(57)【要約】【課題】エンジンのトルクに対応する反力トルクを簡便かつ高精度に推定する方法、および推定された反力トルクを用いて車両に発生する振動を簡便かつ定性的にシミュレートする方法を提供する。【解決手段】エンジンの回転数および振動を計測するステップと、計測されたエンジンの回転数を基に、エンジンのトルクに対応する反力トルクの初期値を設定するステップと、設定された反力トルクの初期値を、エンジンの構成に基づいて予め作成しておいたエンジンの機構モデルに入力して、エンジンの振動を算出するステップと、算出されたエンジンの振動と計測されたエンジンの振動とを比較するステップと、比較結果に基づいて反力トルクを推定するステップとを含むことを特徴とする。【選択図】図１
2013250173.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンの回転数および振動を計測するステップと、
計測された前記エンジンの回転数を基に、前記エンジンのトルクに対応する反力トルクの初期値を設定するステップと、
設定された前記反力トルクの初期値を、前記エンジンの構成に基づいて予め作成しておいた前記エンジンの機構モデルに入力して、前記エンジンの振動を算出するステップと、
前記算出されたエンジンの振動と前記計測されたエンジンの振動とを比較するステップと、
比較結果に基づいて前記反力トルクを推定するステップと、
を含むことを特徴とするエンジン反力トルクの推定方法。
【請求項２】
請求項１に記載のエンジン反力トルクの推定方法により推定された前記反力トルクを、予め作成しておいた、前記エンジンを搭載した車両の機構モデルに入力して、前記車両の振動を算出するステップを含むことを特徴とする車両振動のシミュレーション方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジン反力トルクの推定方法および車両振動のシミュレーション方法に関し、より詳細には、エンジンのトルクに対応する反力トルクを簡便かつ高精度に推定する方法、および推定された反力トルクを用いて車両の振動を簡便かつ定性的にシミュレートする方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年の低燃費化への要請により、車両に搭載された内燃エンジンは、少気筒化、少排気量化さらにはターボ化へと向かっている。例えば、エンジンを４気筒から３気筒の構成にすると、エンジン中のシリンダとエンジンブロック内壁との接触面積が減少するため、燃費は向上する。その一方で、気筒数の減少により、エンジン内の配置構成のバランスが悪化し、エンジンの振動が増大することが多い。
【０００３】
また、車両の停止時にエンジンの自動停止を行なうとともに、車両の再発進時にエンジンを自動再始動する、いわゆるアイドリングストップ機能が多くの車両に搭載されており、燃費の向上に寄与している。しかし、一般に、エンジンの始動時および停止時にはエンジン振動は大きくなり、アイドリングストップ機能によりエンジンの始動および停止回数が増加することから、結果としてエンジンの振動は増大することとなる。
このように、低燃費化はエンジンの振動を増大させる傾向がある。路面から入力されるものを除けば、車両の振動の主因はエンジンの振動であるため、低燃費化は、車両の振動の増大をもたらすこととなり、こうした振動を抑制する防振ゴム等の防振システムの開発が以前にまして重要となっている。
【０００４】
このような防振システムの開発において、車両をモデル化して、実測することなく車両の振動を評価できるシミュレーション技術は非常に有用である。しかし、車両は膨大な点数の部品によって構成されており、また、それらの接続状態（例えば、溶接状態）によって振動が変化することから、例えば、有限要素法（Ｆｉｎｉｔｅ  Ｅｌｅｍｅｎｔ  Ｍｅｔｈｏｄ，ＦＥＭ）により車両の振動をシミュレーションしようとしても、計算工数が膨大となり、実質的にシミュレーションを行うことは不可能である。こうしたことから、車両の振動を簡便かつ定性的にシミュレートできるシミュレーション技術を開発することが肝要である。
【０００５】
そこで、車両を少ない点数の構成要素と接続条件によりモデル化する、いわゆる機構解析手法に基づいた車両振動のシミュレーション方法が提案されている。例えば、特許文献１には、エンジンに対する外力および路面からタイヤが受ける力を入力として、エンジン側および路面側から車体に伝達する振動を一体的に解析する車体振動のシミュレーション方法について記載されている。
また、特許文献２には、エンジンの筒内の燃焼を簡易的にシミュレーションしてエンジン筒内圧を求め、これによりエンジン振動を発生させる力（起振力）を推定する方法について記載されている。
【０００６】
さて、上述のように車両の振動の主因はエンジンの振動であり、このエンジンの振動はエンジン内部におけるガスの爆発に起因するものであることから、車両の振動をシミュレートするためには、エンジンの起振力、すなわちエンジンの筒内圧あるいはエンジンのトルクに対応する反力トルクに関するデータが必要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−１５６４１３号公報
【特許文献２】特開２００７−１２６９９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１においては、エンジンの回転で生じる反力をエンジンに対する外力とし、この外力をエンジンの上下方向の振幅を有する正弦波として初期条件を設定することが記載されているが、起振力の時間変動が大きい場合、例えばエンジン始動時の振動を定性的にシミュレートすることは不可能である。
また、特許文献２においては、詳細なエンジンの諸元と、エンジンに穴を開けて内部にセンサを設置することにより実測されたエンジンの筒内圧とを用いることにより、様々な運転条件での筒内圧を予測しており、多くの工数およびコストがかかる。
【０００９】
このように、従来の方法は、エンジンの部品レベルでの詳細な諸元や筒内圧やトルクの実測値等を必要として多くの時間とコストがかかる問題や、エンジンの入力（すなわち、筒内圧やトルク）を近似してしまうと、起振力の時間変動が大きい場合について車両の振動をシミュレーションできない問題があった。こうしたことから、エンジンの筒内圧やトルクを簡便かつ高精度に推定して車両の振動を簡便かつ定性的にシミュレートする方法の提案が課題となっていた。
そこで、本発明の目的は、エンジンのトルクに対応する反力トルクを簡便かつ高精度に推定する方法、および推定された反力トルクを用いて車両に発生する振動を簡便かつ定性的にシミュレートする方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
発明者らは、上記課題を解決する方途について鋭意検討した結果、エンジンの機構モデルを用いて、エンジンの回転数の実測値からエンジンのトルクに対応する反力トルクを簡便かつ高精度に推定できることを見出した。さらに、推定した反力トルクを予め作成しておいた車両の機構モデルに入力することにより、車両の振動を簡便かつ定性的にシミュレートできることを見出し、本発明を完成させるに至った。
【００１１】
すなわち、本発明の要旨構成は以下の通りである。
（１）エンジンの回転数および振動を計測するステップと、計測された前記エンジンの回転数を基に、前記エンジンのトルクに対応する反力トルクの初期値を設定するステップと、設定された前記反力トルクの初期値を、前記エンジンの構成に基づいて予め作成しておいた前記エンジンの機構モデルに入力して、前記エンジンの振動を算出するステップと、前記算出されたエンジンの振動と前記計測されたエンジンの振動とを比較するステップと、比較結果に基づいて前記反力トルクを推定するステップとを含むことを特徴とするエンジン反力トルクの推定方法。
【００１２】
（２）前記（１）に記載のエンジン反力トルクの推定方法により推定された前記反力トルクを、予め作成しておいた、前記エンジンを搭載した車両の機構モデルに入力して、前記車両の振動を算出するステップを含むことを特徴とする車両振動のシミュレーション方法。
【発明の効果】
【００１３】
本発明により、エンジンのトルクに対応する反力トルクを簡便かつ高精度に推定し、該推定された反力トルクを用いて、車両に発生する振動を簡便かつ定性的にシミュレートすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明に係るエンジン反力トルクの推定方法の一実施形態のフローチャートである。
【図２】本発明に係る車両振動のシミュレーション方法の一実施形態のフローチャートである。
【図３】本発明により算出されたエンジン回転数と、計測されたエンジン回転数との関係を示す図である。
【図４】本発明により得られた、車両のエンジンマウント部の加速度の時間変化を示す図である。
【図５】本発明により得られた、車両のフロア部の加速度の時間変化を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態を例示して説明する。
本発明に係るエンジン反力トルクの推定方法は、エンジンの回転数および振動を計測するステップと、計測されたエンジンの回転数を基に、エンジンのトルクに対応する反力トルクの初期値を設定するステップと、設定された反力トルクの初期値を、エンジンの構成に基づいて予め作成しておいたエンジンの機構モデルに入力して、エンジンの振動を算出するステップと、算出されたエンジンの振動と計測されたエンジンの振動とを比較するステップと、比較結果に基づいて反力トルクを推定するステップとを含む。以下、本発明の各ステップについて説明する。
【００１６】
図１は、本発明に係るエンジン反力トルクの推定方法の一実施形態のフローチャートを示している。まず、ステップＳ１の計測ステップにおいて、エンジンの回転数および振動を計測する。本発明においては、最終的に車両の振動をシミュレートする際の入力となる、エンジンのトルクに対応する反力トルクを推定するための入力として、エンジンの回転数を使用し、このエンジンの回転数は実測する。この計測は、例えば、フライホイールにセンサを設置して計測することができる。また、この計測は、車両の振動を評価したい期間について行えばよく、例えば、エンジン始動時の振動を評価したい場合には、エンジン始動時から所定の時間だけ行えばよい。
【００１７】
一方、エンジンの振動の計測は、上記のようにして計測したエンジンの回転数をエンジンの機構モデルに入力した際に算出される、エンジン振動の精度を検証するために用いられるものである。このエンジン振動の計測は、エンジン表面の変位や加速度を計測することにより行うことができる。例えば、計測対象のエンジンの表面に加速度センサを設置し、エンジン表面の振動の加速度を測定することにより行うことができる。また、計測期間はエンジンの回転数の計測と同じ期間だけ行えばよい。
【００１８】
次いで、ステップＳ２の初期値設定ステップにおいて、計測されたエンジンの回転数を基に、エンジンのトルクに対応する反力トルクの初期値を設定する。上述のように、車両振動を定性的にシミュレートするためには、エンジンの筒内圧、あるいはエンジンのトルクに対応する反力トルクのデータが必要であり、反力トルクが求まれば、車両の振動をシミュレートできる。そこで、本発明においては、上記計測したエンジンの回転数から、反力トルクを簡便かつ高精度に推定する。以下、反力トルクを求める方法について説明する。
【００１９】
まず、エンジンの剛体振動の起振力Ｆｔｏｔａｌは、エンジンを構成するピストンの慣性力Ｆｉおよびエンジン内部のガスの爆発による力Ｆｇの和として表すことができる。
【数１】
2013250173.tif 000003
なお、以下の説明で、ｎはエンジンの気筒数を、添え字ｉは、エンジンのピストンの慣性力に起因することを、また、添え字ｇは、エンジン内部のガス圧に起因することを、それぞれ意味している。
【００２０】
ここで、慣性力成分Ｆｉは、ピストン振動方向成分であるＦｉｘ、ピストンの振動方向に垂直な成分であるＦｉｙ、エンジン不釣り合いから生じる慣性偶力成分であるＭｉx、Ｍｉyおよびトルク変動成分Ｍｉzに分けられ、ガス圧成分Ｆｇは、トルク変動成分Ｍｇzに作用する。以下、トルク変動から実際にエンジンに作用する反力トルクＭｓを下記の式（２）のように表すことができる。
【数２】
2013250173.tif 000004
ここで、Ｍｆはピストンの摩擦等による損失抵抗トルクである。
【００２１】
また、本発明が対象とするクランクシャフト系の運動方程式は、下記の式（３）の関係を満足する。
【数３】
2013250173.tif 000005
ここで、Ｉはエンジンの慣性モーメントである。
【００２２】
本発明においては、反力トルクＭｓを推定するために、ωとして、ステップＳ１において計測された実測値ωｅｘｐを用いる。その結果、上記式（３）は、以下のように書き直すことができる。
【００２３】
【数４】
2013250173.tif 000006
【００２４】
ここで、慣性モーメントＩは、エンジン構成の諸元が不明の場合が多いため、正確に求められない場合があり、また運転状態によって変化する可能性もある。そこで、本発明においては、この慣性モーメントＩを可変定数Ａとし、式（４）を以下の式（５）のように書き直す。
【数５】
2013250173.tif 000007
【００２５】
上記式（５）において、ωｅｘｐはステップＳ１において実測されることから、定数Ａが決定されれば反力トルクＭｓが決定されることになる。後述するように、この定数Ａは、ステップＳ１において計測されたエンジンの振動の振幅と、後のステップにおいてエンジンの機構モデルにより算出されるエンジンの振動の振幅を一致させるためのパラメータとして使用される。しかし、現段階においてＡは未定であるため、適当な値をＡの初期値として設定し、これにより反力トルクＭｓの初期値が設定される。
【００２６】
続いて、ステップＳ３のエンジン振動算出ステップにおいて、ステップＳ２において設定された、反力トルクＭｓの初期値を、エンジンの構成に基づいて予め作成しておいたエンジンの機構モデルに入力してエンジンの振動を算出する。上述のように、エンジンや車両の振動をシミュレートするために、機構解析手法に基づいたシミュレーション方法が数多く提案されている。そこで本発明においてもこの機構解析手法を利用し、エンジンの振動を算出するためのエンジンの機構モデルを予め作成しておく。
【００２７】
ここで、エンジン振動を算出するためのエンジンの機構モデルは特に限定されず、シミュレーションの目的や計算リソースに応じて適宜構築することができる。例えば、エンジンの構成要素として、ピストン、コンロッド、クランクシャフト、エンジンブロック、エンジンマウントおよびフライホイールを用い、これら各構成要素に対して、適切な自由度を表現するよう拘束条件を課し、上記ステップＳ３において算出された反力トルクＭｓを与えることにより、各構成要素に対する運動方程式を構築することができる。例えば、上記構成要素に対して、クランクシャフトは回転運動のみ（１自由度）、コンロッドとクランクシャフト、およびピストン連結部は回転運動のみ（１自由度）、ピストンは上下運動のみ（１自由度）、のように拘束条件を課すことにより、運動の自由度を低減することができる。このモデルでは、設定したストローク、およびコンロッド長により、ピストン上下運動をクランクシャフト回転運動に変換するクランク機構になる。このクランク機構とエンジンブロックとの間で、外力に対応する反力トルクＭｓを作用させることにより、エンジンブロックに反力トルクＭｓが作用する。また、このＭｓによって、シャフト回転からピストンの上下運動による慣性力を計算し、エンジン振動を計算することができる。
【００２８】
こうして、予め作成しておいたエンジン機構モデルに、ステップＳ２において設定された反力トルクＭｓの初期値を入力する。これにより、機構モデルにおける各構成要素に働く力が決定されるため、各構成要素の運動方程式が確定し、これらの運動方程式を解くことにより、各構成要素の運動、ひいてはエンジンの振動を算出することができる。
【００２９】
その後、ステップＳ４の比較ステップにおいて、算出されたエンジンの振動と計測されたエンジンの振動とを比較する。すなわち、ステップＳ３においてエンジン機構モデルを用いて算出されたエンジンの振動と、ステップＳ１において加速度センサ等を用いて計測されたエンジンの振動とを比較する。上述のように、反力トルクＭｓの初期値は、定数Ａとして適当な初期値が与えられているが、ステップＳ３において算出されたエンジン振動の精度を検証するために、ステップＳ１において計測されたエンジン振動との比較を行う。具体的には、両者の振動の大きさ（振幅）を比較する。
【００３０】
続いて、ステップＳ５の推定ステップにおいて、ステップＳ４における比較結果に基づいて、該反力トルクを推定する。具体的には、エンジン振動の算出結果と計測結果における振幅が一致するように、可変定数Ａを調整する。この調整により、両者の振幅が一致した際の最終的な定数Ａを、実測されたエンジン振動に対応する慣性モーメント（以下、「実慣性モーメント」と称する）として式（５）に代入し、得られた値を反力トルクＭｓとして推定する。
【００３１】
このように、本発明においては、式（５）において未定である定数Ａをパラメータとして、エンジン機構モデルを用いて算出されたエンジンの振動の振幅と、計測されたエンジンの振動の振幅とが一致するよう実慣性モーメントＡが決定されるため、反力トルクＭｓを高精度に推定することができる。また、上記反力トルクＭｓの推定は、従来技術と比較して簡便に非常に少ない計算工数で行うことができ、計算コストを大きく低減することができる。
【００３２】
次に、本発明の車両の振動のシミュレーション方法について説明する。本発明の車両の振動のシミュレーション方法は、上記した本発明のエンジン反力トルクの推定方法により推定された反力トルクＭｓを、予め用意しておいた車両の機構モデルに入力するステップを含む。
【００３３】
図２は、本発明に係る車両振動のシミュレーション方法の一実施形態のフローチャートである。ここで、ステップＳ１〜Ｓ５は、図１に示した本発明に係るエンジン反力トルクの推定方法と同一であり、詳細な説明は省略するが、上述のように、ステップＳ１〜Ｓ５の処理を行うことにより、反力トルクＭｓを高精度に推定することができる。
【００３４】
続くステップＳ６の車両振動算出ステップにおいて、推定された反力トルクＭｓを、予め作成しておいた、上記エンジンを搭載した車両の機構モデルに入力して車両の振動データを出力する。ここで、車両機構モデルは、上述のステップＳ３で用いたエンジン機構モデルと同様に、シミュレーションの目的や計算リソースに応じて適宜構築するものであり、特定のモデルに限定されない。例えば、車両の構成要素として、車体ボディ、エンジン、サスペンション、タイヤを用い、これら各構成要素に対して、車体ボディとエンジンとをエンジンマウントを模擬したバネ要素で、車体ボディとサスペンションとをコイルスプリング、ショックアブソーバー、およびゴムブッシュ要素で結合する。またサスペンションとタイヤは、例えば車両停止状態であれば、地面との間に働くバネ要素として定義することにより、各構成要素に対する運動方程式を構築することができる。
【００３５】
このように、ステップＳ６において、予め作成しておいた車両機構モデルに、ステップＳ５において推定した反力トルクＭｓを入力することにより、上記車両機構モデルにおける各構成要素の運動方程式を解いて、車両の振動をシミュレートすることができる。
【００３６】
なお、上記車両機構モデルに入力された反力トルクＭｓは、エンジンの構成が変化しない限り、同じものを使用することができる。したがって、同じエンジンを搭載した車両において、例えば、車両に用いられる防振ゴムの特性を変更して車両の振動に対する影響をシミュレートしたい場合に、防振ゴムの構成を車両機構モデルに反映させてシミュレーションを行うことにより、車両の振動がどのように変化するかを評価することができる。
こうして、本発明により、車両の振動を簡便かつ定性的にシミュレートすることができる。
【実施例】
【００３７】
以下、本発明の実施例について説明する。
図２に示したフローチャートに従って、エンジン反力トルクの推定（反力トルクＭｓ）および車両振動のシミュレーションを行った。すなわち、まず、ステップＳ１において、エンジンの始動から停止までのエンジンの回転数および振動を計測した。次いで、ステップＳ２において、計測したエンジンの回転数から、式（５）を用いて反力トルクＭｓの初期値を設定した。続いて、ステップＳ３において、設定された反力トルクＭｓを予め作成しておいたエンジンの機構モデルに入力し、エンジンの振動を算出した。ここで、車両機構モデルは、ピストン、コンロッド、クランクシャフト、エンジンブロック、エンジンマウントおよびフライホイールを構成要素とし、クランクシャフトは回転運動のみ（１自由度）、コンロッドとクランクシャフト、およびピストン連結部は回転運動のみ（１自由度）、ピストンは上下運動のみ（１自由度）、のように拘束条件とした。その後、ステップＳ４において、算出されたエンジンの振動と計測されたエンジンの振動とを比較し、ステップＳ５において、比較した前記エンジンの振動を基にクランクシャフト系の可変定数Ａを調整して、反力トルクＭｓを推定した。続いて、ステップＳ６において、推定された反力トルクＭｓを、予め作成しておいた、エンジンを搭載した評価用車両の機構モデルに入力して評価用車両の振動データを出力した。ここで、車両機構モデルは、車体ボディ、エンジン、サスペンション、タイヤを用い、これら各構成要素に対して、車体ボディとエンジンとをエンジンマウントを模擬したバネ要素で、車体ボディとサスペンションとをコイルスプリング、ショックアブソーバー、およびゴムブッシュ要素で結合し、またサスペンションとタイヤは、地面との間に働くバネ要素として定義した。
【００３８】
＜エンジン回転数の評価＞
図３は、本発明において算出されたエンジンの回転数と計測された回転数との関係を示している。この図におけるエンジンの回転数は、上記式（５）の運動方程式に従って計算することができる。この図から明らかなように、両者はほぼ一致しており、本発明によりエンジンの回転数を高精度で再現できていることが分かる。また、図３は、エンジン始動時の場合の結果を示しており、この図から明らかなように、回転数が大きく時間変動する場合にもエンジン回転数を再現できていることが分かる。この結果から、本発明のトルクの推定方法により、反力トルクＭｓが精度良く推定されていることが分かる。
【００３９】
＜車両振動の評価＞
車両機構モデルの各構成要素の振動を調べた。ここで、振動は、各構成要素の加速度の時間変化として評価した。図４は、左エンジンマウント部の加速度の時間変化を示している。ここで、（ａ）は車両の前後方向、（ｂ）は車両の左右方向、（ｃ）は車両の上下方向の結果を示している。図４（ｃ）から分かるように、振動のピークの位置や相対的な大きさを再現できており、車両の振動を定性的にシミュレーションできていることが分かる。一方、図４（ａ）および（ｂ）では振動の再現性はそれほどよくないが、これは、車両機構モデルの前後および左右方向のモデリングに改善の余地があることを示している。
【００４０】
図５は、フロア部の加速度の時間変化を示している。ここで、（ａ）は車両の前後方向、（ｂ）は車両の左右方向、（ｃ）は車両の上下方向の結果を示している。この図から明らかなように、車両の前後、左右および上下方向のいずれにおいても、振動のピーク位置および振幅のいずれもよく再現できていることが分かる。
【符号の説明】
【００４１】
Ｓ１  計測ステップ
Ｓ２  初期値設定ステップ
Ｓ３  エンジン振動算出ステップ
Ｓ４  比較ステップ
Ｓ５  推定ステップ
Ｓ６  車両振動算出ステップ
【図１】
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【図２】
2013250173.tif 000009
【図３】
2013250173.tif 000010
【図４】
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【図５】
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