JP2010092225A

JP2010092225A - 緩衝部品のモデル化方法

Info

Publication number: JP2010092225A
Application number: JP2008260905A
Authority: JP
Inventors: Tomokazu Suzuki; 友和鈴木
Original assignee: Fuji Heavy Industries Ltd
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 2008-10-07
Filing date: 2008-10-07
Publication date: 2010-04-22
Anticipated expiration: 2028-10-07
Also published as: JP5330789B2

Abstract

【課題】簡単な近似方法により、精度の良い解析結果を得ることができる緩衝部品のモデル化方法を提供する。
【解決手段】トップマウント１７の解析用モデル６０を作成するに際し、剛性部材である内筒１７ａ及び外筒１７ｂをソリッド要素６１，６２でそれぞれモデル化し、弾性部材であるマウントラバー１７ｃを３以上（例えば、４本）のバネ要素６３でモデル化することにより、簡単な近似方法により、精度の良い解析結果を得ることができる。すなわち、３以上のバネ要素６３によって各ソリッド要素６１，６２間を拘束するように連結することにより、簡単な近似により、解析用モデル６０に擬似的な回転拘束力を付与することができる。従って、例えば、トップマウント１７の軸Ｏに対する捩り方向や抉じり方向の特性等のように軸Ｏ方向（伸縮方向）以外の特性についても的確に解析することができる。
【選択図】図５

Description

本発明は、例えば、車両に適用されるエンジンマウントやサスペンション装置のトップマウント等のように互いに対向する一対の剛性部材の間に弾性部材が介装された緩衝部品のモデル化方法に関する。

一般に、車両には、エンジンマウントやサスペンション装置のトップマウント等のクッションラバー部品に代表される緩衝部品が数多く使用されている。従って、例えば、このような車両の衝突時のＣＡＥ（Computer Aided Engineering）解析等を行うに際し、車体変形や車体加速度の解析精度等を向上するためには、解析用車両モデルにおいて、各緩衝部品を実機に近い状態で精度良くモデル化することが重要となってくる。

この場合、特に、衝突解析用の車両モデルにおいては、通常走行時等には考慮する必要のない方向の特性の解析についても視野に入れて緩衝部品をモデル化する必要がある。例えば、サスペンション装置のトップマウントをモデル化する場合、サスペンション装置の軸方向（伸縮方向）の特性のみならず、軸に対する捩り方向の特性や抉じり方向の特性等についてまで解析とする必要がある。

この種の緩衝部品のモデル化方法として、例えば、特許文献１には、半径方向に少なくとも３層以上に分割されると共に、円周方向に沿って均等角度で分割された複数の弾性体要素である一次ヘキサ要素（ソリッド要素）を弾性結合させることにより円筒状のゴムブッシュ部材をモデル化する技術が開示されている。
特開２００４−４６４９５号公報

しかしながら、上述の特許文献１に開示された技術のように、ソリッド要素を用いてクッションラバー等をモデル化するためには、詳細な実機材料特性の取得が必要となる。また、ソリッド要素を用いて柔らかいクッションラバー等の解析を行う場合、例えば、節点が底付きするような場面でエラーが発生し易く、計算安定性を確保するためには解析条件等を詳細に設定する必要がある。さらに、車両搭載状態で生じる初期荷重状態を再現するためには、各要素の応力状態を事前に解析する必要がある。

従って、部位毎に特性が異なる相当数の緩衝部品が搭載された車両をモデル化するに際し、全てのクッションラバー等をソリッド要素で近似することは、各種設定作業等が煩雑化し現実的でない。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、簡単な近似方法により、精度の良い解析結果を得ることができる緩衝部品のモデル化方法を提供することを目的とする。

本発明は、互いに対向する一対の剛性部材の間に弾性部材が介装された緩衝部品のモデル化方法であって、前記各剛性部材をソリッド要素或いはシェル要素でモデル化し、
前記弾性部材を３以上のバネ要素でモデル化したことを特徴とする。

本発明の緩衝部品のモデル化方法によれば、簡単な近似方法により、精度の良い解析結果を得ることができる。

以下、図面を参照して本発明の形態を説明する。図面は本発明の一実施形態に係わり、図１は車体の要部を示す概略構成図、図２はサスペンション装置のトップマウント要部を示す断面斜視図、図３はフロント側エンジンマウントの要部を示す分解斜視図、図４は解析装置の概略構成を示す機能ブロック図、図５はトップマウントの解析用モデルを示す斜視図、図６（ａ）はトップマウントの解析用モデルを示す側面図であり（ｂ）は解析用モデルの変形状態の一例を示す説明図、図７（ａ）はフロント側エンジンマウントの解析用モデルを示す側面図であり（ｂ）は（ａ）のＩ−Ｉ断面図、図８はトップマウントの解析用モデルの変形例を示す側面図である。

図１において符号１は車体を示す。この車体１の前部にはエンジンルーム１ａが設けられ、エンジンルーム１ａの後部は、トーボード３によってキャビン２と区画されている。また、エンジンルーム１ａの車幅方向両側には、左右一対のフロントサイドフレーム４Ｌ，４Ｒが配設されている。なお、各サイドフレーム４Ｌ，４Ｒの後部はトーボード３の傾斜に沿って下方且つ後方に延出され、フロアパネル（図示せず）の車幅方向両側に配設されたサイドシル５Ｌ，５Ｒの前端部に各々連結されている。

また、両フロントサイドフレーム４Ｌ，４Ｒの前端部間がフロントクロスメンバ或いはバンパビーム等のクロス部材６を介して互いに連結されている。さらに、エンジンルーム１ａの下部にサブフレーム７が配設されている。このサブフレーム７は、各フロントサイドフレーム４Ｌ，４Ｒの下方に配設されて車体前後方向に延出する左右一対のサブサイドメンバ８Ｌ，８Ｒと、両サブサイドフレーム８Ｌ，８Ｒの前端に連設するサブフロントクロスメンバ９と、両サブサイドフレーム８Ｌ，８Ｒの後端に連設するサブリヤクロスメンバ１０とで枠状に形成されている。また、両サブサイドフレーム８Ｌ，８Ｒの前端部が、フロントサイドフレーム４Ｌ，４Ｒにサブフレーム用支持ブラケット１１を介して連結され、後端部がフロントサイドフレーム４Ｌ，４Ｒに直接固定されている。

また、エンジンルーム１ａ内には、エンジン本体１２とトランスミッション１３とが結合して構成されたパワーユニット１４が搭載されている。なお、本実施形態ではエンジン本体１２として水平対向エンジンが示されており、トランスミッション１３がエンジン本体１２の後部に連結されて車体後方に延出されている。パワーユニット１４の重心はエンジン本体１２側の車幅方向略中央部にあり、この重心を囲む前端部と両側部との３箇所が、緩衝部品としての各エンジンマウント１５Ｆ，１５Ｌ，１５Ｒを介してサブフレーム７に支持固定されている。

また、各フロントサイドフレーム４Ｌ，４Ｒの車幅方向外側には、前輪用のサスペンション装置１６が配設され、このサスペンション装置１６の頂部に設けられた緩衝部品としてのトップマウント１７が車体側部材（図示せず）に固設されている。

ここで、例えば、図２に示すように、トップマウント１７は、ショックアブソーバ１６ａの上部に固定される剛性部材としての内筒１７ａと、内筒１７ａの外周側で車体側部材に締結固定される剛性部材としての外筒１７ｂと、内筒１７ａと外筒１７ｂの間に介装される弾性部材としてのマウントラバー１７ｃとを有して構成されている。

また、例えば、図１，３に示すように、フロント側エンジンマウント１５Ｆは、エンジン本体１２に固設される取付ブラケット２０と、取付ブラケット２０に連結されたアーム部材２１と、アーム部材２１の先端部に固設された緩衝部品としてのマウント部材２２とを備えている。マウント部材２２は、剛性部材としての外筒２２ａと、この外筒２２ａの内周に同軸上に配設された剛性部材としての内筒２２ｂと、これら両筒２２ａ，２２ｂの間に介装される弾性部材としてのクッションラバー２２ｃとを有して構成されている。一方、サブフロントクロスメンバ９の車幅方向中央には、車体側ブラケット２３が固設されている。この車体側ブラケット２３は、所定間隔を隔てて対設された一対のブラケット部材２４を有し、これら両ブラケット部材２４の上部には支持孔２４ａが穿設されている。そして、これら両ブラケット部材２４間にマウント部材２２が挿通され、内筒２２ｂと支持孔２４ａとに挿通する支持軸２５、及び、この支持軸２５の先端部に螺設されているねじに螺入するナット２６を介して、マウント部材２２が車体側ブラケット２３に回動自在に支持されている。

このような車両の衝突解析等を行う解析装置５０は、例えば、図４に示すように、車両の各構成部材をモデル化するために必要な情報を入力するための入力部５１と、入力部５１からの各部材等についての入力情報に基づいて解析対象となる各部材をＦＥＭモデル等の解析用モデルにモデル化するためのモデル作成部５２と、衝突解析等のシミュレーションのための条件を入力する条件入力部５３と、モデル作成部５２で作成した解析用モデルに対して条件入力部５３で入力された条件を与えて、有限要素法等による解析を実行するシミュレーション実行部５４と、シミュレーション実行部５４での解析結果をディスプレイにグラフィック表示したりデータをプリンタで印字する等の出力処理を行う出力部５５とを備えて要部が構成されている。

このような解析装置５０において、モデル作成部５２は、特に、緩衝部品を、一対のソリッド要素或いはシェル要素と、３以上のバネ要素とを用いて近似する。

具体的に説明すると、モデル作成部５２は、例えば、図５に示すように、サスペンション装置１６のトップマウント１７の解析用モデル６０を作成するに際し、一対の剛性部材である内筒１７ａ及び外筒１７ｂをソリッド要素６１，６２を用いてそれぞれモデル化し、これらの間に介装される弾性部材であるマウントラバー１７ｃを４本のバネ要素６３を用いてモデル化する。

この場合において、図５及び図６（ａ）に示すように、荷重が付与されていない状態での内筒１７ａ及び外筒１７ｂは、サスペンション装置１６の伸縮方向に沿う軸Ｏに対して垂直な平板状の要素で近似され、これら各ソリッド要素６１，６２の対向面が互いに平行となるよう配置されることが望ましい。そして、これらソリッド要素６１，６２の対向面に対して、各バネ要素６３は、直交配置され、端部が法線方向に結合されていることが望ましい。さらに、図５に示すように、各バネ要素６３は、軸Ｏを中心とする同一円周上に等間隔毎に配置されていることが望ましい。また、各バネ要素６３には、マウントラバー１７ｃ全体としての各軸方向の並進特性が等分付与されることが望ましい。すなわち、マウントラバー１７ｃ全体としての各軸方向の並進特性Ｆａ＝（ｆａｘ，ｆａｙ，ｆａｚ）であるとすると、図示の例において、各バネ要素６３には、並進特性Ｆｍ’＝（ｆｍｘ／４，ｆｍｙ／４，ｆｍｚ／４）がそれぞれ設定されることが望ましい。

また、モデル作成部５２は、例えば、図７に示すように、フロント側エンジンマウント１５Ｆの解析用モデル７０を作成するに際し、一対の剛性部材である外筒２２ａ及び内筒２２ｂをソリッド要素７１，７２でそれぞれモデル化し、これらの間に介装されるクッションラバー２２ｃを各４本を１群とする多層（例えば、３層）のバネ要素７３でモデル化する。

この場合において、荷重が付与されていない状態での外筒２２ａ及び内筒２２ｂは、同心の筒状要素で近似され、これら各ソリッド要素７１，７２の対向面が互いに平行となるよう配置されていることが望ましい。そして、これらソリッド要素７１，７２の対向面に対して、各バネ要素７３は、直交配置され、端部が法線方向に結合されていることが望ましい。さらに、図７（ａ）に示すように、各群を構成するバネ要素７３は、ソリッド要素７１，７２の中心軸Ｏ’に対して放射状に等間隔毎に配置され、また、図７（ｂ）に示すように、各群は、中心軸Ｏ’に沿って等間隔毎に配置されていることが望ましい。また、各バネ要素７３には、クッションラバー２２ｃ全体としての各軸方向の並進特性が等分付与されることが望ましい。すなわち、クッションラバー２２ｃ全体としての並進特性Ｆｂ＝（ｆｂｘ，ｆｂｙ，ｆｂｚ）であるとすると、図示の例において、各バネ要素７３の並進特性Ｆｂ’＝（ｆｂｘ／１２，ｆｂｙ／１２，ｆｂｚ／１２）が設定されることが望ましい。

このような実施形態によれば、トップマウント１７の解析用モデル６０を作成するに際し、剛性部材である内筒１７ａ及び外筒１７ｂをソリッド要素６１，６２でそれぞれモデル化し、弾性部材であるマウントラバー１７ｃを３以上（例えば、４本）のバネ要素６３でモデル化することにより、簡単な近似方法により、精度の良い解析結果を得ることができる。すなわち、３以上のバネ要素６３によって各ソリッド要素６１，６２間を拘束するように連結することにより、簡単な近似により、解析用モデル６０に擬似的な回転拘束力を付与することができる。従って、例えば、トップマウント１７の軸Ｏに対する捩り方向や抉じり方向の特性等のように、軸Ｏ方向（伸縮方向）以外の特性についても的確に解析することができる（例えば、図６（ｂ）参照）。また、マウントラバー１７ｃを単純なバネ要素６３の組み合わせによって近似することにより、ソリッド要素等を用いて近似する場合に比べ、煩雑な詳細作業等を行う必要がなく、エラー等を発生させることなく安定的な解析を実現することができる。

この場合において、各ソリッド要素６１，６２の対向面を平行配置し、これらの対向面に対して各バネ要素６３を直交配置することにより、トップマウント１７の実機材料特性（すなわち、各軸方向の並進特性（ｆａｘ，ｆａｙ，ｆａｚ））を、各バネ要素６３に対して容易に分割付与することができる。さらに、各バネ要素６３を同一円周上に等間隔毎に配置すれば、トップマウント１７の実機特性の各バネ要素６３に対する配分を容易に設定することができる。そして、トップマウント１７の実機特性を各バネ要素６３に等分付与することにより、トップマウント１７の解析用モデル６０をより簡易に作成することができる。

勿論、上述したフロント側エンジンマウント１５Ｆの解析用モデル７０においても、トップマウント１７の解析用モデル６０と同様の効果を奏することができる。

ここで、上述の実施形態においては、弾性部材を３以上のバネ要素のみで近似した一例について説明したが、バネ要素と共にダンパ要素を併用することにより弾性部材を、より実機に忠実に近似することも可能である。この場合、例えば、トップマウント１７の近似に際し、図８（ａ）に示すように、各バネ要素６３と直列にダンパ要素６４を介装させることが可能である。また、例えば、図８（ｂ）に示すように、各バネ要素６３と並列にダンパ要素６４を介装することも可能である。そして、これら図８（ａ），（ｂ）に示すように、弾性部材（トップマウント１７）の特性等に応じて、適宜、ダンパ要素６４を介装することにより、弾性部材をより忠実に近似することが可能となる。

なお、上述の実施形態においては、緩衝部品としてトップマウント１７及びフロント側エンジンマウント１５Ｆをモデル化した場合の一例について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、同様のモデル化方法を、他の各種緩衝部品に適用してもよいことは勿論である。例えば、左右のエンジンマウント１５Ｌ，１５Ｒ等についても、同様のモデル化方法を好適に適用することが可能である。

車体の要部を示す概略構成図サスペンション装置のトップマウント要部を示す断面斜視図フロント側エンジンマウントの要部を示す分解斜視図解析装置の概略構成を示す機能ブロック図トップマウントの解析用モデルを示す斜視図（ａ）はトップマウントの解析用モデルを示す側面図であり（ｂ）は解析用モデルの圧力と変形状態の一例を示す説明図（ａ）はフロント側エンジンマウントの解析用モデルを示す側面図であり（ｂ）は（ａ）のＩ−Ｉ断面図トップマウントの解析用モデルの変形例を示す側面図

符号の説明

１ … 車体１
１ａ … エンジンルーム
２ … キャビン
３ … トーボード
４Ｌ，４Ｒ … フロントサイドフレーム
５Ｌ，５Ｒ … サイドシル
６ … クロス部材
７ … サブフレーム
８Ｌ，８Ｒ … サブサイドメンバ
９ … サブフロントクロスメンバ
１０ … サブリヤクロスメンバ
１１ … サブフレーム用支持ブラケット
１２ … エンジン本体
１３ … トランスミッション
１４ … パワーユニット
１５Ｆ，１５Ｌ，１５Ｒ … エンジンマウント（緩衝部品）
１６ … サスペンション装置
１６ａ … ショックアブソーバ
１７ … トップマウント（緩衝部品）
１７ａ … 内筒（剛性部材）
１７ｂ … 外筒（剛性部材）
１７ｃ … マウントラバー（弾性部材）
２０ … 取付ブラケット
２１ … アーム部材
２２ … マウント部材
２２ａ … 外筒（剛性部材）
２２ｂ … 内筒（剛性部材）
２２ｃ … クッションラバー（弾性部材）
２３ … 車体側ブラケット
２４ … ブラケット部材
２４ａ … 支持孔
２５ … 支持軸
２６… ナット
５０ … 解析装置
５１ … 入力部
５２ … モデル作成部
５３ … 条件入力部
５４ … シミュレーション実行部
５５ … 出力部
６０ … 解析用モデル
６１，６２ … ソリッド要素
６３ … バネ要素
６４ … ダンパ要素
７０ … 解析用モデル
７１，７２ … ソリッド要素
７３ … バネ要素

Claims

互いに対向する一対の剛性部材の間に弾性部材が介装された緩衝部品のモデル化方法であって、
前記各剛性部材をソリッド要素或いはシェル要素でモデル化し、
前記弾性部材を３以上のバネ要素でモデル化したことを特徴とする緩衝部品のモデル化方法。
前記各剛性部材をモデル化した前記ソリッド要素或いは前記シェル要素の対向面を平行配置し、
前記弾性部材をモデル化した前記各バネ要素を前記対向面に対して直交配置したことを特徴とする請求項１記載の緩衝部品のモデル化方法。
前記弾性部材をモデル化した前記各バネ要素を同一円周上に等間隔毎に配置したことを特徴とする請求項１または請求項２記載の緩衝部品のモデル化方法。
前記弾性部材の各軸方向の並進特性を、モデル化した前記各バネ要素に対して等分付与したことを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の緩衝部品のモデル化方法。
前記バネ要素に加えダンパ要素を具備して前記弾性部材をモデル化したことを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の緩衝部品のモデル化方法。