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ISO8041-1に準拠した鉄道座席快適性加速度計の校正

鉄道⾞両における乗客の快適性を確保するには、座席と背もたれの振動を計測・評価するための厳格な試験が必要です。これらの計測は、ISO 2631-1やISO 8041-1などの国際規格に準拠することで標準化され、信頼性が確保されています。座席快適性加速度計は、⾞両の動きとそれが⼈間の快適性に与える影響を正確に評価することを可能にします。実際の乗客の体験を反映した包括的な快適性指標を作成するには、座席快適性加速度計の校正が不可⽋です。CETESTは、Dewesoftのデータ収録＆解析技術を⽤いて、座席快適性加速度計を校正するための新しいプロセスを開発しました。

座席と背もたれの振動を計測・評価

モンドラゴン⼤学（バスク語︓Mondragon Unibertsitatea (MU)）は、1997年に正式に設⽴され認可された、バスク州にある非営利の協同組合の私⽴⼤学です。モンドラゴン・ゴイ・エスコラ・ポリテクニコア（MGEP）は、モンドラゴン社とモンドラゴン⼤学に統合された研究協同組合です。その研究モデルは、研究，トレーニング，開発およびイノベーション活動を統合しています。

MGEPの研究分野には、材料変換の⾼度なプロセス，機械的挙動と製品設計，新素材・先端材料，情報通信技術，組織，産業経営などが含まれます。MGEPの学生は企業でパートタイムで働く機会がありCETESTと共同研究することを選択しました。

CETESTはバスク州に拠点を置く試験・解析センターです。世界規模で試験，エンジニアリング，モニタリングサービスを提供しています。CETESTは、設計検証，モデル検証，開発試験，トラブルシューティング，故障診断などのサービスを提供する認定された独⽴試験機関です。

CETESTは、テストサービスを提供する独⽴企業として2007年に設⽴され、以来世界中の⼤⼿鉄道会社に対し新⾞や改修⾞両，コンポーネント，システムの規制承認プロセスを⽀援してきました。

課題：快適性テスト

鉄道⾞両の快適性試験は、列⾞の旅程における乗客の快適性と安全性を確保するために実施される包括的な評価です。この試験では、座席と背もたれの振動を正確かつ標準化して計測することの重要性が強調されています。

⾞両の挙動は、速度，積載量，サスペンション，路⾯状況，レイアウトなど、様々な要因によって左右されます。これらはすべて乗員の快適性に影響を与えます。そのため、国際規格に定められた方法に従い、各評価条件に応じた試験を実施しました。

これらの試験を実施するにあたり、シート快適性加速度計をはじめとする複数の専⽤計測機器を組み合わせ、⼈間の快適性知覚に影響を与える振幅を計測することで⾞両の動きを評価しました。これらの計測値を処理して快適性指数を算出し、⾞両振動への⼈間の曝露を評価しました。さらに、これらのセンサはISO 2631-1規格に準拠するために、ISO 8041-1に従って校正する必要があります。

DEWESoftの提案

使⽤されるハードウェアとソフトウェア

加速度基準センサ（ARS）
ARS⽤電源
加速度センサ（DUT）
垂直シェーカ
パワーアンプ
位置コントローラ
振動制御システム
キャリブレーションSW
データロガーSIRIUSe-HD-16xSTGS
収録&解析ソフトDEWESoftX

センサ設置

⾞両シートの振動試験を実験室で⾏うには、ISO 10326-1規格に従って加速度計を組み⽴て、校正のために取り付けディスクの中央にセンサを固定する必要があります。この⽀持台は規格で定められた寸法に従って設計し、センサを内部に配置するために規格の要件に従って3Dプリントしました。

図2.⾦属板上への加速度計の取り付け

図3.サポート内の加速度計の最終組み⽴て

加速度計がサポートに正しく取り付けられたら、図4の⻘で⽰されているように、これらのサポートをシートの背もたれに配置します。テストでは3軸の加速度を計測します。

図4.ISO 10326-1 に準拠した座席の背もたれ上の加速度計の位置

センサ信号計測

これらは3軸センサであり、各センサ軸ごとに解析を⾏うため、信号を3つの異なる出⼒に分割する必要があります。
これを実現するためのボックスを設計し、接続を⾏いました。（図5）

図5.センサは信号を３分割するためにボックスに接続

校正⼿順

私たちは、校正中のセンサを既知の補正値と不確実性を持つ以前に校正された加速度基準センサ (ARS) と比較する「サイドバイサイド」方式を使⽤してこの校正を実施しました。

基準加速度計に加えて、特定の振幅と周波数で振動するための校正テストベンチと、環境条件を記録するための温湿度計が必要でした。

計測チェーンは2つの部分で構成されています。まず、校正テストベンチを接続して組み⽴て、次にDewesoftXを使⽤して加速度計データを校正する必要があります。

キャリブレーションテストベンチでは、可動部品の上⾯にキャリブレーションするセンサを取り付け、サポートから取り外し、底⾯に参照センサを配置して、2本のネジで結合しました。 (図6)

図6.基準センサが校正テストベンチに取り付けられています

各センサを3軸で調整する必要があったため、調整ごとにセンサを3方向に取り付けました。 (図7)

図7.校正のために、X、Y、Z 方向に接着剤でセンサを取り付けました

校正⽤センサのコンディショニングとセンサ信号の読み取りには、校正テストベンチに取り付けたデータロガーSIRIUSを使⽤しました。各センサを校正するには、テスト中にセンサに接続されるのと同じ機器とチャネルを使⽤する必要があります。

SIRIUSは、ほぼあらゆる信号とセンサに対応する⾼性能な信号調整アンプを備えた多⽤途データ収録システムで、⾼いダイナミックレンジ（160dB）を保有しています。まず、SIRIUSに電源を供給し、USB経由でコンピュータに接続しPCでデータ解析を⾏います。（図8）

図8.SIRIUSの通信と電源

次に、各センサ軸の出⼒信号を対応するチャネルに接続します。

図9.センサの各軸はSIRIUSに接続

接続が完了したら、DewesoftXの⼈体振動（HBV）解析を使⽤してチャネルを設定する必要があります。快適性試験の適⽤場所に応じて重み係数を適⽤する必要があります。図10は、ISO 8041-1に準拠した、各⾞軸の着座乗員に適⽤される周波数重みを⽰しています。

図10.DewesoftXの⼈体振動 (HBV) 構成パネル

試験の実施に関する環境要件は、ISO 8041-1のパラグラフ13.2によって定められています。

計測

キャリブレーションは3つの部分に分かれています。まず、新しい感度を計算し次に振幅の直線性解析を⾏い、最後にセンサの周波数応答を計測します。

新しい感度の計算

校正の最初のステップは感度の調整です。そのためには、基準周波数と加速度でベンチを励起し、基準条件下でセンサが⽰すはずの理論的な応答と比較します。新しい感度値は、前回のキャリブレーションで記録された感度値に対する応答を計測し、参照値で予想される具体的な応答を知ることによって計算されます。

基準周波数における振幅の直線性

次に、振幅の直線性を確認するために、基準値の周波数を15.85Hzに保つ必要があります。加速度値を連続的に変化させ、各点におけるセンサ応答を記録します。センサに印加する励起は図11をご覧ください。

図11.振幅の直線性における励起

周波数応答

最後に、周波数応答を決定するには、加速度を基準値に維持し、周波数を変更して、図12に⽰すシーケンスを続⾏する必要があります。

図12.周波数応答における励起

計測結果

すべての計測が完了したら、センサの振幅と周波数応答の加重結果を記録します。図13と図14のグラフを参照してください。

図13.振幅直線性応答の加重結果

図14.周波数応答の加重結果

最後に計測値と振幅および周波数の直線性応答のさまざまな誤差を使⽤して、センサの感度，誤差，不確実性を計算します。

考察

市販のセンサは、コンプライアンス限界内で低周波数域でより良好な応答を⽰した可能性があります。しかし、⼊⼿可能なセンサは⾼価でした。そのため、加速度計の校正テストベンチが既に利⽤可能であったため、必要な⽀持台を設計し社内校正⼿順を定義するために、小型の3軸加速度計を探すという選択肢を検討しました。

この目的のために、ISO 10326-1に準拠してセンサを配置するための新しいサポートと、3つのチャネルを調整するための新しい接続ボックスを作成しました。

当社は、感度計算，基準周波数に対する振幅の直線性、および関連する不確実性計算を伴う周波数応答に関してISO 2631-1に準拠した新しい校正⼿順を定義および開発しました。

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