JPS5837491B2 - 慣性および道路負荷シミュレ−タ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は動力計、とくに自動車を動力計で試験する際の
自動車の慣性と道路負荷の電気機械的シミュレーション
に関するものである。

動力計は適切な動作が必要な車輛試験においてしばしば
使用される。

そのような試験車は実際には走行しないので、道路上に
おけるその車輛とその動作についてのあるパラメータを
シユレートする手段を見い出さなければならない。

これらのパラメータはその自動車を加速したりある速度
を維持したりするのに必要な力を表わすものである。

慣性力は、以下パラメータ慣性と称するが、これは車体
重量の関数である。

自動車エンジンは加速したり減速したりするためには慣
性力に打ち勝たなければならない。

ある速度を維持するためには自動車のエンジンは車速に
関連した力に打ち勝たなければならない。

これらの力は、以下道路負荷と称するが、プレークアウ
エイ摩擦、走行摩擦（ベアリングや路面に対するタイヤ
などの摩擦）および風圧（空気によって車体が受ける抵
抗力）などがある。

このシミュレータの目的は、自動車が通常道路上で受け
るような力を車輛に課すことである。

以前慣性シミュレーションは、多数の機械的に結合可能
なフライホイールを動力計系に付加することによってあ
る程度まで行なわれていた。

道路負荷は、流体動力学的素子、ポンプ、電気ブレーキ
、または電動機などでシミュレートする場？が多い。

多重フライホイールを道路負荷シユレーション装置と組
み合わせて使用する場合が最も多い。

ある場合には、電動発電機を系に付加して電気的に制御
された負荷および駆動を与える。

またときには、１個のフライホイール電動機を、扱者が
慣性力を加減できるように制御されたモータとともに使
用することもある。

純粋にｋ的なシユレータ（フライホイール方式）は正確
な慣性シミュレーションができるが高価である。

種々のフライホイールの組合せをクラッチによって機械
系列に組み入れたりはずしたりして変化を機械的に与え
なげればならない。

さらに可能なフライホイールの組合せの数は使用するホ
イールの数や大きさによって制限される。

このほか、精密な慣性は動力計中で回転するフライホイ
ール、ベアリング、クラッチ、軸および他の部品の慣性
モーメントを計算する製造者の能力にのみ左右される。

これは、このような部品は種々の形状、大きさおよび密
度を有するので非常に困難である。

精密な慣性を正確に検出することは利用者側にとっては
本質的に不可能であり、慣性を測定する手段を得ること
は困難である。

従来の電気機械式慣性シミュレータは機械的シミュレー
タほど正確ではないと考えられている。

この制御方式は、走行速度を測定して加速度を算出し、
トルク制御信号を出力することを基本としている。

この演算は本質的にはパラメータ（速度）の微分であり
、これはトルク変化によって徐々に変化するので、走行
速度変化と慣性の修正との間にはそのシステムに固有の
実質的な時間遅延が存在する。

慣性応答時間（９０％値）は０．５秒という値が報告さ
れている。

また１〜５秒の範囲の安定するまでの時間があり、これ
は所望の慣性値と車輛トルクの変化の程度に固有の動力
計系の機械的慣性との差に左右される。

要約すれば、現在入手し得る電気機械式動力計システム
では±５％程度の静止状態慣性精度を有し（これに対し
てフライホイール方式では１〜３多）、応答時間は０．
５秒のオーダである（これに対しフライホイール方式で
は無視し得る程度の応答時間である）。

道路負荷力の再現性は±３％以内で達成される（これに
対し、流体動力学型あるいはブレーキ型道路負荷シミュ
レーションでは±１０〜３０％である）。

現在では、現米国環境保護庁が自動車の排気ガスを採取
する際の試験条件を制定しているためにさらに正確、精
密でより速い応答を有するシミュレーションの必要性が
高まっている。

また慣性および道路負荷シミュレーションの精度を確立
する必要性もある。

本発明は、±０．５％程度の静止状態慣性誤差（これに
対しフライホイール方式では±１〜３％、従来の電気機
械方式では±５％）を与える電気機械式動力計方式であ
る。

応答時間は無視し得る（つまり、フライホイール方式と
同等で、従来の電気機械方式の０．５秒の応答よりは速
い）。

道路負荷力の再現性は±１％以内（これに対し従来の電
気機械方式では±３〜５多、流体動力学型またはブレー
キ型道路負荷シミュレータでは±１０〜３０％）で達成
できる。

上述の性能を達或するために、１個のフライホイールと
、直流（ＤＣ）モータと、直流電源制御装置と、コンピ
ュータ制御装置とを使用する。

制御はトルクおよび速度の測定と、速度及び加速度の算
出に基づいている。

トルク入力（これは変化の速いパラメータである）の積
分から制御信号を導出し、したがってこれを直ちに印加
して系の負荷を変化させることもできる。

この直流モータは１個のフライホイールの補助として動
力の吸収および発生の両方に使用されるが、両者とも試
験車の駆動輪を設置する回転ローラと機械的に結合され
ている。

適用できる車種は、自動二輪車、自動車、トラック、バ
スその他の自動車である。

流体圧ポンプも回転ローラに機械的に接続されており、
試験車の前方に設置した冷却ファンを駆動する流体圧モ
ータを付勢するのに使用される。

このファンは自動車が通常道路上において種々の速度で
遭遇する冷却効果と同様の効果を与える。

ポンプはまたローラとエネルギーを交換しあい、これに
よって直流モータおよびフライホイールによって与えら
れるはずの全慣性および道路負荷力を減少させる。

要約すると、自動車の慣性および道路負荷の正確ナシミ
ュレーションは、直流モータの速度を精密に制御するこ
とによって可能となる。

この制御は電源制御装置によっておこなわれ、これはア
ナログコンピュータによって制御される。

このコンピュータはトルク検出器と速度エンコーダから
入力を受け、自動車の慣性と道路負荷の係数値を手動で
ないしはあらかじめプログラムで設定できるような他の
装置からデイジタル信号を受信する。

道路負荷（Ｆ）の計算は次式による。

Ｆ＝Ａ＋ＢＶ＋ＣＶｎ ここでＡ，ＢおよびＣはプレークアウエイ・トルク、摩
擦、風圧などの要因の効果を表わし、■は速度を示す。

慣性および道路負荷を組み合わせて自動車の加速度と車
速を算出する。

車速は次式によって算出される。

すなわち、ただし、■は算出速度、Ｌは測定トルク、Ｆ
は算出道路負荷、■はシミュレートされた（すなわち擬
似的）慣性である。

算出速度Ｖをこれを実測した速度と比較して誤差信号を
出力し、次にこの信号を電源制御装置に与えて直流モー
タを前述のように制御する。

従来の動力計に応用されている電気機械式慣性および道
路負荷シミュレータは、速度と加速度を測定してトルク
を算出制御するものであり、比較的動作が鈍く不正確で
ある。

本発明は、トルクを測定して加速度および速度を算出制
御するもので動作が速くより正確なシミュレーションと
高精度な再現性を達或でき、基本的に異なったアプロー
チをとっている。

以下に述べるシミュレータはコンピュータヲ有し、これ
によって匍脚されるが、このコンピュータはトルク検出
器、速度エンコーダおよび扱者の入力したデイジタル信
号から入力を受信する。

そして自動車の慣性、道路負荷力を正確かつ迅速に計算
して電気的速度制御信号を発生するものである。

この信号は直流電源制御装置に与えられ、これで直流モ
ータを制御する。

このモータは試験車の駆動輪を載せた回転ローラと機械
的に結合されている。

車速による冷却効果は、自動車の前方に設置され回転モ
ータと流体圧的に結合された冷却ファンによって与えら
れる。

本発明の前述の目的と利点は付図を参照した以下の説明
によってさらに明確に理解できる。

第１図において、自動車の駆動輪１０がローラ１２の上
に設置されている。

トルク検出器１４をローラ１２に物理的に接続して、車
輪１０からローラ１２を経て伝達されるトルクを検出す
る。

フライホイール１６も機械的にトルク検出器１４と？合
されており、これは第１図に示す系に慣性効果を与える
。

フライホイール１６の慣性モーメントは、ローラ１２、
機械的結合装置およびフライホイールなどからなる系の
合計慣性モーメントがシユレートすべき慣性モーメント
領域の中央に対応するように選定する。

試験する特定の車輛の重量はフライホイールやローラの
慣性モーメント効果より大きいことも小さいこともある
。

そのような場合、以下に説明するようにその差を直流モ
ータ１８で調整する。

速度センサ２０は直流モータ１８の軸と機械的に結合さ
れていて、やはり後述するコンピュータ２８に実時間速
度信号を供給する。

このコンピュータはトルク検出器１４からの第２の入力
を有し、ローラ１２から伝達される実測トルクを実時間
で受信する。

所定の速度で適正なトルクを維持するために、後述する
電源制御装置３０で直流モータ１８の駆動を制御し、試
験中は適切なトルクと速度の点が得られる。

電源制御装置３０によって電動機モードまたは発電機モ
ードでモータ１８を動作させることができる。

モータ１８が発電機モードで動作しているときは、モー
タ１８はローラ１２からパワーを吸収して電力を出力す
る。

前述の構成要素の他に、流体ポンプ２２がトルク検出器
１４に結合され、これは車体の前の離れたところにあっ
て車輪１０と関連した相手側の流体モータ２４を駆動す
る。

モータ２４は大型ファン２６を流体圧で駆動し、このフ
ァンはこの自動車の方向に空気を吹き出して任意の速度
における風の冷却効果をシミュレートする。

ローラ１２が速度を増すとファン２６も速度を増す。

ポンプ２２でローラ１２とそれに接続された機械的結合
系に負荷を与える。

このように接続した結果、この流体ポンプは慣性および
道路負荷シミュレーションを与えるのに必要な圧力のう
ちのいくつかを与え、その他の力はモータ１８、フライ
ホイール１６およびローラ１２によって与えられる。

トルク検出器１４は、ローラ１２からフライホイール１
６、ポンプ２２および直流モータ１８へ伝達されるトル
クを測定する。

検出器１４とモータ１８との間の機械的結合における摩
擦および風力損失も検出器１４で測定される。

トルク検出器の出力はコンピュータ２８へ入力され、こ
こで少なくとも算出速度を算出するのに使用される。

次に速度信号が出力され、これは算出速度と実測速度と
の差を考慮したものであり、この信号を電流制御装置３
０に加えてこれで直流モータ１８の速度を制御する。

第２図において、センサ２０およびトルク検出器１４か
らコンピュータ回路への入力が図示されている。

センサ２０はアナログ信号を後述の信号調整装置３２に
供給する。

信号調整装置３２０基本的な目的は、アナログ・ティジ
タル変換器の機能である。

信号調整装置３２の出力はパルス出力であり、これは尺
度因子の機能を有するティジタル分割器３４で分割され
る。

分割器３４の出力はカウンタ３６に供給され、これは従
来のディジタル読出し装置と接続してもよい。

カウンタ３６の目的は、エンコーダ２０についての距離
計出力、すなわち距離の関係を出力することである。

カウンタ３６はたとえば走行距離計のようなものでもよ
い。

信号調整装置３２の第２の出力はテイジタル速度変換器
３８に印加され、これを以下に詳述する。

このティジタル速度変換器はアナログ出力を有し、この
出力はコンピュータ内で他に使用され得る。

デイジタル速度変換器３８は速度に対応したアナログ信
号などを出力する。

この信号などはコンピュータ内で他の目的のために使用
される。

（第５図参照）従来の型の１０ボルト基準電源が全体を
符号４４として示されているが、これはデイジタル速度
変換器３８に必要に応じて基準入力を与えるものである
。

これはまたこの回路の他の部分にも基準電圧を供給する
。

トルク検出器１４の出力は増幅器４６で増幅され、実測
トルクに相応したアナログ信号を後述の加算回路６０（
第５図）に送出する。

ｉａａ図は第２図のブロック３２として前述した論理回
路を示す。

前述のようにこの回路は、従来のセンサ２０からの３線
出力を受信しアナログ・デイジタル変換を行なう信号調
整装置３２として機能する。

信号調整回路からの変換された信号は第２図に示す分割
器３４とディジタル速度変換器３８に印加される。

信号調整装置３２は一対の増幅器６４および６６を有し
、これには第３ｂ図ＡおよびＢに示すような正弦波を入
力させる。

第１の比較器６８は、その第１の入力、つまり増幅器６
４からのものと増幅器６６からの第２の入力とを比較す
る。

信号「Ａ」の振幅が信号「Ｂ」の振幅より太きいと、こ
の比較器は出力を発生し、その出力波形は第３ｂ図Ｅに
示す。

増幅器６４からの信号「Ａ」は反転増幅器Ｔ６によって
反転され、この増幅器の出力は第２の比較器ＴＯの第１
の入力となる。

第２の比較器７０の第２の入力は増幅器６６からの信号
「Ｂ」である。

第２の比較器からの出力を第３ｂ図Ｆのグラフに示す。

信号「Ｅ」および「Ｆ」はゲート７８に入力として供給
され、このゲートは排他的論理和として機能する。

従来のゼロ検出器７２０入力は増幅器６４の出力に接続
され、この増幅器は、信号ｒＡＪを伝達する。

第２のゼロ検出器は検出器７２と同一のものであるが、
信号ｒＢＪに対応する増幅器６６の出力に接続されてい
る。

ゼロ検出器７２および７４からの出力を第３ｂ図のグラ
フＣおよびＤに示す。

信号「Ｃ」および「Ｄ」もゲート８０で排他的論理和操
作を受ける。

この排他的オアゲート１８および８０からの出力で次段
の排他的オアゲート８２を駆動し、そこに生ずる信号は
ｒＧＪとして表示されているが、第３ｂ図のグラフに示
される。

信号ｒＧＪはリード８６に出力され最終段の排他的オア
ゲート８４の第１の入力に与えられる。

ゲート８２の出力とゲート８４の第２の入力との間には
遅延回路が接続されている。

この遅延回路は、第１の端子をゲート８２の出力に、第
２の端子をゲート８４の第２の入力にそれぞれ接続した
抵抗８８を有する。

コンデンサ９０がゲート８４の第２の入力と地気９２の
間に接続されている。

信号調整装置３２の最終的なパルス出力はゲート８４の
出力に生じ、この信号を第３ｂ図のグラフＨに示す。

第４図において、ティジタル速度変換器３８用の特定の
回路を示す。

アンドゲート９４の第１の入力は第３ａ図の排他的オア
ゲート８４から取り出される。

アンドゲート９４はカウンタ９６が標準クロック１００
からのクロツクパルスでリセットされるまでカウンタ９
６を駆動する。

リセットする前にカウンタ９６からその内容が通常のラ
ッチ回路９８に、やはり標準クロツク１００から来る転
送信号によって転送される。

ラッチ回路９８内のデイジタル情報は、Ｄ／Ａ変換器１
０２の入力に接続されており、この変換器はテイジタル
入力をアナログ信号に変換するものである。

このアナログ信号は第２図のデイジタル速度変換器３８
のアナログ入力としてすでに説明したものである。

Ｄ／Ａ変換器１０２には第４図に示すように基準電圧か
らの第２の入力が与えられている。

ラッチ回路９８の出力はローラ１２の実測速度を表示す
るためにデイジタル表示器に供給することも考えられる
。

第５図では、試験車の慣性をスイッチ４８を使用して選
定するが、このスイッチは従来の押ボタン型かトグルス
イッチ型でもよい。

スイッチ４８テ可逆カウンタ５０を駆動し、このカウン
タは選定された被試検車の慣性に対応したデイジタル信
号を出力する。

カウンタ５０からのデイジタル信号は、５２ ．５４お
よび５８などの多数の従来のデイジタル乗算回路に加え
られる。

第１の乗算器５２の場合、後述の積分器６３からの速度
に対応したアナログ信号も乗算器５２に入力されている
。

出力はアナログである。

乗算器５２におけるアナログおよびデイジタル両信号間
の乗算によって前述の道路負荷式の第２項が導出される
。

同様に乗算器５４は、カウンタ５０からのディジタル信
号と乗算器５５かもの平方速度入力とを掛け算し、道路
負荷式の第３項をアナログ形で導出する。

乗算器５５はここでは自乗素子として用いられている従
来のアナログ乗算器であり、その出力に速度の平方値を
出力する。

乗算器５８は、カウンタ５０からの第２のディジタル入
力の他にその第１の入力として基準電圧が与えられ、こ
れによって定数「Ａ」すなわち道路負荷トルク式の第１
項を出力する。

このように第１、第２および第３の乗算器５２，５４お
よび５８は道路負荷式の３つの項を与えるものである。

加算回路６０は乗算器５２，５４および５８の出力を加
算し、実測トルク信号からその和を引き算する。

加算回路６０の出力信号が正味のトルク信号５９となり
、積分器６３の第１の入力に加速若しくは減速トルクの
基準として加えられる。

道路負荷トルク式の３つの項の他に被試験車両の慣性係
数に対応する項を含めなげればならない。

積分器６３の第２の入力６１はカウンタ５０の出力から
来る。

信号６１はカウンタ５０で設定された慣性係数に比例し
ている。

積分器６３は従来の型のものであり、プログラム可能な
時定数回路６５を利用している。

これは１つの時定数回路に選択的に切り換えられる複数
の抵抗のようなものでよく、入力６１に応じてプログラ
ム可能な時定数回路６５となる。

したがって、この時定数は設定された慣性に直接比例す
る。

プログラム可能な時定数回路６５の出力は従来の演算増
幅器に入力され、この増幅器は増幅器部６７とコンデン
サ６９とを有する。

上記したことから明らかな如く、この速度信号は次式に
よって算出される。

すなわち、ここに、■は算出速度、Ｌは実測トルク、Ｆ
は算出道路負荷、■はシミュレートされた車両慣性であ
る。

積分器６３０出力２８は、トルク信号５９に比例し慣性
信号６１に反比例した変化率を有する速度信号である。

積分器６３の出力は速度調整器７１に加えられ、これは
従来の演算増幅器でもよい。

この速度調整器の第２の入力はデイジタル速度変換器３
８（第２図）から与えられる。

速度調整器７１は変換器３８からの実測速度と積分器６
３からの算出速度信号とを比較し、速度調整器で積分器
によって算出した速度信号と変換器３８で測定した実際
の速度が同じであることを確認する。

これは電源制御装置３０への信号を制御することによっ
てなされ、この電源制御装置は変換器からの実測速度が
算出速度信号２８と一致するように直流モータ１８の速
度を制御する。

このようにして直流モータ１８は必要な吸収トルクまた
は駆動トルクを提供し慣性および道路負荷を正確にシミ
ュレートする。

直流モータ１８について本発明を説明したが、当業者に
周知のようにこの代りに交流を使用してもよい。

したがって特許請求の範囲には直流モータと交流モータ
の両方が記載されている。

また本発明は試験台上に設置された自動車エンジンを試
験するのに利用してもよＬ・。

この場合は第１図に点線で結合装置を示すが、これはエ
ンジン駆動軸とモータ１８の軸を結合することを示して
いる。

この構造は、自動車のエンジンを試験しているだけなの
でローラ１２とその軸が不要であること以外は同じであ
る。

この装置の動作は前述の動作と変らない。

次の表は本明細書中で述べた種々の構成要素の市販品名
を示す。

なお本発明は前記の構成だけに限定されるものではなく
、当業者が自明の修正をなし得るものであることは言う
までもない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を構成するシステムの基本ブロック図、
第２図は第１図に示すコンピュータ部の部分ブロック図
、第３ａ図は第２図に示す信号調整装置の論理ブロック
図、第３ｂ図は第３ａ図の各点におけるタイミングを示
す図、第４図は第２図に示すテイジタル速度変換器の論
理ブロック図、第５図は第１図に示すコンピュータの出
力部のブロック図で、第２図に示すコンピュータと接続
される。 主な符号の説明、１２・・・・・・ローラ手段、１４・
・・・・・変換手段、１８・・・・・・モータ、２０・
・・・・・回転速度測定手段、２８・・・・・・計算手
段、３０・・・・・・速度匍脚手段。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 回転運動を発生するエンジンとこれに結合した駆動
   系とを試験するための慣性及び負荷シミュレータであっ
   て、 被試験エンジンから回転力を出力する回転力出力手段に
   結合したトルク印加手段と、 前記トノレク印加手段によって伝達されるトルクを測定
   するトルク測定手段と、 前記トルク測定手段の出力信号に基づいて測定？ルクの
   関数として算出される速度信号を発生する速度算出手段
   と、 前記回転力出力手段の実速度を測定する速度測定手段と
   、 前記算出された速度信号と実測速度信号とを比較して速
   度エラーを検出する速度エラー検出手段と、 前記速度エラーに応じて前記トルク印加手段を制御して
   前記速度エラーを減少せしめる如く印加されるトルクを
   変化せしめる手段とからなることを特徴とするシミュレ
   ータ。 ２ 擬似的慣性係数を選択する選択手段を含み、前記速
   度算出手段は測定トルク及び選択された擬似的慣性係数
   の関数としての速度信号を算出するようになされたこと
   を特徴とする特許請求の範囲第１ 項記載のシミュレー
   タ。 ３ 前記速度信号に応じて所望道路負荷トルクを発生す
   る手段を含むことを特徴とする特許請求の範囲第１項記
   載のシミュレータ。 ４ 前記速度算出手段は、該測定トルクと前記所望道路
   負荷トルクとの差に基づいた速度を算出することを特徴
   とする特許請求の範囲第３項記載のシミュレータ。 ５ 前記速度計算手段は前記測定トルク、前記所望道路
   負荷トルク及び擬似的慣性係数を時間について積分する
   ことによって速度を計算することを特徴とする特許請求
   の範囲第４項記載のシミュレータ。 ６ 前記トルク印加手段は機械一電気エネルギ変換器を
   含むことを特徴とする特許請求の範囲第５項記載のシユ
   レータ。 １ 前記トルク印加手段は前記機械一電気エネルギ変換
   器にフライホイール手段を結合して慣性を付与して必要
   な擬似的慣性及び道路負荷を発生せしめるようにしたこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第６項記載のシミュレー
   タ。 ８ 前記エンジン及び駆動系は車両を含むことな？徴と
   する特許請求の範囲第２項記載のシミュレータ。 ９ 空気流発生手段と、前記トルク印加手段に結合して
   機械的エネルギーを流体エネルギーに変換する第１流体
   手段と、前記第１流体手段及び前記空気流発生手段の間
   に結合した第２流体手段及び前記空気流発生手段の間に
   結合した第２流体手段とを含み、前記空気流発生手段と
   第１及び第２流体手段とによって車両加速時にエネルギ
   ーを吸収しかつ車両減速時にエネルギーをフィードバッ
   クすることを特徴とする特許請求の範囲第８項記載のシ
   ミュレータ。 １０ 前記空気流発生手段は、被試験車両の前方に配
   置されて車両の後方に向けて空気流を生ずるファンであ
   り、該空気流の流速は測定された実濁漣度の関数である
   ことを特徴とする特許請求の範囲第９項記載のシミュレ
   ータ。