JP2013093018A - 回転機械 - Google Patents

Abstract

【課題】コンピュータ支援エンジニアリングに基づいて回転機械アセンブリを設計する方法を提供する。
【解決手段】回転機械アセンブリのレイアウトをコンピュータシステムのグラフィカルユーザインタフェース内に作成すること、および、レイアウトから回転機械アセンブリの機能モデル２１０を形成することを伴う。レイアウトは、回転機械アセンブリのための構成要素２０４，２０６を位置決めした後にそれらの構成要素間に関連性をもたらすことにより作成される。機能モデルは、関連性、選択された構成要素の相対位置、選択された構成要素の特性、および、関連性の特性のうちの１つ以上に基づいている。
【選択図】図１

Description

本発明は、コンピュータ支援エンジニアリングを使用するトランスミッションシステムおよびドライブトレイン、特に、ギア、発電機、モータ、ロータ、ステータ、クラッチ、シャフト、および、ベアリングから成る回転機械アセンブリを備えるトランスミッションシステムおよびドライブトレインの設計に関する。本発明との関連で、トランスミッションという用語が、入力シャフト、ギアボックス、クラッチ、シャフト、駆動シャフト、電動機、発電機、アクスル、トランスファボックス、差動ギア、パワーテークオフユニット、補助パワーユニット、ホイールハブリダクションユニット、ステアリングシステム、タイミングギアトレイン、および、出力シャフトを含んでもよいドライブトレイン全体を示していることは言うまでもない。

複雑なトランスミッションまたはギアボックス装置などの回転機械の設計は、複雑であり時間がかかる。設計者は、しばしば、設計の予備段階で「スティックダイアグラム」などの概念モデルを使用し、また、これらの概念モデルは、構成要素間の機能的な関係を見るための簡単な方法を与える。そのようなダイアグラムは、徹底した構造解析または詳細な機械製図に立ち戻ることなく、回転機械の設計を概念的に説明するために回転機械の設計者を助ける。最初に、そのようなダイアグラムは、構成要素の寸法付けおよびパッケージングに関する情報を定義する必要なくこれらの機能的関係を定義することができる。

所定の回転機械構成における１または複数の概念の基本的な機能が固定されてしまうと、その構成は、通常は専門的経歴をもつ多くのエンジニアにより行われる更に詳細な構造解析に晒され、それにより、動力流れが定義され、構成要素のサイズ、構成要素のパッケージング、荷重、動力、性能等が決定される。この情報は、回転機械の詳細な構造解析およびシミュレーションから得られる。これは、しばしば、当初の概念における欠点の特定をもたらし、また、レイアウトの変更がしばしば必要とされる。このことは、複雑な機械のための設計プロセスが繰り返しであり、時間がかかり、したがって高価であることを意味する。

アセンブリを設計するための簡単で効率的なレイアウト手法であって、レイアウト情報を様々な解析方法に与えるとともに、アセンブリの設計が進展するにつれて更なる技術的詳細をレイアウトに対して加えることができるようにするレイアウト手法の必要性がある。

本発明は、設計者が設計を簡単にレイアウトできるようにする概念的手法を回転機械をモデリングするための設計の要素の特性および属性と関連付けるための手法を与えることにより、この問題に対する解決策を提供する。これは、多くの以前の未知の特徴が存在する設計に到達するのに要する時間を減らす。

したがって、トランスミッション設計者は、所定の設計の構造だけでなくその機能性も表すために、トランスミッションの形態を「スティックダイアグラム」として描くことができる。

本発明の方法はＣＡＥパッケージで実施される。以下は、本発明の機能性および「特色」の重要な特徴である。

本発明は、回転機械アセンブリを設計するためのコンピュータ支援エンジニアリングの方法を提供する。方法は、前記回転機械アセンブリのレイアウトをコンピュータシステムのグラフィカルユーザインタフェース内に作成するステップと、レイアウトから回転機械アセンブリの機能モデルを形成するステップとを備える。レイアウトは、回転機械のための構成要素のユーザ選択を受けるステップと、選択された構成要素を位置決めするステップと、選択された構成要素間に関連性をもたらすステップとによって形成される。機能モデルは、関連性、選択された構成要素の相対位置、選択された構成要素の特性、および、関連性の特性のうちの１つ以上に基づく。それにより、例えば、ＣＡＥパッケージにおいてスティックダイアグラムタイプの完全なトランスミッションシステムのモデリングが可能になる。トランスミッション設計者はトランスミッションの形態を「スティックダイアグラム」として描き、また、これは、所定の設計の構造および機能性を表すために使用される。本発明において、これはＣＡＥ（コンピュータ支援エンジニアリング）パッケージで実施される。

好ましくは、方法は、回転機械アセンブリの性能を予測するステップも含む。性能の予測は、一体型ユーザインタフェースへリンクすることにより、あるいは、データを第三者パッケージへエクスポートすることにより、グラフィカルユーザインタフェース内で行われる。スティックダイアグラムは、その計算を行うことができるトランスミッションの機能モデルまたは「ワーキング」モデルである。したがって、スティックダイアグラムは、トランスミッションの単なるグラフィック表示だけではなく、トランスミッションの機能モデルでもあり、トランスミッションの機能および性能を予測するためにその計算を行うことができる製品定義である。スティックダイアグラムは、トランスミッションのパッケージをその環境内でチェックするためにＣＡＤへエクスポートされ得るトランスミッションの３Ｄモデルをもたらす。グラフィカルユーザインタフェースは２Ｄにあるが、直交図によってトランスミッションの３Ｄ表示を定義できる。これは、トランスミッションが最終的に組み込まれなければならない空間に関連してトランスミッションのサイズおよび形状をチェックできるように立体形状としてＣＡＤパッケージへエクスポートされる。この全ては、設計の必要最小限の詳細が全て揃うことにより達成できる。

好ましくは、予測するステップは、回転機械アセンブリの性能を報告するステップを備える。性能基準としては、回転機械アセンブリまたは選択された構成要素を通じた動力流れ、ギア寸法付け、ギアトルク能力および中心間距離安全係数、クラッチトルク能力、パッケージ空間、ベアリング荷重、ローラベアリングの最小所要動的能力に対応する適切な動荷重係数、ハウジングまたはケーシングに作用する荷重、構成要素およびアセンブリの重量、ならびに／あるいはコストの概算値が挙げられる。

好ましくは、方法は、次第に増える製品性能を得るためにモデルを変えるステップを含む。このステップは、回転機械のための１つ以上の新たなあるいは既存の構成要素のユーザ選択を受けるステップと、選択された新たなあるいは既存の構成要素を位置決めするステップと、選択された新たなあるいは既存の構成要素間に関連性をもたらすステップと、機能モデルを更新するステップとにしたがってレイアウトを変えることによって行うことができる。また、モデルを変える前記ステップは、構成要素または関連性のユーザ選択を受けるステップと、選択された構成要素のまたは選択された関連性の特性をユーザ要求にしたがって設定するあるいは変えるステップと、前記機能モデルを更新するステップとにしたがって特性のうちの１つ以上を変えることによって行うこともできる。このプロセスは、次第に複雑になる機能モデルを形成するために何回も実行することができる。特性を設定するあるいは変えるステップはクリック・アンド・ドラッグ作用を備えることが好ましい。

好ましくは、選択された構成要素がギアセットであり、特性がギア比であり、ギア比を変えるステップは、更なるユーザ相互作用を何ら必要とすることなく、対応するギアの直径を自動的に変える。好ましくは、選択された構成要素がシャフトまたは同心シャフトのアセンブリであり、特性は、シャフトに装着されるギアセットの中心間距離を規定する他の平行なシャフトまでの前記シャフトまたは前記同心シャフトのアセンブリの径方向距離であり、中心間距離を変えるステップは、更なるユーザ相互作用を何ら必要とすることなく、対応するギアの直径を自動的に変える。好ましくは、選択された構成要素がギアであり、特性が歯幅であり、歯幅を変えるステップは、更なるユーザ相互作用を何ら必要とすることなく、ギアのパッケージ空間またはトルク能力を自動的に変える。ギアのサイズの最も簡単な評価は、ギア装置の情報を必要としない簡単な方法によって行われる。通常、ギアの適したトルク能力または耐久性の評価は、歯数、圧力角、モジュール、歯先、歯元等の入力データを必要とするＩＳＯ６３３６またはＡＧＭＡ２００１などの「格付け」方法を使用して行われる。したがって、これらの方法では、エンジニアは、ギアを十分に詳しく定義する必要があるとともに、適切な値の情報を有する必要がある。本発明では、外部ギアセットに関して更に簡単な「寸法付け」方法が使用され、これらの方法は、（ｉ）中心間距離のみ、（ｉｉ）中心間距離および歯幅、（ｉｉｉ）中心間距離、歯幅、および、比率を必要とする。これらの方法は格付け方法ほど正確ではなくあるいは精巧ではないが、これらの方法は、ギア設計の詳細に精通していないエンジニアによって使用でき、そのため、トランスミッションおよびギアの設計の初期段階において使用され得る。同様に、リングギア（または、サンギア）直径および比率だけを必要とする１つの簡単な方法がプラネタリギアセットに関して使用される。また、このように定義される全てのギアは、特性のうちの１つとしてそれらのギアに割り当てられる比率を有する。ピニオン直径を中心間距離と比率とから直接に計算することができ、そのため、ピニオン直径が中心間距離に取って代わる形態で同じ方法を利用できる。これらの簡単な寸法付け方法のために使用される定数は、同じパッケージを使用して既存のトランスミッションの解析から得ることができる。そのような寸法付け方法は、同じ簡単な解析方法を使用して既存のトランスミッションを解析することによって得ることができる。そのような寸法付け方法は、用途および使用される材料に関連付けられる「定数」を必要とする。本発明では、既存のトランスミッションを解析するために同じツールを使用でき、このデータは、データベースに保存されて、新しいトランスミッションの形成において繰り返して使用され得る。

好ましくは、構成要素が、異なる外径を異なる部分に適用できるようにするために段差が形成されて成るシャフトであり、特性がシャフトの外径である場合には、外径を変えるステップは、更なるユーザ相互作用を何ら必要とすることなく、内径と外径との間の関係を維持するようにシャフトの内径を自動的に変える。好ましくは、１つの部分の内径が隣接する部分の外径よりも大きくなると、シャフトの内径を自動的に変えるステップは、シャフトの内径と外径との間のデフォルト厚だけ軸方向に分離されてシャフト部分間の移行部としての役目を果たす２つの段差を定義する。移行段差の形成および操作は自動的に行われる。

好ましくは、選択された構成要素がラビニヨウ（Ｒａｖｉｇｎｅａｕｘ）プラネタリギアセットであり、その場合、前記ラビニヨウの各プラネットセットがプラスプラネットまたはマイナスプラネットのいずれかであり、前記特性がギア比符号であり、前記ラビニヨウを変える前記ステップは、ギアセットのギア比符号を選択することを含む。ラビニヨウプラネタリギアセットは単一のユーザ動作で単一の物体として形成される。ラビニヨウギアセットは、ギアの複雑な配置であるが、一般に自動車産業において自動変速装置のために使用される。このソフトウェアパッケージでは、これらのギアセットは、ラビニヨウセットの２つの基本的な比率および基本的な構造（２つのサンギアおよび１つのリングギア、または、２つのリングギアおよび１つのサンギア）を定義することによって初期の基本モデルが形成されるように、それらの最も抽象的なレベルまで低下される。この簡単な定義を用いる場合であっても、ラビニヨウを他のプラネタリセットおよびクラッチに接続して、トランスミッション全体における幾つかの比率を得ることができ、それにより、エンジニアにとって最小の労力でトランスミッション設計プロセスが開始される。異なるラビニヨウ形態は、比率の符号を定めるだけで得られる。異なる想定し得る構造、この場合にはラビニヨウセットの各プラネットがプラスプラネットであるかあるいはマイナスプラネットであるかは、関連するギアセットの符号を定義するだけで、最小のユーザ入力およびユーザ労力により選択される。したがって、設計・モデリングプロセスは可能な限りスムーズで直感的である。

報告するステップは、ギアトルク能力および安全係数を報告していることが好ましい。ギアトルク能力は、中心間距離またはピニオン直径；中心間距離またはピニオン直径および歯幅；中心間距離またはピニオン直径、歯幅、および、ギア比；または、リングギア（またはサンギア）直径、歯幅、および、比率；ならびに、それぞれの定数ｋｎ（ｎ＝１〜４）から計算される。推奨中心間距離またはリングギア直径は、トルクおよび比率；トルク、歯幅、および、ギア比；または、トルク、歯幅、および、比率；ならびに、それぞれの定数ｋｎ（ｎ＝１〜４）から計算される。

好ましくは、選択される構成要素がギア対であり、特性がギア対またはギアセットにおける中心間距離であり、中心間距離を設定するステップは、トルクおよび比率；または、トルク、比率、および、歯幅；ならびに、それぞれの定数ｋｎ（ｎ＝１〜３）だけから推奨中心間距離を決定することを含む。

好ましくは、選択される構成要素がプラネタリギアセットであり、特性がリングギア直径であり、リングギア直径を設定するステップは、トルク、比率、および、歯幅；ならびに、それぞれの定数ｋ４だけから推奨リングギア直径を決定することを含む。

構成要素は、ギア、ギアセット、エピサイクリックギアセット、ラビニヨウプラネタリギアセット、ハイポイドギア、スパイラルベベルギア、スキューギア、フェースギアジェネレータ、モータ、ロータ、ステータ、クラッチ、シャフトポンプ、タービン、または、ベアリングを含むことが好ましい。

１つのそのような構成要素は、単純なシャフト支持ベアリングであり、径方向剛性、軸方向剛性、または、傾き剛性に関するユーザ定義情報を備えないことが好ましい。機能モデルを形成するステップでは、更なる剛性データがユーザによって定義されあるいは計算されることが好ましい。

好ましくは、モデルが高いモデル複雑さを与えるように変えられ、その性能は、次第に複雑になる解析方法を使用して評価される。

好ましくは、レイアウトの表示は、概略ダイアグラム、直交ダイアグラム、プロファイルダイグラム、または、スティックモデルを含み、該表示はこれらの間で置き換え可能である。スティックダイアグラムが「プロファイル」ダイアグラムに置き換わり、逆もまた同様である。「スティックダイアグラム」は、非常に効率的であり、外部のギアセットから成るトランスミッションを表す論理的な方法である。シャフトはその中心線に沿って描かれる。しかしながら、プラネタリギアセットが関与する場合、または、多くの同心シャフトを有する系が関与する場合には、中心線ではなくシャフトの外径に関して、あるいは、外径および内径に関してシャフトを表す必要がある。これは「プロファイル」ダイアグラムと称される。更なる改良は、ユーザが図間を自動的に切り換えることができることである。

回転機械アセンブリは、ギアボックス、ドライブトレイン、トランスミッション、電動機、発電機、ポンプ、および、タービンを含むことが好ましい。

また、本発明は、回転機械アセンブリのコンピュータ支援工学的設計のためのコンピュータ可読プロダクトであって、前述した方法のステップを実施するようになっているコード手段を備えるコンピュータ可読プロダクトも提供する。

また、本発明は、回転機械アセンブリのコンピュータ支援工学的設計であって、前述した方法のステップを実施するようになっているコード手段を備えるコンピュータ支援工学的設計も提供する。

プラネタリセットが形成されると、これらのプラネタリセットは既にシャフトに装着されたフルアセンブリである。全てのプラネタリセットが形成されると、これらのプラネタリセットは、噛み合うギアに関してだけでなく、シャフトに対する装着および適切なプラネットキャリアの形成に関しても、完全なアセンブリとして形成される。これにより、トランスミッション設計およびモデリングプロセスを迅速に開始することができ、その結果、完全なトランスミッションへのそれらの組み入れを可能な限り迅速に行うことができる。同様に、ローラベアリングをプラネットギア下に含ませることができる。

トランスミッションにおける全てのクラッチパックおよび全てのギアセットのサイズは、単一のユーザウインドウ内で評価される。トランスミッション設計プロセス内で、トランスミッションの全体サイズに影響を及ぼす主要な構成要素は、ギアおよびクラッチである。これらの両方はトルクを伝えるために十分に大きくなければならないが、過度なサイズには、トランスミッションを最終的な用途に適合させるのが困難になるという点において犠牲を伴う。このパッケージでは、全てのギアセットおよび全てのクラッチのサイズ（したがって、パッケージング）を単一のＧＵＩウインドウにおいて変えることができ、その場合、それらの性能（トルク能力、コスト、および、重量）に関する重要な結果が同時に報告される。

また、この全体の設計プロセスは、ハイポイドギア、スパイラルベベルギア、スキューギア、および、フェースギアを含む。

動的解析のための１Ｄねじれモデルが自動的に形成される。トランスミッションの簡単なスティックダイアグラム表示から、１Ｄねじれ動的解析モデルが自動的に形成される。これは、ギアシフトモデルまたはシフト戦略等の形成のために他のＣＡＥパッケージへエクスポートされ得る。

本発明によれば、トランスミッションを設計できるとともに、構成要素と動力流れとの間の関係を定義することができる。所定のモデルパラメータに関して設計を解析できる。トランスミッションは、全ての構成要素が十分なトルク能力を有することを目指しているが、用途におけるパッケージ空間にとって十分に小さい必要があるとともに、可能な限り軽量で安価である必要がある。

更なる実施形態では、本発明により、性能をチェックするためにトランスミッションに適用される（前述した）簡単な解析方法を用いて、特定の規則にしたがって、トランスミッション設計を自動的に変えることができる。同じトランスミッションレイアウトの多くの異なる変形を短期間で検討することができるとともに、最良の候補をユーザへ与えることができる。

例えば、全比率が固定されるけれども２つ以上の中間比率の積から成る場合には、これらの比率間の分割を極値間で自動的に変えることができ、その場合、結果として生じるトランスミッション変形物は、異なる重量、トルク能力、および、パッケージングを有する。

多くの自動車の例では、異なる全ギア比が相互に関係があり、そのため、１つのギアセットの比率分割が他のギアセットにおける比率分割を変える。パッケージは、この関係を理解して、その自動設計検討で関連結果を報告する。

中心間距離を変えることができ、それにより、トルク能力、重量、コスト、パッケージングが自動的に変わる。２つ以上のシャフト回転軸が存在する場合、ユーザは、中心間距離が設計意図にしたがってシャフトの相対位置を変える方法を定義することができる。

一例として、モデルにおいては、ギア歯幅、ギア位置、ギア間オフセット、クラッチ直径、クラッチ長さ等を含む多くの設計パラメータを変えることができる。しかしながら、適した方法で理解され得る満足な結果を与えるサイズに設計検討を制限するために、ユーザは、どの変数を含めてどの変数を排除すべきかを選択できる。
ここで、添付図面を参照して、本発明を単なる一例として説明する。

回転機械を設計するためのプロセスのフローチャートを示しており、同じレベルの複雑さの設計反復を含む。 統合または個別であってもよい別個のパッケージへのデータのエクスポートを示す。 複雑さが次第に高まる機能モデルを形成するための手法を示す。 複雑さが次第に高まる機能モデルを形成するための手法を示す。 複雑さが次第に高まる機能モデルを形成するための手法を示す。 複雑さが次第に高まる機能モデルを形成するための手法を示す。 ユーザに対して表示されかつユーザが本発明の方法と相互に作用できるようにするグラフィカルユーザインタフェースの一例を示す。 アイコンおよび関連するコマンドのリストを示す。 スティックモデル型略図の例を示す。 プロファイル図の例を示す。

ここで、回転機械を設計するためのプロセスのフローチャートを示す図１を参照すると、ユーザ、特に設計者は、設計のためのレイアウトを作成し、該レイアウトが展開するにつれて設計のモデルを改良することができる。回転機械は、例えばギアボックス、ドライブトレイン、トランスミッション、電動機、発電機、ポンプ、タービン等を含めて、単純であってもよくあるいは複雑であってもよい。

第１の段階２０４において、設計者は、回転機械のための１つ以上の構成要素を選択する。構成要素は、例えば、ギア、ギアセット、エピサイクリックギアセット、ラビニヨウプラネタリギアセット、ハイポイドギア、スパイラルベベルギア、スキューギア、フェースギアジェネレータ、モータ、ロータ、ステータ、クラッチ、シャフト、ポンプ、タービン、または、ベアリング等を含む構成要素のライブラリまたはリストから選択できる。構成要素は、構成要素（例えばシャフト、ギア、ベアリング、クラッチなど）に対応するワードのリストから選択することができ、あるいは、構成要素は、例えばスティックダイアグラムなどの構成要素を表すグラフィカルアイテムのリストから選択されてもよい。一般に、各アイテムが選択された後、設計者は、それをグラフィカルユーザインタフェース内に位置させることができる。

構成要素には、それらの形成時に、デフォルト特性を与えることができる。例えば、デフォルト特性はそれらの用途にしたがって設定される。マルチメガワットギアボックス（例えば、風力タービンまたはマリンギアボックス）にふさわしくなるようにパッケージがセットアップされる場合には、構成要素のデフォルトサイズは、パッケージがキロワットサイズのギアボックス（例えば、自動車用）と共に使用するようになっている場合とは異なる。また、それにしたがって、キャンバス上の単位および目盛りに関するデフォルト設定が変えられる。

ステップ２０６において、選択された構成要素は、概念設計の基本的な枠組みを与えるように関連付けられる。関連性または関係性としては、例えば、ギアの噛み合い、シャフト間のクラッチの接続、ハウジング（グランドポイント）に対する接続、シャフト間の結合、電源負荷などが挙げられる。

ステップ２０８において、設計者は、設計の要件を満たすために、選択された構成要素の特性およびそれらの構成要素の他の構成要素との関連性の特性を調整することができる。調整としては、例えば、構成要素の位置を変えること、ギアを寸法付けること、ギア比を定義すること、ギアの歯幅を調整すること、クラッチのサイズを変えること、シャフト直径を変えること、ベアリングおよびギアの位置を調整すること等が挙げられる。これは、回転機械を通じたあるいは回転機械の特定の構成要素を通じた１つ以上の動力流れを定義することを含む。

これにより、ステップ２１０において、構成要素およびそれらの関連性または関係性の調整された特性または当初の特性にしたがって機能する機能モデルがもたらされる。ステップ２１０で生み出される機能モデルは、概念設計が比率、トルク／出力能力、サイズ等の基本設計目標をいかにうまく達成しているのかを設計者が見ることができるようにする機能ワーキングモデルである。

ステップ２１４では、機能モデルおよび関連する製品定義の解析が様々な報告を設計者に対して与える。これらの報告としては、例えば、装置または装置の構成要素を通じた動力流れの解析、ギア寸法付けの解析、重量の解析、コストの解析、ギア能力の解析、クラッチトルク能力の解析、ベアリング荷重またはハウジング／ケーシング荷重の解析、ローラベアリングの最小所要動的能力に対応する適切な動荷重係数の解析などが挙げられる。

ステップ２１６では、概念モデルを表すデータを、１つ以上の他のＣＡＤ／ＣＡＥパッケージ内に評価にふさわしいフォーマットでエクスポートすることができる。これは、設計者が回転機械の系または構成要素のより詳しい評価を望む場合には、設計プロセスにおける任意の時点で行うことができる。

前述したプロセスは反復的であり、設計者は、図１１に示されるようにステップ２１４で生成される報告にしたがって構成要素の特性または構成要素が関連付けられるあるいは関係させられる態様を変えるためにプロセスの前の段階へ戻ってもよい。設計要件を満たす概念設計を得るために、特定の構成要素が除去され、他の構成要素と置き換えられてもよい。また、プロセスは、概念が次第に複雑になるにつれて何回も実行されてもよい。したがって、ステップ２０４が２つのシャフトと２つのギアとを選択するように行われてもよく、ステップ２０６がギアをシャフト上に位置決めしてそれらを噛み合わせるように行われてもよく、また、ステップ２０８がギアのサイズまたはギアの比率の調整をもたらす。その後、概念設計の更なる付加的な構成要素に関してプロセス全体が繰り返されてもよい。このようにして、ステップを何回も実行することにより、エンジニアは、使用される解析方法により判断される性能レベルが次第に高まる設計を探ることができる。

このように、概念設計をモデリングするためのプロセスは、使用するのが容易であり、柔軟性があるとともに、概念設計の機能モデルを全ての段階で設計者に与える。

随意的な段階２１２では、回転機械のための設計パラメータを定めることができる。設計パラメータは、例えば、荷重、動力流れ、サイズ、パッケージング、動作温度、または、他の設計固有のパラメータに関連する。

これにより、定められたパラメータを満たしそうな設計のワーキング概念モデルが設計者に与えられる。

設計者は、コンピュータシステムのインタラクティブな表示手段とグラフィカルユーザインタフェースとによって本発明の設計プロセスと相互に作用する。

インタラクティブな表示手段は、プロセッサに接続されるタッチスクリーンやインタラクティブホワイトボード等を含む。また、表示手段は、マウス、グラフィックパッド等を含む、コンピュータモニタとポインティングデバイスとの組み合わせも含む。プロセッサは、例えば、スタンドアロンコンピュータ、ネットワークコンピュータ、ノート型コンピュータ、ノートパッドコンピュータ、または、スマートフォンにおけるプロセッサとなることができる。

トランスミッションシステムの簡単で効率的なモデリングは、トランスミッションの詳細な開発のための統合設計プロセスの一部である。このスティックダイアグラムが作成されると、スティクダイアグラムは、トランスミッションのなお一層詳しいＣＡＥ解析のために使用され得るトランスミッションの機能モデルおよび関連する製品定義を自動的に作成する。そのような詳しい解析は設計プロセスの後段で必要とされ、また、そのような解析を行うためには、より多くの詳細を付加する必要がある。ソフトウェアのセットアップは、より詳しい解析を目的として更なる技術的詳細を設計プロセスにおいて後に付加できる基本的なトランスミッション機能モデルとしてスティックダイアグラムを使用できるようになっている。

例えば、トルクおよび速度の運動学的解析のために、シャフトの機能が、ギアのための回転軸の定義子として単に動き出してもよく、その後、シャフト部分が定義されるとともに、ねじれ静的計算または動的計算で用いるための例えばティモシェンコ梁などの１Ｄ有限要素としてシャフト部分を表すことによりシャフトの機械的特性が計算され、その後、簡単な支持または線形剛性支持によりシャフトを支持するベアリングが定義されるとともに、シャフト／ベアリング系が線形の静的解析および／または動的解析で計算でき、その後、ベアリングは、シャフト／ベアリング系全体の一部としてヘルツ接触に起因して径方向剛性、傾き剛性、および、軸方向剛性の非線形計算を可能にする更に詳細な定義へと変換され、その後、ティモシェンコ梁などの１Ｄ有限要素としてのシャフト部分の簡単な数学的定式化を、例えば３Ｄ有限要素モデル定義からの３Ｄ剛性マトリクスと置き換えることができる。

ギアに関しても同様に、ギアの最も簡単な表示は、比率、中心間距離、および、歯幅のみに関してであり、また、所定の中心間距離またはピニオン直径、比率、および、歯幅におけるトルク能力の簡単な解析方法が可能であり、次に、ギア定義に歯数を加えることができるとともに、歯通過周波数の計算が機械のノイズ特性を理解する上での手掛かりとなることができ、次に、モジュール、圧力角、螺旋角、転位係数、歯先、歯元、歯元半径、材料仕様、表面粗さなどの詳細を加えることができるとともに、ＩＳＯ６３３６などの基準にしたがってギアの応力、耐久性、および、効率を計算することができ、次に、歯筋クラウニング、歯先修整、歯元修整、歯筋勾配などの詳細を加えることができるとともに、荷重時歯当たり解析計算が、荷重・位置ずれ状態下でのギアの応力、耐久性、伝達エラー、および、効率を与えることができ、また、最後に、ギアのモデルを、有限要素解析に基づくモデル、すなわち、簡単なあるいは複雑な３Ｄメッシュと置き換えることができるとともに、歯の各点における応力、歪み、撓み、荷重をメッシュサイクルのそれぞれの部分で計算することができる。

ギアボックスハウジング／ケーシングに関して、初期定義は、撓みを伴わずにベアリングを支持する剛体要素としてのハウジングを有し、次に、ハウジングを低剛性マトリクスにより表すことができ、その場合、ベアリングの外輪は、［６ｎ×６ｎ］剛性マトリクスによって表されるハウジングの剛性にしたがって単一の点として全部で６つの自由度をもって移動すると見なされ、ここで、ｎは系におけるベアリングの数であり、次に、各ベアリングの支持が更に詳しくモデリングされ、それにより、ベアリング外輪とハウジングとの間の接触を解析できるとともに、荷重下でのベアリングの内輪と外輪との間の楕円化を計算できる。

初期スティックダイアグラムはベアリングを定義させる必要がない。これは、系内の速度およびトルクの計算が、単に、全てのシャフトが支持されてそれら自体の軸を中心に回転できると仮定し得るからである。改良の次のステップは、ベアリングの位置を定義して、この位置でシャフトのための支持をもたらすことである。初期モデルを設計決定を行うのに必要なほど簡単にするという考えに沿って、これらの支持は簡単な支持（無限径方向剛性、ゼロ傾き剛性、および、ゼロ軸方向剛性）であり、あるいは、これらの支持にはデフォルト有限剛性が割り当てられる。どちらにしても、これにより、シャフト／ベアリング／ギア系の静荷重の初期計算を行うことができる。

この初期計算から、必要とされるベアリングのサイズに関する指針を与えることができるとともに、ハウジング設計者の利益のために、ハウジング（ケーシング）へ伝えられる力を計算して報告することができる。

また、そのような簡単な支持が転動体ベアリングと置き換えられるようになっている場合には、ベアリング荷重およびサイクル数のこの初期計算から、ベアリングの所要動的能力を計算することができ、また、この情報を、ベアリング選択の基礎をこの情報に置く設計者へ貴重な情報として与えることができる。

簡単な支持を定義するプロセス、ベアリング荷重を計算するプロセス、および、適切なローラベアリングを選択するプロセスは、径方向および軸方向の支持、軸方向の支持だけ、一方向の軸方向支持、傾斜支持、ならびに、テーパローラ支持（一方向および双方向）に関して簡単な支持を定義することによって変えることができ、また、テーパローラベアリング、スラストニードルローラベアリング、スラストボールベアリング、円筒ローラベアリング（リブを伴うあるいは伴わない）、アンギュラ接触ベアリング、および、そのような全てのベアリングの複列バージョンなどの異なるベアリングタイプに関して対応するベアリング荷重能力計算を有効にすることができる。

図１では、概念モデルを表すデータが、ステップ２１６において、１つ以上の他のＣＡＤ／ＣＡＥパッケージ内に評価にふさわしいフォーマットでエクスポートされるように示されている。言うまでもなく、データは、概念モデラ（「ＣＭ」）と一体化される１つ以上の他のＣＡＤ／ＣＡＥパッケージによって解析されてもよい。したがって、図２の上側のパネルでは、ユーザが前述したようにレイアウトを作成するためにＣＭと相互作用し、それにより、機能モデルの形成がもたらされる。この機能モデルは、性能基準を背景にレイアウトを評価するための計算の基礎として使用できる。評価に応じて、ユーザは、例えば図１に関して前述したように試みて性能基準を満たすべくレイアウトを変更しあるいは展開したいと思う場合がある。しかしながら、必要とされる解析がＣＭによって与えられる手法よりも複雑となる時点がくる。この場合、機能モデルは、更に詳しいモデル定義および複雑な解析を扱うことができる１つ以上の他のＣＡＤ／ＣＡＥパッケージへ入力するのにふさわしいフォーマットでエクスポートされる。この場合も先と同様に、ユーザは、１つ以上の他のＣＡＤ／ＣＡＥパッケージへエクスポートされるモデルをその性能に関して評価することができるとともに、それらの結果に応じてレイアウトを更に展開できる。

下側のパネルは、更に複雑な計算および解析を行うための能力が概念モデラに組み込まれ、それにより、一方から他方への移行を更に簡単でかつユーザに「見えない」ようにする同様の手法を示している。

ユーザは、モデルと相互作用して、モデルの複雑さを高めるようにモデルを変更してもよく、また、次第に複雑になる解析方法を使用してモデルの性能が評価される。図３Ａ〜図３Ｄはこの展開を示している。

図３Ａにおいて、ユーザは、多数のギアが平行なシャフトに装着されるギアボックスのスティックダイアグラムを作成した。ベアリングが簡単な支持として定義され、また、ギアが比率のみにより定義される。ハウジングは定義されずに剛体であると見なされる。シャフト部分は定義されなかったため、シャフト剛性が仮定される。動力流れ解析を行うことができ、また、ギアにおけるトルク能力および推奨中心間距離、ならびに、ベアリングおよびハウジングの荷重を計算することができる。

図３Ｂでは、シャフト部分がここで定義され、そのため、ティモシェンコ梁としてシャフト部分を表すことによって剛性を計算することができる。ギアは、該ギアがＩＳＯ６３３６に関連付けられ得るようにかつ歯数が歯通過周波数の計算を可能にするように更に定義された。ベアリングは、ここでは、計算されたベアリング荷重およびベアリング耐久性に動的能力を関連付けることができるようにそれらのローラベアリングタイプに関して定義される。ベアリング非線形剛性を計算することができる。

図３Ｃでは、モデルが更に改良された。シャフトのうちの１つ、すなわち、差動ケージは、軸対称ではなく、また、１Ｄティモシェンコ梁表示が３Ｄ有限要素メッシュと置き換えられ、それにより、この領域において、ベアリング荷重、ギア位置ずれ、および、シャフト撓みの更に正確な解析が与えられる。

図３Ａ〜図３Ｃでは、ハウジングが定義されず、したがって、ベアリングが剛体構造によって支持されると仮定される。図３Ｄにおいて、ハウジングは、その機械的特性を表すために、３Ｄ有限要素メッシュあるいは低質量・剛性マトリクスにより表され、これはベアリングを支持するために使用される。ここで、ハウジングの撓みは、ギアボックス全体の完全な静的解析において考慮され、また、ハウジングの質量および剛性はギアボックスの動的挙動に影響を及ぼす。シャフト撓み、ベアリング撓み、位置ずれ、荷重および寿命、および、ギア荷重、位置ずれ、耐久性、トルク能力、伝達エラー、効率は全て、ハウジング剛性によって影響される。利用できる見識および解析の複雑さのレベルは図３Ａにおける場合よりもかなり高いが、モデリング時間もかなり長く、変更を行うための範囲はかなり小さい。しかしながら同時に、図３Ａから図３Ｄへの移行は、一体型ソフトウェアパッケージまたは個別ソフトウェアパッケージ内においてスムーズであり、また、反復設計改良を行うことができるようにする。これは発明の重要な本質である。

図４は、ユーザに対して表示されるグラフィカルユーザインタフェースの一例を示しており、このグラフィカルユーザインタフェースは、図３Ａに示される類の概略図を作成するためにユーザが本発明のプロセスと相互作用できるようにする。図４において、回転機械の概略図は、回転機械自体の機能モデルである。

作業領域は１つ以上の図３０２，３０４を備える。２つのそのような図は、設計される回転機械の側面図３０２および端面図３０４に対応する図３に示されている。側面図は、所定の軸に沿って見た回転機械の図の真の表示であってもよく、あるいは、１つ以上の断面における回転機械の折り込み表示であってもよい。図４における回転機械は、一般に使用されるようなギアが長方形要素によって表される「スティックダイアグラム」形式を使用して示されている。しかしながら、ギアが略「Ｉ」形状要素により表される「スティックダイアグラム」を含む回転機械構成要素の他の図表示を使用できる。

図４に示される例では、２つのギア３１０，３１２がそれぞれ２つのシャフト３２０，３２２上に装着される。シャフト３２０はクラッチ３３０を介して同心シャフト３４０に接続される。この例では、シャフトが略水平な方向に配置されるように示されているが、言うまでもなく、シャフトは、垂直や斜めなどの任意の方向に位置合わせされてもよく、また、垂直シャフトを有する機械を定義して解析することができる。シャフト３２０，３２２，３４０はベアリング３５０，３５２，３５４，３５６，３５８上に支持される。最初は、ベアリングは、非常に簡単なシャフト支持体であり、径方向剛性、軸方向剛性、または、傾き剛性に関するユーザ定義情報を伴わない。モデルが成熟するにつれて、更なる剛性データをユーザにより定義することができ、あるいは、更なる剛性データを計算することができる。

入力３６２と出力３６４との間の動力流れ３６０の一例が示されている。

ここで、本発明のプロセスを使用して回転機械アセンブリを形成するためにディスプレイ上で構成要素を選択し、位置決めし、関係付けることについて更に詳しく説明する。ユーザに与えられるグラフィカルユーザインタフェースは、コマンドを発行するための多くのアイコンを与え、これらのアイコンの例が図５に示される。

第１のステップでは、シャフト、構成要素、他の構成要素、および、プラネタリ構成要素のセットを含むリストＢに示される構成要素が、ディスプレイ上で選択されて位置決めされてもよい。一般に、構成要素は、グラフィカルユーザインタフェース内に構成要素のリストを表示して該リストからユーザ選択を受けることによって選択される。グラフィカルユーザインタフェースは、構成要素を（例えば、クリックまたはタップにより）選択した後にその構成要素を新しい位置へ（例えば、その構成要素をドラッグしあるいはナッジすることにより）移動させることによって設計者が構成要素の位置を変えることができるようにする。一般に、構成要素は、位置決めのための構成要素のユーザ選択を受けてユーザ要求にしたがって位置を変えることによって移動される。これらのステップは、全ての選択された構成要素が位置決めされるまで繰り返すことができる。これは、図１のステップ２０４の範例となる。

また、設計者は、ボタンＡと（例えば、クリックまたはタップにより）係合してキャンバス上で構成要素を（例えば、クリックまたはタップにより）選択することにより構成要素を削除することもできる。一般に、前記構成要素のうちの１つ以上は、コンピュータシステムのグラフィカルユーザインタフェース内に構成要素を表示して、削除のための構成要素の１つ以上のユーザ選択を受けるとともに、ユーザ要求にしたがって構成要素の１つ以上を削除することによって削除される。

図１のステップ２０６の範例となる第２のステップでは、インタフェースにより、設計者は、第１のステップで選択された構成要素を関連付けあるいは関係付けることができる。一般に、構成要素間の関連性は、コンピュータシステムのグラフィカルユーザインタフェース内に構成要素を表示して、関連付けるための構成要素の少なくとも２つのユーザ選択を受けるとともに、ユーザ要求にしたがって構成要素を関連付けることによって生み出される。

例えば、平行なシャフト３２０，３４０は、リストＢから「関係性」を選択して、サブメニューリスト（図示せず）から「シャフトを結合する」を選ぶことによって図示のように同心的に接続される。その後、設計者は、同心的に接続されるべき２つのシャフト（３２０，３４０）をキャンバス上で選択し、また、ソフトウェアは、３２０および３４０の中心線が一致するように３４０を再配置するとともに、結合されたシャフトの長さが３２０および３４０の長さの和となるように３２０の後端と３４０の前端とを接続する。

反復設計プロセスにおいて設計者を支援するために、シャフト切断ツールによってシャフトが２つの別個のシャフトへ分離されてもよい。これはそれ自体のアイコンを有し、また、切断位置がマウスまたは他のポジショニングデバイスによって定義される。

２つの同心シャフト３２０，３４０を図示のようにクラッチ３３０により接続することができる。設計者は、リストＢから「関係性」を選んだ後、サブメニューリスト（図示せず）から「シャフト間にクラッチを加える」を選択する。キャンバス上で同心的に位置合わせされる２つのシャフト３２０，３４０は設計者により選択され、また、ソフトウェアが２つのシャフト間にリンクを形成する。このリンクは、動力流れ状態に応じてこのリンクを動力を伝達するあるいは動力を伝達しないとして定義できるという特性を有する。リンクは、ねじれ方向および径方向で剛体となることができ、あるいは、径方向およびねじれ方向の剛性のデフォルト値を有することができる。リンクはデフォルトクラッチ寸法を有する。

他の接続が可能である。
例えば、２つの同心シャフトを「剛体を成して」接続することができる。用語「剛体」は、スプライン、溶接、焼嵌め、または、他のそのような接続の機能性を表す。これを剛体接続と見なすことができるが、モデルにおいて、これは、接続が常に動力を伝えることができるということが意図される場合には溶接またはスプラインなどの何らかの物理的実体によりこれらのシャフトが接続されるという事実を定義するために使用される概念エンティティである。解析モデルにおいて、その径方向、ねじれ方向、および、軸方向の剛性は、高くてもよいあるいは無限であってもよいデフォルト値を有する。リストＢから「関係性」を選ぶとともに、サブメニューリスト（図示せず）から「シャフト間の剛体接続を加える」を選択した後、設計者は、同心的に接続されるべき２つのシャフト（３２０，３４０）をキャンバス上で選択することができる。ソフトウェアは、シャフト３２０，３４０間に「剛体」要素を形成するとともに、剛体接続を使用してシャフト３２０とシャフト３４０とを接続する。溶接結合の場合には、溶接が全部で６つの自由度において剛体であって径方向でのみ剛体でないことに留意すべきである。

例えば、シャフトは、例えばシャフトがハウジング内に装着されてもよいという事実を表すために、グランドに対して剛体を成して接続することができる。リストＢから「関係性」を選択するとともに、サブメニューリスト（図示せず）から「グランドに対して剛体接続を加える」を選ぶことにより、設計者は、接地されるべきシャフトをキャンバス上で選択することができる。ソフトウェアは、選択されたシャフトとグランドとの間に（既に定義された）「剛体」要素を形成するとともに、シャフトとグランドとを「剛体」接続により接続する。

例えば、シャフトは、該シャフトがクラッチを介してハウジングに接続されるという事実を表すために、クラッチによりグランドに接続することができる。設計者は、リストＢから「関係性」を選ぶとともにサブメニューリスト（図示せず）から「グランドに対して剛体クラッチを加える」を選択することにより、クラッチを使用してグランドに接続されるべきシャフトを選択できる。ソフトウェアが２つのシャフト間にリンクを形成する。このリンクは、動力流れ状態に応じてこのリンクを動力を伝達するあるいは動力を伝達しないとして定義できるという特性を有する。リンクは、ねじれ方向および径方向で剛体となることができ、あるいは、径方向およびねじれ方向の剛性のデフォルト値を有することができる。リンクはデフォルトクラッチ寸法を有する。

例えば、ギア３１０，３２０を図示のように噛み合わせることができる。設計者は、リストＢから「関係性」を選んだ後、サブメニューリスト（図示せず）から「ギアを噛み合わせる」を選ぶ。その後、ギア３１０，３２０が選択され、また、ソフトウェアは、選択されたギアのうちの一方を２つのギアが軸方向で位置合わせされるように軸方向で再配置するとともに、ギアを受け入れるためにシャフト３２０，３２２間に軸方向距離を設定し、あるいは、両方のギアの直径が等しくかつギア比が１．０である図６に示される例に示されるようにギアのサイズを調整する。

図１のステップ２０８の範例となる第３のステップでは、インタフェースにより、設計者は、概念設計において構成要素の特性を調整することができる。

例えば、シャフトに動力負荷を加えることにより動力負荷がもたらされてもよい。設計者は、リストＢから「関係性」を選んだ後、サブメニューリスト（図示せず）から「動力負荷を加える」を選ぶ。その後、設計者は、動力負荷を加えるためにシャフトをキャンバス上で選択し、また、ソフトウェアは、速度、トルク、および、動力に関する値を何ら伴わずにあるいはデフォルト値を使用して、動力負荷をシャフトに対して加える。

例えば、動力流れをキャンバス上で定義される動力負荷に対して加えることができる。ボタンＣから「新たな動力流れ」を選んだ後、ソフトウェアは、継続時間・デフォルト温度という名前を有する新たな電力流れをもたらす。その後、設計者は、どの動力負荷が入力動力負荷３６２でありかつどの動力負荷が出力動力負荷３６４であるのかを（例えば、クリップまたはタップにより）知らせる。ソフトウェアは、最初にクリックされた動力負荷を入力動力負荷として設定するとともに、２番目にクリックされた動力負荷を出力動力負荷として設定する。入力動力負荷から始まって出力動力負荷で終わる動力流れ経路の探索が、例えばグラフ理論を使用して実行される。適切な経路が見出される場合には、新たな動力流れが形成される（経路が見出されない場合には、動力流れが形成されない）とともに、動力負荷が、動力がトランスミッションに出入りするポイントになることによって動力流れ定義に加えられる。動力流れ３６０は，ワークスペース上に表示される。

例えば、動力流れは、入力動力負荷（動力が駆動ライン系に入るポイント）をクリックした後に、荷重を受ける一連のシャフトおよびギアと係合されるクラッチとをクリックすることによって定義することもできる。動力流れ定義は、出力動力負荷（動力が駆動ライン系から出るポイント）をクリックすることにより完了される。ソフトウェアは、特性テーブルにタイプされた動力負荷、トルク、速度、継続時間、および、温度を、定義された動力流れに対して与える。

例えば、動力流れを定義することができる。設計者は、特性テーブル内の動力、トルク、速度、継続時間、係合されるクラッチ、および、温度をボタン（Ｄ）で（例えば、クリップまたはタップにより）選んで編集する。ソフトウェアは、テーブルにタイプされた動力負荷、トルク、速度、継続時間、係合されるクラッチ、および、温度を、定義された動力流れに対して与える。

例えば、定義された動力流れを削除することができる。設計者はボタン（Ｅ）で（例えば、クリップまたはタップにより）動力流れを選び、また、ソフトウェアは動力流れを除去する。

例えば、任意の構成要素のサイズまたは該構成要素の特性は、それを選択してそれをドラッグすることにより変更することができる。

例えば、ギア対またはギアセットのギア比は、ギア対間に形成される噛み合いをドラッグすることにより変更することができる。ソフトウェアは、ギア比が変えられるにつれてギアの直径を変える。これが行われると、ギア対によって占められるパッケージング空間、ならびに、ギアセットのトルク能力、重量、および、コストが自動的に更新される。

例えば、ギアの歯幅は、ギアのエッジをドラッグしてマウスをシャフト軸に沿って移動させることにより変えることができる。これが行われると、ギア対によって占められるパッケージング空間、ならびに、ギアセットのトルク能力、重量、および、コストが自動的に更新される。

例えば、ギア対の中心間距離は、ギアのうちの１つが装着される同心シャフト上でシャフトまたはアセンブリの軸をドラッグすることにより変えることができる。これが行われると、ギア対によって占められるパッケージング空間、ならびに、ギアセットのトルク能力、重量、および、コストがいずれも自動的に更新される。

例えば、ギアの軸方向位置は、ギアの中心をドラッグしてマウスをシャフト軸に沿って移動させることにより変えることができる。

例えば、クラッチのサイズは、クリック・アンド・ドラッグ作用によって径方向で変えることができる。これが行われると、クラッチによって占められるパッケージング空間およびクラッチのトルク能力がいずれも自動的に更新される。

例えば、クラッチのサイズは、クリック・アンド・ドラッグ作用によって軸方向で変えることができる。その際、更なるクラッチプレートが加えられ、そのため、これが行われると、クラッチによって占められるパッケージング空間およびクラッチのトルク能力がいずれも自動的に更新される。

このようにすると、回転機械アセンブリを容易に設計してスティックダイアグラムであるいはプロファイルダイアグラムフォーマットで表示することができる。幾つかのスティックダイアグラムの概略図の例が図６に示されており、また、プロファイルダイアグラムが図７に示されている。

これは、トランスミッションのグラフィカル表示だけでなく、回転機械アセンブリの機能のワーキングモデルでもあり、これに基づいて、回転機械アセンブリの機能および性能を予測するために計算を行うことができる。

「スティックダイアグラム」は、非常に効率的であり、外部のギアセットから成るトランスミッションを表す論理的な方法である。シャフトはその中心線に沿って描かれる。しかしながら、プラネタリギアセットが関連する場合、または、多くの同心シャフトを有する系が関連する場合には、中心線ではなくシャフトの外径に関して、あるいは、外径および内径に関してシャフトを表す必要がある。更なる改良は、ユーザが図間を自動的に切り換えることができることである。

シャフトは単一部分として形成される。ユーザは、このシャフトに「段差」を定義して２つ以上の部分をもたらすことができる。これらの部分の外径を定めることができ、このことは、異なる部分が異なる外径を有することを意味する。外径はクリック・アンド・ドラッグ作用で変えられる。シャフトは、外径の割合が与えられるデフォルト内径を有して形成される。外径が変えられるにつれて、内径が自動的に変えられ、それにより、更なるユーザ相互作用を何ら必要とすることなく内径と外径との間の関係が維持される。
シャフト直径を変える際には、１つの部分の内径が隣接する部分の外径よりも大きくなるように２つの部分間の直径の変化させることができる。２つの隣接する部分間に簡単な段差が形成された場合には、途切れと同種の不連続部がシャフトに形成され、そのため、シャフトは、解析的にあるいは物理的実在性においてトルクを伝えることができないであろう。この問題を解決するために、単一のシャフト段差がユーザによってこのパッケージに導入されると、解析的モデルは、シャフトの内径と外径との間のデフォルト厚だけ軸方向に分離される２つの段差を定義する。この「接続する」シャフト部分は、他のシャフト部分と同じ工学的特性（長さ、外径、内径、材料特性）を有しており、そのため、それを表すために形成される特別な「構成要素」または「物体」が存在しない。このシャフト部分は、これらの２つの段差間が、２つのシャフト部分間の移行部としての役目を果たし、これらのシャフト部分の直径はユーザにより変えられるようになっている。この移行段差の形成および操作は、直接的なユーザ相互作用の必要性を伴うことなく、パッケージにより自動的に行われる。

ユーザは、クリック・アンド・ドラッグ作用によってシャフト段差の軸方向位置を変えることができる。これが行われると、移行シャフト部分を規定するシャフト段差の両方が同時に移動され、したがって、モデル内において移行シャフト部分の長さおよび移行シャフト部分の機能が維持される。これは、全て、自動的にかつ直接的なユーザ相互作用の必要性を伴うことなく行われる。

「側面図」および「端面図」。ソフトウェアは、トランスミッションの側面図および端面図を同時に示す。端面図により、ユーザは、側面図でトランスミッションの拡大図を定義するために、様々なトランスミッションシャフトの中心を横断する平面を定義することができる。

スティックダイアグラムは、トランスミッションのパッケージングをその環境内でチェックするためにＣＡＤへエクスポートされ得るトランスミッションの３Ｄモデルをもたらすことができる。インタフェースは２Ｄであるが、直交図によってトランスミッションの３Ｄ表示を定義できる。これは、トランスミッションが最終的に組み込まれなければならない空間に関連してトランスミッションのサイズおよび形状をチェックできるように立体形状としてＣＡＤパッケージへエクスポートされる。この全ては、設計の必要最小限の詳細が全て揃うことにより達成できる。

第４のステップでは、動力流れ解析、静的解析、コスト、重量、ギア寸法付け、ギアトルク能力、ベアリング荷重、ハウジング荷重、および、クラッチトルク能力を決定して報告することができる。これは図１のステップ２１４の範例となる。

例えば、動力流れ解析において、設計者は、ボタン（Ｆ）を選択するとともに、先に定義された動力負荷を使用して動力流れ解析を実行する。この解析は、それぞれの動力流れごとに、回転機械における全てのポイントで、速度、トルク、および、動力を計算する。解析は、運動学的計算により、全ての構成要素が剛体要素として扱われることによってあるいは構成要素が有限剛性を有しかつ系がマトリクスＭを形成することにより解かれることによって達成することができる。出力／入力における全ギア比は、計算された角速度に基づいて計算される。出力トルクは、入力トルクとギア比とを使用して計算される。

例えば、クラッチ能力報告に関して、設計者は、先に定義されたクラッチに基づいてクラッチトルク能力報告を作成するためにボタン（Ｇ）を選択する。ソフトウェアは、接触するクラッチプレート間の速度差を考慮して、クラッチスライド速度を計算する。正味クランプ力、摩擦係数、摩擦面の数、クラッチの平均半径を使用して、クラッチにおけるトルク能力および安全マージンが計算される。報告は、一般に、伝達されたトルク、スライド速度、トルク能力、および、安全マージン（静的トルク安全係数）を含む。

例えば、ギア寸法付け報告において、設計者は、先に定義されたギア対に関するギア寸法付け報告を作成するためにボタン（Ｈ）を選択する。

以下の４つの評価方法を利用できる。
トルク能力がギア対またはギアトレインの中心間距離のみに依存する方法１。
トルク能力がギア対またはギアトレインの中心間距離および歯幅のみに依存する方法２。
トルク能力がギア対またはギアトレインの中心間距離、歯幅、および、ギア比のみに依存する方法３。
トルク能力がプラネタリギアセットにおけるリングギア（またはサンギア）直径およびギア比のみに依存する方法４。

ソフトウェアは、設計者によって選択される方法に関して様々な定数ｋｎ（ｎ＝１〜４）を使用する。方法１〜３を使用すると、ｋｎ、中心間距離、歯幅、および、ギア比を用いてトルク能力が計算される（使用されるパラメータは選択される方法によって決まる）。方法４においては、トルク能力を計算するために、ｋ４、リング／サン比率、リングギア直径、および、歯幅が使用される。動力流れ解析が行われたため、各ギア対、ギアトレイン、または、プラネタリセットに印加されるトルクは既知である。推奨中心間距離は、ｋｎ、トルク、歯幅、および、ギア比を用いて方法１〜３によって計算される。方法４においては、推奨リングギア直径を計算するために、ｋ４、トルク、プラネットの数、リング／サン比率、および、歯幅が使用される。キャンバス上に示される実際の中心間距離を推奨中心間距離で割ることによって安全係数が計算される。プラネタリギアにおいて、安全係数は、キャンバス上に示される実際のリングギア直径を推奨リングギア直径で割ることによって計算される。計算された安全係数は、キャンバス上で、目標ギア対の隣に表示される。方法１−３および方法４（任意のプラネタリギアがギアボックス内に含まれる場合）に関するギア寸法付け計算を含む報告が作成される。ピニオン直径を中心間距離と比率とから直接に計算することができ、そのため、ピニオン直径が中心間距離に取って代わる形態で同じ方法を利用できる。このことは、ｋｎ（１〜４）に関与する方法のそれぞれが、計算されたｋｎ（１〜４）の対応する値を用いて、中心間距離の代わりにピニオンギアの直径を重要なパラメータとして使用することにより行われるように変更され得ることを意味する。

ギアのサイズの評価は、ギア装置の情報を必要としない簡単な方法によって行われる。通常、ギアの適した耐久性の評価は、歯数、圧力角、モジュール等の入力データを必要とするＩＳＯ６３３６またはＡＧＭＡ２００１などの「格付け」方法を使用して行われる。したがって、これらの方法では、エンジニアは、ギアを十分に詳しく定義する必要があるとともに、適切な値の情報を有する必要がある。このソフトウェアの実施では、外部ギア対およびギアセットに関して３つの更に簡単な方法が使用され、これらの３つの方法は、（ｉ）中心間距離のみ、（ｉｉ）中心間距離および歯幅、（ｉｉｉ）中心間距離、歯幅、および、比率を必要とする。これらの方法は他の方法ほど正確ではなくあるいは精巧ではないが、これらの方法は、ギア設計の詳細に精通していないエンジニアによって使用でき、そのため、ギア設計の初期段階において使用され得る。同様に、リングギア（またはサンギア）直径および比率だけを必要とする１つの簡単な方法がプラネタリギアセットに関して使用される。

そのような寸法付け方法は、同じ簡単な解析方法を使用して既存のトランスミッションを解析することによって得ることができる、用途および使用される材料に関連付けられる「定数」を必要とする。このソフトウェアの実施では、既存のトランスミッションを解析するために同じツールを使用できる。このデータは、データベースに保存されて、新しいトランスミッションの形成において再使用され得る。

前述したように、定数に関与する各方法は、計算された定数の対応する値を用いて、中心間距離の代わりにピニオンギアの直径を重要なパラメータとして使用することにより行われるように変更され得る。

様々なギアおよびギアアセンブリを使用できる。
例えば、ラビニヨウプラネタリギアセットを単一のユーザ動作で物体のアセンブリとして定義することができる。ラビニヨウギアセットは、ギアの複雑な配置であるが、一般に自動車産業において自動変速装置のために使用される。このソフトウェアパッケージでは、これらのギアセットは、ラビニヨウセットの２つの基本的な比率および基本的な構造（２つのサンギアおよび１つのリングギア、または、２つのリングギアおよび１つのサンギア）を定義することによって初期の基本モデルが形成されるように、それらの最も抽象的なレベルまで低下される。この簡単な定義を用いる場合であっても、ラビニヨウを他のプラネタリセットおよびクラッチに接続して、トランスミッション全体における幾つかの比率を得ることができ、それにより、エンジニアにとって最小の労力でトランスミッション設計プロセスが開始される。

異なるラビニヨウ形態は、比率の符号を定めるだけで得られる。異なる想定し得る構造、この場合にはラビニヨウセットの各プラネットセットがプラスプラネットであるかあるいはマイナスプラネットであるかは、関連するギアセットの比率符号だけにより、最小のユーザ入力およびユーザ労力で選択される。したがって、設計・モデリングプロセスは可能な限りスムーズで直感的である。

例えば、シャフトに既に装着されたプラネタリギアセットの全アセンブリは、単一のユーザ動作で物体のアセンブリとして定義することができる。全てのプラネタリセットが形成されると、これらのプラネタリセットは、噛み合うギアに関してだけでなく、シャフトに対する装着および適切なプラネットキャリアの形成に関しても、完全なアセンブリとして生じる。これにより、トランスミッション設計およびモデリングプロセスを迅速に開始することができ、その結果、完全なトランスミッションへのその組み入れを可能な限り迅速に行うことができる。

例えば、先のプロセスは、プラネットギア下のローラベアリングを単一のユーザ動作で定義される物体のアセンブリに含めることができるようにする。

例えば、この設計プロセス全体は、ハイポイドギア、スパイラルベベルギア、スキューギア、および、フェースギアも含む。

プラネタリギアセットが形成されるとともに、ギアが装着されるシャフトが自動的に定義されると、シャフト直径がギア直径に適するように定義される。製品定義の非常に早い段階で、エンジニアは、ギア直径を用途に適するサイズへと再定義することを望む。これがなされると、直接的なユーザ介入の必要なく、シャフト直径が自動的に更新される。

トランスミッションにおける全てのクラッチパックおよび全てのギアセットのサイズは、単一のユーザウインドウ内で評価される。トランスミッション設計プロセス内で、トランスミッションの全体サイズに影響を及ぼす主要な構成要素は、ギアおよびクラッチである。これらの両方はトルクを伝えるために十分に大きくなければならないが、過度なサイズには、トランスミッションが最終的な用途に適合しない場合があるおよび／またはそれが重すぎるという点において不利益がある。このパッケージでは、全てのギアセットおよび全てのクラッチのサイズ（したがって、パッケージング）を単一のＧＵＩウインドウにおいて変えることができ、その場合、それらの性能（トルク能力、コスト、および、重量）に関する重要な結果が全ての重要な構成要素に関して同時に報告される。

段階１，２において形成される配置に関するデータは、更なる評価のためにＣＡＤフォーマットへエクスポートすることができる。設計者は、ボタン（Ｊ）を選択して、キャンバス上に示される概念ギアボックス設計のＣＡＤデータをエクスポートする。様々なＣＡＤフォーマット、例えばＳＴＥＰ ＣＡＤフォーマット（ｓｔｐ）およびＩＧＳ ＣＡＤフォーマット（ｉｇｓ）を選択できる。ソフトウェアは、キャンバス上に示されるギアボックスに含まれる全ての構成要素のリストを得る。構成要素のリスト内の各構成要素の幾何学的形態が抽出されて第三者ソフトウェアへ送られる。これは、幾何学的形態に関連する基本的な形状をもたらす。このプロセスは、リスト内のそれぞれの構成要素ごとに繰り返される。

トランスミッションシステムの簡単で効率的なモデリングは、トランスミッションの詳細な開発のための統合設計プロセスの一部である。このスティックダイアグラムが作成されると、スティクダイアグラムは、トランスミッションのなお一層詳しいＣＡＥ解析のために使用され得るトランスミッションの解析モデルを自動的に作成する。そのような詳しい解析は設計プロセスの後段で必要とされ、また、そのような解析を行うためには、より多くの詳細を付加する必要がある。ソフトウェアのセットアップは、より詳しい解析を目的として更なる技術的詳細を設計プロセスにおいて後に付加できる基本的なトランスミッション解析モデルとしてスティックダイアグラムを使用できるようになっている。

動的解析のための１Ｄねじれモデルが形成される。トランスミッションの簡単なスティックダイアグラム表示から、１Ｄねじれ動的解析モデルが自動的に形成される。これは、ギアシフトモデルまたはシフト戦略等の形成のために他のＣＡＥパッケージへエクスポートされ得る。

また、本発明は、回転機械アセンブリのコンピュータ支援工学的設計のためのコンピュータ可読プロダクトも含み、該プロダクトは、前述した方法のステップを実施するようになっているコード手段を備える。

また、本発明は、回転機械アセンブリのコンピュータ支援工学的設計のためのコンピュータシステムも含み、該システムは、前述した方法のステップを実施するようになっている手段を備える。

更なる実施形態において、本発明は、回転機械アセンブリを設計するためのコンピュータ支援エンジニアリングにおけるコンピュータシステムのグラフィカルユーザインタフェース内にアセンブリのための構成要素に対応するサロゲートを表示するステップと、サロゲートのユーザ選択を受けるステップとを備えるコンピュータ実施方法を含む。その後、サロゲートに対応する構成要素の概略表示が表示される。インタフェース内の概略表示を位置決めするためのユーザ命令が受けられ、概略表示の位置がユーザにしたがって変えられる。随意的に、これらのステップは、ステップを繰り返すためのユーザ命令を受けると繰り返され得る。

サロゲートは、構成要素に対応する記述的ワードとなることができ、あるいは、構成要素を表すアイコンとなることができる。サロゲートを表示するステップは、サロゲートのリストをメニュー内に表示することを含むことができる。

概略表示は、スティックダイアグラムまたはプロファイルダイアグラムを備えることができる。

方法は、関連付けのための少なくとも２つの概略表示のユーザ選択を受けるステップと、前記概略表示間に関連性をもたらすステップとを更に含む。随意的に、これらのステップは、ステップを繰り返すためのユーザ命令を受けると繰り返され得る。

方法は、削除のための前記概略表示のうちの１つ以上のユーザ選択を受けるステップと、ユーザ要求にしたがって前記選択された概略表示のうちの前記１つ以上を削除するステップとを更に含む。

方法は、概略表示のユーザ選択を受けるステップと、ユーザ要求にしたがって選択された概略表示に対応する構成要素の特性を変えるステップとを更に含む。随意的に、これらのステップは、ステップを繰り返すためのユーザ命令を受けると繰り返され得る。

Claims (20)

1. コンピュータ支援エンジニアリングに基づいて回転機械アセンブリを設計するための方法であって、
   前記回転機械のための構成要素のユーザからの選択を受けるステップ、
   前記選択された構成要素を位置決めするステップ、および
   前記選択された構成要素間に関連性をもたらすステップ
   にしたがって、前記回転機械アセンブリのレイアウトをコンピュータシステムのグラフィカルユーザインタフェース内に作成するステップと、
   前記関連性、前記選択された構成要素の相対位置、前記選択された構成要素の特性、および、前記関連性の特性のうちの１つ以上に基づいて、前記レイアウトから、前記回転機械アセンブリの機能モデルを形成するステップと
   を備える方法。
2. 前記回転機械アセンブリの性能を予測するステップを備え、
   前記性能を予測するステップは、一体型ユーザインタフェースへリンクしてあるいは１つ以上のＣＡＤ／ＣＡＥパッケージへデータをエクスポートして、前記グラフィカルユーザインタフェース内で予測することを含む、
   請求項１に記載の方法。
3. 前記予測するステップは、
   前記回転機械アセンブリの前記性能を報告するステップ、
   前記回転機械アセンブリまたは前記選択された構成要素を通じた動力流れを報告するステップ、
   ギア寸法付けを報告するステップ、
   ギアトルク能力および中心間距離安全係数を報告するステップ、
   パッケージ空間を報告するステップ、
   ベアリング荷重を報告するステップ、
   ローラベアリングの最小所要動的能力に対応する適切な動荷重係数を報告するステップ、ならびに／あるいは、
   ハウジングまたはケーシングに作用する荷重を報告するステップ、
   構成要素およびアセンブリの重量を報告するステップ、
   コストの概算値を報告するステップ
   のうちの１つ以上を備える、請求項２に記載の方法。
4. 前記回転機械のための１つ以上の新たなあるいは既存の構成要素のユーザ選択を受けるステップ、
   前記選択された新たなあるいは既存の構成要素を位置決めするステップ、
   前記選択された新たなあるいは既存の構成要素間に関連性をもたらすステップ、および
   前記機能モデルを更新するステップ、
   にしたがって前記レイアウトを変えるステップと、
   構成要素または関連性のユーザ選択を受けるステップ、
   前記選択された構成要素のまたは前記選択された関連性の特性をユーザ要求にしたがって設定するあるいは変えるステップ、および
   前記機能モデルを更新するステップ、
   にしたがって前記特性のうちの１つ以上を変えるステップと、
   次第に複雑になる機能モデルを形成する前記ステップを何回も実行するステップと、
   のうちの１つ以上にしたがって次第に増える製品性能を得るためにモデルを変えるステップを備える、請求項３に記載の方法。
5. 前記特性を変えるステップがクリック・アンド・ドラッグ作用を備える、請求項４に記載の方法。
6. 前記選択された構成要素がギアセットであり、前記特性がギア比であり、前記ギア比を変えるステップは、更なるユーザ相互作用を何ら必要とすることなく、対応するギアの直径を自動的に変える、請求項４または請求項５に記載の方法。
7. 前記選択された構成要素がシャフトまたは同心シャフトのアセンブリであり、前記特性は、シャフトに装着されるギアセットの中心間距離を規定する他の平行なシャフトまでの前記シャフトまたは前記同心シャフトのアセンブリの径方向距離であり、前記中心間距離を変えるステップは、更なるユーザ相互作用を何ら必要とすることなく、対応するギアの直径を自動的に変える、請求項５または請求項６に記載の方法。
8. 前記選択された構成要素がギアであり、前記特性が歯幅であり、前記歯幅を変えるステップは、更なるユーザ相互作用を何ら必要とすることなく、前記ギアのパッケージング空間またはトルク能力を自動的に変える、請求項４または請求項５に記載の方法。
9. 前記構成要素は、異なる外径を異なる部分に適用できるようにするために段差が形成されて成るシャフトであり、前記特性が前記シャフトの外径であり、前記外径を変えるステップは、更なるユーザ相互作用を何ら必要とすることなく、内径と外径との間の関係を維持するように前記シャフトの内径を自動的に変える、請求項４または請求項５に記載の方法。
10. １つの部分の内径が隣接する部分の外径よりも大きくなると、前記変えるステップは、前記シャフトの前記内径と前記外径との間のデフォルト厚だけ軸方向に分離されて前記シャフト部分間の移行部としての役目を果たす２つの段差を定義し、前記移行段差の形成および操作が自動的に行われる、請求項９に記載の方法。
11. 前記選択された構成要素がラビニヨウプラネタリギアセットであり、前記ラビニヨウの各プラネットセットがプラスプラネットまたはマイナスプラネットのいずれかであり、前記特性がギア比符号であり、前記ラビニヨウを変えるステップは、ギアセットのギア比符号を選択することを含む、請求項４に記載の方法。
12. 前記報告するステップがギアトルク能力および安全係数を報告しており、ギアトルク能力は、以下の特性、すなわち、
    中心間距離またはピニオン直径；
    中心間距離またはピニオン直径および歯幅；
    中心間距離またはピニオン直径、歯幅、および、ギア比；あるいは、
    リングギア（またはサンギア）直径、歯幅、および、比率；ならびに、
    それぞれの定数ｋｎ（ｎ＝１〜４）、
    を使用して計算され、
    推奨中心間距離またはリングギア直径は、以下の特性、すなわち、
    トルクおよび比率；
    トルク、歯幅、および、ギア比；または、
    トルク、歯幅、および、比率；ならびに、
    それぞれの定数ｋｎ（ｎ＝１〜４）、
    を使用して計算される、
    請求項３に記載の方法。
13. 前記構成要素は、ギア、ギアセット、エピサイクリックギアセット、ラビニヨウプラネタリギアセット、ハイポイドギア、スパイラルベベルギア、スキューギア、フェースギアジェネレータ、モータ、ロータ、ステータ、クラッチ、シャフトポンプ、タービン、または、ベアリングを含む、請求項１から請求項１２のいずれかに記載の方法。
14. 前記構成要素は、単純なシャフト支持ベアリングであり、径方向剛性、軸方向剛性、または、傾き剛性に関するユーザ定義情報を備えない、請求項１３に記載の方法。
15. 前記モデルが高いモデル複雑さを与えるように変えられ、その特性は、次第に複雑になる解析方法を使用して評価される、請求項１から請求項５に記載の方法。
16. 前記レイアウトの表示を前記グラフィカルユーザインタフェース内に表示するステップを備え、前記表示は、概略ダイアグラム、直交ダイアグラム、プロファイルダイグラム、または、スティックモデルを含み、前記表示は、前記概略ダイアグラム、直交、プロファイルダイグラム、または、スティックモデルの間で置き換え可能である、請求項１から請求項１５のいずれかに記載の方法。
17. 前記回転機械アセンブリは、ギアボックス、ドライブトレイン、トランスミッション、電動機、発電機、ポンプ、および、タービンを含む、請求項１から請求項１６のいずれかに記載の方法。
18. 特性における第１の限界値を設定するステップと、
    特性における第２の限界値を設定するステップと、
    ステップ関数を設定するステップと、
    ステップ関数にしたがって前記第１の限界値と前記第２の限界値との間で特性の値を変化させるステップと、
    それぞれの値での前記回転機械アセンブリの機能および／または性能を予測するステップと、
    それぞれの値での前記回転機械アセンブリの前記機能および／または前記性能を報告するステップと
    を含む、請求項４に記載の方法。
19. 回転機械アセンブリのコンピュータ支援工学的設計のためのコンピュータ可読プロダクトであって、請求項１から請求項１８のいずれかに記載の方法のステップを実施するようになっているコード手段を備える、コンピュータ可読プロダクト。
20. 回転機械アセンブリのコンピュータ支援工学的設計のためのコンピュータシステムであって、請求項１から請求項１８のいずれかに記載の方法のステップを実施するようになっている手段を備える、コンピュータシステム。

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