

本発明に係る動特性測定装置の一例を示す斜視図である。 図２（ａ）は、図１に示す動特性測定装置を正面から示す部分断面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）に示すＩＩｂ部分を拡大して示す断面図である。 図２（ａ）に示す動特性測定装置の支柱を伸ばした状態を示す側面図である。 図１乃至図３に示す動特性測定装置の静負荷計測部を兼ねた共振治具を示す断面図である。 図５（ａ）は、従来の動電加振機振動台に剛的治具を取り付けた状態を示す模式図であり、図５（ｂ）は、動電加振機振動台に共振治具を取り付けた状態を示す模式図であり、図５（ｃ）は、剛的治具、または、共振治具を取り付けた状態の周波数特性を比較して示す図である。 図１乃至図３に示す動特性測定装置に適用される制御システムのシステムブロック図である。 図７（ａ）は、従来の動電加振機振動台のオープンループ制御を示すブロック図であり、図７（ｂ）は、動電加振機振動台のクローズループによるフィードバック制御を示すブロック図である。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。

尚、以下の説明における上下の概念は例えば図２（ａ）における上下に対応しており、各部材の相対的な位置関係を示すものであって、絶対的な位置関係を示すものではない。

図１は、本発明に係る動特性測定装置の一例１００を示す斜視図であり、図２（ａ）は、図１に示す動特性測定装置１００を正面から示す部分断面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）に示すＩＩｂ部分を拡大して示す断面図であり、図３は、図２（ａ）に示す動特性測定装置１００の支柱を伸ばした状態を示す側面図である。

図１乃至図３において、動特性測定装置１００は、例えば、ＳＲＩＳ３５０３（日本ゴム協会標準規格）において標準化されたような、自動車用などの防振ゴムの動的性質について測定する測定装置である。なお、ここでいう動的性質とは、貯蔵ばね定数、損失ばね定数、絶対ばね定数、減衰係数、損失係数、及び、位相角を総称したものである。

動特性測定装置１００は、基部１１０と、基部１１０の上部に、後述するエアばね１２２等の弾性体を介してフローティング状態とすることを可能に載置された支持部１２０と、基部１１０と支持部１２０との間に配置された測定部１３０とを備える。

基部１１０は、脚部１１１と、エアばね１１２と、動電加振機１１３と、ベース架台部１１４を備える。

脚部１１１は、図２（ａ）に示す下側の地面に接する位置に配置され、動特性測定装置１００を地面に固定している。なお、ここでは、４本の脚部１１１により動特性測定装置１００を地面に固定するものとしたが、下記のように本体部エアばね１１２で取り付けられるため、振動の伝達が防止されるので、地震等外部の要因に耐える取付部であれば、これには限定されない。

エアばね１１２は、ここでは、４本の脚部１１１と動特性測定装置１００の本体部との間に４個配置されている。４個のエアばね１１２は、振動試験の最中に地面と動特性測定装置１００との間で、振動が伝達するのを防止するために設けられている。

動電加振機１１３は、動特性測定装置１００のベース架台部１１４に取り付けられ、後述する制御システム２００に接続され、後述する動電加振機振動台１３２を駆動する。ベース架台部１１４と動電加振機１１３を合わせて、十分な質量を有し、上記エアばね１１２と合わせて、振動伝達を防止する役割を果たす。

支持部１２０は、支柱１２１と、エアばね１２２と、締結器１２３と、クロスヘッド１２４と、中定盤１２５とを備える。

支柱１２１は、基部１１０の上部に配置され、クロスヘッド１２４を上部に載置できるように、ここでは４本が配置され、中定盤１２５に接続される。なお、動特性測定装置１００では、図３に示すように、支柱１２１を伸ばすことも可能である。このように、支柱１２１を伸ばすことを可能とすることにより、測定部１３０に恒温槽を収容し測定すること、及び、サイズの大きな被試験体１３１を測定することを可能としている。

エアばね１２２は、中定盤１２５の上部に載置された弾性体である。エアばね１２２を設けることにより、エアばね１２２の上部に載置されたクロスヘッド１２４と、基部１１０との間で、高周波振動状態等において、共振等の振動の伝達が遮断されるフローティング状態が構成可能となる。なお、動特性測定装置１００では、図１に示すように、８個のエアばね１２２が設けられているが、これには限定されず、フローティング状態が構成できれば、その他の個数のエアばね１２２が設けられるものとしてもよい。

締結器１２３は、油圧、空圧等により駆動され、クロスヘッド１２４を中定盤１２５に固定し、フローティング状態を解除するために設けられている。なお、フローティング状態を解除する場合、ベース架台部１１４、支柱１２１、中定盤１２５、クロスヘッド１２４がリジットに連結され、高い剛性を持ち、被試験体の静的ばね定数計測や、約１００～１５０Ｈｚ以下のように、低い振動周波数で測定する場合などが考えられる。また、締結器１２３は、図１に示すように、ここでは４箇所設置されるものとしたが、フローティング状態を解除でき、十分な結合剛性があれば、この設置数には限定されない。

クロスヘッド１２４は、基部１１０の上部に、エアばね１２２を介してフローティング状態とすることを可能に載置されている。ハイブリッドタイプの車両、及び、電気自動車の電動モータの振動領域は、従来のレシプロエンジンの振動領域である１．５ｋＨｚを超えた高周波数領域まで達している。ここでは３ｋＨｚまでの高周波数振動領域で測定するが、この場合に、クロスヘッド１２４の固有の共振周波数が低いと、測定時にクロスヘッド１２４が共振してしまい。正確な測定が行えない。このため、クロスヘッド１２４の共振周波数は、計測する測定領域より高い周波数にする必要がある。

本発明の動特性測定装置１００では、クロスヘッド１２４の共振周波数を上げるために、クロスヘッド１２４が十分な重さ（１５００ｋｇ以上）を有する形状とし、さらにその形状を円筒に近い形状とし、さらに厚さと直径の比（図２（ａ）におけるＨ／Ｄ）を１に近い値（０．７～１．３）となる形状としている。

先ず、クロスヘッド１２４の重量については、軽すぎると、測定部１３０の振動を遮断しきれなくなり、逆に重すぎると、共振周波数を上げることができないため、ある程度の重量が必要となる。また、形状については、振動には、縦振動、曲げ振動、振り振動等の複数のモードがあり、厚さと直径のいずれかを大きくすると、いずれかの振動モードによる共振が起こる可能性が高くなる。このため、厚さと直径の比を１に近い値とすることにより、平均の共振周波数を上昇させることができる。

測定の結果、上述のような形状とすることにより、クロスヘッド１２４の共振周波数を４ｋＨｚ前後にすることができた。また、このようなクロスヘッド１２４を動特性測定装置１００に使用することにより、クロスヘッド１２４の共振周波数の影響を排除して、３ｋＨｚまでの高周波領域まで測定を可能とすることができる。

測定部１３０は、被試験体１３１と、動電加振機振動台１３２と、ロードワッシャ１３３と、加速度計１３４と、ひずみ計１３５と、共振治具１３６と、位置センサ１３７と、ロードワッシャ取付ブロック１３８とを備える。

被試験体１３１は、本発明の動特性測定装置１００においては、自動車用など防振ゴムである。なお、防振ゴムとしては、マス付防振ゴム、液体封入防振ゴムなどの位相要素を含む防振ゴムが含まれる。被試験体１３１は、動電加振機振動台１３２と、ロードワッシャ１３３との間に狭持されて測定される。

動電加振機振動台１３２は、動電加振機１１３の上部に設置され、後述する制御システム２００に制御される。図示を省略するが、動電加振機振動台１３２には、振動板１３２ａとコイル部１３２ｂが直結され、その周囲には、直流の磁場が配置され、このコイルに電流を印加することにより、動電加振機振動台１３２が駆動される。なお、ここでは、動電加振機１１３の振動周波数領域は、３ｋＨｚまでであるが、特に３ｋＨｚまでに限定されるものではなく、３ｋＨｚ以上であればよいものとする。

ロードワッシャ１３３は、被試験体１３１の動電加振機１１３とは逆側のクロスヘッド１２４にロードワッシャ取付ブロック１３８を介して取り付けられる。ロードワッシャ１３３は、高剛性の圧電素子であり、応答速度が速く、計測しきい値（ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ）が小さいため、ここでは、被試験体１３１に加えられた動荷重を計測する動荷重計測器を構成している。なお、ロードワッシャ１３３は、図２（ｂ）に示すように、４個並べて設置され、この平均をとるものとしたが、これには限定されない。

加速度計１３４は、図２（ｂ）に示すように、ロードワッシャ１３３の被試験体１３１を取り付ける側のフランジに取付けられ、クロスヘッド１２４が振動した場合に、測定した加速度からその動荷重を計算し、その影響を除去し、被試験体１３１を正確に測定するために設けられる。従って、クロスヘッド１２４の振動が計測精度への影響が無視できる場合には、加速度計１３４の測定を行う必要はない。

静負荷計測部を兼ねた共振治具１３６は、動電加振機振動台１３２の被試験体１３１の側に取付けられる。ここで、静負荷計測部を兼ねた共振治具１３６について、図４乃至図５（ｃ）を使用して説明する。

図４は、図１乃至図３に示す動特性測定装置１００の静負荷計測部を兼ねた共振治具１３６を示す断面図であり、図５（ａ）は、従来の動電加振機振動台１３２に剛的治具５３６を取り付けた状態を示す模式図であり、図５（ｂ）は、動電加振機振動台１３２に共振治具１３６を取り付けた状態を示す模式図であり、図５（ｃ）は、剛的治具５３６、または、共振治具１３６を取り付けた状態の周波数特性を比較して示す図である。

図４に示すように、静負荷計測部を構成するひずみ計１３５は、ここでは円筒形状の共振治具１３６の内部円周上に複数等配分に取付けられ、軸方向の負荷を計測できる。なお、共振治具１３６の上部には、被試験体１３１を取付けるための剛的ブロック１３６ａが設けられている。ひずみ計１３５は、静的なプリロードを計測することが目的で設けられ、平均化処理、フィルタリング処理で、ブロック１３６ａ等のマスによる加速度からの動荷重の影響を受けない。また、高い応答性がなくてもよい。本静負荷計測冶具は下記のように共振冶具の機能も併せ持つが、これに限定されない。

自動車用防振ゴム等では、実車状態を想定して、高負荷（プリロード）をかけた状態で動特性を測定する必要があるが、このようなプリロードをかけた状態では、動荷重の計測において計測レンジを大きくする必要があり、高周波では、被試験体の変位が小さくなり、荷重も小さくなるので、荷重の計測が困難であるという問題がある。また、防振ゴムの性能には線形性がなく、予測が難しい。そこで本発明では、静荷重計測器として、ひずみ計１３５を新たに設け、ロードワッシャ１３３で動荷重のみを計測し、図６に示すブロック線図中のチャージアンプ２１２の計測レンジを小さくすることにより、Ｓ／Ｎ比をあげ、精密に動荷重を測定できるように構成されている。

図４に示すように、共振治具１３６は、動電加振機振動台１３２に取付けられた円筒形状の部材である。共振治具１３６を円筒形状とすることにより、任意の共振周波数を持たせることができる。図５（ａ）に示すように、従来技術の動電加振機振動台１３２には、振動板１３２ａとコイル部１３２ｂ間に共振点を持ち、共振点を過ぎると、加振能力は周波数の２乗に比例して、低下する。さらに、剛的治具５３６を取付けた場合には、共振点がさらに低下し、図５（ｃ）に示すように、加振能力が低下し必要な加振振幅を得ることができない。この共振による影響を低減するための一つの方法は、動電加振機振動台１３２の共振点を高くすることが考えられるが、必要な加振力、ストロークから、大きさがほぼ決まり、構造的に共振点を大きく変更することが困難である。もう一つの方法は、加振力を上げる方法で、加振能力を低下しても必要な加振力が満足するものであるが、この場合、装置の全体寸法の増大とコストアップにつながる。

これに対して、図５（ｂ）に示すように、動電加振機振動台１３２に共振治具１３６を取り付けた場合には、共振治具１３６に任意の共振周波数を持たせることができるため、図５（ｃ）に示すように、動電加振機振動台１３２の共振点による加振能力が低下する周波数帯で振幅レベルを向上させることがきる。なお、ここでは、本発明の動特性測定装置１００の測定周波数帯域である３ｋＨｚ付近の振幅レベルが向上しているが、これには限定されない。なお、図５（ａ）、及び、図５（ｂ）において、動電加振機振動台１３２は、振動板１３２ａと、コイル部１３２ｂとから構成されているものとして捕らえることもでき、この場合には、円筒形状の共振治具１３６と共に、２自由度共振系が構成されているものとして捕らえることができる。この場合にも、任意の周波数帯で振幅レベルを向上させることがきる。

図１乃至図３に戻り、測定部１３０に設けられた位置センサ１３７について、説明する。

位置センサ１３７は、動電加振機振動台１３２に取付けられ、この動電加振機振動台１３２の位置を測定する。ここで動電加振機振動台１３２及び位置センサ１３７について、図７（ａ）及び図７（ｂ）を使用して説明する。

図７（ａ）は、従来の動電加振機振動台７３２のオープンループ制御を示すブロック図であり、図７（ｂ）は、動電加振機振動台１３２のクローズループによるフィードバック制御を示すブロック図である。

図７（ａ）において、従来のオープンループ制御による動電加振機振動台７３２では、入力される指令値は、加速度でありこれを増幅して、動電加振機振動台７３２を駆動するが、出力値は同じく加速度となる。この場合、信号値として加速度を使用しているため、後述するフィードバック制御には向かず、動電加振機振動台７３２の正確な位置の制御を行うことはできない。

これに対して、本発明の動特性測定装置１００では、図７（ｂ）に示すように、位置センサ１３７を使用して、動電加振機振動台１３２の位置を測定し、この変位信号を信号値として使用する。これにより、ＰＩＤ制御部が動電加振機振動台１３２に対してクローズループによるフィードバック制御を行うことができ、動電加振機振動台１３２の正確な位置の制御を行うことができる。この位置制御機能により、被試験体の静的ばね定数を計測することが可能となる。

図６は、図１乃至図３に示す動特性測定装置１００に適用される制御システム２００のシステムブロック図である。

図６において、制御システム２００は、主に主制御装置２１０と、電力増幅器筐体２３０等を備えている。

主制御装置２１０は、起動器２２２を介して電源２２１に接続され、操作線２１６を介して動特性測定装置１００に接続され、動特性測定装置１００の制御を行う。

主制御装置２１０には、主にメインサーボコントローラ２１１と、チャージアンプ２１２と、加振機操作盤２１３と、無停電電源装置２１４と、ユーザインターフェイス２１５等が含まれる。メインサーボコントローラ２１１には、動特性測定装置１００の各種センサから、動荷重、静荷重、変位、加速度などの信号が入力され、各種の計測と演算が行われる。上述したように、メインサーボコントローラ２１１において、動荷重と静荷重を別々に計測し、計測荷重レベルにより、自動的に計測レンジ及び表示レンジを変更することも可能である。

電力増幅器筐体２３０は、主制御装置２１０の加振機操作盤２１３からの信号により制御され、動特性測定装置１００の例えば動電加振機１１３の動電加振機振動台１３２の動作を制御する。

図６に示すように、制御システム２００には、さらに、被試験体１３１にプリロードを加えるためのドライエア２２３と、ドライエア２２３の圧力を制御するプリロード制御弁２２４と、動電加振機１１３の冷却を行うためのブローワ２３１等が含まれる。

以上説明したように、本発明の動特性測定装置によれば、３ｋＨｚまでの高周波数振動領域においても、フレームの共振周波数の影響を排除し、プリロードをかけた状態で小さい動荷重も計測でき、さらに被試験体の加振レベルを上昇させることにより、高周波数振動領域における防振ゴム等の動的振動特性を正確に測定できる動特性測定装置を提供できる。

１００ 動特性測定装置
１１０ 基部
１１１ 脚部
１１２、１２２ エアばね
１１３ 動電加振機
１１４ ベース架台部
１２０ 支持部
１２１ 支柱
１２３ 締結器
１２４ クロスヘッド
１２５ 中定盤
１３０ 測定部
１３１ 被試験体
１３２ 動電加振機振動台
１３３ ロードワッシャ
１３４ 加速度計
１３５ ひずみ計
１３６ 共振治具
１３７ 位置センサ
１３８ ロードワッシャ取付ブロック
２００ 制御システム
２１０ 主制御装置
２１１ メインサーボコントローラ
２１２ チャージアンプ
２１３ 加振機操作盤
２１４ 無停電電源装置
２１５ ユーザインターフェイス
２１６ 操作線
２２１ 電源
２２２ 起動器
２２３ ドライエア
２２４ プリロード制御弁
２３０ 電力増幅器筐体
２３１ ブローワ

Claims (5)

1. 基部と、
   前記基部の上部に、弾性体を介してフローティング状態とすることを可能に載置された支持部と、
   前記基部と前記支持部との間に取付けられた被試験体の前記基部の側に設けられ、前記被試験体に振動を加える動電加振機と、
   前記被試験体の前記支持部の側に設けられ、前記被試験体に加えられた動荷重を計測する動荷重計測器と
   を備える動特性測定装置において、
   前記支持部の形状を共振周波数が３ｋＨｚ以上となる形状とし、
   前記動電加振機に取付けられ、前記被試験体に加えられた静荷重を計測する静荷重計測器をさらに備えることを特徴とする動特性測定装置。
2. 前記静荷重計測器は、前記動電加振機に取付けられた共振治具に取付けられることを特徴とする請求項１に記載の動特性測定装置。
3. 前記動荷重計測器には、前記支持部の動荷重の影響を除去する加速度計が取付けられることを特徴とする請求項１に記載の動特性測定装置。
4. 前記動電加振機に、前記動電加振機の位置を測定する位置センサが取り付けられ、当該位置センサによる変位信号に基づきフィードバック制御により前記動電加振機の振動が制御されることを特徴とする請求項１に記載の動特性測定装置。
5. 前記被試験体には、前記動電加振機の側からプリロードが加えられることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の動特性測定装置。

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