自動車業界の振動試験事例

自動車で振動試験が重要な理由

自動車業界において、振動試験は欠かすことのできないものです。理由は、自動車の構造や動作環境にあります。自動車は振動をともなって動作する部品が搭載されています。また、走行中は常に振動による負荷を受け続けます。エンジンなど各部位からの振動に加え、走行による振動を受け続けるのです。

当然、各部品はその負荷に耐えうるものでなくてはなりません。自動車の場合、走行中に部品が破損してしまうと大きな事故につながってしまう恐れがあります。さらに、振動による揺れや音の影響で乗り心地にも影響が出るため、振動をおさえ快適に乗車できることも大切です。これらの理由から自動車業界では、振動試験が重要視されているのです。

自動車の振動試験事例

音と振動の連性解析事例

• 試験目的：正弦波掃引試験により、振動モードと音の関係を把握する。
• 対象品：制振材など
• 試験条件：振動数の下限と上限を決め、この振動数の間を一定の変化率で振動数を変化（掃引）させます。振動の強さは振動数に応じた加速度もしくは振幅で規定されます。
  使用試験設備：低騒音振動試験機、半無響室や低騒音室、音響分析アプリ（小野測器　Oスコープ2）

自動車の室内騒音の確認事例

• 試験目的：小型試験機を複数台使用し、車両走行振動を再現。室内騒音、内装キシミ音などを確認する。
• 対象品：完成車
• 試験条件：実測ロードノイズ：マイクロホン、着座での官能評価などでの音響評価を実施。

電気自動車用電池パックの振動試験事例

• 試験目的：実走行で取得したデータを基に、6自由度試験機を使用して電池パックの構造的検証を行う。
• 対象品：電気自動車用電池パック
• 試験条件：実走行で取得したデータを基に、6自由度試験機を使用して数日間の連続加振を実施した。上下振動×4データ　前後振動×2データ　左右振動×2データ。対象品の内外にひずみゲージ25カ所、加速度計20カ所を取りつけて測定を実施。

振動試験の主な種類とその特徴

正弦波振動試験

正弦波振動試験は、一定の周波数範囲で正弦波状の振動を加える試験です。この方法では、部品やシステムが特定の共振周波数に対してどのような影響を受けるのかを確認します。例えば、エンジンやトランスミッションの設計では、部品が共振による疲労破壊を起こさないよう、共振周波数の特定と対策が不可欠です。この試験では、振動台を使用して対象物に振動を与え、共振周波数やその影響を特定します。

ランダム振動試験

ランダム振動試験は、現実的な振動環境を模擬するために広範囲の周波数でランダムな振動を加える試験です。自動車は道路状況やエンジンの動作など、さまざまな要因からランダムな振動を受けるため、この試験は非常に現実的なシナリオを再現します。具体的には、振動のパワースペクトル密度（PSD）や総合実効値（RMS）を設定し、試験条件を厳密に管理します。この手法により、部品の耐久性や機能性の限界を正確に評価することが可能です。

衝撃試験

衝撃試験では、瞬間的に高い加速度を発生させることで部品やシステムの衝撃耐性を評価します。例えば、輸送中の衝撃や事故の衝撃を想定した試験が含まれます。この試験では、衝撃の加速度、持続時間、衝撃回数などが条件として設定されます。対象部品には、電子制御装置、バッテリー、またはサスペンション部品などが含まれます。この試験により、製品が瞬時に大きな力を受けた場合でも正常に機能するか、または破損しないかを確認します。

掃引振動試験

掃引振動試験は、周波数を一定の割合で連続的に変化させながら振動を与える試験です。この方法は、部品やシステムの共振点を特定し、さらにその周波数に対する耐久性を評価するために使用されます。例えば、エンジンマウントの設計では、振動エネルギーがどの周波数範囲で集中するかを特定することが重要です。この試験の結果は、設計改善のためのデータとして活用されます。

振動耐久試験

振動耐久試験では、長時間にわたり振動を加えることで、部品やシステムの耐久性を評価します。これは、長期間の使用による部品の劣化や疲労破壊を事前に特定するために行われます。特に、シャシー部品やボディ構造部品において、実際の使用条件を模擬した長期試験が重要です。この試験の結果は、製品寿命の予測や信頼性の向上に直結します。

振動試験の目的と試験データの活用

振動試験の目的は多岐にわたりますが、主に以下の3つに分類されます。

耐久性評価では、部品やシステムが長期間にわたり使用に耐えられるかを確認します。例えば、エンジンマウントが長時間の振動を受けても性能を維持できるか、または振動によるひび割れや脱落が発生しないかを検証します。

不具合の事前発見では、振動により発生する可能性のある問題を設計段階で発見し、対策を講じることができます。たとえば、振動試験によってケーブル接続部が緩むリスクや、電子部品が機能停止するリスクを特定することが可能です。

設計は、共振周波数の特定や振動抑制の方法をデータに基づいて改良することで、製品の性能向上が図られます。例えば、共振点を避けた設計変更やダンパー素材の選定に役立てられます。

振動試験のデータは、設計段階でのシミュレーションに活用されるほか、AI解析やデジタルツイン技術と組み合わせることで、さらなる効率化が可能です。これにより、製品の信頼性を高め、製造コストの削減にも貢献します。

振動試験に使用される設備と技術

振動試験機（シェーカーテーブル）

振動試験機は、対象物に正確な振動を加えるための装置です。1軸、3軸、6軸などの動作が可能であり、試験内容に応じて使用されます。電磁式の振動台は高周波数領域に適しており、油圧式は低周波数で高い振幅が必要な場合に利用されます。

データ収集システム

振動試験では、加速度センサー、変位センサー、ストレインゲージなどを使用してデータを収集します。これらのセンサーから得られるデータは、リアルタイムで試験装置と連携し、解析に使用されます。

その他の自動車試験

自動車の安全性能を確保するためには、様々な試験が実施されています。走行中の挙動を再現する振動試験や、部品単位の耐久試験、さらには環境条件（温度・湿度など）を変えた信頼性試験などもその一部です。その中でも特に、乗員の生命につながる「衝突試験」は、車両開発の初期段階から量産直前に至るまで、繰り返し行われる重要な試験項目です。

衝突試験には、前面・側面・後面といった多方向からの衝突を想定した試験があり、それぞれのシナリオに基づいて試験体が用意されます。加えて、近年では振動試験や走行中の実際のデータと組み合わせた複合的な解析も進められており、単なる「衝突の再現」にとどまらず、総合的な安全性評価へと進化しています。

ここでは、そうした衝突試験の中でも主要な「前面衝突試験」「側面衝突試験」「後面衝突試験」それぞれの試験方法および評価方法について解説します。具体的な事例や、振動試験との関連性も交えながら解説します。

衝突試験の目的と背景

自動車事故から乗員を守るための対策として、各種衝突試験が実施されています。政府機関や試験機関による客観的な評価をもとに、車両の設計改善が進められており、また、各メーカー間での共通の評価基準としても活用されています。

これらの試験は、安全エリアの確保やエネルギー吸収構造の検証、ダミー人形を用いた人体の衝撃評価など、多角的な視点から行われるのが基本です。

前面衝突試験

試験方法

試験車両の準備：試験用に標準化された車両を使用し、前面の構造部位（バンパーやフレーム、エンジンルーム等）の強度および変形挙動を評価するための準備を行います。

試験台のセッティング：試験車両は専用の試験台に固定され、想定される衝突速度や角度に基づいて試験が行われます。直線的な衝突だけでなく、角度を加えた条件でも実施され、実際の事故状況を再現することが目的です。

振動試験との関連性：前面衝突試験では、衝突時の振動の影響もあわせて評価されます。特に、急激な加速度変化や衝撃エネルギーの伝達によって生じる振動が車体に及ぼす影響を検証し、構造補強や吸収材の有効性を評価します。

評価方法

構造変形とエネルギー吸収：衝突後の車体の変形状況を観察し、設計されたエネルギー吸収部が正しく機能しているかを確認。実測データと数値解析を照合することで、各部材の応力分布や局所的な衝撃の集中度が分析されます。

人体模擬ダミーのセンサーデータ：試験ではダミー人形が用いられ、頭部・胸部・脚部などにかかる加速度や衝撃力が測定されます。これらの数値は基準値と比較され、乗員保護性能の検証や補強設計の改善に役立てられます。

側面衝突試験

試験方法

試験条件と衝突体の設定：側面衝突試験では、車両の側面に対して衝突体（平板状または形状を変えた試験体）が所定の速度で接近し、接触時の車体の挙動を観測。実際の交通事故で想定される側面衝突を再現するため、衝突の角度や位置にバリエーションを加えて試験が行われます。

センサー配置とデータ計測：車両の内外に高感度のセンサーを配置し、衝突瞬間における加速度や変位、振動などの特性を高精度で記録します。これにより、側面構造部材の耐衝撃性やエネルギー吸収能力を定量的に評価することが可能です。

評価方法

インパクトエネルギーの伝達評価：衝突によって生じるエネルギーがどのように分布・吸収されたかを分析し、特に側面のドア周辺など、乗員の近くに位置する構造の保護性能を評価。結果は、設計変更や補強が必要かどうかの判断材料として活用されます。

ダミーセンサーデータの解析：ダミー人形に加わった衝撃データを詳細に解析することで、乗員の怪我リスクや安全基準の達成状況が明確になります。これにより、車体構造の改善に向けた具体的なフィードバックが得られます。

後面衝突試験

試験方法

試験シナリオの構築：後面衝突試験では、後方からの衝撃を再現するため、車両後部に対して一定速度で接近する試験体が使用されます。試験の主なシナリオは、追突事故の状況を再現することに重点を置いています。

車両後部の構造評価：衝突の際に発生する車両後部の変形やクラックの有無を詳細に記録し、ブレーキシステムやリアガラス、トランク構造といった後部の設計が適切かどうかを評価します。

評価方法

エネルギー管理と変形解析：衝突時のエネルギーが車両後部でどのように分散・吸収されるかを解析。特に、後部構造の剛性や変形の挙動について数値的な評価を行い、追突事故時の安全性能を検証します。

乗員保護の評価：後部座席に座る乗員への影響について、ダミー人形に加わる衝撃データを用いて詳細な評価を行います。これにより、むち打ちなどの怪我リスクを最小限に抑えるための設計が施されているかが確認されます。

各試験に共通する評価手法

定量評価と定性評価の併用

センサーによって取得されたデータは、衝撃の加速度や変位量、荷重分布などを数値として記録し、客観的な定量評価に用いられます。これにより、衝突時のエネルギー吸収量や車体構造の応力集中点が明確になります。

一方で、実際の映像解析や専門家による目視確認も同時に行われ、車両の挙動や乗員の姿勢変化、構造部の破損状況などを多角的に捉えることが可能です。例えば、数値上は基準を満たしていても、実際には部品が外れかけている、もしくはダミー人形の姿勢が異常な方向に逸れているといった問題が可視化されるケースもあります。

事例に基づくフィードバック

実際の交通事故や過去の試験事例を参照し、試験結果が現実の事故シナリオにどの程度対応しているかが検証されます。これにより、試験結果の信頼性が高まり、改良ポイントの明確化につながります。

振動試験との連携

衝突試験単体ではなく、振動試験など他の自動車試験と組み合わせることで、車両全体の動的挙動や各部材の長期耐久性についても統合的に評価され、車両全体としてのバランスの取れた設計が可能になります。具体的には、走行時に路面から受ける微細な振動やエンジン、駆動系から発生する継続的な振動が、衝突時における構造の劣化や緩みにどう影響するかを事前に把握することが可能です。

これにより、衝突安全性が経年劣化や部材疲労により低下しないよう、より信頼性の高い設計が求められます。

試験結果の応用と今後の展望

試験結果は、各自動車メーカーや研究機関にとって、次世代車両の安全性向上のための重要なフィードバックです。特に、前面・側面・後面それぞれの衝突試験で得られた知見は、シミュレーションや実車開発における設計改善、さらには新たな安全基準の策定に寄与しています。これにより、乗員保護の技術進化は加速し、事故発生時の被害軽減に大きく貢献することが期待されています。

また、振動試験との統合評価により、日常走行時における車両の耐久性や走行安定性の向上も図られており、実際の事例が示すように、複合的な試験アプローチが安全性全体の向上に寄与している点は注目されるポイントです。

結論

自動車の衝突試験は、前面・側面・後面からの衝撃に対する車両構造の挙動と乗員保護性能を科学的に評価するための重要な検証手法です。各試験は独自の条件と評価基準を持ちながらも、振動試験などの他の試験との連動により、車両全体としての安全性を確保するための包括的なアプローチへと発展しています。

今後も、各事例に基づいた評価方法の改良と、新たな技術の導入により、自動車の安全性はさらに向上していくことが期待されます。

自社テストセンターへ導入？それとも受託試験？

試験例をみるとわかるように、自動車では振動試験の内容は多岐にわたり、自社ですべての装置をそろえるのはコストがかかります。必要となったときに自社の設備が常に空いているとも限りません。また、振動試験における高度な専門知識と広い知見をもった試験担当の技術者の育成も必要です。

よって、自社で試験設備・試験環境と技術者がそろっており、メンテナンスや導入にコストがかけられる場合はよいのですが、それが難しい場合は受託試験を行うのがおすすめです。

また、試験頻度が高い場合は自社で試験機や試験環境を準備し、試験実施したほうが低コストでできますが、試験頻度が高くない場合は受託試験を行ったほうが少ないコストで対応できます。