JP2006330917A - Method for designing shape of machine structure having rolling element - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は転動体を有する機械構造物の形状設計方法に関し、例えば、自動車の車輪用軸受であるハブ軸受等の転動体を有する機械構造物の形状設計方法に関する。 The present invention relates to a shape design method for a machine structure having rolling elements, for example, a shape design method for a machine structure having rolling elements such as a hub bearing that is a bearing for a wheel of an automobile.
図10は従来のハブ軸受の縦断面図である。この図10に示したハブ軸受は、車両の駆動輪に使用されているものであり、ハブホイール1と、複列転がり軸受2とを備えている。ハブホイール1は中空構造となっており、その外周面の軸方向中間部には径方向外向きのフランジ部11が鍛造により形成されており、中空孔40には所定の領域にスプラインが形成されている。フランジ部11よりも一方側(車両インナ側)の外周面には、複列転がり軸受2における他方側(車両アウタ側)の玉群22の内輪軌道面12が一体的に形成されている。中空孔40には、図示しない軸体がスプライン結合される。
FIG. 10 is a longitudinal sectional view of a conventional hub bearing. The hub bearing shown in FIG. 10 is used for a drive wheel of a vehicle, and includes a
複列転がり軸受2は、2列の軌道溝を有する単一の外輪21と、2列で配列される転動体としての複数の玉群22,24と、2つの保持器23と、シール26と、車両インナ側の玉群24に関する内輪25と、ハブホイール1に設けられている軌道面12とから構成されている。
The double
ハブホイール1の外周面には、複列転がり軸受2が取り付けられる。ハブホイール1の車両インナ側端部は、径方向外向きに屈曲されて複列転がり軸受2の内輪25の車両インナ側端面に対してかしめ付けられている。このかしめ部は、符号Aを付して示す。
A double
そして、ハブホイール1のフランジ部11に対して、パイロット部14によりガイドされてディスクブレーキ装置のディスクロータ4および図示しない車輪があてがわれて複数のボルト13によって装着される。また、複列転がり軸受2の外輪21に設けてある径方向外向きの取付片27が、車体5にボルト39にて固定される。
Then, the disc rotor 4 of the disc brake device and a wheel (not shown) are guided to the flange portion 11 of the
図10に示した自動車用ホイール軸受であるハブ軸受は、軸受の軽量化および軸受の低トルク化が求められている。軽量化を図ることで省資源を達成でき、低トルク化を図ることで燃費を削減できるからである。このために「月刊トライポロジー」(非特許文献1)には、フランジ部の厚みやつなぎ部の円弧半径などの寸法値を変化させて、有限要素法による解析技術を導入して応力解析・剛性解析を実施し、応力値,剛性,重量を満足する形状を試行錯誤により決定する方法について記載されている。 The hub bearing that is the wheel bearing for automobiles shown in FIG. 10 is required to reduce the weight of the bearing and reduce the torque of the bearing. This is because resource saving can be achieved by reducing weight and fuel efficiency can be reduced by reducing torque. For this purpose, “Monthly Tribology” (Non-Patent Document 1) introduces analysis technology using the finite element method by changing the dimensional values such as the thickness of the flange and the arc radius of the joint, and stress analysis and rigidity analysis. And a method for determining a shape satisfying the stress value, rigidity, and weight by trial and error is described.
ここで、有限要素法とは、計算機により構造物の変形や応力を解析するための近似解析手法であり、複雑な形状・性質を持つ物体を単純な小部分に分割することで近似し、全体の挙動を予測しようとするものである。 Here, the finite element method is an approximate analysis method for analyzing the deformation and stress of a structure by a computer, approximating by dividing a complex shape / property object into simple small parts. Is intended to predict the behavior of
構造物の最適形状を解析するために、従来より種々の方法が提案されており、例えば特開2002−7487号公報(特許文献1)には、複数の制約体積について、剛性を最大とする形状を検出し、各形状についてこれを評価するための応答量を検出して制約体積と応答量との相関関係を求め、この相関関係から、応答量が設計条件を満足する最小体積を検出することについて記載されている。 In order to analyze the optimum shape of a structure, various methods have been proposed in the past. For example, Japanese Patent Laid-Open No. 2002-7487 (Patent Document 1) discloses a shape that maximizes rigidity for a plurality of constrained volumes. Detecting the response amount for evaluating each shape and determining the correlation between the constrained volume and the response amount, and detecting the minimum volume that satisfies the design conditions from this correlation Is described.
特開2003−288373号公報(特許文献2)には、メッシュジェネレータやプリプロセッサなどのモデル作成ソフトにおいて、特定部分の単位形状モデルを作成する単位マクロ操作を定義する単位マクロファイルを事前に作成し、この単位マクロファイルを反復して実行することにより、複数の特定部分を有する形状モデルを作成する解析用形状モデルの作成方法について記載されている。
非特許文献1に記載されている方法では、ハブ軸受の何箇所かの形状を部分的に変化させているが、必要な箇所に材料を付け、不必要な箇所から材料を削ぐという部材の構造形態に関する検討が行われておらず、以前からあった形状あるいは何らかの初期形状を基礎として改良検討を加えているだけにすぎない。
In the method described in
このため、真に最適な形状が得られているわけではなく、さらなる最適化,軽量化が可能でありながら無駄な材料が肉として残った設定となっていた。特に、応力値,重量,剛性の要求レベルが厳しい場合は、目的を達成することができず、基本形状が適切ではないという問題がある。 For this reason, a truly optimal shape was not obtained, and it was possible to further optimize and reduce the weight, but wasteful material remained as meat. In particular, when the required levels of stress value, weight, and rigidity are severe, there is a problem that the objective cannot be achieved and the basic shape is not appropriate.
また、形状を変更するに当たっても何らかの根拠に基づき寸法を変更しているわけではなく、試行錯誤で寸法を離散的に変更して行くという方法であるため、得られた値は最適値ではない。得られた値は、ばらばらでいわゆる離散的であるため、最適値を捕らえていないということと、各部寸法が絡み合って複雑な応答になっている場合は、局所的な最適値しか求めていない場合があるという問題がある。すなわち、たとえ構造形態最適化を図った適切な形状であっても検討手法としては適切ではないため、従来方法では、真に最適な寸法を決定する方法にも問題がある。 Further, even when the shape is changed, the dimensions are not changed on the basis of some reason, but the method is such that the dimensions are changed discretely by trial and error, and thus the obtained value is not an optimum value. The obtained value is discrete and so-called discrete, so it does not capture the optimum value, and if each part dimension is intertwined and has a complicated response, only the local optimum value is obtained There is a problem that there is. That is, even if the shape is an appropriate shape designed to optimize the structure, it is not suitable as a study method. Therefore, in the conventional method, there is a problem with a method for determining a truly optimum dimension.
特許文献1,2に記載されている技術をハブ軸受の形状最適化設計に適用しても、精度のよい形態の最適化に関する検討を行うことができない。すなわち、ハブベアリングでは、相手面との取り付け状況によって応力や変位が大きく影響されるため、トポロジー最適化または領域形状最適化を行う際に、相手面との接触を考慮する必要があることと、鍛造により加工される部位に関しては、鍛造時の加工性を考慮した形状が創出されるように解析する必要があることと、トポロジー最適化または領域形状最適化により得られた形状は自由曲面となっており、加工できない、または加工に多大なコストがかかるため、加工しやすい近似形状に置き換える必要があり、近似形状に対して寸法最適化解析を実施する必要があること、さらにハブベアリングは熱処理により硬化された部位と、熱処理されずにもとのままの低い硬度である部位が混在しており、これを考慮した寸法最適化解析が必要であるという固有の事情がある。
Even if the techniques described in
そこで、この発明の目的は、経験によることなく最小体積で最大剛性を得ることができ、さらに応力が評価基準を満足できる転動体を有する機械構造物の形状設計方法を提供することである。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a shape design method of a machine structure having a rolling element that can obtain the maximum rigidity with the minimum volume without experience and that can satisfy the evaluation criteria.
この発明は、転動体を含む複数の要素を有する機械構造物の形状を求める形状設計方法であって、機械構造物の剛性の最大化および軽量化のためにトポロジー最適化または領域形状最適化を行って、機械構造物の構造形態最適化形状を求める工程と、求めた構造形態最適化形状を近似して基本形状を決定し、基本形状に対して寸法パラメータを設定し、設定した寸法パラメータと連動する有限要素解析を行って機械構造物の剛性の最大化および軽量化を達成するために寸法を決定する工程とを備える。 The present invention is a shape design method for obtaining the shape of a machine structure having a plurality of elements including rolling elements, and topology optimization or region shape optimization is performed to maximize the rigidity and weight of the machine structure. To obtain the structural form optimized shape of the machine structure, determine the basic shape by approximating the obtained structural form optimized shape, set the dimensional parameter for the basic shape, and set the dimensional parameter Performing a coupled finite element analysis to determine dimensions in order to achieve maximum stiffness and light weight of the mechanical structure.
トポロジー最適化または領域形状最適化と寸法パラメータに連動する有限要素解析とを行うことにより、経験によることなく最小体積で最大剛性を有する機械構造物を設計できる。 By performing topology optimization or region shape optimization and finite element analysis linked to dimensional parameters, it is possible to design a mechanical structure having a maximum volume and a minimum rigidity without experience.
好ましくは、構造形態最適化形状を求める工程は、機械構造物における初期形状の各要素のうち、形状の変更が可能な領域と、形状が変更不可能な領域とに分けて設定されるとともに、荷重,拘束の条件が設定されたことに応じて、トポロジー最適化または領域形状最適化を行うことを含む。これにより、形状の変更が可能な領域について最適形状を得ることができる。 Preferably, the step of obtaining the structural form optimization shape is set separately for each element of the initial shape in the mechanical structure, a region where the shape can be changed and a region where the shape cannot be changed, It includes performing topology optimization or region shape optimization in accordance with the setting of the load and constraint conditions. Thereby, the optimal shape can be obtained for the region where the shape can be changed.
好ましくは、構造形態最適化形状を求める工程は、均質化法,密度法あるいは力法などに基づく方法によりトポロジー最適化または領域形状最適化を行うことを含む。 Preferably, the step of obtaining the structural form optimized shape includes performing topology optimization or region shape optimization by a method based on a homogenization method, a density method, a force method, or the like.
好ましくは、転動体を有する機械構造物は、要素として相手部材に接触する円板状またはその一部を切欠いたフランジ部を含み、構造形態最適化形状を求める工程は、フランジ部に荷重を加えたときに相手部材とフランジ部とが接触している状態であることを考慮しながら、トポロジー最適化または領域形状最適化を行うことを含む。この場合、現行解析ソフトの能力上フランジ部の接触面側のメッシュ分割要素の1層分領域を形状の変更が不可能な領域として設定することにより、接触を考慮した解析が実施し易くなる。接触を考慮することで荷重が作用したときにロータとフランジ部とが変形により部分的に離反するモードを考慮して解析することができる。 Preferably, the mechanical structure having a rolling element includes a disk-like shape that contacts the mating member as an element or a flange portion that is partially cut away, and the step of obtaining a structure configuration optimized shape applies a load to the flange portion. In consideration of the fact that the mating member and the flange portion are in contact with each other, topology optimization or region shape optimization is performed. In this case, the analysis considering the contact can be easily performed by setting the area corresponding to one layer of the mesh dividing element on the contact surface side of the flange portion as the area where the shape cannot be changed due to the capability of the current analysis software. By considering the contact, the analysis can be performed in consideration of a mode in which the rotor and the flange part are partially separated by deformation when a load is applied.
好ましくは、転動体を有する機械構造物は、相手部材に接触する円板状またはその一部を切欠いたフランジ部と、フランジ部の一方側から延びるように形成された軸受部と、フランジ部から他方側に延びるように形成され、フランジ部の相手部材をガイドするパイロット部とを要素として含む車両用軸受であって、構造形態最適化形状を求める工程は、鍛造時の金型の抜けを考慮してパイロット内径部の奥に向うにつれて内径が小さくなるという条件と、同じく金型の抜けを考慮してフランジ部の非接触面部から軸受部へ向うにつれて内径が小さくなるという条件のもとでトポロジー最適化または領域形状最適化を行うことを含む。鍛造金型抜きのための勾配を考慮することで、車両用軸受を製造する上で、障害になるのを防止できる。 Preferably, the mechanical structure having the rolling elements includes a disc-shaped contact portion that contacts the mating member or a flange portion that is partially cut away, a bearing portion that is formed to extend from one side of the flange portion, and a flange portion. A bearing for a vehicle, which is formed to extend to the other side and includes a pilot part that guides a mating member of a flange part as an element. Topology under the condition that the inner diameter becomes smaller toward the inner part of the pilot inner diameter part and the condition that the inner diameter becomes smaller as it goes from the non-contact surface part of the flange part to the bearing part in consideration of the removal of the mold. Performing optimization or region shape optimization. Considering the gradient for forging die cutting, it is possible to prevent an obstacle in manufacturing a vehicle bearing.
好ましくは、車両用軸受は、相手部材とフランジ部との接触面と、フランジ部の一方面上で軸受から径方向に延びる複数のリブと、各リブの先端側に設けられるボルト孔と、軸受の軌道面およびシール部とを要素として含み、構造形態最適化形状を求める工程は、体積または質量を制約条件として、歪エネルギーまたはある点の変位などを目的関数として、トポロジー最適化または領域形状最適化を行うことを含み、寸法を決定する工程は、リブの幅と肉厚の寸法を最適化することを含む。 Preferably, the vehicle bearing includes a contact surface between the mating member and the flange portion, a plurality of ribs extending radially from the bearing on one surface of the flange portion, a bolt hole provided on a tip side of each rib, and a bearing The process of obtaining the optimized shape of the structure including the raceway surface and the seal part as the elements is to optimize the topology or the area shape using the volume or mass as a constraint condition and the strain energy or the displacement of a point as an objective function. The step of determining the dimensions including performing the optimization includes optimizing the dimensions of the rib width and wall thickness.
好ましくは、寸法を決定する工程は、求めた機械構造物の構造形態最適化形状から決定された基本形状に対して有限要素モデルを作成し、応力と剛性の解析を行い、各要素の寸法パラメータが変更されたことに対してメッシュ形状が変更できるようにモーフィングモデルを作成する工程と、各種最適化アルゴリズムを適用して各要素の寸法を最適化する工程とを含む。モーフィングモデルを作成することで、形状変更を容易に行うことができ、リブの厚肉部から薄肉部に至る傾斜面などの形状を任意に設定できる。 Preferably, in the step of determining the dimensions, a finite element model is created for the basic shape determined from the obtained structural form optimization shape of the mechanical structure, the stress and rigidity are analyzed, and the dimensional parameter of each element is determined. The method includes a step of creating a morphing model so that the mesh shape can be changed in response to the change of the shape, and a step of optimizing the size of each element by applying various optimization algorithms. By creating a morphing model, it is possible to easily change the shape, and it is possible to arbitrarily set a shape such as an inclined surface from the thick part to the thin part of the rib.
好ましくは、寸法を決定する工程において、熱処理により硬化された部位と、熱処理されないもとの柔らかい部位とに分けて応力の許容値を設定することを含む。 Preferably, the step of determining the size includes setting an allowable value of stress separately for a portion cured by heat treatment and an original soft portion not subjected to heat treatment.
この発明によれば、転動体を有する機械構造物の形状をトポロジー最適化または領域形状最適化とパラメータ最適化の2段階で行うことにより、経験によることなく最小体積で最大剛性を得ることができ、さらに応力が規格値を満足できる機械的構造物の形状を求めることができる。 According to the present invention, the maximum rigidity can be obtained with the minimum volume without experience by performing the shape of the machine structure having rolling elements in two stages of topology optimization or region shape optimization and parameter optimization. Furthermore, the shape of the mechanical structure that can satisfy the standard value of the stress can be obtained.
図1はこの発明の一実施形態における転動体を有する機械構造物の一例のハブ軸受に含まれるハブホイールを示す外観斜視図である。図1において、ハブホイール51の一方面である車両インナ側の中心部には、軸受部53が形成されており、強度を高めるために、ある幅と肉厚を有するリブ54が軸受部53の根元から径方向に延びるように、例えば4箇所に形成されている。各リブ54は内径側が厚肉部となっており、外径側の先端部が薄肉部になっている。各リブ54の先端側の薄肉部には、タイヤのホイールをハブホイール51にボルトとナットで締結するために、ボルト孔55が形成されている。
FIG. 1 is an external perspective view showing a hub wheel included in a hub bearing as an example of a mechanical structure having rolling elements according to an embodiment of the present invention. In FIG. 1, a
軸受部53には中空孔59が形成されているとともに、図10に示した複列転がり軸受の転動体などが接触する内輪軌道面56が軸受部53の周りの全周にわたって形成されている。リブ54から内輪軌道面56に至る箇所には、鍛造時の金型が抜けるように勾配が形成されている。勾配の一部に小さな段差が設定され、その部分が研磨されて図10に示したシール26が接触するシールランド57が形成されている。パイロット部62は円筒状に形成されている。リブ54や軸受部53などは、機械構造物の一例のハブホイール51における要素を構成している。
A
図2は構造形態最適化形状を求める前におけるハブホイールの初期形状を示す外観斜視図であり、(A)はフランジ部の一方面側から見た斜視図であり、(B)はフランジ部の他方面側から見た斜視図であり、図3は図2(A)に示す線A−Aに沿う縦断面図であり、(A)は断面をメッシュを付して示した図であり、(B)は後述の形状変更可能領域および形状不可能領域を示した断面図である。 FIG. 2 is an external perspective view showing an initial shape of the hub wheel before obtaining a structural form optimized shape, (A) is a perspective view seen from one side of the flange portion, and (B) is a perspective view of the flange portion. FIG. 3 is a perspective view seen from the other side, FIG. 3 is a longitudinal sectional view taken along line AA shown in FIG. 2 (A), (A) is a diagram showing the section with a mesh, (B) is sectional drawing which showed the below-mentioned shape changeable area | region and a shape impossible area | region.
この発明の一実施形態は、トポロジー最適化により図2に示したハブホイール51の初期形状から、剛性やたわみに影響の小さい不必要な肉を削ぐことで剛性の最大化および軽量化を図った構造形態最適化形状を求め、その後図面化し易いように基本形状を決定して、これに対してリブ54の肉厚や幅などの寸法パラメータを最適化して図1に示したハブホイール51の形状を決定することにある。
In the embodiment of the present invention, the rigidity is maximized and the weight is reduced by cutting unnecessary meat that has little influence on rigidity and deflection from the initial shape of the
このために図2に示したハブホイール51は、図1に示したリブ54を形成する前の初期形状をしている。すなわち、図2(A)に示すように、フランジ部52aは、肉厚のある平坦な円板状であって、形状は確定されていない。また、図3(B)に示すように、ディスクロータなどの相手面との取付の関係で、フランジ部52aのメッシュのうち厚み方向要素1列分であるフランジ部52bと、取付用ボルト孔55と、パイロット62は、形状を変更できない箇所であり、これらは荷重に対する負荷容量の関係で内輪軌道面56は形状を変更できない箇所であり、形状変更不可能領域として設定される。さらに、フランジ部52aのうち、図3(B)にクロスハッチで示す領域63と、中空孔59のうちのパイロット62側の内周面であるクロスハッチで示す領域64は形状変更可能領域として設定される。さらに、鍛造時の金型の抜けを考慮して、フランジ部52aは相手部材60との非接触面側において軸受部53へ向うにつれて内径が小さくなるという条件で図3(B)に示すB方向に、またパイロット内径部はパイロット62の内径部の奥に向うにつれて内径が小さくなるという条件で図3(B)に示すC方向に、それぞれ金型が抜け易いように設定される。
For this reason, the
図3(A)に示す中空孔59の一方端側は、図10で説明した内輪25と、かしめ部Aとを一体化して示されている。フランジ部52aの一部であるフランジ部52bと相手部材60との接触面にはギャップ要素61が定義されている。
One end side of the
このギャップ要素61は、ハブ軸受の解析のモデル化を行う上で、フランジ部52aと相手部材60とが接触状態であることを表現するために用いられる。接触状態を定義せずにハブ軸受を相手材料と一体であるまたは接触面が全く変形できないものとしてモデル化された場合には、適正な解析を行うことができない。
The
これは荷重が作用したとき、ハブホイール51のフランジ部52aと相手部材60とが離反すべきところが、拘束されてくっついた状態となり、実際の状態とは異なった解析結果となるためである。これを是正するために、ギャップ要素61を用いて接触解析を行う。ただし、図3ではフランジ部52aと相手部材60の間に隙間をつけて表示しているが、実際にはフランジ部52aと相手部材60は、距離が0であり、したがってギャップ要素61の長さは0である。ギャップ要素61は、両部材が離れるときは何の制約もしないが、接近するときはある剛性を持って反力を生ぜしめる。
This is because, when a load is applied, the
なお、接触解析にはギャップ要素61以外にも、非線形要素を用いるものや、マスタースレーブ法などがあり、これらの方法を用いてもよいが、この発明の一実施形態では、ギャップ要素61を用いて接触を考慮したトポロジー最適化を行っている。
In addition to the
また、前述したように、図3(A),(B)において、フランジ部52aの一部であるフランジ部52bは、形状変更不可領域として定義されている。
In addition, as described above, in FIGS. 3A and 3B, the
図3(A)において、軸受部53の一方側および他方側における軌道面肩部には、軸受部53に荷重を加えたときのハブホイール51のたわみを測定するために一例として、測定点y1,y2が規定されている。これらの測定点y1,y2の変位の差は傾きとして求められる。その傾き角θは、y1,y2間の間隔Lに対して変位量δからtanδ/Lで求められる。なお、測定点y1,y2を軸受部53の中空孔59の中心軸に対して周方向に90度ずつずれた4箇所に設けて、それぞれの測定点でたわみを測定してもよい。
In FIG. 3 (A), a measurement point y1 is used as an example for measuring the deflection of the
図4はこの発明の一実施形態における転動体を有する機械構造物の形状設計方法を実現するための制御装置のブロック図である。図4において、制御装置70は制御部71に接続された入力部72と、表示部73と、印刷部74とを含む。制御部71は形状設計方法を実現するためのプログラムを実行するものであり、入力部72は各種条件などを入力するためのマウスやキーボードを含む。表示部73はハブホイール51の初期形状や演算されて形成されたモデル画像などを表示し、印刷部74はそのモデル画像などを印刷する。
FIG. 4 is a block diagram of a control device for realizing a shape design method for a machine structure having rolling elements according to an embodiment of the present invention. In FIG. 4, the
図5はこの発明の一実施形態における構造物の形状設計方法を実行するためのフローチャートである。 FIG. 5 is a flowchart for executing a structure shape designing method according to an embodiment of the present invention.
制御部71は、図5に示すフローチャートに基づくプログラムを実行すると、表示部73に図2および図3に示したハブホイールの初期形状や断面形状の画像を表示するとともに、オペレータが各種項目について情報を入力部72から入力可能なように表示する。オペレータはその表示を見て、図5に示すステップ(図示ではSPと略称する)SP1,SP2において、入力部72を操作して形状の変更が不可能な領域と可能な領域とを設定する。
When the
すなわち、図2に示したハブホイール51では、図3(A)のメッシュに対して図3(B)で説明したように形状変更可能領域と形状変更不可能領域とを設定する。ステップSP3において、オペレータは、荷重条件,拘束条件,接触条件および鍛造抜き勾配を設定する。荷重条件として路面からハブホイール51に加わる入力荷重を定義し、接触条件として図3に示した相手部材60と、フランジ部52aとの接触部にギャップ要素61を定義する。このとき、現状の解析ソフトの能力から図3(A)で説明したように相手部材60とフランジ部52aとの接触部分におけるフランジ部52a側の要素1列分(フランジ厚み方向に1要素分)は形状変更が不可能な領域とする。また、図3(B)で説明したようにフランジ部52aはB方向に、パイロット62の内径部はC方向に型抜き方向を設定する。
That is, in the
ステップSP4において、目的関数として剛性最大化関数(たわみ角最小化)および歪エネルギー最小化を定義し、制約条件として部材の体積または質量を規定する。さらに、回転対称性を考慮するために、ボルト孔55ごとの軸受部53の中空孔59の軸を中心にして周方向の対称性を考慮する。例えば、ボルト孔55を4個設ける場合には、各ボルト孔55はハブホイール51の他方面に周方向に90度ごとの間隔で設けられる。これらの定義付けがされた後、制御部71は、ステップSP5において、均質化法に基づく方法や、力法に基づく方法によりトポロジー最適化解析または領域形状最適化を行って基本形状を求める。
In step SP4, a stiffness maximizing function (deflection angle minimization) and strain energy minimization are defined as objective functions, and the volume or mass of the member is defined as a constraint condition. Furthermore, in order to consider the rotational symmetry, the symmetry in the circumferential direction is taken into consideration about the axis of the
ここでトポロジー最適化解析とは、空間内に最適な構造形態をとる位相形状を得る手法を云い、どのように部材を配置すれば最適な構造になるかを求める解析である。解析対象よりやや大きめの空間を設定し、必要な箇所を抜出していく方法である。領域形状最適化解析も、目的とするところはトポロジー最適化と同じであるが、構造物の領域(形状)を変化させて求める点がトポロジー最適化解析と異なる。 Here, the topology optimization analysis refers to a technique for obtaining a phase shape having an optimal structure form in a space, and is an analysis for determining how members are arranged to obtain an optimal structure. This is a method of setting a space that is slightly larger than the analysis target and extracting the necessary parts. The area shape optimization analysis is also the same as the topology optimization, but is different from the topology optimization analysis in that it is obtained by changing the region (shape) of the structure.
トポロジー最適化手法としては、例えばBendsoe,M.P.and Kikuchi,N.,“Generating optimal topologies in structural design using a Homogenization method”,Comput.Methods Appl.Mech Engrg.,71(1988).pp.197−224によって提案された均質化法に基づく方法がある。また、力法による最適化手法として、例えば、畔上秀幸,呉志強“線形弾性問題における領域最適化解析(力法によるアプローチ)”、日本機械学界論文集A編,60(578),1994,pp.2312−2318.がある。 As a topology optimization method, for example, Bendsoe, M. et al. P. and Kikuchi, N .; , “Generating optimal topologies in structural design a homogenization method”, Comput. Methods Appl. Mech Engrg. 71 (1988). pp. There is a method based on the homogenization method proposed by 197-224. Moreover, as an optimization method by the force method, for example, Hideyuki Kurakami, Shishi Kure, “Area Optimization Analysis in Linear Elasticity Problem (Approach by Force Method)”, Japanese Society of Mechanical Science, A, 60 (578), 1994, pp. 2312-2318. There is.
さらに、トポロジー最適化を行うために、OptiStruct(Altair Engineering),OptiShape(くいんと),GENESIS(VDOC),NASTRAN(エムエスシー)、領域形状最適化を行うためにOptiShape(くいんと)などのソフトウェアを使用することができる。 Furthermore, in order to perform topology optimization, software such as OptiStruct (Altern Engineering), OptiShape, GENESIS (VDOC), NASTRAN, and OptiShape for area shape optimization are used. Can be used.
図6はトポロジー最適化を説明するために、制約条件として体積を変化させたときの図であり、図7はハブホイールの体積比とたわみとの関係を示す図である。 FIG. 6 is a diagram when the volume is changed as a constraint condition in order to explain the topology optimization, and FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the volume ratio of the hub wheel and the deflection.
図6(D)に示したハブホイール51の体積比を1とする。これに対して図6(A)は体積比が1.15、図6(B)は体積比が1.0、図6(C)は体積比が0.85となるようにハブホイール51の余肉部を削ぐとともに剛性の向上を図っている。図6(A)〜(C)は図面の作図上直線で表しているが、実際には曲面形状である。
The volume ratio of the
また、図7の横軸は体積比を示し、縦軸はたわみを示している。図7におけるa〜cは、それぞれ図6(A)〜(C)に示した各形状のハブホイール51の体積比に対するたわみの値を示している。図6(B)と(D)とを比べると体積比は同じであるが、図6(B)の方がたわみの小さい好ましい形状になっている。
In addition, the horizontal axis of FIG. 7 indicates the volume ratio, and the vertical axis indicates the deflection. In FIG. 7, a to c indicate deflection values with respect to the volume ratios of the
図6および図7から明らかなように、体積比が小さくなるほどたわみの値が大きくなっている。このたわみは図3で説明したように、測定点y1,y2の変位の差である。リブ54の肉が削がれて薄肉部および厚肉部の肉厚が薄くされかつ幅が狭くして軽量化されると、たわみが大きくなっており、剛性が弱くなっていることがわかる。たわみが所定の値以下にならないように余肉部の肉を削ぎ、剛性を向上させてトポロジーの最適化が図られる。この実施形態では、重量はそのままで剛性を図6(D)の現行形状以上にすることを目的としたため、最終的に得られたハブ軸受51の形状は図6(B)とした。 As is apparent from FIGS. 6 and 7, the value of deflection increases as the volume ratio decreases. This deflection is a difference in displacement between the measurement points y1 and y2 as described with reference to FIG. It can be seen that when the thickness of the thin portion and the thick portion is reduced by reducing the thickness of the thin portion and the thick portion, and the width is reduced to reduce the weight, the deflection is increased and the rigidity is reduced. The thickness of the surplus portion is shaved so that the deflection does not become a predetermined value or less, the rigidity is improved, and the topology is optimized. In this embodiment, the purpose is to make the rigidity equal to or more than the current shape of FIG. 6D without changing the weight, so the finally obtained hub bearing 51 has the shape of FIG. 6B.
図6(B)に示したトポロジー最適化解析で得られる構造形態最適化形状は一般に複雑であり、自由曲面となっているため、そのままの形状に加工するのは困難である。このため、オペレータはステップSP6において、図6(B)の形状をベースに加工し易いように平面や円筒面や円錐面で近似した形状を求め、これを基本形状として決定する。ステップSP7において、決定した基本形状は、3次元CADの画像として表示部73に表示される。このとき必要に応じて印刷部74で印刷を行ってもよい。
The structural form optimized shape obtained by the topology optimization analysis shown in FIG. 6B is generally complicated and is a free-form surface, so that it is difficult to process the shape as it is. For this reason, in step SP6, the operator obtains a shape approximated by a flat surface, a cylindrical surface, or a conical surface so as to be easily processed based on the shape of FIG. 6B, and determines this as a basic shape. In step SP7, the determined basic shape is displayed on the
前述のステップSP6において、基本形状を平面と円筒面などで近似したことにより、最適値から外れてしまうため、各部の寸法を適宜変更し、最適な寸法を求める。すなわち、ステップSP7における寸法最適化解析用メッシュモデルの作成と連動して、ステップSP8において、オペレータは変更する寸法と変更しない寸法を決定する。 In step SP6 described above, since the basic shape is approximated by a flat surface and a cylindrical surface and the like is deviated from the optimum value, the dimensions of each part are appropriately changed to obtain the optimum dimensions. That is, in conjunction with the creation of the mesh model for size optimization analysis in step SP7, in step SP8, the operator determines the size to be changed and the size not to be changed.
ステップSP9において、ステップSP8で決定した寸法変更箇所に対して、これにモーフィング技術を適用し、厚みなどの設計変数に対して形状を可変させられるモーフィングモデルを作成する。 In step SP9, the morphing technique is applied to the dimension change portion determined in step SP8 to create a morphing model whose shape can be varied with respect to design variables such as thickness.
図8はモーフィングモデルの一例を示しており、リブ54の先端部からシールランドまでの薄肉部と厚肉部との斜面の断面を示したものであり、(A)はリブ54の斜面を膨らませたものであり、(B)は斜面を平坦にしたものであり、(C)は斜面を凹ませたものである。このように、モーフィングモデルは、既存のメッシュモデルを利用して容易にメッシュの変更を行うことができる。このようなモーフィングモデルは、例えばMeshWorks/Morpher(茨城日立情報サービス)、HyperMorph(Altair Engineering),Sofy(エムエスシー)などのモーフィングソフトを用いて作成することができる。
FIG. 8 shows an example of a morphing model, which shows a cross section of a slope between a thin wall portion and a thick wall portion from the tip portion of the
ステップSP10において、オペレータは作成したモーフィングモデルに関して荷重条件や拘束条件などを定義し、有限要素解析用モデルを作成する。そして、ステップSP11において、例えば、ABAQUS(アバカス)、Marc(エムエスシー),NASTRAN(エムエスシー)などの有限要素解析ソフトを用いて各部の応力と変位を計算して構造解析を実行する。有限要素解析では、接触などを考慮した非線形解析を行い、大規模問題には領域分割法を用いてもよい。 In step SP10, the operator defines a load condition, a constraint condition, and the like for the created morphing model, and creates a finite element analysis model. In step SP11, the structural analysis is performed by calculating the stress and displacement of each part using finite element analysis software such as ABAQUS, Marc, and NASTRAN. In finite element analysis, non-linear analysis considering contact and the like may be performed, and a domain decomposition method may be used for large-scale problems.
ステップSP12において解析結果を得ると、その結果を取込み、HyperStudy(Altair Engineering),iSIGHT(エンジニアス),Optimus(サイバネット)などの寸法最適化ソフトにより、ステップSP13において、寸法が最適化されたか否かを判別する。 When the analysis result is obtained in step SP12, the result is taken in, and whether or not the size is optimized in step SP13 by size optimization software such as HyperStudy (Altern Engineering), iSIGTH (Engineering), Optimus (Cybernet), or the like. Is determined.
最適化されていなければステップSP14において、最適化手法により寸法の変更を行う。最適化手法のアルゴリズムとして、数理的手法,応答曲面法などの近似的手法、実験計画法,遺伝的アルゴリズム(GA)シミュレーテッドアニーリング(SA)などの探索的手法が適用できる。変更した寸法をステップSP9でモーフィングモデルに反映させ、以下ステップSP10〜ステップSP14を繰り返す。図9は、7つの寸法パラメータh,b,y1,x2,y2,x3,y3を設定する場合の例である。 If not optimized, in step SP14, the dimensions are changed by an optimization method. As an algorithm of the optimization method, a mathematical method, an approximate method such as a response surface method, an experimental design method, a search method such as a genetic algorithm (GA) simulated annealing (SA) can be applied. The changed dimensions are reflected in the morphing model in step SP9, and the following steps SP10 to SP14 are repeated. FIG. 9 shows an example in which seven dimension parameters h, b, y 1 , x 2 , y 2 , x 3 , y 3 are set.
図9において、(A)はハブホイールを半分に切断して表したモデルの外観斜視図であり、(B)は(A)に示したリブの厚肉部から先端部の薄肉部までのモデルを上から見た図であり、(C)は(A)に示したリブの厚肉部から先端部の薄肉部までのモデルの勾配の断面図であり、(D)は(A)に示したリブ54の厚肉部から先端部の薄肉部にいたるモデルの勾配部分を抽出した一部破断斜視図である。図9において、半分に切断したモデルを用いたのは計算量を減らして解析するためであり、対称性がある場合は、通常このような手法を用いる。
9A is an external perspective view of a model in which the hub wheel is cut in half, and FIG. 9B is a model from the thick part of the rib to the thin part of the tip shown in FIG. (C) is a cross-sectional view of the gradient of the model from the thick portion of the rib shown in (A) to the thin portion of the tip, and (D) is shown in (A). FIG. 6 is a partially broken perspective view in which a gradient portion of a model from a thick portion of the
寸法パラメータhは図9(C),(D)に示すようにリブ54の先端部における薄肉部の高さであり、寸法パラメータbは図9(B),(D)に示すようにリブ54の半分の幅であり、寸法パラメータf0は図9(B)に示すようにリブ54の厚肉部接線端点であって固定値である。寸法パラメータf1〜f8は図9(D)に示すようにリブ54における厚肉部から薄肉部までの各部の値である
寸法パラメータf1〜f6の括弧内の記号xnはX軸上の高さを示し、ynはリブ54のY軸上の位置を示している。X4,Y4はシールランド57から連なる段部における予め定められた固定値である。入力部12から固定値であるf0,X4,Y4を入力すると、ステップSP10〜SP14の処理により、7つの寸法パラメータh,b,y1,x2,y2,x3,y3が設定され、寸法パラメータf1〜f8が決められるので、リブ54の薄肉部や厚肉部における形状が決められる。
The dimensional parameter h is the height of the thin portion at the tip of the
また、図9(A)に示すように軸受部53の内輪軌道面56とシールランド57との表面は、クロスハッチで示す焼入れ領域58として定義されており、その他の領域は非焼入れ領域として定義されている。最適化の制約条件として応力の上限の値を求める場合があるが、焼入れ領域58には非焼入れ領域に対して相対的に高い許容応力を設定し、材料の能力を最大に使い切るようにする。
Further, as shown in FIG. 9A, the surfaces of the inner
ステップSP13において、設定された寸法パラメータにより形状が最適と判定されるとステップSP10における有限要素解析入力モデルが最適形状として決定されて出力される。 In step SP13, when it is determined that the shape is optimal based on the set dimensional parameters, the finite element analysis input model in step SP10 is determined and output as the optimal shape.
上述のごとく、この実施形態によれば、形状の最適化をトポロジー最適化とパラメータ最適化の2段階で行うことにより、経験によることなく、ハブホイール51のリブ54の幅や厚みを決定して最適形状を求めることができる。これにより、余分な肉を削ぐことができ、軽量化を図りながら最小体積で最大剛性を得ることができ、さらに応力が規格値を満足できるハブホイール51を得ることができる。
As described above, according to this embodiment, the width and thickness of the
なお、上述の説明では、この発明をハブホイール51の最適形状を求める場合に適用したが、これに限ることなく、その他の等速ジョイント,ロッカーアームなどのように転動体を有し、複数の要素を有する機械構造物の最適形状を求める場合にも適用することができる。
In the above description, the present invention is applied to the case where the optimum shape of the
以上、図面を参照してこの発明の実施形態を説明したが、この発明は、図示した実施形態のものに限定されない。図示された実施形態に対して、この発明と同一の範囲内において、あるいは均等の範囲内において、種々の修正や変形を加えることが可能である。 As mentioned above, although embodiment of this invention was described with reference to drawings, this invention is not limited to the thing of embodiment shown in figure. Various modifications and variations can be made to the illustrated embodiment within the same range or equivalent range as the present invention.
この発明の転動体を有する機械構造物の形状設計方法は、自動車用軸受であるハブ軸受におけるハブホイール,等速ジョイント,ロッカーアームなどの設計に利用される。 The shape design method for a mechanical structure having rolling elements according to the present invention is used for designing a hub wheel, a constant velocity joint, a rocker arm and the like in a hub bearing which is a bearing for an automobile.
51 ハブホイール、52,52a フランジ部、53 軸受部、54 リブ、55 ボルト孔、56 内輪軌道面、57 シールランド、58 焼入れ領域、59 中空孔、60 相手部材、61 ギャップ要素、62 パイロット、70 制御装置、71 制御部、72 入力部、73 表示部、74 印刷部。 51 Hub wheel, 52, 52a Flange part, 53 Bearing part, 54 Rib, 55 Bolt hole, 56 Inner ring raceway surface, 57 Seal land, 58 Hardened area, 59 Hollow hole, 60 Mating member, 61 Gap element, 62 Pilot, 70 Control device, 71 control unit, 72 input unit, 73 display unit, 74 printing unit.
Claims (8)
前記機械構造物の剛性の最大化および軽量化のためにトポロジー最適化または領域形状最適化を行って、前記機械構造物の構造形態最適化形状を求める工程と、
前記求めた構造形態最適化形状を近似して基本形状を決定し、前記基本形状に対して寸法パラメータを設定し、設定した寸法パラメータと連動する有限要素解析を行って前記機械構造物の剛性の最大化および軽量化を達成するために寸法を決定する工程とを備える、転動体を有する機械構造物の形状設計方法。 A shape design method for obtaining a shape of a machine structure having a plurality of elements including rolling elements,
Performing topology optimization or area shape optimization for maximizing rigidity and weight reduction of the mechanical structure to obtain a structural form optimized shape of the mechanical structure;
The basic shape is determined by approximating the obtained structural form optimization shape, dimensional parameters are set for the basic shape, and finite element analysis is performed in conjunction with the set dimensional parameters to determine the rigidity of the mechanical structure. A method for designing a shape of a machine structure having rolling elements, the method comprising: determining a dimension to achieve maximization and weight reduction.
前記構造形態最適化形状を求める工程は、前記フランジ部に荷重を加えたときに前記相手部材と前記フランジ部とが接触している状態であることを考慮しながら、前記トポロジー最適化または前記領域形状最適化を行うことを含む、請求項1から3のいずれかに記載の転動体を有する機械構造物の形状設計方法。 The mechanical structure having the rolling elements includes a disk-like shape that contacts a mating member as the element or a flange portion in which a part thereof is cut out.
The step of obtaining the structural form optimized shape is performed in the topology optimization or the region while considering that the counterpart member and the flange portion are in contact with each other when a load is applied to the flange portion. The shape design method for a machine structure having a rolling element according to claim 1, comprising performing shape optimization.
前記構造形態最適化形状を求める工程は、鍛造時の金型の抜けを考慮して前記パイロット内径部の奥に向うにつれて内径が小さくなるという条件と、前記フランジ部の非接触面部から前記軸受部へ向うにつれて内径が小さくなるという条件のもとで前記トポロジー最適化または前記領域形状最適化を行うことを含む、請求項1から4のいずれかに記載の転動体を有する機械構造物の形状設計方法。 The mechanical structure having the rolling element includes a disc-shaped contact portion that contacts the mating member or a flange portion that is partially cut away, a bearing portion that is formed to extend from one side of the flange portion, and the flange portion. A vehicle bearing that is formed to extend to the other side and includes a pilot portion that guides a mating member of the flange portion as the element;
The step of obtaining the structure configuration optimized shape is based on the condition that the inner diameter becomes smaller toward the inner side of the pilot inner diameter part in consideration of the detachment of the mold at the time of forging, and the bearing part from the non-contact surface part of the flange part The shape design of the machine structure having a rolling element according to claim 1, wherein the topology optimization or the region shape optimization is performed under a condition that an inner diameter becomes smaller toward the head. Method.
前記構造形態最適化形状を求める工程は、前記フランジ部の接触面と前記軸受の軌道面およびシールと前記ボルト孔とパイロットとを形状の変更が不可能な領域として設定され、前記フランジ部の非接触面側を形状の変更が可能な領域として設定され、体積または質量を制約条件として、歪エネルギーまたはある点の変位などを目的関数として、前記トポロジー最適化または前記領域形状最適化を行うことを含み、
前記寸法を決定する工程は、少なくとも前記フランジ部のリブの幅と肉厚寸法を最適化することを含む、請求項5に記載の転動体を有する機械構造物の形状設計方法。 The vehicle bearing includes a contact surface between the mating member and the flange portion, a plurality of ribs extending in a radial direction from the bearing on one surface of the flange portion, and a bolt hole provided on a distal end side of each rib. And the raceway surface and the seal portion of the bearing as the element,
In the step of obtaining the optimized shape of the structure, the contact surface of the flange portion, the raceway surface of the bearing, the seal, the bolt hole, and the pilot are set as regions in which the shape cannot be changed. The contact surface side is set as a region where the shape can be changed, and the topology optimization or the region shape optimization is performed using the volume or mass as a constraint condition and the strain energy or the displacement of a certain point as an objective function. Including
6. The shape design method for a machine structure having rolling elements according to claim 5, wherein the step of determining the dimensions includes optimizing at least the width and thickness of the ribs of the flange portion.
前記求めた機械構造物の構造形態最適化形状における各要素の寸法パラメータが変更されたことに応じて、前記基本形状に対して有限要素モデルを作成し、応力と剛性解析を行い、前記寸法パラメータが変更されたことに対してメッシュ形状が変更できるようにモーフィングモデルを作成する工程と、
各種最適化アルゴリズムを適用して前記各要素の寸法を最適化する工程とを含む、請求項1から6のいずれかに記載の転動体を有する機械構造物の形状設計方法。 Determining the dimensions comprises:
A finite element model is created for the basic shape in response to a change in the dimensional parameter of each element in the structural form optimized shape of the obtained mechanical structure, stress and stiffness analysis is performed, and the dimensional parameter Creating a morphing model so that the mesh shape can be changed in response to
A method for designing a shape of a machine structure having rolling elements according to any one of claims 1 to 6, including a step of optimizing the dimensions of each element by applying various optimization algorithms.
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