(57)【要約】【課題】車両あるいは車両模型の動的空気力を正確に評価する。【解決手段】風洞実験において、車両模型１０は加振プレート２６及び６分力計２４を備え、６分力計２４からの信号をローパスフィルタでフィルタリングする。ローパスフィルタのカットオフ周波数は、加振周波数の少なくとも２倍に設定され、これにより動的空気力を確実に抽出する。また、加振機構の共振周波数をローパスフィルタのカットオフ周波数以上に設定することで共振成分を確実に除去する。【選択図】図１
2013032944.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両あるいは車両模型を加振する加振手段と、
前記加振手段により加振された場合における前記車両あるいは前記車両模型に印加される荷重を検出する検出手段と、
前記検出手段からの検出信号をフィルタリングするローパスフィルタと、
を備え、
前記ローパスフィルタのカットオフ周波数は、前記加振手段による加振周波数の少なくとも２倍に設定されることを特徴とする車両の空気力測定装置。
【請求項２】
請求項１記載の車両の空気力測定装置において、
前記ローパスフィルタのカットオフ周波数は、前記加振手段による加振周波数の２．５倍に設定されることを特徴とする車両の空気力測定装置。
【請求項３】
請求項１，２のいずれかに記載の車両の空気力測定装置において、
前記車両あるいは前記車両模型と前記加振手段の共振周波数は、前記ローパスフィルタのカットオフ周波数以上であることを特徴とする車両の空気力測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両の空気力測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、加振風洞実験において車両に作用する空気力を測定する技術が知られている。例えば、下記の特許文献１には、通風加振時の車体の変位量を検出し、無風加振時に通風加振時と同じ変位量となるように車体に連結された付加用油圧シリンダを駆動し、そのときの荷重を付加用油圧シリンダと車体の接続部に介装されたロードセルで検出することにより、車両加振時の車体に作用する空気力を測定する技術が記載されている。
【０００３】
また、非特許文献１には、風洞測定部に設置された車両模型と、車両模型に内蔵された２自由度加振装置と、加振装置に内蔵された６分力計と、加振装置を支持するための支持柱からなる加振機構を用いて、車両模型を加振させたときに模型に作用する動的空気力を計測する技術が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−２０２９６３号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】”Experimental Study on the Influence of Model Motion on the Aerodynamic Performance of a Race Car”, Aschwanden, P., Mueller, J., Knoernschild, U., SAE Paper, No. 2006-01-0803 (2006)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
車両あるいは車両模型に作用する空気力を計測する際には、センサからの出力信号に含まれるノイズをローパスフィルタ等で適切に除去することが必要であるが、特許文献１ではフィルタについて何ら記載されておらず、共振等の空気力に起因しない荷重変動の影響が不明である。すなわち、センサからの出力信号には共振等による荷重変動成分が含まれているおそれがあり、これをそのまま評価したのでは正確に空気力を計測することはできない。
【０００７】
また、非特許文献１には６分力計からの信号にフィルタを適用することは記載されているものの、具体的なフィルタ設計法については何らの言及もない。従って、仮にフィルタのカットオフ周波数を大きく設定しすぎた場合、加振機構の共振等の空気力に起因しない荷重変動を排除できず、逆に、カットオフ周波数を必要以上に低く設定した場合、空気力による荷重変動をもフィルタリングしてしまう可能性があり、車両あるいは車両模型に作用する空気力を正確に評価できない。
【０００８】
このように、従来技術においては、加振機構の共振による荷重変動を確実に排除しつつ、空気力による荷重変動を確実に検出するためのフィルタ特性の設定について十分考慮されておらず、結果として空気力を正確に評価することが困難である問題がある。
【０００９】
本発明の目的は、加振機構の共振による荷重変動を確実に排除しつつ、空気力による荷重変動を確実に検出することで、車両あるいは車両模型に作用する空気力を正確に評価することができる装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、車両あるいは車両模型を加振する加振手段と、前記加振手段により加振された場合における前記車両あるいは前記車両模型に印加される荷重を検出する検出手段と、前記検出手段からの検出信号をフィルタリングするローパスフィルタとを備え、前記ローパスフィルタのカットオフ周波数は、前記加振手段による加振周波数の少なくとも２倍に設定されることを特徴とする。
【００１１】
本発明の１つの実施形態では、前記ローパスフィルタのカットオフ周波数は、前記加振手段による加振周波数の２．５倍に設定される。
【００１２】
また、本発明の他の実施形態では、前記車両あるいは前記車両模型と前記加振手段の共振周波数は、前記ローパスフィルタのカットオフ周波数以上となるように設定される。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、ローパスフィルタのカットオフ周波数を加振手段による加振周波数の少なくとも２倍に設定することで、車両あるいは車両模型に作用する動的空気力をローパスフィルタで除去することなく確実に得ることができる。また、車両あるいは車両模型と加振手段の共振周波数をローパスフィルタのカットオフ周波数以上となるように設定することで、動的空気力以外の共振の影響をローパスフィルタで確実に排除することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施形態における空気力測定装置の要部構成図である。
【図２】実施形態におけるシステム構成図である。
【図３】ヨー加振時のロールモーメント係数のリサージュ曲線図である。
【図４】ピッチ加振時のピッチモーメント係数のリサージュ曲線図である。
【図５】ピッチ加振時のピッチモーメント係数のシミュレーション図である。
【図６】リサージュ曲線における最大カンバーの説明図である（加振周波数２Ｈｚ）。
【図７】リサージュ曲線における最大カンバーの説明図である（加振周波数４Ｈｚ）。
【図８】カットオフ周波数と最大カンバー比との関係を示すグラフ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。
【００１６】
図１に、本実施形態における車両の空気力測定装置の要部構成図を示す。Ahmedらにより提案された車両模型１０が風洞測定部内に配置される。車両模型１０は、アルミニウム製底板プレート２２と、６自由度加振プレート２６と、６自由度加振プレート２６に設けられた６分力計２４と、６自由度加振プレート２６を駆動するモータ２８とを備える。なお、車両模型１０の破線は、車両模型の模型外形線を示すものである。
【００１７】
車両模型１０は、翼型模型サポート１２により支持され、翼型模型サポート１２は試験定盤１４に固定される。車両模型１０の上方には固定地面板２０が配設され、車両模型１０の下方には測定部床面１８が配設される。車両模型１０の前方には風洞ノズル１６が配設され、図中矢印で示すように速度Ｕの空気流が送風される。なお、本実施形態では、翼型模型サポート１２を試験定盤１４に固定する都合上、車両模型１０を天地逆に設置しているが、必ずしも天地逆に限定されるものではない。
【００１８】
図２に、本実施形態における空気力測定装置のシステム構成図を示す。６自由度加振プレート２６に設けられた６分力計は、６自由度、すなわち車両模型１０の前後方向（風洞ノズル１６方向）をｘ軸方向、車両模型１０の車幅方向をｙ軸方向、ｘ軸及びｙ軸に垂直な方向をｚ軸方向として、ｘ軸方向、ｙ軸方向、ｚ軸方向、ｘ軸回りのロール、ｙ軸回りのピッチ、ｚ軸回りのヨーの６自由度の荷重を検出して出力する。６分力計２４は、検出信号をローパスフィルタ３０に出力する。
【００１９】
ローパスフィルタ３０は、例えばローパスバターワース（Butterworth）フィルタであり、そのカットオフ周波数は６自由度加振プレート２６の加振周波数に応じて設定される。具体的には、ローパスフィルタ３０のカットオフ周波数は、加振周波数の２．５倍に設定される。ローパスフィルタ３０におけるカットオフ周波数の設定については、さらに後述する。ローパスフィルタ３０は、フィルタリングした信号をコンピュータ３２に出力する。
【００２０】
コンピュータ３２は、ローパスフィルタ３０でフィルタリングされたデータを受信し、所定の演算処理を行ってメモリに格納する。具体的には、コンピュータ３２は、通風加振時及び無風加振時にそれぞれ６分力計で計測し、ローパスフィルタ３０でフィルタリングされた荷重データをそれぞれ入力する。また、コンピュータ３２は、これとは別に加振波形を入力する。コンピュータ３２のプロセッサは、加振波形を基準として通風時の荷重データを位相平均するとともに、無風時の荷重データを位相平均し、位相平均された通風時の荷重データから位相平均された無風時の荷重データを減算する。コンピュータ３２のプロセッサは、以上のような演算処理を実行して車両模型１０に作用する動的空気力、すなわち車両模型１０の姿勢が動的に変化した場合における非定常流動現象を算出し、メモリに格納する。メモリに格納された動的空気力は、適宜メモリから読み出されてコンピュータ３２の表示装置に表示される。
【００２１】
図３に、一例として、主流速度３０ｍ／ｓｅｃ、振幅０．８７８°、周波数６Ｈｚで車両模型１０を正弦関数的にヨー加振した時に算出されるロールモーメント係数のリサージュ曲線を示す。図において、横軸はヨー角βであり、縦軸はロールモーメント係数ＣＭＸである。また、図において、ローパスフィルタ３０のカットオフ周波数を加振周波数の１．５倍、２倍、２．５倍、３倍と変化させた場合のそれぞれのリサージュ曲線を示す。ローパスフィルタ３０のカットオフ周波数を加振周波数の１．５倍、２倍、２．５倍とした場合にはリサージュ曲線に歪は生じていないものの、カットオフ周波数が加振周波数の３倍になると、リサージュ曲線に歪が生じている。
【００２２】
リサージュ曲線の歪は、空力的要因によるものではなく、６自由度加振プレート２６を含む加振機構の共振によるものであり、ローパスフィルタ３０のカットオフ周波数を加振周波数の３倍に設定すると、加振機構の共振を除去できず、検出データに加振機構の共振成分が含まれてしまうことを意味する。一方、ローパルフィルタ３０のカットオフ周波数を加振周波数の２．５倍に設定すると、加振機構の共振を有効に除去できる。このことは、言い換えれば、ローパスフィルタ３０でフィルタリング可能な周波数域に加振機構の共振周波数が存在するということができる。
【００２３】
また、図４に、主流速度３０ｍ／ｓｅｃ、振幅２．０°、周波数４Ｈｚで車両模型１０を正弦関数的にピッチ加振した時に算出されるピッチモーメントのリサージュ曲線を示す。図において、横軸はピッチ角θであり、縦軸はピッチモーメントＣＭＹである。また、図において、ローパスフィルタ３０のカットオフ周波数を加振周波数の１．５倍、２．５倍、３．５倍と変化させた場合のそれぞれのリサージュ曲線を示す。ローパスフィルタ３０のカットオフ周波数を加振周波数の２．５倍、３．５倍に設定した場合にはリサージュ曲線は非線形的であるのに対し、カットオフ周波数を加振周波数の１．５倍に設定した場合にはリサージュ曲線は線形的となっている。このように、リサージュ曲線が線形的となるのは、以下に説明するように、車両模型１０に作用する動的空気力の成分をローパスフィルタ３０でフィルタリングしてしまうことによる。
【００２４】
図５に、主流速度４０ｍ／ｓｅｃ、振幅３．０°、周波数８Ｈｚで車両模型１０をピッチ加振した時のピッチモーメントをコンピュータでシミュレーションして得られるリサージュ曲線を示す。数値シミュレーションには、ＬＥＳ（Large-Eddy Simulation）に基づく非定常非圧縮性流体解析ソフトウェアを用いている。ピッチ角の動的変化を伴う車両模型１０の周囲の流れ場の計算には、移動境界解析手法の一つであるＡＬＥ法を適用し、車両模型１０の表面境界並びにその近傍の計算格子を移動・変形させながら計算を行う。乱流モデルには混合時間スケールＳＧＳ（Sub-Grid Scale）モデルを用い、壁面境界には三層壁法則に基づく人工的壁面境界条件を適用している。
【００２５】
なお、ＡＬＥ法は、任意に移動・変形するＡＬＥ座標系に基づいてNavier-Stokes方程式を定式化し、流れ場を解く方法である。ＡＬＥ法に関しては、例えば
“ＡＬＥ手法を用いた運動する車両周りの非圧縮性ＬＥＳ解析”，稲垣昌英，佐藤範和，日本機械学会論文集Ｂ編，Vol.76, No. 764 (2010), pp.546-554
等に記載されている。
【００２６】
また、混合時間スケールＳＧＳモデル及び人工的壁面境界条件については、例えば
“A Mixed-Time-Scale SGS Model with Fixed Model-Parameters for Practical LES”, Inagaki, M., Kondoh, T. and Nagano, Y., Transactions of the ASME, Journal of Fluids Engineering, Vol. 127 (2005), pp.1-13
等に記載されている。
【００２７】
ピッチ加振時のピッチモーメント係数ＣＭＹは、中心線の反り（カンバー）と、中心線に沿った膨らみ分布の非対称性（θ＞０、すなわち頭下げの領域で狭まり、θ＜０、すなわち頭上げの領域で広がる）が特徴的な、非線形的な涙型のリサージュ曲線を描く。
【００２８】
このようなリサージュ曲線の理論的な説明は以下の通りである。中心線の反りは、頭下げ時に地面の存在による縮流作用によって車両模型１０のフロント下面側Ｒ部の圧力低下が助長されることに起因する。一方、リサージュ曲線の膨らみ分布の非対称性は、車両模型１０の床面、あるいは側面に形成される縦渦の挙動に起因する。模型が頭上げ最大から頭下げ運動を開始した直後には、車両模型１０の側面側に形成された縦渦による下面側から側面側への流れの流出が維持され、下面下流側の圧力が急激に低下することにより、θ＜０の領域で大きく膨らんだリサージュ曲線を描く。また、車両模型１０が頭下げ最大から頭上げ運動を開始した直後には、車両模型１０の下面側に形成された、前記縦渦とは逆回転の縦渦による側面側から下面側への流れの流入が維持され、下面上流域の圧力回復を阻害しないことから、θ＞０の領域でしぼんだリサージュ曲線を描く。
【００２９】
このように、ピッチ加振時のピッチモーメント係数ＣＭＹは、理論的には涙型のリサージュ曲線を描くものと解されるため、実際にローパスフィルタ３０でフィルタリングされたデータから得られるリサージュ曲線も、涙型であることが予測される。言い換えれば、得られたリサージュ曲線が涙型の非線形的でない場合には、ローパスフィルタ３０におけるカットオフ周波数が適当でなく、本来生じている動的空気力を除去していることになる。
【００３０】
そこで、涙型のリサージュ曲線を定量的に評価するために、形状定義パラメータとして、最大カンバー（反り）を導入する。すなわち、図６に示すように、各ピッチ角θに対するピッチモーメント係数ＣＭＹの中点を結ぶ線を中心線（カンバーライン）１００とし、この中心線１００がリサージュ曲線と交わる２点Ｐ，Ｑを結ぶ直線２００と中心線１００と縦軸方向の距離の最大値３００を最大カンバーと定義する。
【００３１】
図６は、振幅２°、加振周波数２Ｈｚの場合のピッチモーメント係数ＣＭＹのリサージュ曲線であるが、図７は、振幅２°、加振周波数４Ｈｚの場合のピッチモーメント係数ＣＭＹのリサージュ曲線である。この場合にも、図６の場合と同様に、中心線１００、直線２００及び最大カンバー３００が一義的に定義される。
【００３２】
図８に、ローパスフィルタ３０のカットオフ周波数を変化させた場合の、リサージュ曲線の最大カンバーの変化を示す。図において、横軸はカットオフ周波数を加振周波数で除した値（カットオフ周波数／加振周波数）であり、縦軸は最大カンバー比である。最大カンバー比は、カットオフ周波数を加振周波数の３．５倍に設定したときの最大カンバーを１として規格化した値である。また、符号４００は加振周波数４Ｈｚの場合を示し、符号５００は加振周波数２Ｈｚの場合を示す。
【００３３】
図から分かるように、カットオフ周波数が加振周波数の１．５倍では最大カンバー比は０に近く、涙型にはなっていないことを示す。カットオフ周波数が加振周波数の１．７倍程度から最大カンバーは増大し始め、カットオフ周波数が加振周波数の２倍程度において最大カンバーが急峻に増大して最大カンバー比は０．５程度となり、カットオフ周波数が加振周波数の２．５倍において最大カンバー比は０．９５以上が得られており、ほぼ完全な涙型のリサージュ曲線が得られる。従って、カットオフ周波数が加振周波数の２倍より小さい場合には、十分な涙型のリサージュ曲線が得られず、このことはカットオフ周波数が低すぎて動的空気力の成分も除去してしまうことを意味し、その一方、カットオフ周波数が加振周波数の２倍以上、好ましくは２．５倍以上に設定することで、十分な涙型のリサージュ曲線が得られ、動的空気力の成分を確実に検出できることを意味する。
【００３４】
以上説明したように、本実施形態では、ローパスフィルタ３０のカットオフ周波数を加振周波数の少なくとも２倍、好ましくはほぼ２．５倍に設定することで、車両模型１０に作用する動的空気力を正確に評価することができる。すなわち、カットオフ周波数をこの範囲に設定することで、加振機構の共振成分を確実に除去しつつ、動的空気力を検出することができる。
【００３５】
より特定的には、カットオフ周波数の下限はリサージュ曲線の涙型を得るために必要な周波数として規定され、カットオフ周波数の上限は加振機構の共振成分を除去するために必要な周波数として記載され、カットオフ周波数を加振周波数の２．５倍以上３．０倍未満に設定することで、車両模型１０に作用する動的空気力を正確に評価することができる。
【００３６】
本実施形態では、車両模型１０を用いているが、車両（実車）を用いてもよい。
【符号の説明】
【００３７】
１０  車両模型、１２  翼型模型サポート、１４  試験定盤、１６  風洞ノズル、１８  測定部床面、２０  固定地面板、２２  アルミニウム製底板プレート、２４  ６分力計、２６  ６自由度加振プレート、２８  モータ、３０  ローパスフィルタ、３２  コンピュータ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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