JP2022078566A - ばねの異音の評価装置及び方法並びにばね - Google Patents

Abstract

【課題】検査員による異音試験を自動化して検査員の安全を確保する。【解決手段】ばねの異音の評価装置は、自動車のサスペンションに用いるコイルばね１０１の異音を評価するものであって、荷重試験機１０に装着されて荷重により圧縮されたコイルばね１０１について、コイルばね１０１から発する音を集音するマイクロホン２５と、マイクロホン２５で集音されたコイルばね１０１から発する音の信号に高速フーリエ変換を施して周波数ごとの信号とし、周波数ごとの信号においてコイルばね１０１の線間接触による異音を特定することにより正常品又は異常品のいずれであるかを判定するデータ解析装置２６とを含む。【選択図】図２

Description

この発明は、自動車のサスペンションに用いるコイルばねの異音を評価するばねの異音の評価装置及び方法並びにそのような方法により異音を評価されたばねに関する。

従来、自動車のサスペンションにコイルばねが用いられている。図１は、一例としてマクファーソン・ストラットによるサスペンション１００に用いられたコイルばね１０１を示している。コイルばね１０１は、ストラット１０４に沿って設けられたロアーシート１０２とアッパーシート１０３の間に挟持され、ストラット１０４が車軸に対して車両を懸架できるように支持している。

サスペンション１００のコイルばね１０１においては、コイルばね１０１の固有振動に伴い線間接触が発生することがあった。このような線間接触は人間の可聴周波数範囲にある打撃音を発生し、自動車の乗員に異音として聴き取られる。

異音発生品の流出を防止するために、異音試験が実施されている。異音試験では、コイルばねを荷重試験機に装着し、荷重を加えてコイルばねの圧縮高さを変えながら検査員がゴムハンマーでコイルばねを連続的にハンマリングして振動音を聴き取り、線間接触により発生する異音を経験的に聴き分けるという官能検査で判定していた。

異音試験においては、荷重試験機で圧縮されたコイルばねを検査員がゴムハンマーで直接ハンマリングして検査するため、荷重試験機と検査員との間に安全柵を設置することが困難であった。このため、検査員の身体がコイルばねに曝され、圧縮されたコイルばねが装置から外れた場合などを想定すると、不安全な状態となっていた。また、異音試験の判定は検査員の聴覚に基づく官能検査のため、検査員によって判定の基準に個人差が発生する可能性もあった。

この発明は、上述の課題を解決するために提供されるものであって、検査員による異音試験を自動化して検査員の安全を確保するとともに、判定の基準を定量化して標準化を図り、コイルばねを基準に従い加振するようなばねの異音の評価装置及び方法、並びにそのようなばねの異音の評価方法によって線間接触が発生しない正常品と判定されたばねを提供することを目的とする。

この出願に係るばねの異音の評価装置は、自動車のサスペンションに用いるコイルばねの異音を評価するばねの異音の評価装置であって、荷重により圧縮されたばねについて、ばねから発する音を検出するためのセンサと、センサで検出されたばねの音の信号に高速フーリエ変換を施して周波数ごとの信号とし、周波数ごとの信号においてばねの線間接触による異音を特定することによりばねが正常品又は異常品のいずれであるかを判定するデータ解析装置とを含むものである。

ばねから発する音を検出するセンサは、ばねの音を集音するマイクロホンであってもよい。ばねから発する音を検出するセンサは、ばねの振動を検出する振動センサであってもよい。

周波数ごとの信号は、ばねの音の信号に対してばねに加振した時刻を基準として設定されたサンプリング期間について高速フーリエ変換を施したものであってもよい。サンプリング期間は、ばねに加振した時刻から所定の時間が経過した時刻から開始され、所定の時間にわたって継続してもよい。

ばねの線間接触による異音は、周波数ごとの信号において所定の周波数範囲に含まれてもよい。所定の周波数範囲は、可聴周波数範囲に含まれてもよい。

ばねを装着し、ばねに荷重を与えて圧縮するばね圧縮装置をさらに含んでもよい。ばね圧縮装置に装着されたばねにハンマリングを加えて加振するハンマリング装置をさらに含んでもよい。ばね圧縮装置に装着されたばねに加振する振動発生装置をさらに含んでもよい。

ばね圧縮装置に装着されたばねに加えられた荷重を測定するロードセルをさらに含んでもよい。ばね圧縮装置に装着されたばねの高さの変位を測定する変位計をさらに含んでもよい。センサで検出されたばねの音の信号を記録する記録装置をさらに含み、データ解析装置は記録装置に記録されたばねの音の信号を解析してもよい。

この出願に係るばねの異音の評価方法は、自動車のサスペンションに用いるコイルばねの異音を評価するものであって、荷重により圧縮されたばねについて、ばねから発する音を検出する工程と、検出されたばねの音の信号に高速フーリエ変換を施して周波数ごとの信号とする工程と、周波数ごとの信号においてばねの線間接触による異音を特定する工程と、検出した異音に基づいてばねが正常品又は異常品のいずれであるかを判定する工程とを含むものである。

周波数ごとの信号は、ばねの音の信号に対してばねに加振した時刻を基準として設定されたサンプリング期間について高速フーリエ変換を施したものであってもよい。線間接触に起因する異音は、可聴周波数範囲に含まれる所定の周波数範囲において検出されてもよい。

ばねに荷重を加えて圧縮する工程をさらに含んでもよい。圧縮する工程で圧縮されたばねにハンマリングを加えて加振する工程をさらに含んでもよい。圧縮する工程で圧縮されたばねに振動発生装置で加振する工程をさらに含んでもよい。

この出願に係るばねは、ばねの異音の評価方法において異音を評価された自動車のサスペンションに用いられるコイルばねであって、判定する工程において正常品と判定されてその品質が保証されたものである。

この発明によると、異音試験を自動化して検査員の安全を確保することができる。また、コイルばねの線間接触についての判定の基準を定量化して標準化を図るとともに、コイルばねを基準に従い加振するようにすることができる。線間接触が発生しない正常品と判定されその品質が保証されたばねを提供することもできる。

自動車のサスペンションに用いるコイルばねを示す図である。 ばねの異音の評価装置の概略的な構成を示す図である。 ばねの異音の評価方法の一連の工程を示すフローチャートである。 コイルばねから発する音を示すグラフである。 コイルばねから発する音を解析する一連の工程を示すフローチャートである。 線間接触が発生しないコイルばねの音を示すグラフである。 線間接触が発生するコイルばねの音を示すグラフである。 線間接触が発生しないコイルばねから発した音を高速フーリエ変換したデータを示す図である。 線間接触が発生するコイルばねから発した音を高速フーリエ変換したデータを示す図である。

以下、本実施の形態に係るばねの異音の評価装置及び方法並びにばねについて、図面を参照して詳細に説明する。本実施の形態においては、自動車のサスペンションに用いるコイルばねについて線間接触により発生する異音について評価することを想定している。コイルばねは、マクファーソン・ストラット、ダブルウィッシュボーン、マルチリンク、セントラルアーム等のサスペンションに用いることができる。

図２は、本実施の形態のばねの異音の評価装置の概略的な構成を示す図である。本実施の形態のばねの異音の評価装置は、装着したコイルばね１０１に荷重を加えて圧縮する荷重試験機１０と、荷重試験機１０に装着されたコイルばね１０１にハンマリングを加えるハンマリング装置２１と、コイルばね１０１の振動音を集音するマイクロホン２５と、マイクロホン２５で集音された振動音の信号に高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を施して解析するデータ解析装置２６とを有している。

荷重試験機１０には、装着するコイルばね１０１の下部座巻部１０１ａ及び上部座巻部１０１ｂをそれぞれ保持する下部チャック１１及び上部チャック１２が設けられている。上部チャック１２は上下に可動であり、下部チャック１１で固定されたコイルばね１０１に荷重を加えることができる。図中の上部の矢印は、上部チャック１２がコイルばね１０１に加える荷重の方向を示している。上部チャック１２には、荷重を測定するロードセル１５が設けられている。また、荷重試験機１０は、装着したコイルばね１０１の高さの変位を測定する図示しない変位計を有している。荷重試験機１０には、万能試験機を利用してもよい。

荷重試験機１０には、装着したコイルばね１０１にハンマリングを加えるためのハンマリング装置２１が取り付けられている。ハンマリング装置２１は、図示しない支持装置によって昇降可能に支持されている。ハンマリング装置２１は、ゴム製のハンマーヘッド２１ａと、ハンマーヘッド２１ａを支持するアーム２１ｂと、ハンマーヘッド２１ａがコイルばね１０１にハンマリングを加えるようにアーム２１ｂを駆動する図示しない駆動装置を有している。

ハンマリング装置２１は、図示しない加速度センサを有し、ハンマリング開始時間、ハンマリングの打撃力を設定することができる。また、ハンマリングの角度を調整することができる。ハンマリングをする高さは、ハンマリング装置２１を支持装置によって昇降することによって調整される。

マイクロホン２５は、荷重試験機１０に装着したコイルばね１０１から発する音を集音することができるように、コイルばね１０１に近接する位置にコイルばね１０１に向けて設置されている。データ解析装置２６には、マイクロホン２５で集音した振動音の信号がラインを通じて供給されている。データ解析装置２６は表示部２６ａを有し、表示部２６ａにマイクロホン２５から供給された振動音の信号を表示してもよい。データ解析装置２６には、パーソナルコンピューターを使用してもよい。

コイルばね１０１から発する音を検出するためには、マイクロホン２５に代わって、振動センサを使用することもできる。振動センサは、コイルばね１０１の振動を検出するために、荷重試験機１０においてコイルばね１０１に隣接して設置されたり、コイルばね１０１に直接取り付けられたりしてもよい。振動センサからは、検出されたコイルばね１０１から発する音の信号がデータ解析装置２６に供給される。データ解析装置２６において、振動センサで検出した音の信号は、マイクロホン２５で検出した音と同様に解析される。

図３は、ばねの異音の評価方法の一連の工程を示すフローチャートである。図２に示したような構成を有するばねの異音の評価装置は、図３に示すような一連の工程に従いばねの異音の評価を実施する。

最初のステップＳ１１においては、荷重試験機１０にコイルばね１０１を装着し、荷重を加えてコイルばね１０１が所定の高さになるように圧縮する。図２を参照すると、コイルばね１０１は、下部座巻部１０１ａ及び上部座巻部１０１ｂがそれぞれ下部チャック１１及び上部チャック１２によって保持されるように荷重試験機１０に装着される。装着されたコイルばね１０１に加えられる荷重は、ロードセル１５によって測定され、コイルばね１０１の高さの変位は図示しない変位計によって測定される。

ステップＳ１２においては、ステップＳ１１によって所定の高さに圧縮されたコイルばね１０１にハンマリング装置２１によってハンマリングを加えて加振する。ハンマリング装置２１の図示しない支持装置及び駆動装置は、ゴム製のハンマーヘッド２１ａが所定の高さにおいてコイルばね１０１を所定の位置で所定の角度から所定の打撃力によってハンマリングすることができるように、ハンマリング装置２１を昇降させ、ハンマーヘッド２１ａを支持するアーム２１ｂを駆動する。ハンマリングによってコイルばね１０１は加振され、コイルばね１０１が音を発する。

ステップＳ１３は、ステップＳ１２のハンマリングによる加振によりコイルばね１０１から発した音をマイクロホン２５で集音する。マイクロホン２５は、集音したコイルばね１０１の音を電気信号に変換する。ばねの異音の評価装置がマイクロホン２５に代わって振動センサを備える場合には、振動センサにより検出したコイルばね１０１の振動を介して音の信号が得られる。

図４は、マイクロホン２５で集音したコイルばね１０１から発した音を示すグラフである。縦軸は電気信号に変換されて電圧単位で表示された音圧（Ｖ）であり、横軸は時間（秒）である。図４（ａ）は線間接触がない場合を示し、図４（ｂ）は線間接触が発生する場合を示している。コイルばね１０１は、約０．２秒の間隔、換言すると約５Ｈｚでハンマリングにより加振しているため、音圧の振幅に周期的な振動が見られる。これら図４（ａ）及び図４（ｂ）の音圧の波形を目視しても、図ｂ（ｂ）に含まれる線間接触による異音を特定するのは困難である。

図３のステップＳ１４は、ステップＳ１３においてマイクロホン２５で集音したコイルばね１０１の音の信号をデータ解析装置２６で解析する。図５は、データ解析装置２６で実行されるコイルばね１０１の音の解析の一連の工程を示すフローチャートである。

最初のステップＳ２１において、データ解析装置２６は、マイクロホン２５で集音したコイルばね１０１の振動音を高速フーリエ変換（ＦＦＴ）により処理する。コイルばね１０１の振動音に高速フーリエ変換を施すサンプリング期間は、ハンマリングによる加振を加えた時刻から０．０３秒が経過してから、０．１３秒までの０．１秒の期間に設定している。ハンマリングにより加振を加えた時刻から０．０３秒は、コイルばね１０１のハンマリングによる打撃音が減衰してコイルばね１０１が固有振動に移行するまで待機するものである。サンプリング期間の０．１秒間において、データ解析のために十分なデータが得られる。

図６は、線間接触が発生しないコイルばね１０１において、コイルばね１０１から発する音の時間変化を示すグラフである。図６（ａ）はハンマリングから５秒が経過するまでの振動音の音圧の時間変化を示している。図６（ｂ）は、ハンマリングから０．０３秒経過してから０．１秒が経過した０．１３秒までの期間を拡大したものである。図６（ｃ）は、ハンマリングから０．０３秒経過してから０．０１秒が経過した０．０４秒までの期間を拡大したものである。これらのうちで、図６（ｂ）に示した期間が、高速フーリエ変換を施すサンプリング期間に相当する。

図７は、線間接触が発生するコイルばね１０１において、コイルばね１０１が発する音の時間変化を示すグラフである。図７においても、図６と同様の時間軸の範囲について示した。図７（ａ）はハンマリングから５秒が経過するまでの振動音の音圧の時間変化を示している。図７（ｂ）は、ハンマリングから０．０３秒経過してから０．１秒が経過した０．１３秒までの期間を拡大したものである。図７（ｃ）は、ハンマリングから０．０３秒経過してから０．０１秒が経過した０．０４秒までの期間を拡大したものである。これらのうちで、図７（ｂ）に示した期間が、高速フーリエ変換を施すサンプリング期間に相当する。

図８は、線間接触が発生しないコイルばね１０１の振動音の音圧をサンプリング期間について高速フーリエ変換した周波数ごとのデータを示すグラフである。図８（ａ）は高速フーリエ変換したデータを３次元表示したものである。横軸はサンプリング期間にわたる時間であり、手前から奥側に向かう軸は周波数であり、縦軸は音圧である。図８（ｂ）は、図８（ａ）に３次元表示で示した高速フーリエ変換したデータを図８（ａ）中の矢印方向に見たグラフである。横軸は周波数であり、縦軸は音圧である。図８（ｂ）には、図８（ａ）で３次元表示したデータが重ねて表示されている。

図９は、線間接触が発生するコイルばね１０１の振動音の音圧をサンプリング期間について高速フーリエ変換した周波数ごとのデータを示すグラフである。図９（ａ）は高速フーリエ変換したデータを３次元表示したものである。横軸はサンプリング期間にわたる時間であり、手前から奥側に向かう軸は周波数であり、縦軸は音圧である。図９（ｂ）は、図９（ａ）に３次元表示で示した高速フーリエ変換したデータを図９（ａ）中の矢印方向に見たグラフである。横軸は周波数であり、縦軸は音圧である。図９（ｂ）には、図９（ａ）で３次元表示したデータが重ねて表示されている。

ステップＳ２２において、データ解析装置２６は、ステップＳ２１における高速フーリエ変換に続いて、高速フーリエ変換した周波数ごとのデータに基づいて、コイルばね１０１が、線間接触の発生しない正常品であるか、又は線間接触の発生する異常品であるかを判定する。

線間接触が発生しない図８のグラフと線間接触が発生する図９のグラフとを対比すると、例えば２ｋＨｚから１６ｋＨｚの周波数範囲において、線間接触が発生しない図８（ｂ）では音圧が略ゼロであるのに対し、線間接触が発生する図９（ｂ）では音圧の発生が見られる。コイルばね１０１を構成する材料の鉄が互いに衝突したときの打撃音が一般に数ｋＨｚの範囲にあることを考慮すると、線間接触が発生する図９（ｂ）の２ｋＨｚから１６ｋＨｚの周波数範囲に見られる音圧は、線間接触による打撃音による異音に相当する。人間が聞き取れる可聴周波数範囲は２０Ｈｚ～２０ｋＨｚとされ、特に４ｋＨｚ付近が敏感とされるため、線間接触は異音として聞き取られる。

データ解析装置２６は、例えば可聴周波数範囲に含まれる２ｋＨｚから１６ｋＨｚのような所定の周波数範囲において、例えば０．０１Ｖのような所定の音圧を超えるデータを線間接触による異音として特定する。ここで、音圧は、電気信号に変換されて電圧単位で表されている。そして、特定した異音に基づいて、コイルばね１０１が線間接触の発生しない正常品であるか、線間接触の発生する異常品であるかを判定する。例えば、異音を特定したコイルばね１０１を異常品であると判定し、異音を特定しなかったコイルばね１０１を正常品と判定してもよい。

ステップＳ２２では、このような判定の結果をデータベースなどの記録装置に格納する。記録装置は、データ解析装置２６に備えられていてもよいし、データ解析装置２６の外部に設置されていてもよい。これら記録装置に格納された判定の結果は、必要に応じて読み出される。

ステップＳ２２で正常品と判定されたコイルばね１０１は、製品として出荷される。一方、ステップＳ２２で、異常品と判定されたコイルばね１０１は、正常品から取り分けられ、製品として流出しないようにされる。

このように、本実施の形態のばねの異音の評価装置及び方法は、線間接触の発生しない正常品のコイルばね１０１と、線間接触の発生する異常品のコイルばね１０１とを検査員が関与することなく自動的に判定することができる。したがって、荷重試験機で圧縮したコイルばね１０１に検査員の身体が曝されるような異音試験の工程がなくなり、検査員の安全が確保される。

また、コイルばね１０１の正常品又は異常品の判定は、サンプリング期間で高速フーリエ変換したコイルばね１０１から発した音の周波数ごとのデータに基づいて判定している。したがって、異音試験のように検査員の聴覚に依存する官能検査によることがなく、判定の定量化及び標準化を図ることができ、ひいてはコイルばね１０１の品質を向上させることができる。さらに、コイルばね１０１へのハンマリングは、ハンマリング装置２１を用いることにより、一定の打撃力でコイルばね１０１に加振することを可能にしている。

本実施の形態のばねは、データ解析装置２６によって線間接触が発生しない正常品と判定されたものである。このようなばねは、その品質が保証され、自動車のサスペンションに用いられたとき、線間接触による異音が発生することがないため、静粛で快適な車内環境が実現される。近年普及している電気自動車（ＥＶ）では、駆動源がモーターであるため車内環境の静粛性が高まるが、線間接触による異音が発生しないばねは静粛性が確保されているため電気自動車に好適である。

なお、本実施の形態のばねの異音の評価装置におけるハンマリング装置２１に代わって、荷重試験機１０にコイルばね１０１に加振するためのバイブレーターを設けてもよい。バイブレーターは、荷重試験機１０に装着されたコイルばね１０１に加振することができるように、コイルばね１０１に取り付けられ、油圧、モーター、エアー、電磁駆動などによりコイルばね１０１に加振する。バイブレーターは、加振する振動の振幅、振動の周波数、振動の波形などを制御することができる。

バイブレーターを使用することにより、加振する振幅、振動の周波数、振動の波形を容易に制御することができ、コイルばね１０１が自動車のサスペンションに取り付けられたより実使用に近い条件で検査することができる。

この発明は、自動車のサスペンションに用いるコイルばねの製造に利用することができる。

１０ 荷重試験機
１１ 下部チャック
１２ 上部チャック
１５ ロードセル
２１ ハンマリング装置
２５ マイクロホン
２６ データ解析装置
１０１ コイルばね

Claims (20)

1. 自動車のサスペンションに用いるコイルばねの異音を評価するばねの異音の評価装置であって、
   荷重により圧縮されたばねについて、前記ばねから発する音を検出するためのセンサと、
   前記センサで検出されたばねの音の信号に高速フーリエ変換を施して周波数ごとの信号とし、前記周波数ごとの信号において前記ばねの線間接触による異音を特定することによりばねが正常品又は異常品のいずれであるかを判定するデータ解析装置と
   を含むばねの異音の評価装置。
2. 前記ばねから発する音を検出するセンサは、前記ばねの音を集音するマイクロホンである請求項１に記載のばねの異音の評価装置。
3. 前記ばねから発する音を検出するセンサは、前記ばねの振動を検出する振動センサである請求項１に記載のばねの異音の評価装置。
4. 前記周波数ごとの信号は、前記ばねの音の信号に対して前記ばねに加振した時刻を基準として設定されたサンプリング期間について高速フーリエ変換を施したものである請求項１から３のいずれか一項に記載のばねの異音の評価装置。
5. 前記サンプリング期間は、前記ばねに加振した時刻から所定の時間が経過した時刻から開始され、所定の時間にわたって継続する請求項４に記載のばねの異音の評価装置。
6. 前記ばねの線間接触による異音は、前記周波数ごとの信号において所定の周波数範囲に含まれる請求項１から５のいずれか一項に記載のばねの異音の評価装置。
7. 前記所定の周波数範囲は、可聴周波数範囲に含まれる請求項６に記載のばねの異音の評価装置。
8. ばねを装着し、ばねに荷重を与えて圧縮するばね圧縮装置をさらに含む請求項１から７のいずれか一項に記載のばねの異音の評価装置。
9. 前記ばね圧縮装置に装着されたばねにハンマリングを加えて加振するハンマリング装置をさらに含む請求項８に記載のばねの異音の評価装置。
10. 前記ばね圧縮装置に装着されたばねに加振する振動発生装置をさらに含む請求項８に記載のばねの異音の評価装置。
11. 前記ばね圧縮装置に装着されたばねに加えられた荷重を測定するロードセルをさらに含む請求項８から１０のいずれか一項に記載のばねの異音の評価装置。
12. 前記ばね圧縮装置に装着されたばねの高さの変位を測定する変位計をさらに含む請求項８から１１のいずれか一項に記載のばねの異音の評価装置。
13. 前記センサで検出された前記ばねの音の信号を記録する記録装置をさらに含み、前記データ解析装置は前記記録装置に記録されたばねの音の信号を解析する請求項１から１２のいずれか一項に記載のばねの異音の評価装置。
14. 自動車のサスペンションに用いるコイルばねの異音を評価するばねの異音の評価方法であって、
    荷重により圧縮されたばねについて、前記ばねから発する音を検出する工程と、
    前記検出されたばねの音の信号に高速フーリエ変換を施して周波数ごとの信号とする工程と、
    前記周波数ごとの信号において前記ばねの線間接触による異音を特定する工程と、
    前記検出した異音に基づいて前記ばねが正常品又は異常品のいずれであるかを判定する工程と
    を含むばねの異音の評価方法。
15. 前記周波数ごとの信号は、前記ばねの音の信号に対して前記ばねに加振した時刻を基準として設定されたサンプリング期間について高速フーリエ変換を施したものである請求項１４に記載のばねの異音の評価方法。
16. 前記線間接触に起因する異音は、可聴周波数範囲に含まれる所定の周波数範囲において検出される請求項１４又は１５に記載のばねの異音の評価方法。
17. 前記ばねに荷重を加えて圧縮する工程をさらに含む請求項１４から１６のいずれか一項に記載のばねの異音の評価方法。
18. 前記圧縮する工程で圧縮されたばねにハンマリングを加えて加振する工程をさらに含む請求項１７に記載のばねの異音の評価方法。
19. 前記圧縮する工程で圧縮されたばねに振動発生装置で加振する工程をさらに含む請求項１７に記載のばねの異音の評価方法。
20. 請求項１４から１９のいずれか一項に記載のばねの異音の評価方法において異音を評価された自動車のサスペンションに用いられるコイルばねであって、前記判定する工程において正常品と判定されてその品質が保証されたばね。

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