(57)【要約】  対象物のダンピングの測定方法が提供される。方法は、対象物を励起するステップと、光学撮像システムにて対象物の動的応答を測定するステップと、前記動的応答からダンピング係数及びＱファクタを計算するステップと、を含む。方法は、２つの処理を結び付ける。動的運動応答のデータを出力するための光学撮像システムと、ダンピング係数及びＱファクタを取得するためのデータの使用と、である。【選択図】図１
2013537981.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物を励起するステップと、
光学撮像システムにて前記対象物の動的応答を測定するステップと、
前記動的応答からダンピング係数及びＱファクタを計算するステップと、を備える、
ことを特徴とする対象物のダンピングの測定方法。
【請求項２】
前記対象物はブレーキロータである、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記対象物はブレーキドラムである、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記ダンピング係数及び前記Ｑファクタを計算するステップは、前記動的応答の減衰率からダンピング係数及びＱファクタを計算するステップを備える、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記ダンピング係数及び前記Ｑファクタを計算するステップは、周波数応答関数に基づいてダンピング係数及びＱファクタを計算するステップを備える、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記対象物を励起するステップは、インパルスハンマにて前記対象物を励起するステップを備える、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記対象物を励起するステップは、加振器にて前記対象物を励起するステップを備える、
請求項１に記載の方法。
【請求項８】
支持体上に対象物を配置するステップと、
前記対象物を観察するハイスピードカメラを配置するステップと、
励起装置にて前記対象物を励起するステップと、
所定の時間の前記対象物の変位時間履歴を記録するステップと、
前記対象物の表面上の選択された点の変位応答時間履歴を抽出するステップと、
選択された振動モードの周波数を決定するステップと、
ダンピング係数及びＱファクタの計算に用いられる動作時のたわみ形状又はモードの応答を抽出するために、前記変位応答時間履歴にフィルタをかけるステップと、
ダンピング係数及びＱファクタを計算するステップと、を備える、
ことを特徴とする対象物のダンピングの測定方法。
【請求項９】
前記対象物はブレーキロータである、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記対象物はブレーキドラムである、請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
前記励起装置に力変換器を付加するステップを含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１２】
前記励起装置はインパルスハンマである、請求項８に記載の方法。
【請求項１３】
前記励起装置は加振器である、請求項８に記載の方法。
【請求項１４】
前記変位応答時間履歴に基づいて速度及び加速度を計算するステップを更に備える、請求項８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
以下の説明は、対象物のダンピング（damping）の測定方法に関し、特に、１又は複数のハイスピードカメラを用いたダンピングの測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ダンピングは、一般に励起されたときの吸収エネルギーの一部の能力に関する。ダンピングは、Ｑファクタと呼ばれる係数を用いて測定され得る。ダンピングの測定は、車両のブレーキノイズの傾向を評価するために、及び不要な振動エネルギーを吸収するための対象物の能力を把握することによって対象物の振動を決定するための有益な比較を与えるために、用いられ得る。ダンピングの測定は、例えば、ダンピング係数、ダンピング比、クオリティファクタ（「Ｑファクタ」）、損失係数、タンジェントデルタ、及び／又は、特定のダンピング容量、を含む様々な用語を用いて呼ばれ得る。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
現在のダンピングの測定方法は、励起装置を用いて一部を励起することを含んでもよい。励起装置は、例えばインパルスハンマ又は加振機を含んでもよい。ダンピングは、インパルスハンマのような励起装置が対象物又は一部を叩いた後に測定され得る。時間及び／又は周波数応答は、加速度計及び／又はマイクロフォンのようなセンサを用いてその後記録され得る。このデータは、ダンピング数（damping number）とも呼ばれ得るＱファクタを取得するために処理される。ダンピング数（Ｑファクタ）が、インパルスハンマが叩く対象物の位置、ブレーキロータ上の測定位置、及び振動の周波数に依存するので、Ｑファクタを決定するために用いられる数を抽出するための最適な位置に達するように、対象物上の異なる領域で多数の測定が行われる。測定のこの種の反復処理は、完結するまでに不適切な時間がかかる。例えば、反復処理は３又は４分かかり得る。製造又は研究の環境では、測定時間の遅れはその他の遅れを引き起こし得る。測定時間を減らすため、測定は同時に複数の位置でなされ得る。しかしながら、これはロータに又はロータの近くに配置される多数のセンサを要求する。これは、必要な測定チャンネル数を増加させる。
【０００４】
従って、限定的な数のセンサを用いて低減された時間内にダンピングを測定することが好ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
１つの包括的な観点では、対象物のダンピングの測定方法が提供される。方法は、対象物を励起するステップと、光学撮像システムにて対象物の動的応答を測定するステップと、動的応答からダンピング係数及びＱファクタを計算するステップと、を含む。
【０００６】
他の包括的な観点では、測定面上に対象物を配置するステップと、対象物を観察するためのハイスピードカメラを配置するステップと、励起装置にて対象物を励起するステップと、所定の時間の対象物の変位時間履歴を記録するステップと、を含む対象物のダンピングの測定方法が提供される。方法は、対象物の表面上の選択される点の変位応答時間履歴を抽出するステップと、選択された振動モードの周波数を決定するステップと、ダンピング係数及びＱファクタの計算のために用いられたモードの応答を抽出するために時間データにフィルタをかけるステップと、ダンピング係数及びＱファクタを計算するステップと、を更に含む。
【０００７】
これら及び他の利点及び特徴は、図面と併せて以下の説明から更に明らかとなるであろう。
【０００８】
本発明と捉えられる主題は、明細書の後の特許請求の範囲において特に指し示されそして明確に請求される。本発明の、前述の及びその他の特徴並びに利点は、添付図面と併せて以下の詳細な説明から明らかである。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、ハイスピードカメラにてロータの動的応答を測定するための配置例を示す。
【図２】図２は、本発明によるダンピング係数及びＱファクタの測定の対数減少法（logarithmic decrement method）の例を表すグラフを示す。
【図３】図３は、時間領域包絡線減衰法（time domain envelope decay method）を用いたＱファクタの計算例を表すグラフを示す。
【図４】図４は、デジタル画像相関システム（digital image correlation system）によって生成された変位出力例を表すグラフを示す。
【図５】図５は、時間に対してプロットされた応答の減衰（decay）の定量化例を表すグラフを示す。
【図６】図６は、Ｑファクタを計算するために用いられた応答ピーク及びパラメータの例を表すグラフを示す。
【図７】図７は、Ｑファクタが計算され得る周波数応答関数（ＦＲＦ）の例を表すグラフを示す。
【図８】図８は、形成されたスペックルパターン（speckle pattern）及び標識を伴うロータの例を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図面を参照して、本発明が、本発明を限定することなく具体的な実施形態を参照して説明される。本発明の実施形態に従って、図１は、対象物２０の動的運動を捉えるために用いられるハイスピードカメラ１０を示す。捉えられた動的運動は、他の物に混じって、励起に応答した対象物の振動を含む。
【００１１】
実施形態において、対象物２０は振動試験のときにブレーキロータであってもよい。実施例として、以下では対象物２０がブレーキロータであるものとして説明する。しかしながら、この実施例は非限定的であると理解されるものであり、対象物はまた、例えばブレーキドラム又は他の部品であってもよい。ハイスピードカメラ１０はブレーキロータ２０が励起装置３０に叩かれた後の振動を捉え、このデータは、異なる周波数でのブレーキロータ２０の材料内のダンピングを決定するために用いられる。実施例として、以下では励起装置３０がインパルスハンマであるものとして説明する。しかしながら、この実施例は非限定的であると理解されるものであり、励起装置はまた、例えば加振器又は類似の装置であってもよい。加えて、励起装置３０は、作業中に対象物２０を励起するために動作する外部の部品又はシステムを意味してもよい。即ち、動作状態が対象物２０における動的応答を引き起こし得る。例えば、車両内のエンジンの振動又はサスペンションの振動が対象物２０における動的応答を引き起こしてもよい。上記の動作状態の実施例は非限定的であってその他の動作状態が対象物２０の動的応答に寄与してもよい、と理解される。
【００１２】
１回の測定で、即ち１回の動作で、ブレーキロータ２０の振動を記録するためにハイスピードカメラ１０を用いることによって、ブレーキロータ２０の任意の点の動的応答が動的運動応答のデータを取得するために決定及び使用され得ることが分かった。動的運動応答のデータは、ここで説明されるように更に処理されたときに、例えば、ブレーキロータ２０のダンピングを測定するために用いられ得るＱファクタ及び／又はダンピング係数を計算するために用いられる。
【００１３】
ハイスピードカメラ１０は、時間の異なる例でのブレーキロータ２０の写真を撮影する。写真から得られる情報、即ち動的運動応答のデータは、時間に対してプロットされる。動的運動応答のデータは、ブレーキロータ２０の動的変位のデータを含む。時間に対してプロットされると、ブレーキロータ２０の運動についての３Ｄ動的変位が得られる。
【００１４】
ハイスピードカメラ１０は、ブレーキロータの写真を撮影するためにコンピュータによって制御及び運転されてもよい。コンピュータは、メモリーに格納されたソフトウェアを含んでもよい。ソフトウェアは、３Ｄ動的運動解析を取得するための、写真撮影と、結果データ即ち動的運動応答のデータの処理と、を制御する。ハイスピードカメラ１０は、１つ又は複数の写真を撮影し、保存し、及び／又は処理するような動作のために用いられるハードウェア及びソフトウェアを含んでもよい。例えば、Ｖｉｓｉｏｎ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ，  Ｉｎｃ．のＰＨＡＮＴＯＭシリーズ及びＰｈｏｔｒｏｎ，  Ｉｎｃ．のＦＡＳＴＣＡＭシリーズのようなカメラハードウェアシステムについての、ＰＯＮＴＯＳ、ＡＲＡＭＩＳ及びＶＩＣ−３Ｄのような特定のソフトウェアシステムは、３Ｄ動的運動解析を取得するための写真撮影及び結果データの処理のために変更され得る。
【００１５】
一の非限定的な実施形態では、例えば図８に示されるように、標識２１及び／又はスペックルパターン２２は、ブレーキロータ２０が動くときのブレーキロータ２０上の異なる点を見つけるために配置される。他の非限定的な実施形態では、ブレーキロータが動くときのブレーキロータ２０上の異なる点を見つけるために、光の影が投影されてもよい。
【００１６】
本発明において、１又は複数のハイスピードカメラ１０の使用は、マイクロフォン、加速度計又はその他のセンサをブレーキロータの近くに置く必要性に取って代わるものである。加速度計、マイクロフォン又はその他のセンサの代わりにブレーキロータ２０の運動を記録するカメラ１０の使用は、従来のシステムにおいて要求された多数の打撃及び測定を低減又は排除し得る。そのように、本発明は、製造環境用途のためにより実用的であり得る。
【００１７】
動作において、以下のステップは、Ｑファクタ及び／又はダンピング係数を計算することによって、どのようにダンピングが測定され得るかの一実施例を与える。
・支持体２５上にブレーキロータ１０を配置する。
・例えば、図１に示すように、ブレーキロータ２０を写真撮影するために、ブレーキロータ２０に近接して１又は複数のハイスピードカメラ１０を配置する。
・インパルスハンマ３０又はその他の励起装置を用いてブレーキロータ２０を励起する。実施形態では、励起装置には力変換器が付加される。
・例えば、図４に示すように、所定の時間についての、変位応答時間履歴、例えばブレーキロータの動的応答を、記録する。
・ブレーキロータ２０の表面上の選択された点の、変位応答時間履歴を抽出する。ソフトウェアから抽出された又は記録された変位から計算された速度及び加速度はまた、更なる処理のために用いられ得る。
・選択された振動モードの周波数を決定する。実施形態では、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）法が用いられる。
・ダンピング係数及びＱファクタの計算のために用いられる、周波数とモードと動作時のたわみ形状との応答を抽出するために時間データにフィルタをかける。
・任意の、いくつか又は全ての点のダンピング係数及びＱファクタを計算する。
【００１８】
実施形態では、任意の、いくつか又は全ての点のダンピング係数及びＱファクタは、以下の技術の１つを用いて計算され得る。
ａ）時間領域対数減少法（Time domain logarithmic decrement method）：この方法を用いると、動的運動応答のデータは、時間履歴から計算された動的応答の減衰率を含む。Ｑファクタ及びダンピング係数は、動的応答から計算される。この方法は、以下で更に説明される。
ｂ）ヒルベルト変換（Hilbert transform）を用いる時間領域の包絡線及び減衰定数の計算（Time domain envelope and decay constant calculation）：この方法では、ヒルベルト変換及び減衰率を用いて、正弦波信号のために時間信号の包絡線が計算される。Ｑファクタ及びダンピング係数は、その結果から計算される。この方法は、以下で更に説明される。
ｃ）高速フーリエ変換を用いる出力の周波数応答関数の抽出、並びに、以下に説明される３ｄＢ法を用いるモードダンピング係数及びモードＱファクタの決定。ｎｄＢ法と呼ばれる、３ｄＢ法の変形が代わりに用いられてもよい。ここで、“ｎ”は任意の数又は分数である。
ｄ）ＦＦＴを用いる出力の周波数応答の抽出、並びに、モード曲線適合のアルゴリズム／プログラムを用いるダンピング係数及びＱファクタの決定。モード曲線適合処理では、測定された周波数応答関数（ＦＲＦ）に適合するように理論曲線が合わされ、そして、周波数、ダンピング及びモード形状が推定される。動作状態からの動的応答を対象物の外的励起に代えて用いることができ、ダンピングは、応答を用いて又は動作モード解析を通して取得される。
ｅ）パワー入力法（Power Input Method（ＰＩＭ））：この方法は、系の消費エネルギーの、定常振動下での系の最大歪みエネルギーとの比較に基づく。この方法は、B. Bloss, M.D. Rao, Measurement of Damping in Structures by the Power Input Method, Experimental Techniques Volume 26, Issue 3, Pages 30-32, May 2002で議論されたものと同様の周波数平均のダンピング値を与える。
【００１９】
上記の方法に加えて、ＡＳＴＭ法のような標準的な方法が、ブレーキロータに代えて供試体を用いて適用され得る。上記技術は、ここで説明されたシステムを用いてどのようにダンピングが測定され得るかの非限定的な実施例であると理解される。その他の適当な計算方法も同様に用いられ得る。
【００２０】
上述した時間領域対数減少法において、打撃に対する系の自由振動の変位振幅履歴が測定される。図２に示すように、自由減衰曲線が作成される。対数減少は、図２に示すような自由減衰振動における変位の２つの隣接するピーク値の比の自然対数値である。
【００２１】
時間領域包絡線減衰計算において、興味のある周波数を抽出するために、信号に第１のフィルタがかけられる。その後、正弦波信号の包絡線がヒルベルト変換を用いて抽出される。結果の信号をｌｏｇスケールでプロットしてもよく、減衰率をそこから得てもよい。この処理の実施例は図３に示される。
【００２２】
ブレーキロータ２０におけるダンピングが振動応答の減衰時にエネルギーが消費される割合の測定である場合の、モードＱファクタが決定され得る。モードＱファクタは、系が振動する周波数を、系がそのエネルギーを消費する割合と比較する。モードＱファクタがより高ければ、振動周波数に比べてエネルギー消費の割合がより低いことを意味する。モードＱファクタは、ブレーキロータ２０に打撃力を加えることによって、及び動的応答の周波数応答関数（ＦＲＦ）を測定することによって、計算され得る。即ち、モードＱファクタは、動的応答のＦＲＦを測定することによって計算される、上述したＱファクタの特定の場合である。
【００２３】
図５は、時間に対してプロットされた応答の減衰を示す。パワー及びエネルギーが振動の振幅の二乗に比例しているので、振幅−周波数グラフのバンド幅はピークの１／√２又はおよそ−３ｄｂに測定され得る。
【００２４】
図６は、Ｑファクタを計算するために用いられる、応答のピーク及びパラメータを示す。図６で分かるように、“ｆｎ”は固有振動数であり、ｆ１及びｆ２は周波数応答関数（ＦＲＦ）の振幅において３ｄＢ下げた周波数である。ピークの周波数に関するピークの幅は、ブレーキロータ２０におけるＱファクタ及びダンピング係数を決定する。分かるように、ｆ１とｆ２との間の差が大きくなると、ピークが広くなるとともに一部でより大きなダンピングとなる。図７は、Ｑファクタが計算される周波数応答関数（ＦＲＦ）の例を示す。
【数１】
2013537981.tif 000003
【００２５】
モードダンピング係数又はモードダンピング比は、ブレーキロータ２０におけるダンピングの、臨界ダンピング値に対する比である。臨界ダンピング値は、振動がなく且ついかなる振動をも経ることなく振幅が小さくなる値である。例えば、
【数２】
2013537981.tif 000004
である。ここで、ｃｃ＝２√Ｋ√Ｍは臨界ダンピング値であり、Ｋは剛性であり、Ｍは質量であり、ｃはダンピング力の速度に対する比として数学的に表されるダンピング定数である。ダンピング定数は材料の固有の性質である。
【００２６】
ダンピング係数は、以下の数式によってＱファクタに関連付けられる。
【００２７】
【数３】
2013537981.tif 000005
又は、
【数４】
2013537981.tif 000006
によって百分率として表されてもよい。
【００２８】
それゆえ、Ｑファクタは、
【数５】
2013537981.tif 000007
として表すことができる。ここで、Ｋは剛性であり、Ｍは質量であり、ｃはダンピング定数である。
【００２９】
上述した方法は、２つの処理を結び付ける。動的運動応答のデータを出力するための光学撮像システムと、ダンピング係数及びＱファクタを取得するためのデータの使用と、である。これは、デジタル画像相関法（digital image correlation）及び動的写真測量法（dynamic photogrammetry）と呼ばれ得る処理を含む。
【００３０】
上記の方法は、対象物を励起して異なる時間でロータの異なる点の応答を測定することに代えて、対象物全体の応答が１度に記録されることにおいて、従来の方法に対する利点を与え得る。上記の方法は、対象物の任意の点のＱファクタ及びダンピング係数が１回の測定で抽出されることを可能にし、測定時間は測定の要求される分解能に依存して変わるのみである。
【００３１】
本発明は限定された数でしかない実施形態に関連して詳細に説明されたが、本発明がそのような開示された実施形態に限定されないことは容易に理解されるべきである。むしろ、本発明はこれまで説明されていないいくつもの変形例、代替例、置換物又は等価配置を包含するように修正することができるが、それらは本発明の精神及び範囲に見合うものである。加えて、本発明の様々な実施形態が説明されたが、本発明の観点は説明された実施形態のいくつかのみを含んでもよいと理解されるものである。その結果、本発明は前述の説明に限定されるものとは理解されない。
【００３２】
（関連出願への相互参照）
本出願は、米国特許商標庁に２０１０年９月２４日に出願された米国仮特許出願第６１／３８６，０９８号の優先権を主張する。当該仮特許出願は、その全体における参照によって本出願に組み込まれる。
【図１】
2013537981.tif 000008
【図２】
2013537981.tif 000009
【図３】
2013537981.tif 000010
【図４】
2013537981.tif 000011
【図５】
2013537981.tif 000012
【図６】
2013537981.tif 000013
【図７】
2013537981.tif 000014
【図８】
2013537981.tif 000015
【国際調査報告】
2013537981.tif 000016