② - 株式会社 F-MAコンサルティング

S335
20155335
シャシダイナモメータにおける車両運動の解析（第２報）
高橋利道 1）
外山達斎 2）
古澤政生 3)
竹井俊樹 4)
Analysis of Vehicle Motion on Chassis Dynamometers (Second Report)
Toshimichi Takahashi
Tatsushi Toyama
Masao Furusawa
Toshiki Takei
The motion of a vehicle during sudden starts and stops was analyzed using a chassis dynamometer equipped with a vehicle constraint device
that allows the vehicle freedom of motion for pitching. In addition to the rigid body motion, the low frequency vibration response of the vehicle
during rapid throttle changes was also analyzed. This paper describes the results of these two analyses.
KEY WORDS: vibration, noise, and ride comfort, body vibration while driving, operational modal analysis (B3)
1．まえがき
シャシダイナモメータ（以下，CHDY）は，屋内において
2．急発進時と急停止時の車両ピッチング運動解析
2.1. 車両前後並進方向の加速度検出による比較
実路走行状態を再現し，完成車両の走行性能評価が可能なシ
図 1 に実路走行状態を示す．実路走行状態ではタイヤと路
ステムとして広く利用されている．試験の環境条件を整え，
面との接地面にトラクションがかかり，車両前後並進(Ｘ軸)
実路走行状態に相当する再現性の良い負荷を CHDY から車両
方向に加速度が変化している．図 2 に車両センターピラー拘
に与えることにより，排出ガス・燃費試験，耐久試験などの
束装置を CHDY に使用した車両前後並進方向加速度検出の概
評価目的にあわせて使用されている．
略を示す．車両センターピラー拘束装置は，前後並進(Ｘ軸)
筆者等が報告している CHDY における車両運動の解析(1)
方向の車両前後拘束力が測定可能である．ニュートンの運動
（以下，第 1 報）では，発進時と停止時の車両挙動に着目し，
の第 2 法則により，慣性拘束をしていることになるため，車
加減速時における車両ピッチング運動を再現させる方法と解
両に発生している前後並進(Ｘ軸)方向の加速度は，車両前後
析手法について提案している．第 1 報では，車両上下（重心
拘束力検出に車両慣性質量を除算した加速度信号と等価にな
高）並進方向による車両ピッチング運動は実路走行状態の特
る．
徴に近似した結果が得られている．しかしながら，振動の減
衰については実路走行状態を十分に再現した結果が得られて
いない． CHDY ローラ面の摩擦係数や車両の拘束方法以外に，
Measurement points
Y
CHDY から車両に与える負荷が車両ピッチング運動に影響し
X
ている可能性がある．
本研究では，車両の上下並進運動と重心点近傍の回転運動
はフリーとなる車両拘束装置（以下，車両センターピラー拘
束装置）と高摩擦材を施したローラ表面，電気慣性制御応答
の異なる CHDY を使用して，急発進時と急停止時の車両ピッ
Fig.1 Situation on road
チング運動を評価した．車両ピッチング運動の解析では，多
点非同時測定の実稼働モーダル解析（以下，OMA：Operational
Modal Analysis ）により，車両ボディ挙動と車両内部のエンジ
Force sensor
Y
ン挙動を解析した．走行状態においては，アクセルペダルの
急速な操作による車両の低周波振動について，実路走行状態
X
と CHDY の実験結果について報告する．
1)・2) (株)明電舎
(141-6029 東京都品川区大崎 2 丁目 1 番 1 号)
3)・4) (株)F-MA コンサルティング
(606-0021 京都府京都市左京区岩倉忠在地町 552 番地)
Fig.2 Situation on CHDY
公益社団法人自動車技術会 2015 年春季大会学術講演会 (2015 年 5 月 20 ～ 22 日 )
発行日 ( 公開日 ) 2015 年 5 月 18 日
公益社団法人自動車技術会　2015 年春季大会学術講演会講演予稿集
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実験に使用する試験車両の概略を表 1 に示す．乾燥したア
スファルトによる実路走行実験では，マニュアルトランスミ
Y
X
ッション車両にてシフト位置を 1 速に固定し，発進時の急加
MEMS DC response accelerometers (triaxial)
Force sensor
Z
速に続けて停止時に急減速した運転により評価した．図 3 に
実路走行実験時におけるエンジンルーム内に取付けた車両ボ
ディの加速度信号を示す．DC 応答型 3 軸加速度センサにて
測定した車両前後並進(Ｘ軸)方向の加速度信号，車両上下並
進(Ｙ軸)方向の加速度信号である．
Table1 Vehicle specifications
Wheel drive
Inertia
Engine
type
Weight ( kg ) Displacement ( cc )
FR
1530
1995
X-axis Acceleration [ m/s2 ]
Fig.4 Placement of vehicle constraint
Y-axis Acceleration [ m/s2 ]
Y-axis Acceleration [ m/s2 ]
X-axis Acceleration [ m/s2 ]
Vehicle
Category
SUV
Time [ s ]
Time [ s ]
Fig.5 Calculated acceleration on CHDY
Fig.3 Measured acceleration on road
センターピラー拘束式車両拘束装置を CHDY に使用した全
2.2. CHDY から車両に与える負荷
体構成を図 4 に示す．実路走行実験時と同様に，エンジンル
図 4 からもわかるように，CHDY は回転するローラ上に車
ーム内に DC 応答型 3 軸加速度センサが車両ボディに取付け
両を乗せて動的試験を行うシステムである．実験では実路走
られている．センターピラー拘束式車両拘束装置は，車両前
行状態との比較をするためにタイヤ 4 輪をローラ上に乗せて
後並進(Ｘ軸)運動を拘束し，車両上下並進運動と重心点近傍
評価している．実験に使用した CHDY は，2WD 用 CHDY を
の回転運動はフリーとなる機構であり，車両前後拘束力を測
前後に 2 台配置している．各前後に分離された CHDY は，前
定するフォースセンサを拘束バーの左右 2 箇所に取付けた．
後ローラに速度偏差が発生しないよう電気的に前後速度同期
図 5 に実路走行と同様に運転した CHDY による加速度信号
制御がされ，前後ローラの速度偏差は JASO （Japanese
を示す．車両前後拘束力から算出した車両前後並進(Ｘ軸)方
Automobile Standards Organization ）で規定している±0.16
向の加速度信号，車両ボディに取付けた DC 応答型 3 軸加速
km/h 以内となっている．また，排出ガス・燃費試験と同様に，
度センサにて測定した車両上下並進(Ｙ軸)方向の加速度信号
CHDY にて走行抵抗負荷をかけた試験方法として評価してい
である．
る．走行抵抗負荷は，CHDY 前後ローラ表面力の合計値が目
実路走行と CHDY の実験結果を比較すると，車両前後並進
(Ｘ軸)方向，車両上下並進(Ｙ軸)方向ともに発進時における
標走行抵抗および慣性抵抗と同一になるように制御している
(2)(3)
．前後ローラの前後速度同期制御が十分な性能を持つとす
加速度信号の減衰に相違があり，実路走行より CHDY の方が
れば，式(1)により定義され，目標走行抵抗および慣性抵抗を
振動の減衰が早いことがわかる．
再現することになる．
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dt
 Lv
(1)
ここで， Fchdy は合計 CHDY 前後ローラ表面力，Ftg は目標
走行抵抗，Mvchdy は CHDY に設定した等価慣性質量または目
的に応じた慣性質量，Vchdy はローラ表面の速度，Lv は車両メ
カニカルロス（車両の伝達系メカニカルロスとタイヤメカニ
カルロスの合計）である．目標走行抵抗は一般的に速度の二
次関数として与えられる．慣性抵抗は CHDY に設定した慣性
質量と加速度の積として与えられる．ここで，CHDY に設定
した慣性質量は，CHDY の固定慣性質量（機械慣性）Mb ，
CHDY にて電気的に作り出す慣性質量（電気慣性）Me として，
式(2)により定義される．
Mvchdy  M b  M e
(2)
機械慣性式 CHDY はフライホイール等の機械慣性質量を機
械的に組換えて CHDY の固定慣性質量に連結させる．電気慣
X-axis Acceleration [ m/s2 ]
dV chdy
Y-axis Acceleration [ m/s2 ]
Fchdy  Ftg  Mv chdy 
Time [ s ]
Fig.6 Calculated acceleration on CHDY
性式 CHDY はフライホイール等の機械慣性を用いずに電気的
に慣性質量を補償するため，設置面積の省スペース化や高分
実路走行と 2 種類の応答時間が異なる電気慣性制御の
解能な慣性設定が行えるなど数々の利点がある．電気慣性式
CHDY による測定結果を第 1 報と同様に，剛体の拘束方程式
CHDY に必要となる電気慣性制御は，電気的に慣性質量 Me
と最小二乗法を利用した時間領域剛体モード強調法（以下，
を補償する制御であり，速度信号やトルク信号などの検出信
時間領域剛体データ強調法）と，多点同時測定の OMA によ
号を使用したフィードバック制御系にて構成されるため，少
る確率的部分空間同定法（以下，SSI：Stochastic Subspace
なからず制御応答遅れ時間が発生する．車両の振動事象は加
Identification ）を組み合わせて解析した．車両ピッチングモー
減速度の変化が顕著であるため，式(1)に定義されている加速
ドと思われる最低次の振動モードによる比較を表 2 に示す．
度変数の慣性抵抗に制御応答遅れ時間が影響する．CHDY の
実路走行を Real road，これまでの実験に使用していた電気慣
制御応答遅れ時間によっては，適切なトラクションがかから
性制御応答を CHDY (Case1)，今回の実験にて高応答化した電
ず，実路走行状態の再現に影響を与えている要因の 1 つと推
気慣性制御応答を CHDY (Case2)としている．表 2 から，電気
定される．
慣性制御を高応答化することにより，周波数と減衰比につい
ても実路走行状態に近似していることが定量的に確認できる．
2.3. 電気慣性制御の高応答化による実験
これまでの実験の目的は車両の振動解析であるため，
CHDY ローラ面の摩擦係数や車両の拘束方法は，排出ガス・
燃費試験による試験環境条件と相違がある．しかしながら，
実験に使用している電気慣性式 CHDY は，排出ガス・燃費試
Table2 Comparison of resonance characteristic
Frequency ( Hz )
Damping ( % )
Real road
1.84
21.90
CHDY (Case1)
2.17
18.63
CHDY (Case2)
1.79
23.91
験などの評価を考慮して，電気慣性制御の応答遅れ時間は一
般性を損なうことがない応答時間 0.1 s 以下にて評価してい
る．今回の実験では電気慣性制御による影響を調査するため
2.4. 多点非同時測定による OMA
車両ピッチング運動に低周波振動として現れている現象に
に，電気慣性制御の応答時間が異なる CHDY にて評価した．
ついて，車両ボディ挙動と車両内部のエンジン挙動を CHDY
電気慣性制御を高応答化した CHDY を使用して，発進時の
にて評価した．これまでに，車両ボディの振動解析では，SSI
急加速に続けて停止時に急減速した運転による加速度信号を
と実稼働振動形状（以下，ODS：Operational Deformation Shape ）
図 6 に示す．
車両前後拘束力から算出した車両前後並進(Ｘ軸)
の組み合わせによる実路走行状態の多点非同時測定による
方向の加速度信号，車両ボディに取付けた DC 応答型 3 軸加
OMA の解析事例が報告されている(4)．また，エンジンの振動
速度センサにて測定した車両上下並進(Ｙ軸)方向の加速度信
解析では，エンジン回転数による次数トラッキングデータと
号である．電気慣性制御を高応答化することにより，発進時
OMA を組み合わせた解析事例も報告されている(5)．
の車両前後並進(Ｘ軸)方向の加速度についても実路走行状態
の振動に近似した結果が得られた．
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本実験では，発進時の急加速に続けて停止時に急減速した
運転の評価となるため，評価対象の振動周波数は低周波数領
1779
る DC 応答型 3 軸加速度センサの数が少ないため，多点非同
時測定の OMA として評価した．測定では，共通する 1 点を
参照点として常に加速度センサにて測定し，車両ボディ挙動
とエンジン挙動を 2 回に分けて実施した．車両ボディとエン
ジンを組み合わせた応答点を図 7 に示す．試験車両のエンジ
ンルーム内の測定点を図 8 に示す．車両ボディ挙動では測定
点(25～28)の 4 点 3 方向，合計 12 点の加速度を測定した．本
実験では参照点を測定点 25 としたため，参照点以外のセンサ
を取付け直してエンジン挙動を測定した．エンジン挙動では
参照点を含めた測定点(25，31～33)の 4 点 3 方向，合計 12 点
の加速度を測定した． CHDY 実験時におけるエンジンルーム
内の測定結果として，測定点 25 を Vehicle Body，測定点 32
を Engine として，車両前後並進(Ｘ軸)方向と車両上下並進(Ｙ
軸)方向の加速度信号を図 9 に示す．
Y-axis Acceleration [ m/s2 ]
ンジンは剛体モードとして評価した．また，実験に使用でき
X-axis Acceleration [ m/s2 ]
域である．低周波数領域を解析するために，車両ボディとエ
Time [ s ]
Fig.9 Comparison of acceleration
33
31
車両ボディ挙動とエンジン挙動を解析するためには，セン
25
32
サのS/N 比や直角方向感度等により歪んでいる信号を是正し，
振動モードを含めて評価する必要がある．車両ボディとエン
ジンの測定データに時間領域剛体データ強調法を適用し，
ODS を組み合わせて解析した．この流れを図 10 に示す．
26
33 31
32
28
25
27
Fig.7 Geometry with engine
33
31
25
32
Fig.8 Measurement points of test vehicle
Fig.10 Overall test data processing
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作することにより，エンジンの出力トルクが急変し，トラン
を測定することにより固有振動モードを得るが，時間領域剛
スミッションを含む動力伝達系の回転軸に捩り振動を誘起さ
体データ強調法を使用することで，全ての応答点を測定せず，
せることが考えられる．そこで，回転系の捩り共振によって
少ない点で代表し，任意に設定した剛体の従属自由度を創成
車両ピッチング運動に低周波数振動が生じると思われる現象
した解析が可能となる．車両ボディとエンジンは非同時測定
について実験した．乾燥したアスファルトによる実路走行実
のため，時間領域剛体データ強調法を別々に計算している．
験では，シフト位置 1 速による減速状態から，車速 10 km/h
従属自由度の結果から固有振動モードを求めるために，参照
付近にてアクセルペダルを WOT（ Wide Open Throttle ）によ
点の加速度と各応答点の加速度同士を周波数応答関数（以下，
る踏み込み操作によって加速し，40 km/h 付近にてアクセルペ
FRF）にて求めた．別々に求めた車両ボディとエンジンの FRF
ダルから離す操作を走行モードとして評価した．車両ボディ
を統合し，表 2 の SSI にて得られた周波数位置の FRF の振幅
測定点 25 の加速度信号を図 12 に示す．アクセルペダルを急
と位相を ODS として抽出することによりモードシェイプとし
速に操作することにより，低周波数振動が生じていることが
た．モードシェイプ結果をアニメーション化した車両ピッチ
わかる．
Top(+Z)
Front (+X)
Frequency(Hz): 1.8
Right (+Y)
Y-axis Acceleration [ m/s2 ]
ングモードを図 11 に示す．
X-axis Acceleration [ m/s2 ]
出力信号のみを使用する OMA の場合では，全ての応答点
Time [ s ]
Fig.12 Measured acceleration on road
Fig.11 Pitching mode shape on CHDY
Top(+Z)
Frequency(Hz): 1.8
センターピラー拘束式車両拘束装置を使用した CHDY にて
評価しているため，車両前後並進(Ｘ軸)方向の加速度信号は
拘束されている事が図 9 の測定結果からわかる．また，車体
ボディ上下並進(Ｙ軸)方向とエンジン上下並進(Ｙ軸)方向の
振動は，すべて同相であることを確認した．図 11 の解析結果
から，SSI にて得られた周波数近傍のモードは，車両ボディと
エンジンは車両上下並進(Ｙ軸)方向に変動しているピッチン
グモードとなっていることを確認した．そのため，車両前後
Front (+X)
Right (+Y)
方向の振動は回転系（トランスミッションを含む動力伝達系）
の捩り共振にあると推定される．
3．アクセルペダル操作による車両の低周波数振動解析
3.1. 走行状態における実路走行実験
回転系の捩り共振の影響であれば，停止状態からの急発進
加速以外の走行状態においても，アクセルペダルを急速に操
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Fig.13 Pitching mode shape on Road
1781
OMA にて解析した走行状態における車両ピッチングモー
CHDY では，車両前後並進(Ｘ軸)方向の運動は車両拘束装
ドを図 13 に示す．
車両上下並進(Ｙ軸)方向と車両前後並進(Ｘ
置により拘束されているため，車両ピッチングモードは車両
軸)方向の合成されたモードが得られた．
上下並進(Ｙ軸)方向のモードのみとなっている．しかしなが
ら，アクセルペダルを急速に操作することにより，シフト位
3.2. 走行状態における CHDY 実験
置 1 速の低周波数振動は実路走行実験の特徴と近似した結果
実路走行実験と同一条件の走行モードを CHDY にて実験し
が得られた．
た．車両ボディ測定点 25 の車両前後並進(Ｘ軸)方向と車両上
下並進(Ｙ軸)方向の加速度信号を Vehicle Body，車両前後拘束
4．まとめ
力から算出した車両前後並進(Ｘ軸)方向の加速度信号を
本稿では，車両ピッチング運動に影響が考えられる CHDY
Calculated acceleration とした各測定点の結果を図 14 に示す．
から車両に与える負荷について評価した．CHDY を使用した
OMA にて解析した CHDY における車両ピッチングモードを
走行抵抗負荷試験において，加減速時における車両振動の周
図 15 に示す．
波数と減衰比を実路走行状態の特徴に近似させる方法として，
X-axis Acceleration [ m/s2 ]
電気慣性制御の応答時間が影響していることがわかった．
多点非同時測定の OMA による評価方法では，時間領域剛
体データ強調法，SSI，ODS の組み合わせにより，車両ボディ
挙動とエンジン挙動を解析し，解析手法が有用であることを
示した．
走行状態においてシフト位置を１速に固定し，アクセルペ
ダルの急速な操作による運転から，車両前後方向の振動は回
Y-axis Acceleration [ m/s2 ]
転系（トランスミッションを含む動力伝達系）の捩り共振で
あり，車両ピッチング運動の低周波振動に影響していること
を確認した．
今後の課題として，シフト位置を変更した際のアクセルペ
ダル操作にもとづく車両の前後振動が挙げられる．回転系の
捩り共振による振動の周波数が高くなることにより，実路走
行状態と CHDY では減衰に相違が見られた．
今後も試験システムの性能をさらに向上させ，車両挙動の
Time [ s ]
Fig.14 Measured acceleration on CHDY
再現に取組む予定である．
参考文献
Top(+Z)
Frequency(Hz): 1.8
(1) 高橋ほか：シャシダイナモメータにおける車両運動の解
析，自動車技術会学術講演会前刷集，No.120-14，p.1-6 (2014)
(2) 野田ほか：4 輪駆動車の排出ガス・燃費試験に適用可能な
4WD シャシダイナモメータの性能用件の検討(第 1 報)，自動車
技術会学術講演会前刷集，No.29-06， p.1-6 (2006)
(3) 鈴木ほか：4WD 車における実路走行と台上走行での車両駆
動力特性の実験解析(第 2 報)，自動車技術会学術講演会前刷
集，No.29-06， p.7-12 (2006)
Front (+X)
Right (+Y)
(4) 古澤ほか：自動車のための実践的モーダル解析，自動車
技術会学術講演会前刷集 (2015)
(5) 坂口元康：次数トラッキングデータを用いた実稼働モー
ド解析，自動車技術会学術講演会前刷集，No.36-06， p.1-4
(2006)
Fig.15 Pitching mode shape on CHDY
公益社団法人自動車技術会　2015 年春季大会学術講演会講演予稿集
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