ユーザ事例 | 丸紅情報システムズ株式会社

ノイズの低減は、現代的な自動車を設計する際の大きな要件です。パーツの素材的な特性を最適化するために、コンピュータによるシミュレーションが広く利用されています。ただし、これらのモデルの検証では、特にエアロパーツの場合に、依然として問題が残ります。冷却ファンは軽量かつ高いコスト効果を狙って生産されますが、空気力学的な負荷が加わった状態でのそれらの変形特性はきわめて複雑です。そのため、空気力学的な特性や素材的な特性の最適化という観点でそれらを設計するのは困難です。動作中のエンジンを冷却するためのファンの機械的な動作特性を探るには、高速かつ非接触の三次元測定技術が必要です。

2400rpmで回転している冷却ファンの全体的および局部的な三次元変位と三次元変形のデータが必要です。冷却ファンは動作速度が速く軽量な構造のため、非接触型の測定法のみを適用できます。さらに、各ブレードの局部的な三次元変形を特定するために、同時に取得される測定ポイントの数を増やし、結果を回転の補正を用いて表す必要があります。


三次元変位と三次元変形を測定する光学的システムであるPONTOSを使用して、2400rpmで回転する冷却ファンの動作特性を判別します。このシステムでは、キャリブレーションされたステレオカメラが冷却ファンの前に配置されています(図1)。冷却ファンはシンプルな固定具にマウントされています。光学的マーカを特定の測定ポイントのラベルとして使用します(図2)。これらの再帰反射型マーカは薄くて軽量であり、ブレードの表面に容易に付加することができ、その空気力学的な性能には影響しません。

図1: PONTOSセットアップ（画像をクリックすると拡大図がご覧になれます）	図2: 光学的マーカが付加されたファン（画像をクリックすると拡大図がご覧になれます）

最初に、静止しているファンの測定が1回行われ、各々の光学的マーカの三次元座標が自動的に計算されます。その後、ファンは2400rpmで動作します(ブレードの先端の速度は200km/h以上になります)。フレーム率480fpsおよびシャッタ時間25μsの高速な測定が200回行われます。ここではすべての測定ポイントを同時に捕捉することが重要です。二次元画像内のすべての測定ポイントは同時に記録されるため、使用するマーカの数は制限されません。各々の測定ポイントの三次元座標が計算されて、静止段階で定義された座標系に自動的に変換されます。このようにして、三次元変位およびブレードの変形が特定されます


図3: ファンの軸方向の変形 Animation (mpg, 7.2 MB) （画像をクリックすると拡大図がご覧になれます）	図4: ブレードの軸方向および接線方向の変形 Animation (mpg, 3.5 MB) （画像をクリックすると拡大図がご覧になれます）


以下の図はファンの変位と変形を示しています。最初に、軸方向の変位が一連の二次元画像に重ねられて表示されます(図3)。ブレードの先端部における最大の変形と、1回転あたり2つの最大値を特定できます。図4では、1つのブレードの局部的な変形を分析するために、軸方向の変位と接線方向の変位が静的な画像で視覚化されています。ブレードは軸方向に最大1.8mm曲がっていて、接線方向に最大0.8mm移動していることが明らかです。すべてのマーカのデータを同時に捕捉することにより、先端と末端の間を測定して、末端での最大0.8mmの振動によって引き起こされた振動ねじれ動作を示すことができます(図5)


図5: 軸方向の変形: 先端 ―末端の比較（画像をクリックすると拡大図がご覧になれます）

PONTOSを使用した光学的測定によって、空気力学的な負荷のメカニズムに影響を与えることなく、測定を容易に適用したり三次元変位や三次元変形を正確に分析することができます。結果は二次元画像で直感的に表されるため、この技術は動作中のファンの機械的な動作特性を分析する効率的なツールであるといえます。