JP5902518B2 - エンジン用応力解析装置 - Google Patents

Description

本発明は、エンジン用応力解析装置に関するものである。

一般に、車両等に用いられるエンジンにおいては、その開発に際し、部品、例えば、シリンダブロックやシリンダヘッドに作用する応力の解析を行う必要がある。

図５は、従来のエンジン用応力解析装置の一例におけるハードウェア構成を示すブロック図であって、エンジンの部品、例えば、シリンダブロックやシリンダヘッドの被測定部位における静歪を測定する静歪測定器１と、エンジン実動時の前記被測定部位における変動応力を測定する変動応力測定器２と、応力解析器３と、共有サーバ４と、レポート作成用パーソナルコンピュータ５とを備えている。

尚、前記静歪とは、エンジン停止状態で部品をエンジンに取り付けたときの歪のことをいう。

前記静歪測定器１は、前記エンジンの被測定部位に貼り付けられる歪ゲージ６と、該歪ゲージ６で検出された電気信号を増幅する増幅器７と、該増幅器７で増幅された電気信号に基づきエンジンの被測定部位における静歪を測定する静歪測定部８とを備えてなる構成を有し、該静歪測定部８で測定された静歪が紙に出力されるようになっている。

前記変動応力測定器２は、前記エンジンの被測定部位に貼り付けられる歪ゲージ６と、該歪ゲージ６で検出された電気信号を増幅する増幅器７と、該増幅器７で増幅された電気信号に基づきエンジン実動時の被測定部位における変動応力を測定する変動応力測定部９、該変動応力測定部９で測定された変動応力を演算処理するパーソナルコンピュータ等の演算処理部１０とを備えてなる構成を有し、該演算処理部１０で演算処理された変動応力が画面上に表示されると共に、紙に出力されるようになっている。

前記応力解析器３においては、前記変動応力測定器２で測定され紙に出力された変動応力をオペレータが手動入力することにより、ピーク回転周波数解析と、ピーク回転応力解析と、生波形解析とが行われ、各解析結果が画面上に表示されると共に、紙に出力されるようになっている。

前記共有サーバ４には、エンジンの材料特性値が材料特性値データベース１１として記憶されている。

前記レポート作成用パーソナルコンピュータ５においては、前記静歪測定器１で測定され紙に出力された静歪と、前記変動応力測定器２で測定され紙に出力された変動応力と、前記共有サーバ４に材料特性値データベース１１として記憶されているエンジンの材料特性値とをオペレータが手動入力することにより、静的強度評価と、変動強度評価とが行われ、各評価結果が画面上に表示されると共に、紙に出力されるようになっている。

そして、図５に示される従来のエンジン用応力解析装置の一例においては、図６のフローチャートに示される如く、静歪測定器１によるエンジンの被測定部位における静歪測定と、変動応力測定器２によるエンジン実動時の被測定部位における変動応力測定とが計測工程として行われ、該計測工程における静歪測定器１での静歪測定結果に基づく静歪解析が該静歪測定器１により解析工程として行われると共に、前記計測工程における変動応力測定器２での変動応力測定結果に基づくピーク回転周波数解析とピーク回転応力解析と生波形解析とが応力解析器３により解析工程として行われ、該解析工程における静歪測定器１での静歪解析結果及び共有サーバ４の材料特性値データベース１１に記憶されたエンジンの材料特性値に基づく静的強度評価と、前記解析工程における応力解析器３でのピーク回転周波数解析結果、ピーク回転応力解析結果、生波形解析結果及び前記共有サーバ４の材料特性値データベース１１に記憶されたエンジンの材料特性値に基づく変動強度評価とがレポート作成用パーソナルコンピュータ５により評価工程として行われ、該評価工程における静的強度評価と変動強度評価とに基づいてエンジンの製品開発が行われる。

尚、前述の如きエンジンの応力解析と関連する一般的技術水準を示すものとしては、例えば、特許文献１がある。

特開２００９−２２２５３９号公報

しかしながら、前述の如き従来のエンジン用応力解析装置においては、前記変動応力測定器２で測定され紙に出力された変動応力をオペレータが応力解析器３に手動入力し、更に、前記静歪測定器１で測定され紙に出力された静歪と、前記応力解析器３で測定され紙に出力された各解析結果と、前記共有サーバ４に材料特性値データベース１１として記憶されているエンジンの材料特性値とをレポート作成用パーソナルコンピュータ５にオペレータが手動入力することにより、レポートを作成することが行われていたため、効率が悪く、又、固有振動数測定による周波数解析に手間が掛かっており、共振により高い応力が発生することを評価することに関し改善の余地が残されていた。

本発明は、斯かる実情に鑑み、エンジンに作用する応力の解析を効率良く行うことができ、且つある周波数帯での共振による高い応力の発生をも確実に評価し得るエンジン用応力解析装置を提供しようとするものである。

本発明は、エンジンの被測定部位における歪を電気信号として検出するセンサ手段と、
該センサ手段で検出された電気信号を増幅する増幅手段と、
該増幅手段で増幅された電気信号に基づきエンジンの被測定部位における静歪を測定する静歪測定部と、前記増幅手段で増幅された電気信号に基づきエンジンの被測定部位における固有振動数を測定する固有振動数測定部と、前記増幅手段で増幅された電気信号に基づきエンジン実動時の被測定部位における変動応力を測定する変動応力測定部とを有する計測演算手段と、
前記エンジンの材料特性値が材料特性値データベースとして記憶された共有サーバ手段と、
前記計測演算手段で求められた静歪測定結果に基づく静歪解析と、前記計測演算手段で求められた固有振動数測定結果に基づく周波数解析と、前記計測演算手段で求められた変動応力測定結果に基づくピーク回転周波数解析と、前記計測演算手段で求められた変動応力測定結果に基づくピーク回転応力解析と、前記計測演算手段で求められた変動応力測定結果に基づく生波形解析とを行い、前記静歪解析結果及び前記共有サーバ手段に記憶されたエンジンの材料特性値に基づく静的強度評価と、前記周波数解析結果及びピーク回転周波数解析結果に基づく共振評価と、前記ピーク回転応力解析結果及び前記共有サーバ手段に記憶されたエンジンの材料特性値に基づく変動強度評価とを行う演算解析処理手段と
を備えたことを特徴とするエンジン用応力解析装置にかかるものである。

前記エンジン用応力解析装置においては、前記演算解析処理手段において、前記静的強度評価及び変動強度評価に基づいて両振換算応力を計算し、前記材料特性値としての疲労限応力を用いることにより、安全率を、
安全率＝疲労限応力／両振換算応力
の式から求めるよう構成することができる。

上記手段によれば、以下のような作用が得られる。

先ず、センサ手段によりエンジンの被測定部位における歪が電気信号として検出され、該電気信号が増幅手段で増幅される。

前記増幅手段で増幅された電気信号に基づき、エンジンの被測定部位における静歪が計測演算手段の静歪測定部で測定されると共に、エンジンの被測定部位における固有振動数が計測演算手段の固有振動数測定部で測定され、前記計測演算手段の静歪測定部で求められた静歪測定結果に基づく静歪解析と、前記計測演算手段の固有振動数測定部で求められた固有振動数測定結果に基づく周波数解析とが演算解析処理手段で行われ、該演算解析処理手段で更に前記静歪解析結果及び共有サーバ手段に記憶されたエンジンの材料特性値に基づく静的強度評価が行われる。

続いて、実際にエンジンを始動して運転を行わせ、この状態で、センサ手段によりエンジン実動時の被測定部位における歪が電気信号として検出され、該電気信号が増幅手段で増幅され、該増幅手段で増幅された電気信号に基づきエンジン実動時の被測定部位における変動応力が計測演算手段の変動応力測定部で測定され、前記計測演算手段の固有振動数測定部で求められた固有振動数測定結果に基づく周波数解析と、前記計測演算手段の変動応力測定部で求められた変動応力測定結果に基づくピーク回転周波数解析と、前記計測演算手段の変動応力測定部で求められた変動応力測定結果に基づくピーク回転応力解析と、前記計測演算手段の変動応力測定部で求められた変動応力測定結果に基づく生波形解析とが演算解析処理手段で行われ、該演算解析処理手段で更に前記周波数解析結果及びピーク回転周波数解析結果に基づく共振評価と、前記ピーク回転応力解析結果及び前記共有サーバ手段に記憶されたエンジンの材料特性値に基づく変動強度評価とが行われる。

前記ピーク回転応力解析結果により、応力値が最大となる回転数を把握することが可能となる。

前記生波形解析結果により、エンジン１サイクル中、最大応力が発生している位置が分かり、応力が発生している原因を推定することが可能となる。

前記共振評価結果により、ある特定の同じ周波数に高い振幅値が出ている場合、共振による高い応力が発生していると判断することが可能となる。

この結果、本発明においては、各解析に必要な測定項目が自動で入力されて解析が行われ、各解析結果のグラフが一つのシートに出力され、しかも、自動で必要項目を抽出し報告書形式で出力が行われるため、従来のエンジン用応力解析装置のように、前記変動応力測定器で測定され紙に出力された変動応力をオペレータが応力解析器に手動入力し、更に、前記静歪測定器で測定され紙に出力された静歪と、前記応力解析器で測定され紙に出力された各解析結果と、前記共有サーバに材料特性値データベースとして記憶されているエンジンの材料特性値とをレポート作成用パーソナルコンピュータにオペレータが手動入力する必要がなくなり、効率が非常に良くなる。

又、本発明においては、固有振動数測定による周波数解析が行われ、ある周波数帯で共振により高い応力が発生することをも簡単に評価可能となる。

本発明の場合、前記静的強度評価及び変動強度評価に基づいて両振換算応力を計算し、前記材料特性値としての疲労限応力を用いることにより、安全率を求めるようにすると、該安全率をエンジンの製品開発における一つの指標として役立てることが可能となる。

本発明のエンジン用応力解析装置によれば、エンジンに作用する応力の解析を効率良く行うことができ、且つある周波数帯での共振による高い応力の発生をも確実に評価し得るという優れた効果を奏し得る。

本発明のエンジン用応力解析装置の実施例におけるハードウェア構成を示すブロック図である。 本発明のエンジン用応力解析装置の実施例における計測から解析を経て評価に至る流れを示すフローチャートである。 （ａ）は本発明のエンジン用応力解析装置の実施例におけるピーク回転応力解析結果を示す線図、（ｂ）は本発明のエンジン用応力解析装置の実施例における生波形解析結果を示す線図、（ｃ）は本発明のエンジン用応力解析装置の実施例における共振評価結果を示す線図である。 本発明のエンジン用応力解析装置の実施例における安全率の評価の仕方を示す線図である。 従来のエンジン用応力解析装置の一例におけるハードウェア構成を示すブロック図である。 従来のエンジン用応力解析装置の一例における計測から解析を経て評価に至る流れを示すフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。

図１〜図４は本発明のエンジン用応力解析装置の実施例であって、図中、図５及び図６と同一の符号を付した部分は同一物を表わしており、
エンジンの部品、例えば、シリンダブロックやシリンダヘッドの被測定部位における歪を電気信号として検出する歪ゲージ６からなるセンサ手段１２と、
該センサ手段１２としての歪ゲージ６で検出された電気信号を増幅する増幅器７からなる増幅手段１３と、
該増幅手段１３としての増幅器７で増幅された電気信号に基づきエンジンの被測定部位における静歪を測定する静歪測定部８と、前記増幅手段１３としての増幅器７で増幅された電気信号に基づきエンジンの被測定部位における固有振動数を測定する固有振動数測定部１４と、前記増幅手段１３としての増幅器７で増幅された電気信号に基づきエンジン実動時の被測定部位における変動応力を測定する変動応力測定部９とを有する計測演算手段１５と、
前記エンジンの材料特性値が材料特性値データベース１１として記憶された共有サーバ手段１６と、
前記計測演算手段１５で求められた静歪測定結果に基づく静歪解析と、前記計測演算手段１５で求められた固有振動数測定結果に基づく周波数解析と、前記計測演算手段１５で求められた変動応力測定結果に基づくピーク回転周波数解析と、前記計測演算手段１５で求められた変動応力測定結果に基づくピーク回転応力解析（図３（ａ）参照）と、前記計測演算手段１５で求められた変動応力測定結果に基づく生波形解析（図３（ｂ）参照）とを行い、前記静歪解析結果及び前記共有サーバ手段１６に記憶されたエンジンの材料特性値に基づく静的強度評価と、前記周波数解析結果及びピーク回転周波数解析結果に基づく共振評価（図３（ｃ）参照）と、前記ピーク回転応力解析結果及び前記共有サーバ手段１６に記憶されたエンジンの材料特性値に基づく変動強度評価とを行うパーソナルコンピュータ等の演算処理部１０を有する演算解析処理手段１７と
を備えることにより、エンジン用応力解析装置１８を構成したものである。

本実施例の場合、前記演算解析処理手段１７において、前記静的強度評価及び変動強度評価に基づいて両振換算応力を計算し、前記材料特性値としての疲労限応力を用いることにより、安全率を、
［数１］
安全率＝疲労限応力／両振換算応力
の式から求めるよう構成してある。

因みに、前記両振換算応力とは、繰返し荷重の向きと大きさが時間と共に変化する、いわゆる両振荷重が作用することを想定し、該荷重に抵抗して釣り合いを保とうとする応力に前記変動応力値を換算したものであって、図４に示す如く、横軸に静歪、縦軸に変動応力を取り、予め、前記材料特性値に基づく降伏点応力並びに真破断応力を横軸途中に設定すると共に、前記材料特性値に基づく疲労限応力並びに降伏点応力を縦軸途中に設定しておき、実際に測定される静歪値と変動応力値との交点Ｄをプロットし、該交点Ｄと前記真破断応力とを結ぶ直線と縦軸との交点が前記両振換算応力となる。

尚、エンジン実動時には、実際に車両で運転される回転並びに負荷を模擬して変化させた、いわゆるスイープ運転を行うようにしてある。

次に、上記実施例の作用を説明する。

先ず、エンジンの部品、例えば、シリンダブロックやシリンダヘッドの被測定部位にセンサ手段１２としての歪ゲージ６が貼り付けられ、該センサ手段１２としての歪ゲージ６によりエンジンの被測定部位における歪が電気信号として検出され、該電気信号が増幅手段１３としての増幅器７で増幅される。

前記増幅手段１３としての増幅器７で増幅された電気信号に基づき、エンジンの被測定部位における静歪が計測演算手段１５の静歪測定部８で測定されると共に、エンジンの被測定部位における固有振動数が計測演算手段１５の固有振動数測定部１４で測定され、前記計測演算手段１５の静歪測定部８で求められた静歪測定結果に基づく静歪解析と、前記計測演算手段１５の固有振動数測定部１４で求められた固有振動数測定結果に基づく周波数解析とが演算解析処理手段１７の演算処理部１０で行われ、該演算解析処理手段１７の演算処理部１０で更に前記静歪解析結果及び共有サーバ手段１６に記憶されたエンジンの材料特性値に基づく静的強度評価が行われる。

続いて、実際にエンジンを始動してスイープ運転を行わせ、この状態で、センサ手段１２としての歪ゲージ６によりエンジン実動時の被測定部位における歪が電気信号として検出され、該電気信号が増幅手段１３としての増幅器７で増幅され、該増幅手段１３としての増幅器７で増幅された電気信号に基づきエンジン実動時の被測定部位における変動応力が計測演算手段１５の変動応力測定部９で測定され、前記計測演算手段１５の固有振動数測定部１４で求められた固有振動数測定結果に基づく周波数解析と、前記計測演算手段１５の変動応力測定部９で求められた変動応力測定結果に基づくピーク回転周波数解析と、前記計測演算手段１５の変動応力測定部９で求められた変動応力測定結果に基づくピーク回転応力解析（図３（ａ）参照）と、前記計測演算手段１５の変動応力測定部９で求められた変動応力測定結果に基づく生波形解析（図３（ｂ）参照）とが演算解析処理手段１７の演算処理部１０で行われ、該演算解析処理手段１７の演算処理部１０で更に前記周波数解析結果及びピーク回転周波数解析結果に基づく共振評価（図３（ｃ）参照）と、前記ピーク回転応力解析結果及び前記共有サーバ手段１６に記憶されたエンジンの材料特性値に基づく変動強度評価とが行われる。

即ち、図１に示す本実施例のエンジン用応力解析装置１８においては、図２のフローチャートに示す如く、エンジンの被測定部位における静歪測定及び固有振動数測定と、エンジン実動時の被測定部位における変動応力測定とが計測工程として行われ、該計測工程における静歪測定結果に基づく静歪解析と、前記計測工程における固有振動数測定結果に基づく周波数解析と、前記計測工程における変動応力測定結果に基づくピーク回転周波数解析と、前記計測工程における変動応力測定結果に基づくピーク回転応力解析と、前記計測工程における変動応力測定結果に基づく生波形解析とが解析工程として行われ、該解析工程における静歪解析結果及び材料特性値データベース１１に記憶されたエンジンの材料特性値に基づく静的強度評価と、前記解析工程における周波数解析結果及びピーク回転周波数解析結果に基づく共振評価と、前記解析工程におけるピーク回転応力解析結果及び前記材料特性値データベース１１に記憶されたエンジンの材料特性値に基づく変動強度評価とが評価工程として行われ、該評価工程における静的強度評価と共振評価と変動強度評価とに基づいてエンジンの製品開発が行われる。

前記ピーク回転応力解析結果は、例えば図３（ａ）に示す如く、横軸に回転数、縦軸に応力値を取った線図として表され、応力値が最大となる回転数を把握することが可能となる。

前記生波形解析結果は、例えば図３（ｂ）に示す如く、横軸にエンジンクランクシャフトの角度、縦軸に応力値を取った線図として表され、エンジン１サイクル（７２０°）中、最大応力が発生している位置が分かり、応力が発生している原因を推定することが可能となる。

前記共振評価結果は、例えば図３（ｃ）に示す如く、横軸に周波数、縦軸に振幅を取った線図として表され、ある特定の同じ周波数に高い振幅値が出ている場合、共振による高い応力が発生していると判断することが可能となる。

又、本実施例の場合、前記演算解析処理手段１７においては、前記静的強度評価及び変動強度評価に基づいて両振換算応力が計算され、前記材料特性値としての疲労限応力を用いることにより、安全率が前記［数１］式から求められ、エンジンの製品開発における一つの指標として役立てられる。

この結果、本実施例においては、各解析に必要な測定項目が自動で入力されて解析が行われ、各解析結果のグラフが一つのシートに出力され、しかも、自動で必要項目を抽出し報告書形式で出力が行われるため、図５及び図６に示される従来のエンジン用応力解析装置のように、前記変動応力測定器２で測定され紙に出力された変動応力をオペレータが応力解析器３に手動入力し、更に、前記静歪測定器１で測定され紙に出力された静歪と、前記応力解析器３で測定され紙に出力された各解析結果と、前記共有サーバ４に材料特性値データベース１１として記憶されているエンジンの材料特性値とをレポート作成用パーソナルコンピュータ５にオペレータが手動入力する必要がなくなり、効率が非常に良くなる。

又、本実施例においては、固有振動数測定による周波数解析が行われ、ある周波数帯で共振により高い応力が発生することをも簡単に評価可能となる。

こうして、エンジンに作用する応力の解析を効率良く行うことができ、且つある周波数帯での共振による高い応力の発生をも確実に評価し得る。

尚、本発明のエンジン用応力解析装置は、上述の実施例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

８ 静歪測定部
９ 変動応力測定部
１０ 演算処理部
１１ 材料特性値データベース
１２ センサ手段
１３ 増幅手段
１４ 固有振動数測定部
１５ 計測演算手段
１６ 共有サーバ手段
１７ 演算解析処理手段
１８ エンジン用応力解析装置

Claims (2)

1. エンジンの被測定部位における歪を電気信号として検出するセンサ手段と、
   該センサ手段で検出された電気信号を増幅する増幅手段と、
   該増幅手段で増幅された電気信号に基づきエンジンの被測定部位における静歪を測定する静歪測定部と、前記増幅手段で増幅された電気信号に基づきエンジンの被測定部位における固有振動数を測定する固有振動数測定部と、前記増幅手段で増幅された電気信号に基づきエンジン実動時の被測定部位における変動応力を測定する変動応力測定部とを有する計測演算手段と、
   前記エンジンの材料特性値が材料特性値データベースとして記憶された共有サーバ手段と、
   前記計測演算手段で求められた静歪測定結果に基づく静歪解析と、前記計測演算手段で求められた固有振動数測定結果に基づく周波数解析と、前記計測演算手段で求められた変動応力測定結果に基づくピーク回転周波数解析と、前記計測演算手段で求められた変動応力測定結果に基づくピーク回転応力解析と、前記計測演算手段で求められた変動応力測定結果に基づく生波形解析とを行い、前記静歪解析結果及び前記共有サーバ手段に記憶されたエンジンの材料特性値に基づく静的強度評価と、前記周波数解析結果及びピーク回転周波数解析結果に基づく共振評価と、前記ピーク回転応力解析結果及び前記共有サーバ手段に記憶されたエンジンの材料特性値に基づく変動強度評価とを行う演算解析処理手段と
   を備えたことを特徴とするエンジン用応力解析装置。
2. 前記演算解析処理手段において、前記静的強度評価及び変動強度評価に基づいて両振換算応力を計算し、前記材料特性値としての疲労限応力を用いることにより、安全率を、
   安全率＝疲労限応力／両振換算応力
   の式から求めるよう構成した請求項１記載のエンジン用応力解析装置。
   

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