自動車のステイロッドを最適化するHBK計測技術

フォーミュラ・ステューデントには、FaSTDaチーム(ダルムシュタット応用科学大学のフォーミュラ・ステューデントチーム)をはじめ、世界各国の大学が参加しています。各チームは、構造、性能、コストの面で最高のレーシングカーを作ることができるかを競います。

チームは、内燃機関、電気駆動、自律走行車のカテゴリーで競い合います。学生にとってのメリット 自動車開発、生産、資金調達など、学問の枠を超えた実践的な経験を積むことができます。

チャレンジ

ダルムシュタット応用科学大学のフォーミュラ・スチューデント・チームは、フォーミュラ・スチューデント大会で優勝するために、ステイロッドの重量と耐荷重を最適化する必要がありました。

解決方法

ステイロッドにかかる実際の法線荷重と、シャーシの形状に基づく最大曲げ荷重容量を決定するため、学生たちはHBKひずみゲージ、データ収集システム、ソフトウェアを使用した計測セットアップを設計しました。

結果

HBKの精密で実績のある計測技術で得られた結果は、その後のステイロッドの軽量化設計のベースとなるものでした。

アプリケーション

この競技会の一環として、ダルムシュタットの学生たちは、特定のシャーシ部品であるステイロッドの重量と耐荷重の最適化に取り組みました。

ステイロッドは、自動車のホイールの位置合わせと安定化を行う部品で、シャーシとホイールに直接接続されています。ステイロッドは、シャーシに取り付けられた2つの球状のボタン、2つのステイロッドアーム、ボールジョイントが圧入されたいわゆる「A」からなり、完全な三角形のステイロッドを形成しています。

最初の課題は、ステイロッドにかかる実際の法線力荷重と、シャーシの形状に基づく最大曲げ荷重容量を決定されることになりました。この目的のために、学生たちはHBKひずみゲージ(SG)、HBKデータ収集システム、データの可視化と解析用のHBKソフトウェアを使用した計測セットアップを設計しました。

その後、用途に合わせた計測システムを車両に搭載し、さまざまな動作条件下でデータを収集・評価しました。その結果得られた知見は、ステイロッドの設計変更に関する判断材料としてチームに提供されることになった。

計測セットアップ

ステイロッドアームは、ひずみが最も明確に測定できるはずの弱点として特定されました。部品のひずみや圧縮などのあらゆる変形は、ひずみゲージの抵抗値の変化を引き起こし、それが負荷ひずみの変化として測定されます。

今回のテストシナリオでは、学生たちが以下を設置しました。

  • 引張・圧縮荷重を測定するために、ステイロッドに90°オフセットした2つのストレインゲージを取り付けました。
  • 曲げひずみを測定するために、ステイロッドの反対側に2つのひずみゲージを取り付ける。

必要な測定タスクと通常の環境条件に合わせて、リニア、ハーフブリッジ接続、自己補償型の標準的なひずみゲージを使用しました。

その後、ひずみゲージを配線し、予想される通常の力に対して校正を行いました。この校正の間、ひずみから生じる具体的な力の値が応力変化に割り当てられました。

 

 

 

Fig. 2: Linear strain gauges with half-bridge circuit for measuring strain due to tension/compression (r.) and bending strain (l.)

 

測定方法

ひずみゲージを取り付けたステイロッドを車両に戻した後は、できるだけ現実的な条件で計測を行い、もっともらしい結果を得ることができるようにしました。学生たちは、アスファルト舗装された路面やレイアウトがサーキットに似ているカート場で、天候に恵まれた理想的な条件のもと、計測走行を行いました。

そして、三角形のステイロッドに最大のひずみが生じるような3種類の走行シナリオを設定しました。

  1. サーキットを何周もする走行
  2. 最大加速と最大遅延を伴うスタート/ストップ運転
  3. ブレーキングを伴うコーナリング

測定値の取得と解析に、ダルムシュタット応用科学大学のフォーミュラチームは、定評あるHBK QuantumXデータ取得システムのコンポーネントとcatmanデータ取得ソフトウエアを使用しました。

 

このシリーズのひずみゲージアンプは、フルブリッジ、ハーフブリッジ、クォーターブリッジ構成のひずみゲージからの精密で信頼性の高い計測データ取得に特に適しており、ひずみや力の計測で周囲温度の影響がある場合には理想的な選択肢となります。QuantumX データレコーダとプリインストールされた catman ソフトウェアとの組み合わせにより、モバイルアプリケーションに適した高精度で信頼性の高いデータ収集システムを実現します。このシステムは、設定、視覚化、自動化、評価、データ管理、レポート作成など、すべての操作ステップで簡単に使用することができます。

結論

車両の運転中に測定された引張/圧縮および曲げ力の測定値を分析した結果、通常の力に関する値はもっともらしく、つまり実際にそのような形で存在するとわかりました。また、曲げひずみの測定では、ステイロッドにわずかな曲げ荷重がかかっていることがわかりました。

HBKの精密で実績のある測定技術によって得られたこれらの結果は、その後のステイロッドの軽量化設計対策の基礎とすることができるようになりました。

FaSTDa Racingについて

FaSTDa Racing は、2007年にダルムシュタット応用科学大学の熱心な学生たちによって設立された小さなグループです。2020年シーズンは、技術やビジネスなど幅広い専攻を持つ50名のメンバーで構成されています。各メンバーのスキルが互いに補完し合い、各コンポーネントが調和して効率的に機能し、8カ月間で高性能なレーシングカーをチームとして作り上げます。毎年、FaSTDa Racingは新メンバーを採用し、国際的なフォーミュラ・ステューデント大会に向けた準備を進めています。


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