JP2006350720A - オートテンショナのブラケット形状設計方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 形状の最適化を構造形態最適化とパラメータ最適化の２段階で行ったオートテンショナのブラケット形状設計方法を提供する。
【解決手段】 ダンパ格納部と支点軸受部とプーリ取付部とを結合するオートテンショナユニットのブラケットの形状設計方法であって、ブラケットの剛性の最大化と応力最小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、ブラケットの構造形態を求め（ステップＳＰ１〜ＳＰ５）、最適な構造形態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なって（ＳＰ６〜ＳＰ１２）、ブラケットの寸法を最適化する（ＳＰ１３，ＳＰ１４）。
【選択図】 図６

Description

この発明はオートテンショナのブラケット形状設計方法に関し、例えば、自動車エンジンのタイミングベルトや補機駆動用ベルトの張力を調整するオートテンショナのブラケット形状設計方法に関する。

オートテンショナは自動車用エンジンの要素部品として用いられており、タイミングベルトおよび補機駆動用ベルトの張力調整機能を果たしている。図１１は、従来のプーリアーム一体型のオートテンショナユニットの一例を示す図であり、（Ａ）は平面図を示し、（Ｂ）は一部破断正面図である。

オートテンショナユニット３０は、支点軸受部４０と、ダンパ格納部５０と、プーリ取付部６０とを有するブラケット３１を含む。ブラケット３１は、例えばアルミ合金あるいは鉄により一体的に鋳造により形成される。支点軸受部４０には、その内面が貫通孔４２を構成するライナ４３を含み、ライナ４３内にカラー４４が挿入され、カラー４４および座金４５がボルト４１により図示しないエンジンのシリンダブロックに固定される。支点軸受部４０を揺動支点としてボルト４１により固定すると、ダンパ格納部５０と、プーリ取付部６０はボルト４１を中心にして揺動自在になる。

プーリ取付部６０には、軸受内輪７１が支持ボルト６１および座金６２により固定されることにより、軸受外輪７２に固定されたテンションプーリ７０が回転可能に支持されて取付けられている。テンションプーリ７０は図示しないタイミングベルトを案内する。ダンパ格納部５０には、例えば実開平１０−０００２８号公報（特許文献１）に記載されている図１２に示すダンパ１０が格納されている。

図１２において、ダンパ１０には、シリンダ１の内部に別体のスリーブ２が設けられており、スリーブ２内にピストン３が摺動可能に設けられている。シリンダ１内部の作動室４は、ピストン３によって圧力室５とリザーバ室６とに区分けられている。ピストン３には、圧力室５とリザーバ室６とを連通する通路７が設けられており、その通路７を開閉するチェックバルブ８を通路の出口に設けている。

シリンダ１の内周面とスリーブ２の外周面には間隙２０が設けられており、間隙２０の下部には内周段部２２が設けられ、その内周段部２２の上面が間隙２０の底面を構成し、バネ座２４となっている。バネ座２４上にはリターンスプーリング１２の一端が係合され、他端がピストンロッド９に連結した軸受１１に係合されていて、ピストンロッド９に軸方向外向きのバネ力を与えている。このダンパ１０を図１１（Ａ），（Ｂ）に示したダンパ格納部５０に格納するときは、ダンパ格納部５０の壁面がシリンダ１を構成する。

このようなダンパ１０においては、リターンスプーリング１２により図示しないベルトに一定の張力を付与し、ピストン３と、圧力室５と、リザーバ室６と、ピストン３の通路７と、チェックバルブ８とが緩衝機構を構成している。この緩衝機構により、テンションプーリ７０によりタイミングベルトを押え付けた部分の張力が急激に上昇した場合に、直ちに退避せずに当該部分を強く抑え付け、テンションプーリ７０の振動を抑制する。

図１１に示したオートテンショナユニット３０を構成する支点軸受部４０と、ダンパ格納部５０と、プーリ取付部６０とを含むブラケット３１は、アルミ合金あるいは鉄により一体的に鋳造により形成されるが、最近では省資源のためにブラケット３１の軽量化が求められている。
実開平１０ー０００２８号公報

ブラケット３１を軽量化するために、従来より支点軸受部４０と、ダンパ格納部５０と、プーリ取付部６０に関して、何箇所かの形状を部分的に変化させる方法が用いられているが、必要な個所に材料である肉をつけ、不必要な箇所からは肉を削ぐという部材の構造形態に関する検討が行われていない。

すなわち、以前からあった形状、あるいは何らかの初期形状をベースに改良を加えるだけの設計しか行われていない。このために、真に最適な形状が得られるわけではなく、さらなる最適化，軽量化が可能でありながら、無駄肉が残った設計となっていた。

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、基本形状を見直して再度検討することになり、非効率な開発となっている。すなわち、検討のスタート段階である基本形状が適切でないという問題がある。

また、形状を変更するに際しても、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いくという方法であるため、得られた値は最適値ではない。すなわち、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、局所的な最適値を求めているだけで真の最適な値を求めたことになってはいないという問題がある。このように、設計を開始したときの形状が適切であっても検討手法として適切でないため、従来の設計方法では、最適な寸法を決定する方法にも問題がある。

そこで、この発明の目的は、経験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値を満足できるオートテンショナのブラケット形状設計方法を提供することである。

この発明は、固定部分に支持される第１軸に対して回動可能に設けられる支点軸受部と、第１軸から離隔して設けられ、第１軸に平行であって、ベルトに一定の張力を与えるために押圧するプーリを回転自在に支持する第２軸を有するプーリ取付部と、第１および第２軸に対して交差する方向に開口部を有し、ベルトの張力変動に伴うプーリの振動を抑制するためのダンパが格納されるダンパ格納部とを備えるオートテンショナにおけるブラケットの形状設計方法であって、ブラケットの剛性の最大化と応力の最小化と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、ブラケットの構造形態最適化形状を求める工程と、求めたブラケットの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なってブラケットの剛性の最大化と応力の最小化と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。

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で、経験によることなく最小体積で応力が低減されて高い剛性を有するオートテンショナにおけるブラケットを設計できる。

好ましくは、構造形態最適化形状を求める工程は、ブラケット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するとともに、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。

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ロポジー最適化または領域形状最適化を行うことを含む。

好ましくは、支点軸受部は、要素として相手部材に接触する中空状に形成されており、構造形態最適化形状を求める工程は、ブラケットに荷重を加えたときに、支点軸受部とブラケット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、ブラケットの支点軸受部との接触部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やすくなる。このように接触を考慮することでブラケットの変形により、支点軸受外輪との部分的な離反モードを考慮して解析できる。

好ましくは、構造形態最適化形状を求める工程は、ブラケット内部に中空孔（空洞）が生成しないように有限要素の削減に制限を設け、かつ型分割面から遠ざかるに従い部材形状が小さくなる金型の抜き勾配を設けてトポロジー最適化または領域形状最適化を行う。

好ましくは、寸法を決定する工程は、ブラケットの構造形態最適化形状に対して、それを平面や円筒面で近似した基本形状を決定し、そこに含まれるリブの幅と肉厚寸法を最適化することを含む。

好ましくは、寸法を決定する工程は、求めたブラケット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て応力と剛性の解析を行い、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、有限要素解析時に形状変更を容易に行うことができる。

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。これにより焼き入れ処理を考慮したブラケットを設計できる。

この発明によれば、オートテンショナのブラケット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、さらに応力が評価基準を満足できるオートテンショナのブラケットの形状を求めることができる。

図１〜図３は、この発明の一実施形態におけるオートテンショナのブラケット形状設計方法によって形状が設計されるオートテンショナにおける基本形状の解析モデルを示しており、特に、図１は正面側から見た外観斜視図であり、図２は同じく下面側から見た外観斜視図であり、図３はプーリ取付部を下にして正面側から見た外観斜視図であり、図４は揺動支点を示す断面図である。

図１に示した解析モデルは、剛性の最大化と応力の最小化と軽量化のためにトポロジー最適化を行って、オートテンショナユニット３２の支点軸受部４０とプーリ取付部６０との間にダンパ格納部５０を設けたプーリアーム１１の外形形状およびダンパ格納部５０の開口部形状を維持した上でブラケット９０の構造形態最適化形状を求めるために使用される。

すなわち、解析モデルで示されているオートテンショナユニット３２は、図１１に示したボルト４１と、ライナ４３と、カラー４４と、座金４５と、テンションプーリ７０とが除かれて示されている。オートテンショナユニット３２は、図１１の説明と同様にして、支点軸受部４０と、ダンパ格納部５０と、プーリ取付部６０とを含む。支点軸受部４０には、図１１に示したライナ４３が嵌合され、さらに揺動支点となる第１軸であるボルト４１およびカラー４４が挿入される貫通孔４２が形成されている。

プーリ取付部６０は、円筒状であって支点軸受部４０から所定の間隔を隔てて平行に設けられている。このプーリ取付部６０の中心には、テンションプーリを回転可能に支持するための第２軸である支持ボルトが挿入されるボルト止め孔６２が形成されている。図１１に示したようにテンションプーリ７０は、図１におけるプーリ取付部６０に上から被せるように取付けられ、軸受内輪７１がボルト６１とナット６３および座金６２によりブラケット９０に固定される。

ダンパ格納部５０は、支点軸受部４０とプーリ取付部６０とに対して交差する方向に開口部５１を有しており、開口部５１の反対側は図２に示すように、部材９３によって閉塞されていて、図示しない他のエンジン部品との干渉を回避するために材料が削られて段差部９４が形成されている。開口部５１の内壁は、図１３に示したシリンダ１を構成している。ダンパ格納部５０の奥側には、図１３で説明した内周段部２２に相当する段部５２が形成されている。

支点軸受部４０と、ダンパ格納部５０と、プーリ取付部６０はブラケット９０の中央部によって結合されており、ブラケット９０の中央部は支点軸受部４０の外周面に結合されている。円筒状のプーリ取付部６０の下面はフランジ状部９１を介してブラケット９０の中央部に結合されている。ブラケット９０の中央部とプーリ取付部６０およびフランジ状部９１との間には、テンションプーリの回転を阻害することがないように溝９２が形成されている。また、フランジ状部９１から溝９２にかけて型分割面から遠ざかるに従い部材形状が小さくなる金型の抜き勾配が形成されている。支点軸受部４０とブラケット９０との結合部２も金型の抜き勾配が形成されている。

図１〜図３に示したオートテンショナユニット３２は、支点軸受部４０の外径および内径と、ダンパ格納部５０の内径と深さ方向の寸法と、プーリ取付部６０の外径と、ボルト止め孔６２の内径が非設計領域とされている。また、図４に示すように、支点軸受部４０の内周面と、図１１に示したボルト４１とカラー４４と座金４５を表現した支点軸受モデル４６との接触面には、ギャップ要素９５が定義されている。

このギャップ要素９５は、オートテンショナの解析のモデル化を行う上で、支点軸受部４０と支点軸受モデル４６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オートテンショナを対象物に拘束される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。

この実施形態では、強度に影響を及ぼさない限り、ブラケット９０とプーリ取付部６０の外径とボルト孔６１との間における不必要な肉である材料を削ぐことで、剛性の最大化と応力の最小化と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、これに対してブラケット９０の各部の肉厚や幅などの寸法パラメータを最適化する。

図５はこの発明の一実施形態におけるオートテンショナのブラケット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５において、制御装置１００は制御部１０１に接続された入力部１０２と、表示部１０３と、印刷部１０４とを含む。制御部１０１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１０２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１０３はオートテンショナユニット３２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。

図６はこの発明の一実施形態におけるオートテンショナのブラケット形状設計方法を実行するためのフローチャートである。

制御部１０１は、図６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１０３に図１〜図３に示したオートテンショナユニット３２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１０２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６に示すステップ（図示ではＳＰと略称する）ＳＰ１において、入力部１０２を操作して形状の変更が不可能な領域を設定する。

図１〜図３に示したオートテンショナユニット３２では、支点軸受部４０の周囲の半径方向および軸方向と、ダンパ格納部５０の内径部と、プーリ取付部６０の円筒形状の周囲部および軸受内輪当接部と、ボルト止め孔６１の周囲部は変更できないものとして設定する。

ステップＳＰ２において、オペレータは形状の変更可能な領域を設定する。形状の変更可能な領域は、図２の斜線で示すようにブラケット９０の溝９２の深さや幅，部材９３の形状，プーリ取付部６０の肉厚である。すなわち、ブラケット９０の溝９２や背面側の部材９３などの余肉部の肉を削ぐために指定する。

ステップＳＰ３において、オペレータは、荷重条件，拘束条件，接触条件および中空孔があくことがないように条件を設定する。荷重条件としてベルトからプーリを介してプーリ取付部６０に加わる荷重を定義し、接触条件として支点軸受部４０のハウジング部の内周と支点軸受モデル４６との接触部にギャップ要素を定義する。このとき、現状の解析ソフトの能力から支点軸受部４０のハウジング部の内周と、支点軸受モデル４６との接触部分におけるブラケット９０側のメッシュ要素１皮分（フランジ厚み方向に１要素分）９５は、図４に示すように形状変更が不可能な領域とする。

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、制御部１０１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解析を行って基本形状を求める。

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り、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解析と同じであるが、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。

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。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。

また、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。

図７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概略図であり、図８はオートテンショナの軽量化率と最大主応力との関係を示す図であり、図９はトポロジー最適化で得られたオートテンショナの外観斜視図である。

図７（Ａ）は２０％軽量化した体積率８０％の最適化形状を示しており、図７（Ｂ）は３０％軽量化した体積率７０％の最適化形状を示しており、図７（Ｃ）は４０％軽量化した体積率６０％の最適化形状を示しており、軽量化が大きくなるほどブラケットの各部の肉が削がれて、トポロジーの最適化が図られる。

また、図８の横軸は軽量化率を示し、縦軸は溝９２の最大主応力を示している。図８におけるａ〜ｃは、図７（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）に示した各形状のオートテンショナユニットのプーリ取付部６０の荷重点に、例えば３ｋＮの荷重を加えたときに溝９２に発生する最大主応力の値を示している。

溝９２の最大応力は、体積率が８０％（２０％軽量化）、７０％（３０％軽量化）、６０％（４０％軽量化）では、それぞれ９０Ｍｐａ、１００Ｍｐａ、１１８Ｍｐａとなり、より軽量化するほど応力が高くなっている。この実施形態では、許容応力を安全側にみて２０％の軽量化とした。実際のトポロジー最適化の形状を図９に示している。図９（Ａ）はブラケットを上側から見た斜視図であり、図９（Ｂ）はブラケットを下から見た斜視図である。なお、図９（Ａ）では、金型抜き勾配を考慮しなかったため、ブラケット９０の支点軸受部４０側に中空孔９６が生じてしまっているが、このような中空孔９６が生じると、金型構造の複雑化，バリ取り工程の増加など製造コストが増大するため、中空孔９６が生じないように要素の削減に制限を設けて処理するのが好ましい。

図９（Ａ），（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、自由曲面になっているため、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９の形状をベースに、加工しやす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。決定した基本形状は、ステップＳＰ７において、近似したオートテンショナのメッシュモデルとして作成され、３次元ＣＡＤの画像として表示部１０３に表示される。このとき必要に応じて印刷部１０４で印刷を行ってもよい。

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、変更する寸法と変更しない寸法を決定する。

ステップＳＰ９において、ステップＳＰ８で決定した寸法変更解析に対してオペレータは、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。

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（米国ＤＥＰ社），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。

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，境界条件などを定義して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するための構造解析を実行する。有限要素法では、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。

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。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）などの探索的手法などが適用できる。

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い、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。寸法の変更を行うための寸法寸法パラメータは、図１０（Ａ）に示すように、例えばブラケット９０の幅ｄ１や高さｈ１，溝９２の幅ｗ１などの全体の形状を特定するために必要な種々の寸法である。

また、最適化の制約条件として応力の上限の値を定める場合があるが、ブラケット９０のうち支点軸受部４０とダンパ格納部５０とプーリ取付部６０とをもとの柔らかい部位である非焼入れ領域として設定し、それ以外の領域を熱処理により硬化するために焼き入れ領域として相対的に高い評価応力を設定し、材料の能力を最大限に使いきるようにする。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。

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、オートテンショナユニット３２におけるブラケット９０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、ブラケット９０の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または最小応力を得ることができ、さらに応力が許容値を満足できるプーリアームオートテンショナのブラケット９０を得ることができる。

なお、上述の説明では、この発明を支点軸受部４０とプーリ取付部６０との間にダンパ格納部５０を設けたプーリアーム１１と一体型のオートテンショナユニット３２のブラケット９０における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、プーリアームとダンパが別体の揺動式のプーリブラケット，固定式のプーリブラケットなどに適用してもよい。

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。

この発明は、自動車のエンジンにおけるタイミングベルトや補機駆動用ベルトの張力を調整するオートテンショナブラケットの設計に利用できる。

この発明の一実施形態におけるオートテンショナのブラケット形状設計方法によって形状が設計されるオートテンショナにおける解析モデルの外観斜視図である。 解析モデルの背面側から見た外観斜視図である。 解析モデルのプーリ取付部を下にして正面側から見た外観斜視図である。 解析で用いる支点軸モデルと、支点軸受ハウジング部を示す断面図である。 この発明の一実施形態におけるオートテンショナのブラケット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。 この発明の一実施形態におけるオートテンショナのブラケット形状設計方法を実行するためのフローチャートである。 トポロジー最適化を説明するためのイメージ図である。 オートテンショナの軽量化率と最大主応力との関係を示す図である。 トポロジー最適化で得られたオートテンショナの外観斜視図である。 この発明の一実施形態のブラケット形状設計方法で得られたオートテンショナの外観斜視図である。 従来のプーリアーム一体型のオートテンショナユニットの一例を示す図である。 ダンパの断面図である。

符号の説明

１１ プーリアーム、３２ オートテンショナユニット、４０ 支点軸受部、４１，６１ ボルト、４２ 貫通孔、４３ カラー、４４ ライナ、４５，６２ 座金、４６ 支点軸受モデル、５０ ダンパ格納部、５１ 開口部、５２ 段部、６０ プーリ取付部、６２ ボルト止め孔、７０ プーリ、９０ ブラケット、９１ フランジ部、９２ 溝、９３ 部材、９４ 段差部、１００ 制御装置、１０１ 制御部、１０２ 入力部、１０３ 表示部、１０４ 印刷部。

Claims (8)

1. 固定部分に支持される第１軸に対して回動可能に設けられる支点軸受部と、前記第１軸から離隔して設けられ、前記第１軸に平行であって、ベルトに一定の張力を与えるために押圧するプーリを回転自在に支持する第２軸を有するプーリ取付部と、前記第１および第２軸に対して交差する方向に開口部を有し、前記ベルトの張力変動に伴う前記プーリの振動を抑制するためのダンパが格納されるダンパ格納部とを備えるオートテンショナにおけるブラケットの形状設計方法であって、
   前記ブラケットの剛性の最大化と応力の最小化と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、前記ブラケットの構造形態最適化形状を求める工程と、
   前記求めたブラケットの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なって前記ブラケットの剛性の最大化と応力の最小化と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、オートテンショナのブラケット形状設計方法。
2. 前記構造形態最適化形状を求める工程は、前記ブラケット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するとともに、荷重，拘束の条件が設定されたことに応じて、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む、請求項１に記載のオートテンショナのブラケット形状設計方法。
3. 前記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前記トロポジー最適化または領域形状最適化を行うことを含む、請求項１または２に記載のオートテンショナのブラケット形状設計方法。
4. 前記支点軸受部は、前記要素として相手部材に接触する中空状に形成されており、
   前記構造形態最適化形状を求める工程は、前記ブラケットに荷重を加えたときに、前記支点軸受部と前記ブラケット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オートテンショナのブラケット形状設計方法。
5. 前記構造形態最適化形状を求める工程は、前記ブラケットに中空孔が開くことがないように有限要素の削減に制限を設け、かつ型分割面から遠ざかるに従い部材形状が小さくなる金型の抜き勾配を設けて前記トポロジー最適化または領域形状最適化を行う、請求項１から４のいずれかに記載のオートテンショナのブラケット形状設計方法。
6. 前記寸法を決定する工程は、前記ブラケットの構造形態最適化形状に対して、それを平面や円筒面で近似した基本形状を決定し、そこに含まれるリブの幅と肉厚寸法を最適化することを含む、請求項５に記載のオートテンショナの形状設計方法。
7. 前記寸法を決定する工程は、
   前記求めたブラケット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て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オートテンショナのブラケット形状設計方法。
8. 前記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、請求項１から７のいずれかに記載のオートテンショナのブラケット形状設計方法。

Images