三菱重工技報 VOL.45 NO.3: 2008

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特集論

自動車コンポ−ネント耐久試験用
高精度実走行再現システムの開発

文

Development of Precise Simulation System
for Durability Testing of Vehicle Components
上 原 龍 児＊1

西 村 信 一 郎＊2

峯梶 井 紳 一 郎＊3

山 本 典 史＊4

河 野 通 嘉＊4

Ryuji Uehara

Shinichirou Kajii

Shinichirou Nishimura

Norifumi Yamamoto

巧＊1

Takumi Mine

Michiyoshi Kono

燃料タンクやラジエータ，エンジンマウントなどの自動車コンポーネントの耐久性は，悪路テストコー
ス走行時の挙動を試験機台上で模擬することで評価・検証される．本システムでは，実走行時に生じる変位や加速度，応力などの挙動を忠実に再現することに加え，試験中の状態を監視・解析する機能や効率の良い試験運用を実現できる機能が求められる．これら要求を満足すべく，制御ソフトウェアと多軸シミュ
レーションテーブルを新規開発し，自動車コンポーネントの耐久試験用として最適なシステムを構築した．

1．はじめに計測システム④

サーボ制御・計測用PC

当社は数多くの地震振動台の納入実績を有しており，この振動制御技術は自動車コンポーネント用の耐久試験装置についても応用することが可能である．
しかしながら，従来の地震振動台にない制御系の機

多軸シミュレーション
テーブル

センサ
応答

WAT用
PC
⑤①能を備えておくことが必要となる．例えば，自動車コ

サーボ指令

ンポーネントの複数箇所で実走行時の挙動を精度良く再現するための制御技術や，試験中の試験体の応答監視・解析をリアルタイムに行う機能などが要求されており，この度，上述した機能を有する制御解析ソフトウェア（WAT：Waveform simulation & Analysis

加振制御
指令データ
計測データ
データ監視など

サーボ制御
③
油圧供給

フィードバック

サーボコントローラ

Tool）を開発した．

②

また，機械装置として多軸シミュレーションテーブ
ルを開発した．本装置は６自由度（上下，左右，前後，シーケンス制御

ロール，ピッチ，ヨー）入力が再現可能な機構を比較油圧制御パネル

的狭いスペースでも設置可能で，かつ耐久強度試験機

図１として高い信頼性が確保できる．

油圧源ユニット

システム構成図

試験装置全体のシステム構成を図１に示す．本シス
テムは主に，① 多軸シミュレーションテーブル，②することで，テーブルに搭載された試験体上の任意の駆動源としての油圧源ユニット及び油圧制御パネル，箇所における実走行時の挙動を高精度に再現すること③ サーボ制御を行うサーボコントローラ，④ 試験体の可能な試験装置制御ソフトウェアである．の応答を計測する計測システム，及び，⑤ 駆動指令の生成及び応答解析などを行う

WATから成る．

2．制御・解析ソフトウェア

WATの概要WAT＊1＊2

WATの実行画面の一例を図２に示す．実行中の画面は，① 試験フロー，② 実行中の処理，③ 演算・は，多軸シミュレーションテーブルを制御

下関造船所機械部電気・制御グループ
下関造船所機械部システム設計グループの主要な構成・特徴を示す．

WAT（1）画面構成

解析結果表示から成り，試験進行状況と各種結果を＊3＊4

技術本部高砂研究所振動・騒音研究室主席 工博
三菱自動車工業（株）
技術開発センター安全実験部

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ション と呼ぶ）を実施することで指令を最適化し，試験フロー再現性を高めることができる．

演算・解析結果表示（3）耐久試験は，（2）項で補償生成された最適な駆動WAT

波形に基づき，試験体のテーブル上での耐久試験を行う機能を有する．
すなわち，複数の波形を任意の順序及び繰り返し現在実行中の処理回数を指定して連続運転することができ，これにより，発進（加速），悪路走行，停止（減速）など，実走行を想定した走行ケースを再現することが可能となる．

図２

またWAT 実行画面

は，耐久試験中に刻々と変化する計測箇所の応答を常時監視する機能を有し，設定値容易に把握できる構成である．

を超える応答を示す場合には自動停止することがで（2）実走行挙動の再現
WAT

WATきるため，安全かつ試験時間ロスを最小限に抑えたは，多軸シミュレーションテーブルへの試験を行うことができる．

駆動指令（入力）に対する制御目標箇所の応答（出（4）評価・解析機能力）を計測し，駆動指令に対する応答の相関関係かWAT

ら最適な駆動指令補償値を自動生成する， 多点入力補償機能を持つ

は，計測箇所の応答や再現精度を様々な手法で評価・解析する機能を有する．レインフロー(1)(2)．

法や，レベルクロス法による応答レベルの頻度解( )( )

本機能は，テーブル中心位置のみを制御対象とす析機能 3 4 ，S-N マイナー則に基づく寿命解析機能，る従来の入力補償と比べて以下の点で優れている．

また，波形再現性の評価機能，周波数・相関解析機① 試験体上の任意箇所における応答を多チャンネ能などがその代表的なものである．

ル同時に再現可能．

（5）自動化の支援② 応力やテーブル傾斜角など，任意の物理量を再WAT

は，オペレータの操作作業の軽減化を目現可能．

的として，実施の試験フローをテンプレート化してテーブル上での波形再現を行う際には，ランダム呼び出す機能を有する．
また，画面での設定パラメー

波による試加振により入出力の伝達特性を計算し，タの一括保存／読込操作により，変更の必要ない設その逆特性をあらかじめ入力に掛けておくことで最．
定箇所は自動実行することが可能である（図３）

適な指令を計算する．ここで，逆特性は，出力の誤各種試験をサポートするこれらの諸機能を充実す差が最小となるように計算する．実際には計算したることによって，従来の制御ソフトウェアに比べて指令で加振しても誤差が出るが，これを更に補正す

短期間で効率良く試験を実施することが可能となるように，指令計算・加振を繰返す処理（ イタレー

る．

試験フロー
（プロジェクト）

設定パラメータ

実行・解析結果表示

試験プロジェクトC

12
設定パラメータ

試験プロジェクトB

3

パラメータ1
試験プロジェクトA
パラメータ2
波形生成

1

加振

2

解析・評価

3

パラメータ3

試験の標準化・自動化

操作の省力化・ミス防止

図３

WAT による試験自動化・省力化

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左右加振機×1 機

3．多軸シミュレーションテーブルの概要
自動車のコンポーネントを試験対象として開発した
多軸シミュレーションテーブルの主仕様を表１に示す．

加振テーブルブルの６自由度の運動を再現することが可能である．
図４に示すように加振機は設置基礎面に対しすべて縦前後前後加振機×2 機

左右置きであり，水平加振軸はリンク機構により上下方向の力を水平方向に変換する構成とし，各軸には必要な加振力に応じ，上下，左右，前後方向にそれぞれ，３1 600mm

三次元継手

上下 左右機，２機，１機の加振機を配置している．加振機をす

2 000mm

べて上下加振方向に設置することで強度が必要な設置
基礎は底面部のみでよく，ピットを設けて，加振機を設置基礎フロアレベルより下方に収納すれば，テーブルへの試

2 200mm

６機の油圧加振機を制御することによって加振テー験体取付時の作業性を向上できる．
試験体を搭載するテーブルは厚板のアルミ合金の削上下加振機×3 機

図４

り出しで製作しており，軽量化・高剛性化を図ってい多軸シミュレーションテーブル外形図

る．また，テーブル上面は試験体取付け時の利便性を考慮し，100 mm ピッチで格子状にタップ穴（M16）ルで構成した装置による実走行波再現試験の結果を示を配置した．

す．

加振機及びリンク機構の関節部となる三次元継手に試験体には，図５に示す実車燃料タンクを用いた．

は無給油式球面軸受を採用し，摺動部の隙間調整機構

タンクには，左右，前後方向にそれぞれ２つ，上下方を設けてバックラッシュが極めて小さくなるよう設計

向に４つ，計８個の加速度センサを取り付け，燃料を想定した液体を 60 ％まで入れた状態で試験を行った．

している．
なお，本装置には，表１に示す油圧源が必要となる．

台上での再現に当たっては，実車走行時の各センサ計油圧源を除く装置全体の必要設置寸法は，約 5.5 m

測データから計算した上下，左右，前後，ロール，ピッ× 4.5 m であり，コンパクト化した設計としている．

チ，ヨー軸の計６データを目標波として試験を実施し4．試験体の応答再現精度の確認試験
ここでは， WATと多軸シミュレーションテーブた．
を使って，多点入力補償イタレーションをWAT実施した結果を図６及び表２に示す．
これらの結果より，全制御ポイントにおいて，ピー

表１

多軸シミュレーションテーブル主仕様項自由度

性能 注 1目様並進 3 軸上下，左右，前後回転 3 軸ロール，ピッチ，ヨー上下方向

変位±125 mm
速度 2 m/s
加速度 10 G（＝10×9.8m/s2）

左右方向変位±75 mm
速度 1.6m/s
加速度 7 G（＝7×9.8m/s2）

前後方向

変位±75 mm
速度 1.2 m/s
加速度 5 G（＝5×9.8m/s2）

加振周波数

DC ( 0 )〜50 Hz

サイズ
加振テーブル 材質

油圧源

仕

ク 比 99.2 〜 100.7 %，RMS エ ラ ー（ 誤 差 RMS ／ 目
標波 RMS）2.5 〜 4.4 ％と良好な結果を得た．レイン②上下2⑦前後1①上下1

前

右

左

1 600 mm×2 200 mm

後

アルミ合金

上面タップ

M16，格子状100 mmピッチ

油圧力21 MPa

吐出流量600 l/min

注 1：質量600 kgの試験体搭載時の性能を示す．

④上下4③上下3⑤左右1⑥左右2⑧前後2

図５

試験体（燃料タンク）背面

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3PSD（G2/Hz）

2
加速度（G）

1.E+00：目標：応答10−1−2−35

5.5
時間（s）

6

1.E-02
1.E-03

カウント数

再現精度（％）RMS エラー

最小最大最大ピーク比

上下

150

100.30

4.4

左右

150

100.30

3.5

前後

150

99.20

3.1

1.E-05ロール

150

100.00

3.1

ピッチ

150

100.70

2.5

ヨー

150

100.704.001020 30 40 50
周波数（Hz）：目標：応答300のコスト面から，今後，シミュレーション及び台上試

200

験が増加していくものと思われる．
ここで紹介した WAT

1000.20.4

0.60.811.2

1.4

1.6

1.8

2レベル（G）

図６

波形再現精度

制御帯域（Hz）

1.E-044000

表２：目標：応答

1.E-0025

イタレーション結果（左右方向）

及び多軸シミュレーショ

ンテーブルを更に発展させ，多様化，複雑化する試験のニーズにいち早く応えることができる製品を開発していく所存である．

（a）時暦データ，（b）PSD，（c）レインフロー頻度分布

フロー頻度分布結果も良く一致しており，台上耐久試験を実施できる精度を十分満足したといえる．

5．まとめ

参 考 文 献（1）片山徹，システム同定入門，朝倉書店（1994）（2）塩谷実，多変量解析概論，朝倉書店（1990）（3）Designation: E1049-85, Standard Practiceies forCycle Counting in Fatigue Analysis（1990）（4）城野政弘ほか，疲労き裂，大阪大学出版会（2005）

自動車のコンポーネントを対象とした実走行挙動シ
ミュレーションを行うことを目的とした制御解析ソフトウェア

WAT及び多軸シミュレーションテーブ

ルを開発し，実走行波の再現試験を行ったところ，良好な再現精度を得ることができた．また，本稿では掲載しなかったが，多軸シミュレーションテーブルには，

上原龍児

西村信一郎

峯巧梶井紳一郎

山本典史

河野通嘉

自動車のシャフトにトルクを加えるためのトルク入力
装置や，発進・停止時の低周波加速度を再現するための傾斜テーブルを追設し，様々な試験に対応することができる．
自動車及び自動車関連機器は，性能を検証するため