JP7385130B2 - 走行解析方法及び走行解析装置 - Google Patents
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Description
本発明は、走行解析方法及び走行解析装置に関する。
自動車車体が走行中に荷重を受け変形する際は、荷重－変位の関係が線形にならず、また、載荷と除荷の過程において異なる経路をたどる。つまり、ヒステリシスが生じる。この車体のヒステリシスは操縦安定性の低下やドライバの官能評価を悪化を生じさせる。このため、車体のヒステリシスを低減することにより操縦安定性の低下を防ぎ、ドライバイの官能評価の悪化を防ぐことが求められる。
非特許文献１では、車体を構成する部品の板間摩擦によって構造ヒステリシスが生じることを実験的及び数値解析的に明らかにしている。さらに、その構造ヒステリシスが生じる車体モデルを走行解析モデルに搭載し、構造ヒステリシスが操縦安定性、具体的には、ヨーレートの立ち上がりに対して影響を与えることが開示されている。
「操安性能に影響する車体剛性非線形性の解析」、熊本雅比古、岡野恭久、中島次郎、赤松博道、松本哲郎、南部明宏、福島英樹、２０１７年秋季大会学術講演会講演予稿集、Ｎｏ．１５７－１７、ｐｐ．１２４０－１２４５、大阪、２０１７、自動車技術会
しかしながら、数値解析を用いてヒステリシスの操縦安定性への影響を定量的に評価する技術はほとんど無いといってよい。上記非特許文献１記載の技術もヒステリシスの変化と共に剛性も変化する解析モデルでの評価に留まる。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、剛性と車体のヒステリシスが操縦安定性に及ぼす影響をそれぞれ独立して定量化することができる走行解析方法及び走行解析装置を提供するものである。
第１態様に係る走行解析方法は、コンピュータが、車両の予め定めた１つ以上の場所において、６自由度の変位に対する剛性及び構造ヒステリシスを有するジョイント部を有し、前記ジョイント部と前記車両のフロントサスペンション部とリアサスペンション部とを結合した走行解析モデルに対して、前記車両の各自由度に対する剛性及び構造ヒステリシスを独立して変化させることが可能な解析条件を設定し、設定された解析条件で前記走行解析モデルにおける前記車両の走行を解析し、前記車両の走行を解析することにより得られた操縦安定性に関する評価値を出力する。
第２態様に係る走行解析方法は、前記走行解析モデルは、前記車両の予め定めた方向の軸周りに回転し、剛性及び構造ヒステリシスを有するジョイント部が前記車両のフロントサスペンション部とリアサスペンション部とを接続するシャフト上に１つ以上設けられたモデルである。
第３態様に係る走行解析方法は、前記ジョイント部は、前記車両の前後方向の軸周りに回転し、剛性及び構造ヒステリシスを有する第１のジョイント部と、前記車両の上下方向の軸周りに回転し、剛性及び構造ヒステリシスを有する第２のジョイント部と、を含む。
第４態様に係る走行解析方法は、前記評価値は、ステップ操舵応答解析における横滑り角定常値、ヨー速度ピーク到達時間、及びヨー加速度ピーク値、並びに、前記横滑り角定常値、前記ヨー速度ピーク到達時間、及び前記ヨー加速度ピーク値の少なくとも二つから演算される値、の少なくとも一つを含む。
第５態様に係る走行解析方法は、前記評価値は、横滑り角定常値をヨー加速度ピーク値で除算した値の絶対値を含む。
第６態様に係る走行解析装置は、車両の予め定めた１つ以上の場所において、６自由度の変位に対する剛性及び構造ヒステリシスを有するジョイント部を有し、前記ジョイント部と前記車両のフロントサスペンション部とリアサスペンション部とを結合した走行解析モデルに対して、前記車両の剛性及び構造ヒステリシスを独立して変化させることが可能な解析条件を設定する設定部と、設定された解析条件で前記走行解析モデルにおける前記車両の走行を解析する解析部と、前記車両の走行を解析することにより得られた操縦安定性に関する評価値を出力する出力部と、を備える。
本発明によれば、剛性と車体のヒステリシスが操縦安定性に及ぼす影響をそれぞれ独立して定量化することができる。
以下、本発明の実施形態について説明する。
図１には、本実施の形態に係る走行解析装置１０の構成図である。走行解析装置１０は、一般的なコンピュータを含む装置であり、例えばパーソナルコンピュータ等で構成される。
図１に示すように、走行解析装置１０は、コントローラ１２を備える。コントローラ１２は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１２Ａ、ＲＯＭ（Read Only Memory）１２Ｂ、ＲＡＭ（Random Access Memory）１２Ｃ、不揮発性メモリ１２Ｄ、及び入出力インターフェース（Ｉ／Ｏ）１２Ｅを備える。そして、ＣＰＵ１２Ａ、ＲＯＭ１２Ｂ、ＲＡＭ１２Ｃ、不揮発性メモリ１２Ｄ、及びＩ／Ｏ１２Ｅがバス１２Ｆを介して各々接続されている。
また、Ｉ／Ｏ１２Ｅには、操作部１４、表示部１６、通信部１８、及び記憶部２０が接続されている。
操作部１４は、例えばマウス及びキーボードを含んで構成される。
表示部１６は、例えば液晶ディスプレイ等で構成される。
通信部１８は、外部装置とデータ通信を行うためのインターフェースである。
記憶部２０は、ハードディスク等の不揮発性の記憶装置で構成され、後述する走行解析プログラム２０Ａ等を記憶する。ＣＰＵ１２Ａは、記憶部２０に記憶された走行解析プログラム２０Ａを読み込んで実行する。
次に、走行解析装置１０が走行解析プログラム２０Ａを実行する場合におけるＣＰＵ１２Ａの機能構成について説明する。
図２に示すように、ＣＰＵ１２Ａは、機能的には、設定部３０、解析部３２、及び出力部３４を備える。
設定部３０は、図３に示すように、車両４０の前後方向の軸周りに回転し、剛性及び構造ヒステリシスを有する第１のジョイント部４２－１と、車両４０の上下方向の軸周りに回転し、剛性及び構造ヒステリシスを有する第２のジョイント部４２－２と、が車両４０のフロントサスペンション部４４Ｆとリアサスペンション部４４Ｒとを接続するシャフト４６上に設けられた走行解析モデルに対して、車両４０の解析条件を設定する。解析条件についての詳細は後述する。
解析部３２は、設定部３０により設定された解析条件で走行解析モデルにおける車両４０の走行を解析する。
出力部３４は、解析部３２が車両４０の走行を解析することにより得られた操縦安定性に関する評価値を出力する。評価値についての詳細は後述する。
なお、以下では、第１のジョイント部４２－１を単にジョイントＸと称する場合がある。また、第２のジョイント部４２－２を単にジョイントＺと称する場合がある。また、ジョイントＸ及びジョイントＺを区別しない場合には、単にジョイントと称する場合がある。
本実施形態に係る走行解析モデルは、車両４０の車体の剛性及び構造ヒステリシスが考慮されたモデルである。構造ヒステリシスは、荷重と変位との関係が載荷と除荷の過程において異なる経路を形成することである。
以下、車体の剛性及び構造ヒステリシスモデルについて説明する。
＜車体の剛性及び構造ヒステリシスモデル＞
走行解析において、車体の構造ヒステリシスを車体の構造解析モデルによって表現することは、特に、陰解法による数値解析では、収束性の確保と計算コスト抑制の観点から困難であると言わざるを得ない。そのため、本実施形態では、簡素なジョイントＸ、Ｚを用い、走行解析における車体の代表的な変形形態における剛性及びヒステリシスを表現する。
本実施形態で扱う車体の変形形態は、二つの車体全体の変形形態、すなわち車体ねじり及びフロント横曲げである。車体ねじりとは、車両４０のフロントサスペンション部４４Ｆとリアサスペンション部４４Ｒとがｘ軸周りに回転することにより、ねじれた状態となることをいう。また、フロント横曲げとは、フロントサスペンション部４４Ｆがｚ軸周りに回転することにより曲げられた状態となることをいう。何れの変形形態も車体中のある点を中心に回転する変形としてとらえ、走行解析モデルに導入するジョイントＸ、Ｚは、一軸周りのみに自由度を持つ回転ジョイントとする。
ヒステリシスを表現する数学モデルはいくつか存在するが、比較的少ないパラメータで様々なヒステリシスカーブ形状を表現することができるＢｏｕｃ－Ｗｅｎモデルがある。下記（１）式で示すように、変位角θＪに対して発生するモーメントＭＪを、ジョイントの回転剛性ｃＪを用いて、変位角θＪに対する線形成分Ｍｌｉｎと構造ヒステリシス成分Ｍｈｙｓの線形和として表す。
・・・（１）
ここで、ｈ（ｔ）は、下記（２）式で表されるヒステリシス関数である。
・・・（２）
また、ＡＪ、ＢＪ、ＣＪ、ｎＪ、及びθ†
Ｊは、ヒステリシスの形を決めるパラメータである。ＡＪは、ヒステリシスの大きさを定めるパラメータであり、ＡＪが小さいほどヒステリシスが大きいことを示す。
上記（２）式のパラメータを変更することで、様々なヒステリシスカーブを描くことができる。
本実施形態では、一例として、車体の旋回時における二つの変形形態である、車体ねじり及びフロント横曲げにおける、剛性及び構造ヒステリシスが予め定めた基準条件の車体を基準モデルとして、Ｂｏｕｃ－Ｗｅｎモデルのパラメータを下記表１のように定める。なお、剛性はＣＪを変更することで、ヒステリシスの大きさはＡＪを変更することで、走行解析モデル中の車体の剛性と構造ヒステリシスを独立して変化させることが可能である。
＜構造ヒステリシスを考慮した走行解析モデル＞
走行解析モデルは、汎用の機構解析ソフトウエア等で構築が可能である。本実施形態では、一例としてＡＤＡＭＳ／Ｃａｒ（以下、ＡＤＡＭＳと称する）を用いて構築する。ＡＤＡＭＳにおける一軸回転ジョイントを用い、ジョイントＸ及びジョイントＺの回転を表現する。ジョイントに生じる変位角及びその履歴を引数とした反力要素を用いたユーザサブルーチンによって、構造ヒステリシスを含む反力（反モーメント）を再現することができる。
図３に示すように、走行解析モデルの対象である車両４０は、本実施形態では一例として市場に多く出回っているミドルクラスハッチバックタイプ（５ドア）である。タイヤ、サスペンションリンク、及びステアリング機構を有するフロントサスペンション部４４Ｆの後方にｚ軸周りにのみ回転を許容し剛性及び構造ヒステリシスを有するジョイントＺ（第２のジョイント部４２－２）を、その後方にある重心位置にｘ軸周りにのみ回転を許容し剛性及び構造ヒステリシスを有するジョイントＸ（第１のジョイント部４２－１）を、その後方にタイヤ及びサスペンションリンク機構を有するリアサスペンション部４４Ｒを配置する。フロントサスペンション部４４Ｆ、ジョイントＺ、ジョイントＸ、及びリアサスペンション部４４Ｒは、一列に剛体梁で連結される。そして、解析対象の車両４０の車体の重量、重心位置及び各軸の慣性モーメントを再現するように、質量と慣性モーメントが配置される。
サスペンションを構成する、サブフレーム、リンク類、及びステアリング機構は、全て剛体リンクで構成され、締結点（ハードポイント）は車両４０の車体を再現する。
本実施形態では、ＡＤＡＭＳを用いて、走行解析モデルに対してステップ操舵応答解析を実行する。ステップ操舵応答解析とは、走行解析モデルの車両４０を一定速度で直進させ、所定の操舵角をステップ状に入力し、その後の過渡状態から定常状態に至るまでの車両運動に関する物理量を解析するものである。なお、解析される物理量としては、例えば横加速度、ヨー速度、及び横滑り角等が挙げられるが、これらに限られるものではない。
＜走行解析処理＞
以下、ＣＰＵ１２Ａで実行される走行解析処理について図４に示すフローチャートを参照して説明する。なお、図４に示す走行解析処理は、例えば、ユーザーの操作により走行解析プログラムの実行が指示された場合に、記憶部２０から走行解析プログラムが読み込まれることにより実行される。
ステップＳ１００では、ＡＤＡＭＳによる車両４０の走行解析モデルに対して走行解析処理を行う場合の解析条件を設定する。解析条件としては、初期速度、最大操舵角、ヒステリシス、ジョイントＸの回転剛性を表すパラメータｃＪｘ、ジョイントＸのヒステリシスの形を表すパラメータθ†
Ｊｘ、ＡＪｘ、ＢＪｘ、ＣＪｘ、ｎＪｘ、ジョイントＺの回転剛性を表すパラメータｃＪｚ、ジョイントＺのヒステリシスの形を表すパラメータθ†
Ｊｚ、ＡＪｚ、ＢＪｚ、ＣＪｚ、ｎＪｚが挙げられる。なお、前述したように、ジョイントＸ、Ｚのヒステリシスの形を表すパラメータについては、剛性及び構造ヒステリシスを独立して変化させることが可能となるように適切に設定する。
ステップＳ１０２では、ステップＳ１００で設定された解析条件によるステップ操舵応答解析を、ＡＤＡＭＳ／Ｃａｒ Ｆｕｌｌ Ｖｅｈｉｃｌｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ：Ｏｐｅｎ－ｌｏｏｐ Ｓｔｅｐ Ｓｔｅｅｒｉｎｇにより実行する。
具体的には、車両４０を一定速度で直進させた状態から、短時間でステアリングホイールを回転させ一定の操舵角で保持した際の車両運動について解析する。
解析の手順は、まず、時刻ｔ＝０の走行開始時に車両４０の釣り合いを計算し、姿勢を定める。次に、時刻ｔ＝１（秒）において操舵を開始し、時刻ｔ＝１．２（秒）において所定の操舵角に到達する。操舵の開始直後及び最大操舵角直前においては、滑らかに操舵速度を変化させる。時刻ｔ＝１．２（秒）以降は、操舵角を保持したまま時刻ｔ＝９（ｓ）までの車両４０の運動を解析する。
このステップ操舵応答解析により、時刻ｔ＝０～９（ｓ）まで所定の時間間隔で車両４０の横加速度、ヨー速度、及び横滑り角が解析結果として算出される。
ステップＳ１０４では、ステップＳ１０２の走行解析処理による解析結果に基づいて、操縦安定性に関する評価値を算出する。
操縦安定性に関する評価値は、一例として横滑り角定常値、ヨー速度ピーク到達時間、及びヨー加速度ピーク値の少なくとも一つを含んでもよい。また、評価値は、横滑り角定常値、ヨー速度ピーク到達時間、及びヨー加速度ピーク値の少なくとも二つから演算される値を含んでも良い。すなわち、評価値は、ヨー速度ピーク到達時間、ヨー加速度ピーク値、及び前記演算される値の少なくとも一つを含んでも良い。前記演算される値としては、具体的には、横滑り角定常値及びヨー速度ピーク到達時間から算出されるＴＢファクタ、及び、横滑り角定常値及びヨー加速度ピーク値から算出されるＢＡファクタの少なくとも一つを含んでも良い。なお、本実施形態では、評価値として横滑り角定常値及びヨー加速度ピーク値の少なくとも一方を含む。また、横滑り角定常値、ヨー加速度ピーク値、及びＢＡファクタを採用した場合について説明するが、評価値はこれらに限られるものではない。
横滑り角定常値は、ステップＳ１０２で算出された各時刻の横滑り角の定常値である。横滑り角定常値を評価値として採用するのは、横滑り角の絶対値を低く抑えるほど、中高速域における操縦安定性が良くなることや、ドライバの危険感を低減することができることが知られているためである。
ヨー加速度ピーク値は、ステップＳ１０２で算出された各時刻のヨー速度から求めたヨー加速度の最大値である。ヨー加速度ピーク値を評価値として採用するのは、ヨー運動に関して人間はヨー速度の変化を知覚していることが知られており、ヨー速度の変化であるヨー加速度がドライバの官能評価に相関があることが予想されるためである。
ＢＡファクタは、横滑り角定常値をヨー加速度ピーク値で除算した値の絶対値である。ＢＡファクタは、評価値として採用するのは、応答の素早さと車両姿勢の安定性を総合的に評価するためである。なお、ＢＡファクタの値が小さいほど、操縦安定性に関して高い官能評価を表す。
ステップＳ１０６では、ステップＳ１０４で算出した評価値を出力する。すなわち、評価値を表示部１６に表示させたり、記憶部２０に記憶させたりする。
このような処理を、様々な解析条件で行うことにより、一例として図５に示すような解析結果が得られる。
図５には、車体ねじり変形に関係するジョイントＸの構造ヒステリシスの大きさを定めるパラメータＡＪに対する横滑り角定常値、ヨー加速度ピーク値、及びＢＡファクタの変化率の一例を示した。車両４０の速度は１２０ｋｍ／ｈである。また、最大操舵角（ｓｔｅｅｒｉｎｇ ａｎｇｌｅ）は６０度である。
図５に示すように、構造ヒステリシスの増加（ＡＪの低下）に伴いヨー加速度ピーク値は低下し、応答性が低下することがわかる。また、構造ヒステリシスの増加（ＡＪの低下）に伴い、横滑り角定常値（絶対値）は増加し、ヨー加速度ピーク値は低下するため、ＢＡファクタは増加する。
このように、本実施形態では、剛性及び構造ヒステリシスを独立して変化させることができるＢｏｕｃ－Ｗｅｎモデルを用いた走行解析モデルに対して走行解析処理を実行することにより、操縦安定性に関する評価値を算出する。これにより、剛性を変化させずに車体のヒステリシスが操縦安定性に及ぼす影響を、少ない計算コストで定量化することができる。
なお、本実施形態では、走行解析モデルが第１のジョイント部４２－１及び第２のジョイント部４２－２を含む場合について説明したが、何れか一方のジョイント部を含む構成としてもよい。この場合、走行解析モデルが第１のジョイント部４２－１のみを含む場合は、車体ねじり変形に関する評価値のみが出力される。一方、走行解析モデルが第２のジョイント部４２－２のみを含む場合は、フロント横曲げに関する評価値のみが出力される。
また、本実施形態では、車体変形をジョイントＸ及びジョイントＺの２つのジョイントを用い、車体のねじり及びフロント横曲げ変形を表現した走行解析モデルを使用しているが、車体縦曲げを表現するＹ軸周りに回転可能なジョイントを加えてもよい。また、各軸周りの回転ジョイントを複数個所に設定し、それらを結合することでより複雑な車体変形とその変形に伴うヒステリシスを表現可能なモデルを使用してもよい。
さらに、並進変形に対する剛性とヒステリシスを有するジョイントを車両の予め定めた１つ以上の場所に使用してもよい。例えば一カ所に３方向並進と３方向軸周り回転の６自由度の変位に対する剛性及びヒステリシスを有するジョイント部を有し、このジョイント部と車両のフロントサスペンション部とリアサスペンション部とを結合した走行解析モデルであって、局所的な変形や詳細な車体変形に対する剛性とヒステリシスを表現可能な走行解析モデルを用いてもよい。この場合、設定部３０は、車両の各自由度に対する剛性及び構造ヒステリシスを独立して変化させることが可能な解析条件を設定する。
また、本実施形態では、走行解析ソフトＡＤＡＭＳ／Ｃａｒを使用しているが、他の汎用走行解析ソフトや自作の走行解析プログラムを使うことも可能であり、使用者の環境に応じて解析ソフトを選定してもよい。
また、本実施形態では、走行解析プログラムが記憶部２０に予め記憶（インストール）されている態様を説明したが、これに限定されない。走行解析プログラムは、ＣＤ－ＲＯＭ（Ｃｏｍｐａｃｔ Ｄｉｓｃ Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＤＶＤ－ＲＯＭ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｃ Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、及びＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｓｅｒｉａｌ Ｂｕｓ）メモリ等の記録媒体に記録された形態で提供されてもよい。また、走行解析プログラムは、ネットワークを介して外部装置からダウンロードされる形態としてもよい。
１０ 走行解析装置
１２ コントローラ
１４ 操作部
１６ 表示部
１８ 通信部
２０ 記憶部
２０Ａ 走行解析プログラム
３０ 設定部
３２ 解析部
３４ 出力部
４０ 車両
４２－１ 第１のジョイント部
４２－２ 第２のジョイント部
１２ コントローラ
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１６ 表示部
１８ 通信部
２０ 記憶部
２０Ａ 走行解析プログラム
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３４ 出力部
４０ 車両
４２－１ 第１のジョイント部
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Claims (6)
- コンピュータが、
車両の予め定めた１つ以上の場所において、６自由度の変位に対する剛性及び構造ヒステリシスを有するジョイント部を有し、前記ジョイント部と前記車両のフロントサスペンション部とリアサスペンション部とを結合した走行解析モデルに対して、前記車両の各自由度に対する剛性及び構造ヒステリシスを独立して変化させることが可能な解析条件を設定し、
設定された解析条件で前記走行解析モデルにおける前記車両の走行を解析し、
前記車両の走行を解析することにより得られた操縦安定性に関する評価値を出力する
走行解析方法。 - 前記走行解析モデルは、前記車両の予め定めた方向の軸周りに回転し、剛性及び構造ヒステリシスを有するジョイント部が前記車両のフロントサスペンション部とリアサスペンション部とを接続するシャフト上に１つ以上設けられたモデルである
請求項１記載の走行解析方法。 - 前記ジョイント部は、前記車両の前後方向の軸周りに回転し、剛性及び構造ヒステリシスを有する第１のジョイント部と、前記車両の上下方向の軸周りに回転し、剛性及び構造ヒステリシスを有する第２のジョイント部と、を含む
請求項２記載の走行解析方法。 - 前記評価値は、ステップ操舵応答解析における横滑り角定常値、ヨー速度ピーク到達時間、及びヨー加速度ピーク値、並びに、前記横滑り角定常値、前記ヨー速度ピーク到達時間、及び前記ヨー加速度ピーク値の少なくとも二つから演算される値、の少なくとも一つを含む
請求項１～３の何れか１項に記載の走行解析方法。 - 前記評価値は、横滑り角定常値をヨー加速度ピーク値で除算した値の絶対値を含む
請求項４記載の走行解析方法。 - 車両の予め定めた１つ以上の場所において、６自由度の変位に対する剛性及び構造ヒステリシスを有するジョイント部を有し、前記ジョイント部と前記車両のフロントサスペンション部とリアサスペンション部とを結合した走行解析モデルに対して、前記車両の剛性及び構造ヒステリシスを独立して変化させることが可能な解析条件を設定する設定部と、
設定された解析条件で前記走行解析モデルにおける前記車両の走行を解析する解析部と、
前記車両の走行を解析することにより得られた操縦安定性に関する評価値を出力する出力部と、
を備えた走行解析装置。
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