JP2020165470A - ドライブプレートトルク計の構造最適設計方法 - Google Patents

Abstract

【課題】オリジナルのドライブプレートから、新たに設計したドライブプレートトルク計に置き換えたとしても、本来のエンジンの挙動と同等と見做せる計測を可能する。【解決手段】ドライブプレートトルク計の構造最適設計方法は、コンピュータが、オリジナルのドライブプレートの内側の締結部、外側の締結部、および外周のリングギヤ部の寸法を合わせた形状を設計するステップと、内側の締結部よりも外周側に、トルクを受感する起歪部を設けるステップと、起歪部の外周側からリングギヤ部の内周側までの間を自由設計領域として、質量および慣性モーメントがそれぞれ所定範囲となるような制約事項の元に形状を最適化するステップと、を実行する。【選択図】図２

Description

本発明は、エンジンと組み合わせた状態でトランスミッションの入力トルクを測定するためのドライブプレートトルク計の構造最適設計方法に関する。

自動車のトランスミッションは、歯車や軸などで構成され、動力源の動力をトルクや回転速度、回転方向を変えて出力軸へ伝達する部品である。トランスミッションのさらなる効率改善のため、エンジンと組み合わせた状態で当該トランスミッションの入力トルクを測定したいという要望がある。この要望を実現するため、トランスミッションの前段に備わるドライブプレート部でトルクを計測する装置が用いられる場合がある。

以下、ドライブプレート部でトルクを計測する装置のことを、ドライブプレートトルク計と呼ぶ。エンジンとミッション間に締結されるドライブプレート周辺の空間は非常に狭いため、計測手段としてはひずみゲージが用いられることが多い。

特開２００５−８４０００号公報

ドライブプレートトルク計の機械構造設計について、追加工方式、インサート方式（はめこみ）、リプレイス方式の３つの設計アプローチが知られている。以下、これら３つの方式について説明する。

《追加工方式》
追加工方式は、その名の通り、オリジナルのドライブプレートに幾ばくかの追加工を施す手法である。この追加工により、歪の感度を高めた起歪部を形成し、そこにひずみゲージを貼り付けて、ドライブプレートトルク計を構築する。オリジナルのドライブプレートをベースに構築するため、干渉の心配がない利点がある。更に追加工のみであるため、コストや製作リードタイムを短くすることが可能という利点がある。

その反面、追加工方式は、強度的問題からひずみの感度をあげることが難しい。また、追加工方式では、低ヒステリシス特性をもつ直線性のよいトルク検出器向けの鋼材が使用できない。そのため、ここで挙げた３方式の中で、追加工方式は、もっとも精度が悪くなる。

《インサート方式》
インサート方式は、ドライブプレートの中心部をくりぬき、そこに、別途製作したトルク計をはめこむ方式である。インサート方式では専用鋼材を使用できるため、追加工方式の弱点であったトルク精度を高めることができる利点がある。また、締結部のみ後加工を行うようなブランク材として仕立てることで、共通部品化も可能となる。そのため、コストダウンおよびリードタイム短縮が可能という利点がある。

その反面、インサート方式は、はめこみ部分の接合手段の検討（ねじ、溶接等）が必要となり、オリジナルより容積が大きくなる傾向がある。インサート方式は更に、狭い空間であるドライブプレート締結部内で干渉のおそれがある。インサート方式は、機械特性がオリジナルと大幅に異なってしまうことも問題のひとつである。

《リプレイス方式》
リプレイス方式は、新規にドライブプレートトルク計を製作し、それをオリジナルのドライブプレートと置き換える方式である（特許文献１）。こちらも、インサート方式と同様に専用鋼材を使用できるため、追加工方式の弱点であったトルク精度を高めることができる利点がある。また、インサート方式では必須であった締結用の部品が不要となるため、狭いドライブプレート締結部内でも設置もしやすいという利点がある。

その反面、リプレイス方式は、エンジンが変わるごとに新規製作が必要となるため、コストが高くなり、リードタイムが長くなる等の問題がある。また、単にオリジナルと同一寸法のドライブプレートトルク計を製作するだけでは、実機のドライブプレートに対して、質量、慣性モーメントなどの機械特性が異なり、よって実機の完全な置き換えとはならない。そのため、インサート方式と同様に、実機に対して計測結果が大幅に異なる可能性がある。

本発明は、オリジナルのドライブプレートを、本発明の方法によって作成したドライブプレートトルク計に置き換えた際、実車特性を損なうことなくトランスミッションへの入力トルクを計測可能とすることを課題とする。

本発明のドライブプレートトルク計の構造最適設計方法は、コンピュータが、設定されたオリジナルのドライブプレートの内側の締結部、外側の締結部、および外周のリングギヤ部の寸法を合わせた形状を設計するステップと、前記内側の締結部よりも外周側に、トルクを受感する起歪部を設けるステップと、前記起歪部の外周側から前記リングギヤ部の内周側までの間を自由設計領域として、質量および慣性モーメントがそれぞれ所定範囲となるような制約事項の元に、前記形状を最適化するステップと、を実行することを特徴とする。

本発明によれば、オリジナルのドライブプレートを、本発明の方法によって作成したドライブプレートトルク計に置き換えた際、実車特性を損なうことなくトランスミッションへの入力トルクが計測可能となる。

本実施形態における構造最適設計プログラムを実行するコンピュータの概略を示す構成図である。 構造最適設計処理のフローチャートである。 オリジナルのドライブプレートを示す図である。 最適設計の開始時におけるドライブプレートトルク計の初期形状を表示した画面である。 最適形状のドライブプレートトルク計を表示した画面である。 機械加工を考慮した最終調整形状のドライブプレートトルク計を表示した画面である。 最適形状の制約事項を示す図である。 最適形状と最終調整形状に係る機械特性の一例を示す図である。

以降、本発明を実施するための形態を、各図を参照して詳細に説明する。
本実施形態は、リプレイス方式の設計アプローチを拡張したものである。オリジナルのドライブプレートの締結部の取り合い、およびリングギヤ部の寸法を同等とし、かつ質量、慣性モーメント、ねじりばね定数、ねじり共振周波数、曲げばね定数、振動モードがオリジナルの値に対し所定範囲内になるようなドライブプレートトルク計を設計する。これにより、オリジナルのドライブプレートから、設計したドライブプレートトルク計に置き換えたとしても、本来のエンジンの挙動と同等と見做せる計測が可能となる。

図１は、本実施形態におけるＣＡＤ（Computer Aided Design）プログラムや構造最適設計プログラムを実行するコンピュータの概略を示す構成図である。
コンピュータ１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１１と、ＲＯＭ（Read Only Memory）１２と、ＲＡＭ（Random Access Memory）１３と、記憶部１６とを備えている。

ＣＰＵ１１は、ＲＯＭ１２やＲＡＭ１３や記憶部１６に格納されたプログラムを実行し、ＲＯＭ１２やＲＡＭ１３や記憶部１６に格納されたデータを処理するものである。
ＲＯＭ１２は、不揮発性メモリで構成されており、例えばＢＩＯＳ（Basic Input/Output System）を格納する。ＲＡＭ１３は、揮発性メモリで構成されており、プログラムが一時的に格納する変数等に用いられる。

記憶部１６は、例えばハードディスクやＳＳＤ（Solid State Drive）などの大容量記憶装置で構成されている。記憶部１６は、内部にＣＡＤプログラム１６１、構造最適設計プログラム１６２、形状調整プログラム１６３、制約事項１６４を格納している。

ＣＡＤプログラム１６１は、三次元部品の各部寸法などを数値で入力することで、その部品の三次元モデルを設計する設計支援ツールである。
構造最適設計プログラム１６２は、部品の三次元モデルの機械特性に係る制約事項に基づき、その三次元モデルの構造を最適化するツールである。
形状調整プログラム１６３は、構造最適設計プログラム１６２によって最適化された形状を、機械加工が容易な形状で近似して調整するツールである。
制約事項１６４は、ドライブプレートトルク計の機械特性のうち、このドライブプレートトルク計に求められる範囲のデータである。

コンピュータ１は更に、入力部１４と、表示部１５とを備えている。
入力部１４は、例えばキーボードやマウスなどであり、このコンピュータ１に各種情報を入力するために用いられる。
表示部１５は、例えば液晶ディスプレイなどであり、このコンピュータ１が処理結果などを表示するために用いられる。

図２は、構造最適設計処理のフローチャートである。
先ず設計者は、オリジナルのドライブプレート２を設定し、内側の締結部２１とリングギヤ部２４と、外側の締結部であるボルト穴２３１の位置や寸法を計測する（Ｓ１０）。オリジナルのドライブプレート２は、例えば図３に示されるように、中心穴と８個のボルト穴を備える締結部２１が中央に位置し、歯車が刻まれたリングギヤ部２４が最外周に位置している。

図３に示すように、締結部２１より外周かつリングギヤ部２４よりも内周には、プレート部２３が位置している。このプレート部２３は、６個のボルト穴２３１と、６個の軽量化穴２３２とが形成されている。

図２に戻り説明を続ける。次に設計者は、ＣＡＤプログラム１６１の操作画面上で、ステップＳ１０において計測した締結部２１とリングギヤ部２４とボルト穴２３１の位置や寸法を入力する（Ｓ１１）。これにより設計者は、オリジナルのドライブプレート２の締結部２１とリングギヤ部２４と、外側の締結部であるボルト穴２３１の位置や寸法を合わせたブランク材相当のドライブプレートトルク計３の形状を設計することができる。

ＣＡＤプログラム１６１を実行するＣＰＵ１１は、ドライブプレートトルク計３の締結部３１よりも外周側に、トルクを受感する起歪部３２を設ける（Ｓ１２）。次に起歪部３２の外周側からリングギヤ部３４の内周側までを、厚さや穴をあけることが可能な自由設計領域３３として設定する（Ｓ１３）。

更にＣＰＵ１１は、自由設計領域３３のうちボルト穴３３１の周囲に、厚みのみが変更可能な制限付設計領域３３２を設ける（Ｓ１４）。このように設定されたドライブプレートトルク計３Ａを表示する画面４Ａを図４に示す。

図４の画面４Ａは、「初期形状」が表示されたタイトルバー４１と、ウインドウ４２を含んでいる。ウインドウ４２に表示されたドライブプレートトルク計３Ａは、中心穴と８個のボルト穴を備える内側の締結部３１が中央に位置し、歯車が刻まれたリングギヤ部３４が最外周に位置している。締結部３１より外周側には、トルクを受感する起歪部３２が設けられている。起歪部３２よりも外周側かつリングギヤ部３４よりも内周側には、自由設計領域３３が位置している。この自由設計領域３３は、外側の締結部である６個のボルト穴３３１が形成され、その周辺には制限付設計領域３３２が配置されている。

図２に戻り説明を続ける。設計者は、質量、慣性モーメント、ねじりばね定数、ねじり共振周波数、曲げばね定数、振動モードを同等とする制約事項１６４を入力する（Ｓ１５）。この制約事項１６４は、後記する図７で詳細に説明する。

ＣＰＵ１１は、構造最適設計プログラム１６２を実行することにより、ドライブプレートトルク計３Ａの形状を最適化し（Ｓ１６）、最適形状とその機械特性を表示部１５に表示する（Ｓ１７）。

構造最適設計プログラム１６２には、株式会社くいんとのOPTISHAPE-TS：インターネット<URL:http://www.quint.co.jp/jp/pro/ots/index.htm>などが使用されるとよい。
具体的にいうと、ＣＰＵ１１は、形状最適化において、自由設計領域３３や制限付設計領域３３２の厚みを変更し、自由設計領域３３に穴を穿つ。これによって、コンピュータ１は、ステップＳ１５で入力した制約事項１６４を満たし、オリジナルのドライブプレート２と等価の機械特性と見做せる最適形状のドライブプレートトルク計３Ｂの算出が可能となる。

図５は、最適形状のドライブプレートトルク計３Ｂを表示する画面４Ｂである。この画面４Ｂは、「最適形状」が表示されたタイトルバー４１と、ウインドウ４２を含んでいる。ウインドウ４２に表示されたドライブプレートトルク計３Ｂは、自由設計領域３３のボルト穴３３１よりも外周側に、６個の軽量化穴３３３が穿たれている。６個の軽量化穴３３３の間には更に、６個の軽量化穴３３４が穿たれている。これら軽量化穴３３３，３３４により、自由設計領域３３は６枚の花弁状に形成され、１２本の支柱によりリングギヤ部３４を支えている。

ウインドウ４２は更に、機械特性４３を含んで表示している。機械特性４３には、オリジナルのドライブプレート２の特性に対して、最適形状のドライブプレートトルク計３Ｂの特性がどのような比率であるかが示されている。構造最適設計プログラム１６２を実行するＣＰＵ１１は、制約事項１６４を満たすように形状最適化を行うので、この機械特性４３は、制約事項１６４を満たしている。

図２に戻り説明を続ける。構造最適設計プログラム１６２で生成した最適形状のドライブプレートトルク計３Ｂは、実際の機械加工が考慮されていないため、特に自由設計領域３３および軽量化穴３３３，３３４が作成困難な形状になる場合がある。それで、ＣＰＵ１１は、構造最適設計プログラム１６２で生成した最適形状のドライブプレートトルク計３Ｂをベースに、形状調整プログラム１６３による形状の調整を行う（Ｓ１８）。次にＣＰＵ１１は、その調整形状であるドライブプレートトルク計３Ｃと、その機械特性を表示部１５に表示すると（Ｓ１９）、図２の処理を終了する。ここでＣＰＵ１１は、ドライブプレートトルク計３Ｃの単体の機械特性を表示する。

図６は、形状調整プログラム１６３により形状の調整を行ったドライブプレートトルク計３Ｃを表示する画面４Ｃである。この画面４Ｃは、「調整形状」が表示されたタイトルバー４１と、ウインドウ４２を含んでいる。ウインドウ４２に表示されたドライブプレートトルク計３Ｃは、自由設計領域３３のボルト穴３３１よりも外周側に、それぞれ６個の軽量化穴３３５が穿たれている。６個の軽量化穴３３５の間には更に、６個の軽量化穴３３６が穿たれている。

図６に示す軽量化穴３３５，３３６により、自由設計領域３３は略円状に形成され、１２本の支柱によりリングギヤ部３４を支えている。ドライブプレートトルク計３Ｃは、最適形状のドライブプレートトルク計３Ｂと近似しており、かつ、自由設計領域３３および各軽量化穴３３５，３３６は、周に沿った辺と径に沿った辺とで構成されるので、機械加工が容易である。よって、比較的廉価に作成することができる。オリジナルのドライブプレート２から、新たに設計したドライブプレートトルク計３Ｃに置き換えたとしても、本来のエンジンの挙動と同等と見做せる計測が可能となる。

ウインドウ４２は更に、機械特性４３を含んで表示している。機械特性４３には、オリジナルのドライブプレート２の特性に対する、ステップＳ１８で形状調整した調整形状のドライブプレートトルク計３Ｃの特性の比率が示されている。設計者は、新たに設計したドライブプレートトルク計３Ｃに置き換えて計測した場合のトランスミッションのトルク特性と、実車のトルク特性との乖離を、この比率から推定することができる。

図７は、最適形状に係る制約事項１６４を示す図である。この制約事項１６４は、ステップＳ１５においてコンピュータ１に入力される。
制約事項１６４は、オリジナルの機械特性からの比率の範囲で規定されている。この図７において、最適形状の質量と慣性モーメントは、オリジナルに対する９９〜１０１％の範囲と規定されている。最適形状のねじりばね定数は、オリジナルに対する９８〜１０２％の範囲と規定されている。最適形状のねじり共振周波数と曲げばね定数は、オリジナルに対する９９〜１０１％範囲と規定されている。

制約事項１６４は更に、最適形状の各固有振動モード１〜４次が、オリジナルに対する８９〜１１１％の範囲と規定されている。各固有振動モード１〜４次は、振動モードに係る機械特性である。

この制約事項１６４のもとで構造最適設計方法を実行することで、オリジナルのドライブプレート２と異なる形状でありながら、同等の機械特性を有するドライブプレートトルク計３Ｃを設計することが可能となる。これにより、オリジナルのドライブプレート２から、新たに設計したドライブプレートトルク計３Ｃに置き換えたとしても、本来のエンジンの挙動と同等と見做せる計測が可能となる。

図８は、図４、図５、図６とは別画面の最適形状と調整形状の機械特性表示の一例を示す図である。最適形状の機械特性は、図２のステップＳ１７で表示される。調整形状の機械特性は、図２のステップＳ１９で表示される。

機械特性は、各数値と、各数値におけるオリジナルとの比率で示される。この図８において、最適形状の質量は、オリジナルに対する９９％である。これに対して調整形状の質量は、オリジナルに対する１０２％であり、全ての部品を含めると１０７％となる。なお、この図８において、括弧で示された値は、全ての部品を含んだ状態での機械特性である。ここで、全ての部品とは、本ドライブプレートトルク計以外の、機械部品（ねじ、ワッシャ、ナット等）、電気部品（基板、電源、線材等）等、トルクを計測するセンサとして構築するために必要となる部品全てのことをあらわす。

最適形状の慣性モーメントは、オリジナルに対する９９％である。これに対して調整形状の慣性モーメントは、オリジナルに対する９７％であり、全ての部品を含めると１００％となる。
最適形状のねじりばね定数は、オリジナルに対する９８％である。これに対して調整形状のねじりばね定数は、オリジナルに対する９７％である。

最適形状のねじり共振周波数は、オリジナルに対する９９％である。これに対して調整形状のねじり共振周波数は、オリジナルに対する９９％であり、全ての部品を含めると９８％となる。
最適形状の曲げばね定数は、オリジナルに対する９９％である。これに対して調整形状の曲げばね定数は、オリジナルに対する１０３％である。

最適形状の固有振動モード１次は、オリジナルに対する１０１％である。これに対して調整形状の固有振動モード１次は、オリジナルに対する１０４％である。
最適形状の固有振動モード２次は、オリジナルに対する１１１％である。これに対して調整形状の固有振動モード２次は、オリジナルに対する１０４％である。

最適形状の固有振動モード３次は、オリジナルに対する１１１％である。これに対して調整形状の固有振動モード３次は、オリジナルに対する８８％である。
最適形状の固有振動モード４次は、オリジナルに対する１１１％である。これに対して調整形状の固有振動モード４次は、オリジナルに対する９０％である。

ＣＰＵ１１は、最適形状と調整形状の機械特性を表示することにより、オリジナルのドライブプレート２と、新たに設計したドライブプレートトルク計３Ｂ，３Ｃとの機械特性の乖離度合いを数値で示すことができる。これにより設計者は、新たに設計したドライブプレートトルク計３Ｂ，３Ｃに置き換えたとしても、本来のエンジンの挙動と同等と見做せる計測が可能であるか否かを判定可能である。

（変形例）
本発明は、上記実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、変更実施が可能であり、例えば、次の（ａ）〜（ｆ）のようなものがある。

（ａ） 機械加工の難易度が問われない状況ならば、構造最適設計プログラム１６２で生成した最適形状によるドライブプレートトルク計３Ｂを提供してもよい。
（ｂ） 制約事項は、図７に示した項目のうち、質量と慣性モーメントだけであってもよい。制約事項は更に、ねじりばね定数、ねじり共振周波数、曲げばね定数、振動モードのうち少なくとも一つが所定範囲となる条件が含まれてもよい。

（ｃ） ドライブプレートトルク計の内側の締結部、外側の締結部、リングギヤ部や起歪部などの非設計領域は、周方向と径方向の位置が一致している必要があるが、厚みは必ずしも一致していなくてもよい。
（ｄ） ＣＡＤプログラムと構造最適設計プログラムと形状調整プログラムは、それぞれ別のプログラムであってもよく、単一のプログラムに上記３つのプログラムの機能が実装されていてもよい。
（ｅ） 自由設計領域には、厚みのみが変更可能な制限付設計領域が含まれていなくてもよい。
（ｆ） コンピュータは、自由設計領域の厚みを変更することのみで最適化してもよく、自由設計領域に穴を穿つことのみで最適化してもよく、限定されない。

１ コンピュータ
１１ ＣＰＵ
１２ ＲＯＭ
１３ ＲＡＭ
１４ 入力部
１５ 表示部
１６ 記憶部
１６１ ＣＡＤプログラム
１６２ 構造最適設計プログラム
１６３ 形状調整プログラム
１６４ 制約事項
２ ドライブプレート
２１ 締結部 （内側の締結部）
２３ プレート部
２３１ ボルト穴 （外側の締結部）
２３２ 軽量化穴
２４ リングギヤ部
３，３Ｂ，３Ｃ ドライブプレートトルク計
３１ 締結部 （内側の締結部）
３２ 起歪部
３３ 自由設計領域
３３１ ボルト穴 （外側の締結部）
３３２ 制限付設計領域
３３３、３３４，３３５，３３６ 軽量化穴
３４ リングギヤ部

Claims (5)

1. コンピュータが、
   設定されたオリジナルのドライブプレートの内側の締結部、外側の締結部、および外周のリングギヤ部の寸法を合わせた形状を設計するステップと、
   前記内側の締結部よりも外周側に、トルクを受感する起歪部を設けるステップと、
   前記起歪部の外周側から前記リングギヤ部の内周側までの間を自由設計領域として、質量および慣性モーメントがそれぞれ所定範囲となるような制約事項の元に、前記形状を最適化するステップと、
   を実行することを特徴とするドライブプレートトルク計の構造最適設計方法。
2. 前記コンピュータは、前記形状を最適化するステップにおいて、
   前記自由設計領域の厚みを変更することにより、前記形状を最適化する、
   ことを特徴とする請求項１に記載のドライブプレートトルク計の構造最適設計方法。
3. 前記コンピュータは、前記形状を最適化するステップにおいて、
   前記自由設計領域に穴を穿つことにより、前記形状を最適化する、
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のドライブプレートトルク計の構造最適設計方法。
4. 前記自由設計領域には、厚みのみが変更可能な制限付設計領域が含まれる、
   ことを特徴とする請求項１から請求項３のうち何れか１項に記載のドライブプレートトルク計の構造最適設計方法
5. 前記制約事項には更に、ねじりばね定数、ねじり共振周波数、曲げばね定数、振動モードのうち少なくとも一つが所定範囲となる条件が含まれる、
   ことを特徴とする請求項１から請求項４のうち何れか１項に記載のドライブプレートトルク計の構造最適設計方法。

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