JP6127945B2 - エンジンのコネクティングロッドの設計支援方法及びその設計支援装置 - Google Patents

Description

本発明は、コネクティングロッドの伸縮モード周波数がバルジモード周波数帯域よりも高くなるようにコネクティングロッドの形状を変更するエンジンのコネクティングロッドの設計支援方法及びその設計支援装置に関する。

従来より、エンジン振動に起因した騒音は、大きく分けて、燃焼起振力に対して直接的に線形の関係を有する燃焼騒音と、動弁系やギアトレイン等のように燃焼起振力に対して非線形の関係を有する機械的騒音と、燃焼起振力に対して直接的な比例関係にないが筒内圧力の影響を受ける間接燃焼騒音に分類され、これらの騒音の重合によって構成されていることが知られている。車両開発において、エンジン騒音の低減は重要な解決課題の１つである。

ディーゼルエンジンや所定運転領域で自己着火を使用する高圧縮比ガソリンエンジンでは、筒内圧力や圧力上昇率が高くなるため、特に燃焼騒音による影響を受ける。
通常、燃焼起振力に関連する燃焼騒音は、燃料噴射特性や燃焼特性を変更する燃料制御に加え、シリンダブロックの構造変更によって騒音対策を図っている。
上側クランク軸受け部を備えたアッパブロックと、下側クランク軸受け部とシリンダブロックのスカート部とを一体化したロアブロックとにシリンダブロックとクランク軸受け部において上下２分割した構造に形成することにより、クランク軸受け部の剛性を増加し、燃焼騒音を抑制している。

一方で、シリンダブロックは、エンジン構成部品の中で最も重量が重く、騒音対策のために重量増加を伴うため、エンジンの各構成部品の軽量化設計の要求が高い。
そこで、エンジンの各構成部品を低廉で且つ効率よく生産するため、設計段階において、有限要素法（ＦＥＭ）による数値解析を用いた設計支援方法が提案されている。
特許文献１の設計支援方法は、クランク軸の設計支援方法であるが、クランク軸とシリンダブロックに形成されたクランク軸受け部とコネクティングロッドとピストンとをモデル化し、クランク軸の基本モデルの機構振動をＦＥＭによって振動解析すると共に変更可能な変数を変更したクランク軸の変更モデルの機構振動をＦＥＭによって振動解析することを繰り返し、エンジン振動レベルの上限値の制約内で最も軽量になるクランク軸形状を探索している。

特開２００７−１７９４５６号公報

シリンダブロックのスカート部には、燃焼起振力により、クランク軸受け相当部分を節としてクランク室内外方向に振幅動作する振動（以下、バルジ振動という）が発生する。
このバルジ振動は、燃焼起振力が作用するクランク軸を支持したシリンダブロックによる振動と燃焼起振力に対して直接的に線形の関係を有するコネクティングロッドの軸心方向の伸縮振動（運動）とが共振した結果、シリンダブロックのスカート部の振動がクランク室内外方向に増幅される。これにより、バルジ振動が最大振幅するバルジモード周波数のとき、バルジモード周波数に比例してエンジン騒音が発生する。
また、アッパブロックとロアブロックとに分割されたシリンダブロックでは、クランク軸受け部がボルトによって強く圧縮されるため、アッパブロックとロアブロックとに分割されていない通常のシリンダブロックよりもバルジ振動が大きくなる傾向がある。
即ち、燃焼騒音の抑制のためにクランク軸受け部の剛性を増加する程、クランク軸受け部の圧縮応力が増加し、これに伴ってバルジ振動が増大されるため、バルジ振動に起因した間接燃焼騒音が増加する虞がある。

特許文献１の設計支援方法では、燃焼騒音と間接燃焼騒音を含むエンジン振動レベルの制約内で最も軽量になるクランク軸形状を探索している。
しかし、特許文献１の設計支援方法はエンジン振動レベル全体を対象としていため、バルジ振動に起因したエンジン騒音の低減を十分に図ることができない虞がある。
また、クランク軸の基本モデルの設計変数は各変数の上限値、下限値、中間値を用いて実験計画に基づき経験的に選択されるに過ぎず、必ずしも、クランク軸の剛性を増加できるものではなく、それ故、クランク軸の剛性向上とエンジン騒音低減とを両立することができない虞がある。

本発明の目的は、バルジ振動に起因したエンジン騒音低下とコネクティングロッドの剛性向上とを両立することができるエンジンのコネクティングロッドの設計支援方法及びその設計支援装置等を提供することである。

請求項１のエンジンのコネクティングロッドの設計支援方法は、エンジンのコネクティングロッドの設計支援方法において、シリンダブロックとクランク軸とコネクティングロッドとピストンとを含み且つ前記コネクティングロッドを伸縮させない剛体モデルを含むブロック系形状モデルと、前記コネクティングロッドの伸縮作動が許容されたコネクティングロッド形状モデルとを製品設計情報に基づいて作成するモデル作成工程と、前記ブロック系形状モデルの振動解析により前記シリンダブロックのバルジモード周波数が集中するバルジモード周波数帯域を検出するバルジモード周波数帯域解析工程と、前記コネクティングロッド形状モデルの振動解析により前記コネクティングロッドの伸縮モード周波数を検出する伸縮モード周波数解析工程と、前記伸縮モード周波数が前記バルジモード周波数帯域よりも高くなるように前記コネクティングロッドの形状を変更する形状変更工程と、を備えたことを特徴としている。

このエンジンのコネクティングロッドの設計支援方法では、シリンダブロックとクランク軸とコネクティングロッドとピストンとを含み且つ前記コネクティングロッドを伸縮させない剛体モデルを含むブロック系形状モデルを作成するため、ブロック系形状モデルを所定の解析手法で振動解析することができ、前記コネクティングロッドの伸縮作動が許容されたコネクティングロッド形状モデルを作成するため、コネクティングロッド形状モデルを所定の解析手法で振動解析することができる。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記形状変更工程において、前記コネクティングロッドの歪エネルギ密度の分布状態を用いて重量増加を最小にするように前記コネクティングロッドの形状を変更することを特徴としている。
請求項３の発明は、請求項２の発明において、前記形状変更工程において、前記歪エネルギ密度の高い部分の断面積を大きくすることを特徴としている。

請求項４の発明は、エンジンのコネクティングロッドの設計支援装置において、シリンダブロックとクランク軸とコネクティングロッドとピストンとを含み且つ前記コネクティングロッドの伸縮させない剛体モデルを含むブロック系形状モデルと、前記コネクティングロッドの伸縮作動が許容されたコネクティングロッド形状モデルとを製品設計情報に基づいて作成するモデル作成手段と、前記ブロック系形状モデルの振動解析により前記シリンダブロックのバルジモード周波数が集中するバルジモード周波数帯域を検出するバルジモード周波数帯域解析手段と、前記コネクティングロッド形状モデルの振動解析により前記コネクティングロッドの伸縮モード周波数を検出する伸縮モード周波数解析手段と、前記伸縮モード周波数が前記バルジモード周波数帯域よりも高くなるように前記コネクティングロッドの形状を変更する形状変更手段と、を備えたことを特徴としている。

請求項５の発明は、請求項４の発明において、前記形状変更手段において、前記コネクティングロッドの歪エネルギ密度の分布状態を用いて重量増加を最小にするように前記コネクティングロッドの形状を変更することを特徴としている。
請求項６の発明は、請求項５の発明において、前記形状変更手段において、前記歪エネルギ密度の高い部分の断面積を大きくすることを特徴としている。

請求項１の発明によれば、コネクティングロッドの伸縮モード周波数をバルジモード周波数帯域よりも高くするため、コネクティングロッドの伸縮振動による影響を除いたシリンダブロック系による振動とコネクティングロッドの伸縮振動との共振を防止することができ、バルジ振動の増幅を防止できる。また、伸縮モード周波数をバルジモード周波数帯域よりも高くしてコネクティングロッドの所定部分の断面積を増加することにより、コネクティングロッドの剛性を向上できる。それ故、バルジ振動に起因したエンジン騒音低下とコネクティングロッドの剛性向上とを両立することができる。

請求項２の発明によれば、コネクティングロッドの重量増加を最小限に抑制しつつ、エンジン騒音低下とコネクティングロッドの剛性向上とを両立することができる。
請求項３の発明によれば、エンジン騒音低下を図りつつ、コネクティングロッドの剛性が低い部分を能率的に補強することができる。

請求項４の発明によれば、コネクティングロッドの伸縮モード周波数をバルジモード周波数帯域よりも高くするため、基本的に請求項１の発明と同様の効果を奏することができる。
請求項５の発明によれば、基本的に請求項２の発明と同様の効果を奏することができる。
請求項６の発明によれば、基本的に請求項３の発明と同様の効果を奏することができる。

本発明の実施例１に係る設計対象のコンロッドを備えたエンジンの側面図である。 設計支援装置のブロック図である。 コンロッドの設計項目を示す表である。 ブロック系形状モデルの説明図である。 コンロッド形状モデルの説明図である。 周波数と表面積分速度レベルとの関係を示すグラフであって、（ａ）はブロック系形状モデルの相関関係、（ｂ）はコンロッド形状モデルの相関関係、（ｃ）はコンロッドの影響を除いたブロック系形状モデルの相関関係を示している。 コンロッドの座屈荷重とＩ幹部最小断面積との相関関係を示すグラフである。 設計支援処理の流れを示す機能ブロック図である。 設計支援処理の流れを示すフローチャートである。 歪エネルギ密度分布状態の表示例である。 設計支援処理におけるコンロッド形状モデルの状態であって、（ａ）は形状変更前のコンロッド形状モデルとそのＩ幹部断面、（ｂ）は最初の形状変更後のコンロッド形状モデルとそのＩ幹部断面、（ｃ）は次の形状変更後のコンロッド形状モデルとそのＩ幹部断面を示している。 設計支援処理過程のコンロッドの重量と伸縮モード周波数との相関関係を示すグラフである。 設計支援処理後のコンロッドの伸縮モード周波数の移動を示すグラフである。 設計支援処理後のエンジンの周波数と表面積分速度レベルとの関係を示すグラフである。

以下、本発明を実施するための形態について実施例に基づいて説明する。

以下、本発明の実施例１について図１〜図１４に基づいて説明する。
始めに、設計対象であるコネクティングロッド（以下、コンロッドと略す）２及び、このコンロッド２を備えたエンジン１について説明する。
図１に示すように、エンジン１は、オイルパン３と、シリンダブロック４の下側部分を構成するロアブロック５と、シリンダブロック４の上側部分を構成するアッパブロック６と、シリンダヘッド７とを備えた４気筒直列エンジンである。
シリンダブロック４内には、燃焼室の底部を構成すると共にシリンダ内を昇降自在なピストン８と、このピストン８をピストンピン（図示略）を介して揺動自在に枢支するコンロッド２と、このコンロッド２をクランクピン（図示略）を介して軸支し且つ気筒列方向に延びるクランク軸９等が設けられている。

ロアブロック５は、オイルパン３の上端部に固定され、クランク軸５の下半部を支持する下側クランク軸受け部を含みクランク軸直交方向に延びる３つの下側バルクヘッド５ａと、クランク軸５に対して平行方向に延びる１対のスカート部５ｂとを備えている。
アッパブロック６は、ロアブロック５の上端部に固定され、クランク軸５の上半部を支持する上側クランク軸受け部を含みクランク軸直交方向に延びる３つの上側バルクヘッド６ａと、クランク軸５に対して平行方向に延びる１対のスカート部６ｂとを備えている。
下側バルクヘッド５ａは、クランク軸９をクランク軸直交方向に挟む１対のボルト（図示略）によって上側バルクヘッド６ａの軸受けキャップに下側から夫々締結され、コンロッド２をコンロッドメタル及びジャーナル部（何れも図示略）を介して回転自在に枢支している。

次に、エンジン１のコンロッド２の設計支援装置１０について説明する。尚、以下の説明は、エンジン１のコンロッド２の設計支援方法の説明を含むものである。
図２に示すように、エンジン１のコンロッド２の設計支援装置１０は、入力部１１と、ＣＡＤ（Computer Aided Design）装置１２と、記憶部１３と、出力部１４と、制御部１５とを備えている。
入力部１１は、マウスやキーボード等のデータ入力機器、出力部１４は、モデル形状等を表示する表示機器である。

記憶部１３は、設計対象製品の設計項目情報を記憶したハードディスク或いはＣＤ−ＲＯＭ等を含むディスクドライブによって構成されている。
図３に示すように、設計対象であるコンロッド２の設計項目として、８項目を設定し、焼付き、座屈・折損、分離、疲労について夫々の基準を設定している。
焼付きに関しては、コンロッド２に作用する慣性力とコンロッド大端部の変形量との相関関係に基づき、大端部圧縮剛性とクローズインについてコンロッドメタルとジャーナル部との焼付き限度が設定されている。座屈・折損に関しては、コンロッドＩ幹部に作用する圧縮荷重に起因した応力に基づき、Ｉ幹部座屈についてコンロッドＩ幹部の降伏点が設定されている。分離に関しては、コンロッド２に作用する慣性力によるコンロッド２とメタルキャップとの分離可否に基づき、分離荷重について合せ面及びボルトの摩耗・折損の限度が設定されている。疲労に関しては、コンロッド２に作用する慣性力によって小端部とノッチ部とコンロッド２全体に作用する応力に基づき、小端部圧縮剛性とノッチ部応力と全体疲労について各々の疲労限度が設定されている。尚、ＡＳＳＹ重量については、必要に応じて適宜設定を行う。

制御部１５は、解析処理を実行するＣＰＵと、後述する処理を実行するためのプログラムを格納するＲＯＭと、各種データを一時保持するワークエリアとしてのＲＡＭと、周辺機器１１〜１４との間でデータの授受を実行するＩ／Ｏ回路等によって構成されている。
制御部１５は、モデル作成部１６と、第１解析部１７（バルジモード周波数帯域解析部）と、第２解析部１８（伸縮モード周波数解析部）と、形状変更部１９とを備えている。
モデル作成部１６は、コンロッド２とシリンダブロック４とクランク軸５とピストン８とを構成要素として含み、コンロッド２を伸縮させない状態でコンロッド２とピストン８とピストンピンとからなる剛体モデルＭを含む機械振動学的なブロック系形状モデルＭ１を作成するように構成されている。

ブロック系形状モデルＭ１は、ＣＡＤ装置１２の図面情報に基づいて形成される。
図４に示すように、シリンダブロック４相当の重量を有するモデルｍ４がシリンダブロック４の振動特性に相当するばね定数を備えた連結体ｋ４を介して支持部に連結され、クランク軸５相当の重量を有するモデルｍ５がクランク軸５の振動特性に相当するばね定数を備えた連結体ｋ５を介してモデルｍ４に連結され、コンロッド２とピストン８とピストンピンに相当する総重量を有するモデルｍ２が伸縮を拘束された連結体ｋ２を介してモデルｍ５に連結されている。ここで、モデルｍ２と連結体ｋ２とが剛体モデルＭに相当している。

モデル作成部１６は、コンロッド２の伸縮動作が許容されたコンロッド形状モデルＭ２を作成するように構成されている。
コンロッド形状モデルＭ２は、ＣＡＤ装置１２の図面情報に基づいて形成される。
図５に示すように、コンロッド形状モデルＭ２は、コンロッド２の形状を三角形形状の面を備えた複数のセル２１（四面体要素）によって三次元的に要素分割し、有限要素である材料属性や拘束条件等の各種情報を有する複数のノード２２（節点）によって構成され、大端部２５と、小端部２６と、大端部２５と小端部２６とを連結するＩ幹部２７とを備えている。

図６（ａ）に示すように、第１解析部１７は、ブロック系形状モデルＭ１の振動解析によりシリンダブロック４の周波数ｆ１のうちのクランク室内外方向に振動するバルジ振動の最大振幅に対応した複数のバルジモード周波数Ｆ１と、これら複数のバルジモード周波数Ｆ１が集中するバルジモード周波数帯域Ｚを検出している。尚、横軸１目盛は１０００Ｈｚ、縦軸１目盛は１０ｄＢＡである。
第１解析部１７では、図４に示すように、燃焼行程による燃焼起振力を矢印の方向に作用させて、質量行列や剛性行列や各ばね定数に基づく減衰行列を用いた振動方程式により時刻歴に沿って演算している。この振動方程式を所定の周波数帯域に亙って演算し、周波数と表面積分速度レベルとの相関関係を求めている。

図６（ａ）に示すように、第１解析部１７では、周波数と表面積分速度レベルとの相関関係グラフから、バルジモード周波数Ｆ１が集中するバルジモード周波数帯域Ｚを検出し、バルジモード周波数帯域Ｚの上限値である上限周波数Ｚ１を検出している。
バルジモード周波数Ｆ１は、燃焼起振力により、スカート部５ｂ，６ｂがクランク軸受け部を含むバルクヘッド５ａ，６ａを節としてクランク室内外方向に振幅動作する各々のバルジ振動が最大振幅したときの周波数であるため、この時点において放射パワー（騒音レベル）が高くなる。

図６（ｂ）に示すように、第２解析部１８は、コンロッド形状モデルＭ２の振動解析によりコンロッド２の周波数ｆ２と伸縮モード周波数Ｆ２とを検出している。
第２解析部１８では、有限要素法（ＦＥＭ）により、図５に示すコンロッド形状モデルＭ２に燃焼行程による燃焼起振力を作用させて、各セル２１のノード２２に作用する応力やノード２２の変位を演算し、各々のセル２１の変位と剛性行列を用いて歪エネルギを演算している。尚、セル２１は、体積や材料情報を有しているため、剛性行列及び質量行列を演算することが可能である。

第２解析部１８は、任意の位相におけるコンロッド形状モデルＭ２の歪エネルギを演算し、周波数と表面積分速度レベルとの相関関係を求めている。
図６（ｂ）に示すように、第２解析部１８では、周波数と表面積分速度レベルとの相関関係グラフから、バルジモード周波数帯域Ｚにおけるバルジモード周波数Ｆ１に対応したコンロッド形状モデルＭ２の伸縮モード周波数Ｆ２を検出している。
伸縮モード周波数Ｆ２は、燃焼起振力により、コンロッド形状モデルＭ２が最大伸長したときの周波数であるため、この時点において放射パワーが高くなる。
第２解析部１８では、伸縮モード周波数Ｆ２の検出過程において、任意の位相における各セル２１の歪エネルギに基づいて歪エネルギ密度を演算し、コンロッド形状モデルＭ２の歪エネルギ密度の分布状態を検出している（図１０参照）。

形状変更部１９は、伸縮モード周波数Ｆ２がバルジモード周波数帯域Ｚの上限周波数Ｚ１よりも高くなるようにコンロッド形状モデルＭ２の形状を変更するように構成されている。形状変更部１９では、コンロッド形状モデルＭ２の歪エネルギ密度の分布状態を用いて重量増加を最小にするようにコンロッド形状モデルＭ２の歪エネルギ密度の高い部分、所謂高剛性化が要求される部分の断面積を大きくする。尚、コンロッド形状モデルＭ２の形状変更後の構造は、出力部１４から出力され、コンロッド形状モデルＭ２の形状変更に伴ってコンロッド２の形状（設計図面）が変更される。

ここで、形状変更に関する考え方について説明する。
シリンダブロック４の周波数ｆ１（図６（ａ）参照）は、コンロッド２の周波数ｆ２（図６（ｂ）参照）とコンロッド２の影響を除いたブロック系の周波数ｆ３（図６（ｃ）参照）とが重合した共振によって構成されている。
バルジモード周波数Ｆ１と伸縮モード周波数Ｆ２とは同期するため、伸縮モード周波数Ｆ２をバルジモード周波数Ｆ１から所定周波数ずらすことで、エンジン騒音に関連するバルジモード周波数Ｆ１を下げることができる。特に、伸縮モード周波数Ｆ２を低周波側にずらした場合、ユーザが認識可能な低周波側に新たな周波数のピークが発生し、この周波数に起因したエンジン騒音が発生するため、伸縮モード周波数Ｆ２はユーザによる認識が容易ではない高周波側に移行することが好ましい。
伸縮モード周波数Ｆ２を高周波側に移行するため、コンロッド２の表面形状を設計変数としたノンパラメトリック最適化手法を用いている。このノンパラメトリック最適化では、目的関数、制約条件等の特定の物理量を組み合わせた評価値が最小となる様に形状を決定している。具体的には、目的関数値を制約条件下で最適化し、コンロッド２の表面形状を逐次変動させている。

また、図７に示すように、コンロッド２のＩ幹部の座屈荷重と最小断面積との間には比例関係が成立している。ここで、周波数をｆ、質量をｍ、ばね定数をｋとしたとき、以下の関係式が成り立つ。
ｆ＝（ｋ／ｍ）^０．５／２π
座屈荷重を質量ｍ、最小断面積をばね定数ｋと見做すことができるため、コンロッド形状モデルＭ２のＩ幹部２７の最小断面積を増加させた場合、コンロッド２の周波数は増加する。以上により、本実施例では、ノンパラメトリック最適化手法を用いて、歪エネルギ密度が高いコンロッド形状モデルＭ２のＩ幹部部２７の断面積を大きくすることで、重量増加を抑制しながら伸縮モード周波数Ｆ２を効率的に増加させている。

次に、図８の機能ブロック図に基づいて、設計支援装置１０の各々の領域の処理手順について説明する。尚、図８において、左列はユーザ領域Ａ、中列はモデル領域Ｂ、右列はソルバ領域Ｃを夫々示している。
ユーザ領域Ａでは、ユーザが設計領域としてのエンジン１のコンロッド２を指定し（Ａ１）、処理実行を指令する（Ａ２）。

モデル領域Ｂでは、Ａ２の実行指令に基づき、ＣＡＤモデル情報を選定し（Ｂ１）、ブロック系形状モデルＭ１及びコンロッド形状モデルＭ２を作成するための各種条件を設定する（Ｂ２）。次に、各種条件に基づき、非設計領域の形状モデル（ブロック系形状モデルＭ１）（Ｂ３）と設計領域の形状モデル（コンロッド形状モデルＭ２）（Ｂ４）とを作成する。

ソルバ領域Ｃでは、Ｂ３，Ｂ４で作成したブロック系形状モデルＭ１とコンロッド形状モデルＭ２とをＦＥＭ解析してバルジモード周波数Ｆ１と伸縮モード周波数Ｆ２を演算する（Ｃ１）。バルジモード周波数Ｆ１に基づいて上限周波数Ｚ１を演算し（Ｃ２）、伸縮モード周波数Ｆ２を演算する（Ｃ３）。次に、伸縮モード周波数Ｆ２と上限周波数Ｚ１とを比較し、伸縮モード周波数Ｆ２が上限周波数Ｚ１以下の場合、形状最適化解析を行う（Ｃ４）。Ｃ４では、Ｃ１で解析された歪エネルギ密度分布状態と上限周波数Ｚ１と伸縮モード周波数Ｆ２とを解析することにより、歪エネルギ密度が高いコンロッド２のＩ幹部２７の断面積を所定量大きくする形状変更を行う。
Ｃ４で解析した断面積増加量に対応した変更情報をＢ２に送り、Ｂ３，Ｂ４で形状変更したブロック系形状モデルＭ１とコンロッド形状モデルＭ２とを新たに作成した後、ＦＥＭ解析する（Ｃ１）。これらのループ処理を伸縮モード周波数Ｆ２が上限周波数Ｚ１を超えるまで繰り返し、伸縮モード周波数Ｆ２が上限周波数Ｚ１を超えたときのコンロッド形状モデルＭ２を取得し（Ａ３）、コンロッド２の形状を決定する。

図９のフローチャートに基づいて、コンロッド２の設計支援処理の流れについて説明する。尚、Ｓｉ（ｉ＝１，２…）は、各処理のためのステップを示す。
まず、各種製品設計情報を読み込み（Ｓ１）、ブロック系形状モデルＭ１を作成し（Ｓ２）、これに続けてコンロッド形状モデルＭ２を作成する（Ｓ３）。
次に、上限周波数Ｚ１を求める（Ｓ４）。
Ｓ４では、周波数と表面積分速度レベルとの相関関係グラフから、バルジモード周波数Ｆ１が集中するバルジモード周波数帯域Ｚを検出し、バルジモード周波数帯域Ｚの上限値である上限周波数Ｚ１を検出する。

次に、伸縮モード周波数Ｆ２を求める（Ｓ５）。
Ｓ５では、周波数と表面積分速度レベルとの相関関係から、伸縮モード周波数Ｆ２を検出する。
Ｓ６では、伸縮モード周波数Ｆ２が上限周波数Ｚ１を超えているか否か判定する。
判定の結果、伸縮モード周波数Ｆ２が上限周波数Ｚ１以下の場合、バルジモード周波数Ｆ１が伸縮モード周波数Ｆ２によって共振されているため、Ｓ８に移行し、コンロッド２の形状を変更する。判定の結果、伸縮モード周波数Ｆ２が上限周波数Ｚ１を超えている場合、バルジモード周波数Ｆ１が伸縮モード周波数Ｆ２によって共振されていないため、コンロッド２の形状を形状Ｘ３に決定して（Ｓ７）、終了する。

Ｓ８では、歪エネルギ密度が高いコンロッド形状モデルＭ２のＩ幹部２７の断面積を大きくするようにノンパラメトリック最適化手法にて形状変更を行っている。
伸縮モード周波数Ｆ２が上限周波数Ｚ１以下の場合、ＦＥＭ解析過程で得られた図１０に示す歪エネルギ密度状態に基づいて歪エネルギ密度の高いＩ幹部２７を、Ｉ幹部２７の断面積が所定量大きくなるように図１１（ａ）に示す形状Ｘ１から図１１（ｂ）に示す形状Ｘ２にＩ幹部２７の寸法を変更し、Ｓ２へ移行する。変更された形状寸法に基づきＳ２〜Ｓ５を再度実行して新たなブロック系形状モデルＭ１、コンロッド形状モデルＭ２、上限周波数Ｚ１及び伸縮モード周波数Ｆ２を求め、伸縮モード周波数Ｆ２が上限周波数Ｚ１を超えているか否か判定する。

伸縮モード周波数Ｆ２が上限周波数Ｚ１以下の場合、歪エネルギ密度状態に基づいて歪エネルギ密度の高いＩ幹部部分の断面積が更に所定量大きくなるように図１１（ｂ）に示す形状Ｘ２から図１１（ｃ）に示す形状Ｘ３にＩ幹部２７の設計寸法を変更し、Ｓ２へ移行する。Ｓ２〜Ｓ５を再度実行して新たな伸縮モード周波数Ｆ２が新たな上限周波数Ｚ１を超えている場合、バルジモード周波数Ｆ１が伸縮モード周波数Ｆ２によって共振されていないため、コンロッド２の形状を形状Ｘ３に決定して終了する。

図１２に示すように、形状Ｘ２は形状Ｘ１よりも周波数が高く、形状Ｘ３は形状Ｘ２よりも周波数が高くなっている。尚、横軸１目盛は３０ｇ、縦軸１目盛は２００Ｈｚである。
図１３に示すように、形状Ｘ１に対応した伸縮モード周波数Ｆ２を形状Ｘ３に対応した伸縮モード周波数Ｆ２に引き上げることができ、形状Ｘ１から形状Ｘ３に形状変更することによって、伸縮モード周波数Ｆ２をユーザの認識し難い高周波数側へ移行させることができる。また、歪エネルギ密度の高い部分に肉盛りしたため、コンロッド２の剛性が向上し、信頼性が高められている。しかも、Ｉ幹部２７の断面積を増加させるため、質量増加量に対する周波数増加量の効率が高く、コンロッド２の質量増加量を最小限に抑制することができる。
即ち、図１４に示すように、形状Ｘ１の伸縮モード周波数Ｆ２を形状Ｘ３の伸縮モード周波数Ｆ２に引き上げることにより、破線で示す実用域で騒音レベルが高いブロック系のバルジ振動Ｆ１を実線で示すバルジ振動Ｆ１に特性変更することができ、実用域においてユーザが認識し得るエンジン騒音を低減している。

次に、エンジン１のコンロッド２の設計支援装置１０の作用・効果について説明する。
この設計支援装置１０によれば、コンロッド２の伸縮モード周波数Ｆ２をバルジモード周波数帯域Ｚの上限周波数Ｚ１よりも高くするため、コンロッド２の伸縮振動による影響を除いたシリンダブロック系による振動とコンロッド２の伸縮振動との共振を防止し、バルジ振動の増幅を防止することができる。また、伸縮モード周波数Ｆ２をバルジモード周波数帯域Ｚよりも高くするため、コンロッド２の所定部分の断面積を増加することにより、コンロッド２の剛性を向上できる。それ故、バルジ振動に起因したエンジン１の騒音低下とコンロッド２の剛性向上とを両立することができる。

形状変更部１９において、コンロッド２のコンロッド形状モデルＭ２の歪エネルギ密度の分布状態を用いて重量増加を最小にするようにコンロッド２の形状を変更するため、コンロッド２の重量増加を最小限に抑制しつつ、エンジン騒音低下とコンロッド２の剛性向上とを両立することができる。
形状変更部１９において、歪エネルギ密度の高い部分の断面積を大きくするため、エンジン騒音低下を図りつつ、コンロッド２の剛性が低い部分を能率的に補強することができる。

次に、前記実施例を部分的に変更した変形例について説明する。
１〕前記実施例においては、コンロッド形状モデルの２殿形状変更によってコンロッド形状を決定した例を説明したが、伸縮モード周波数とバルジモード周波数帯域の上限周波数との関係によって、形状変更回数は決定される。最初の伸縮モード周波数とバルジモード周波数帯域の上限周波数との比較で、伸縮モード周波数が上限周波数よりも大きい場合、形状変更を行わない。また、形状変更工程におけるＩ幹部の断面積増加量は、予め実験値により設定しても良い。

２〕前記実施例においては、ノンパラメトリック最適化手法によって形状変更する例を説明したが、Ｉ幹部の断面積を変数としたパラメトリック最適化手法によって形状変更しても良い。

３〕その他、当業者であれば、本発明の趣旨を逸脱することなく、前記実施例に種々の変更を付加した形態で実施可能であり、本発明はそのような変更形態も包含するものである。

本発明は、エンジンのコネクティングロッドの設計支援方法及びその設計支援装置において、バルジ振動に起因したエンジン騒音低下とコネクティングロッドの剛性向上とを両立することができる。

１ エンジン
２ コンロッド
４ シリンダブロック
８ ピストン
９ クランク軸
１０ 設計支援装置
１５ 制御部
１６ モデル作成部
１７ 第１解析部
１８ 第２解析部
１９ 形状変更部
Ｍ 剛体モデル
Ｍ１ ブロック系形状モデル
Ｍ２ コンロッド形状モデル
Ｆ１ バルジモード周波数
Ｆ２ 伸縮モード周波数
Ｚ バルジモード周波数帯域

Claims (6)

1. エンジンのコネクティングロッドの設計支援方法において、
   シリンダブロックとクランク軸とコネクティングロッドとピストンとを含み且つ前記コネクティングロッドを伸縮させない剛体モデルを含むブロック系形状モデルと、前記コネクティングロッドの伸縮作動が許容されたコネクティングロッド形状モデルとを製品設計情報に基づいて作成するモデル作成工程と、
   前記ブロック系形状モデルの振動解析により前記シリンダブロックのバルジモード周波数が集中するバルジモード周波数帯域を検出するバルジモード周波数帯域解析工程と、
   前記コネクティングロッド形状モデルの振動解析により前記コネクティングロッドの伸縮モード周波数を検出する伸縮モード周波数解析工程と、
   前記伸縮モード周波数が前記バルジモード周波数帯域よりも高くなるように前記コネクティングロッドの形状を変更する形状変更工程と、
   を備えたことを特徴とするエンジンのコネクティングロッドの設計支援方法。
2. 前記形状変更工程において、前記コネクティングロッドの歪エネルギ密度の分布状態を用いて重量増加を最小にするように前記コネクティングロッドの形状を変更することを特徴とする請求項１に記載のエンジンのコネクティングロッドの設計支援方法。
3. 前記形状変更工程において、前記歪エネルギ密度の高い部分の断面積を大きくすることを特徴とする請求項２に記載のエンジンのコネクティングロッドの設計支援方法。
4. エンジンのコネクティングロッドの設計支援装置において、
   シリンダブロックとクランク軸とコネクティングロッドとピストンとを含み且つ前記コネクティングロッドの伸縮させない剛体モデルを含むブロック系形状モデルと、前記コネクティングロッドの伸縮作動が許容されたコネクティングロッド形状モデルとを製品設計情報に基づいて作成するモデル作成手段と、
   前記ブロック系形状モデルの振動解析により前記シリンダブロックのバルジモード周波数が集中するバルジモード周波数帯域を検出するバルジモード周波数帯域解析手段と、
   前記コネクティングロッド形状モデルの振動解析により前記コネクティングロッドの伸縮モード周波数を検出する伸縮モード周波数解析手段と、
   前記伸縮モード周波数が前記バルジモード周波数帯域よりも高くなるように前記コネクティングロッドの形状を変更する形状変更手段と、
   を備えたことを特徴とするエンジンのコネクティングロッドの設計支援装置。
5. 前記形状変更手段において、前記コネクティングロッドの歪エネルギ密度の分布状態を用いて重量増加を最小にするように前記コネクティングロッドの形状を変更することを特徴とする請求項４に記載のエンジンのコネクティングロッドの設計支援装置。
6. 前記形状変更手段において、前記歪エネルギ密度の高い部分の断面積を大きくすることを特徴とする請求項５に記載のエンジンのコネクティングロッドの設計支援装置。