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技術 ドライブラインモデラ

出願人 ロマックステクノロジーリミテッド
発明者 ジェームズ,バリー
出願日 2013年9月30日 (5年9ヶ月経過) 出願番号 2015-533699
公開日 2015年11月19日 (3年8ヶ月経過) 公開番号 2015-533244
状態 特許登録済
技術分野 CAD
主要キーワード シャフトサポート 強制応答 疲労故障 剛性データ 機能的接続 非線形特徴 構造歪み 伝達エラー
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2015年11月19日)のものです。
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図面 (10)

課題・解決手段

ドライブライン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であって、ドライブラインの単一パラメータ記述を生成するステップと、1つまたは複数の故障モードを使用して、性能に対するパラメータ記述を分析するステップと、パラメータ記述を修正し、分析ステップを繰り返すことによって性能を最適化するステップとを備える。

概要

背景

ドライブラインの設計は、複雑であり、時間がかかる。技術者は、製造前にドライブラインが目的にかなっていることを把握し、このさまざまな分析方法を使用して、性能または故障可能性を判定し、製品定義を変更し、製品の性能を最大にするために最適化することを確認する必要がある。分析は、数学シミュレーションまたはベンチマーキング(同様の製品との比較)などの他の方法により行われ、典型的に、コンピュータプログラムで実行され、コンピュータ支援エンジニアリングCAE)の領域は、この意図に基づいて発展してきた。

性能の所与故障モードまたは側面に対する分析をセットアップする処理は、システム組立部品、および構成要素のモデルを作成することを必要とする。したがって、本処理は、(i)モデリング、(ii)分析、および(iii)最適化の内の1つとなる。故障モードは、性能の点から見て故障を構成するものを含む。

製品性能の異なる側面は、設計処理において考慮する必要があり、(これらに限定されないが)車両/製品性能、エネルギー燃料効率/節約、排気ガス放出、空間制約内でのパッケージングコスト、重量、構造たわみおよびストレス耐久性および疲労、製造性、熱性能可聴雑音の生成、動的入力負荷による機械的故障、ユーザおよび/または環境に不都合な動的負荷の生成、速度および比率の変更、ならびに制御システムとの十分な相互作用を含む。

性能に対するこれらの異なる故障モードおよび側面を評価するために、異なる数学的分析方法を使用し、これらは、異なるデータから成る、システムの異なるモデルを必要とする。結果として、通常、各故障モードに対するCAEモデルが、その故障モード専用に構築される。このことを、図1に示す。実際に、CAEパッケージは、所与の故障モードを評価する目的で専用に開発されることが多い。

各構成要素またはサブシステムの性能を予測するために、異なる計算アルゴリズムを必要とすることが多い。また、構成要素やサブシステムは、異なる部署または会社によって設計および製造されることが多い。したがって、その構成要素またはサブシステムのシミュレーションは、構成要素またはサブシステム単体焦点が当てられ、他の構成要素またはサブシステムと共に発生する相互作用を無視または単純化することが多い。その結果、製品性能の予測が不正確になる可能性がある。

本システムの設計は、製造の瞬間モーメントを受けるのとは対照的に、処理の結果として発展する。設計を定義するパラメータのいくつかは、処理の開始時に定義され、他のパラメータは、最後まで定義されない。

結果として、製品性能についてのさまざまな分析が、設計処理のさまざまな段階で実行される。すべての方法が、開始時点で可能なわけではない。典型的に、製品定義が軽い場合に、比較的単純な分析が可能なだけであり、設計処理の終了に向かうにつれ、より複雑な分析が可能となるだけである。

さらに、同じ故障モードに対して、単純な分析が、設計処理の早期に実行されてもよく、次いで、より複雑な分析が、同じ故障モードに対して、後に実行されてもよい。これは、製品定義がより充実し、より高い忠実度を含むからである。

したがって、さまざまなモデルがさまざまな目的を有し、設計処理のさまざまな段階で使用されることが理解されよう。どんな単一のモデル定義も、ドライブラインの完全な設計ならびに最適化に対して使用することができず、それぞれ異なる特徴および異なる強度ならびに欠点を有する異なるモデルが、設計処理の異なる段階で、異なるエンジニアリング専門家によって使用される。

これは、設計者チームが、ドライブラインの性能を分析するために、多数の別々のアプリケーションを使用することを意味する。複雑さの異なるレベルでモデルを分析するために、同じ性能を測定するために別々のアプリケーションを使用する必要がある。さらに、ある性能測定のための数学的分析に適切なモデルが、他の性能測定のために適切でない可能性がある。設計チームの各メンバは、自身の知識と経験を高め、(i)どのアプリケーションを選択するべきか、(ii)どの程度の精度のモデルおよびレベルを使用するべきか、および(iii)所望の結果を得るために、どのような分析が必要か、を把握するために経験を積む必要がある。

さらに、回転機械組立体について記述する情報(入力データ)が、単純な分析のみに相当する場合、ユーザが詳細分析を使用し、これにより、分析中エラーが引き起こされる可能性があるが、ユーザがそのことを把握していない可能性がある、というリスクがある。

さらに、モデルが手動で作り出されるため、異なるアプリケーションでは、回転機械組立体について記述する情報(製品定義)における変更が、異なるアプリケーションで実行される他の分析に引き継がれないか、引き継ぐことができないことが多い。

このことは、設計と分析の間の、製品の製造中に生じるエンジニアリング活動において、特定の区分を考慮する場合に、特に深刻である。設計は、少なくとも機械エンジニアに対して、製品の形状の定義に関して考慮されることが多く、一方、分析により、製造または故障モードの側面に対してどのように機能するかの点で製品を調査する。実際に、設計で考慮される形状は、性能の単に他の側面であり、利用可能なパッケージング空間に製品が適合される方法についての問題に対処する。また、性能のこの側面は、通常、完全に異なるコンピュータプログラム、すなわち、CADコンピュータ支援設計)によって対処される。CADには、他の側面の製品性能を予測するための計算機能がほとんどないか、全くなく、実行する分析パッケージへのリンクが少ないか、または存在しない。CADパッケージは、通常、設計エンジニアが操作し、分析パッケージは、分析エンジニアが操作する。その結果、設計処理が分断され、製品性の低下、最適状態に及ばない製品、および無駄な経済活動が発生する。

複雑な分析には、さらなる問題が存在する。いずれの分析の目的も、製品の設計を誘導するためであり、分析値は、分析の結果が、エンジニアリングチームによって正確に解釈/理解され、対応する製品決定がなされた場合に提供される。結果を理解するために、エンジニアにとって「筋が通って」いて、実行するためのシステムをエンジニアが理解する様式に対応している必要がある。しかしながら、分析が高度に複雑になると、結果が複雑すぎて理解できないか、または性能についてのエンジニアの基本的な理解に整合しない可能性がある。したがって、分析結果が、可能な限り最も正確な分析であったとしても、システムに関するエンジニアリング決定で破棄されるであろう。

システム性能についてのエンジニアの基本的な理解が、設計処理の最初で実行された可能性のある単純な分析に非常に密接に関連することは皮肉である。したがって、緊張状態が存在し、これにより、精度および製品性能を向上すると仮定されるために、複雑さを増大させることに対する要求があるが、行き過ぎると、複雑な分析は用いられなくなる。

これらの分析の目的は、故障モードを避けることである。設計が、設計処理を通じて完成すると、データ定義の増加は、設計への金銭的投資の増加を意味し、そのため、故障モードの何らかの識別が、可能な限り早い機会に実現されることが必要であり、それにより、繰り返し作業にかかる財務費用を最小化する。

これは、処理における最終的な緊張状態につながる。本処理は、製品性を与えるためにモデリングおよび分析の速度を提供し、それでもなお、精度をもたらすためにすべてのシステムの影響を含むことを必要とする。システムの影響のすべてを用いて大型システムを分析することは、より複雑な分析を引き起こす傾向があるが、上記の通り、このことが、モデリングおよび分析の速度について、ならびにデータ解釈時に問題を引き起こす。

多くの場合、このことに対する解決策は、特定用途向けソフトウェアパッケージを開発することであり、モデリングおよび分析機能は、所与の種類の製品またはアプリケーションに対して事前定義される。これにより、モデリングおよび分析の所望の精度を、必要なすべての製品について第1の原理から説明することなく実現することが可能となり、それにより、製品性を維持する。

製品設計のために説明してきた本処理は、さまざまな故障モードを分析するための、ドライブラインの生成モデルの1つである。設計パラメータが定義される順序の自然な階層のため、および各分析に対するさまざまな要求のため、設計処理のさまざまな段階で、さまざまな分析が実行される。したがって、設計処理は、さまざまな分析のためにさまざまな段階で作り出される同じドライブラインの異なる表現から成る。

ドライブラインの主要性能基準の1つは、車両性能と称することができ、これは、「ブロックダイアグラム」と称することができる単純なモデルを使用して、設計処理の非常に初期に評価することができる。

これは、主要な組立部品、すなわち、エンジンギヤボックスモータバッテリ燃料タンク、および車両から成る。配線は、組立部品を接続し、動力が1つの組立部品から他の組立部品に伝達される機能的接続を意味する。この動力は、回転機械力(エンジン、モータ、ギヤボックス、および車両の間)、電力(バッテリとモータとの間)、または化学動力(燃料タンクとエンジンとの間)のいずれかの形態をとることができる。一例を図2に示す。

本システムの物理的実施形態は、回転機械力が回転軸によって伝達され、電力が電線により伝達され、さらに化学動力が燃料配管により伝達されることを意味する。しかしながら、この詳細は、単にドライブライン内の動力およびエネルギーの流れを見て理解することを望むエンジニアによっては、必要とされない。何らの幾何学的詳細も、本システムの物理的比率または互いに対する近接度を説明するためにあるのではないことに留意されたい。

さらなる特性を、組立部品に割り当てることができる。例えば、エンジンおよびモータに対するトルクおよび動力対速度のグラフ、ギヤボックスおよび質量に対するギヤ比のセット、抵抗係数回転抵抗、車両に対する前面面積およびタイヤ回転半径がある。このデータから、シミュレーションまたは分析が実行され、車両性能(速度対時間、最大速度など)を導出することができる。

さらに多くの機能的特性を、組立部品に割り当てることができる。モータ、ギヤボックス、およびエンジンの効率は、一定値として、または速度およびトルクに対する効率のグラフとして、定義することができ(より複雑な関係もまた、他のパラメータにより、定義することができる)、車両は、バーチャルな意味で、ある駆動サイクル(速度対時間プロファイル)で「駆動」することができる。

所与の駆動サイクルおよび駆動スタイルなどに対して、車両の燃費および燃料排出の値を導出することができる。これにより、低炭素車両に対する要件が特に一般に増加し、これは、評価する必要のある他の故障モードである。この作業は、世界中の多くのさまざまな会社で実行され、多くの異なるCAEパッケージで実施される。これらのCAEパッケージは、典型的に、ゼネラリストCAEパッケージ(例えば、Simulink、Dymola、Modellica)およびAVLCruiseならびにGT−Suiteなどの特定用途向け車両シミュレーションパッケージの2つのサブカテゴリに分割することができるマルチドメインダイナミック・シミュレーションである。英国特許出願公開第2470385号明細書では、シミュレーションモデルは、構成要素に依存し、「仮想構成要素」とも称され、そのそれぞれが、システム内の回転機械の構成要素を表し、アルゴリズムを備えるモデルである。各モデルは、入力データのストリームで読み取られ、そのモデルアルゴリズムを使用して、出力データのストリームに送信する。モデルの特性は、値の下界ならびに上界線形もしくは非線形関係、異なる式の初期値、およびモデルのアルゴリズムによる分析の複雑さの度合いとして例示される。

記載したように、製品性能の重要な側面は、パッケージングであり、すなわち、製品は、利用可能な空間内に、物理的に適合しなければならない。このため、本システム、組立部品、および構成要素は、それぞれの3D形状を定義する必要があり、これは、典型的に、Wildfire、Solid Works、Catia、およびUnigraphicsなどの3DCADパッケージで実行される。

そのような3DCAD定義には、使用する材料の密度を加えることができ、本システム、組立部品、および構成要素の重量を算出することを可能にする。これにより、製品性能、重量の他の側面を算出することが可能になる。

別々の製品における3D形状、パッケージング、および重量を考慮するそれら由来であるエンジニアリング性能(車両性能、効率、燃費)を評価するための機能を含む現在のソフトウェア製品の主な側面である。ギヤボックスの具体例を見ると、車両の性能、効率、および燃費を評価するソフトウェア製品は、ギヤボックスが、その比率、おそらく、慣性、またはギヤボックスおよびそのシャフトねじり剛性の点のみから示されることを必要とする。本質的には、ギヤボックスは、何らの3D形状空間も占めず、動力を伝達する1つまたは複数の軸の周りの回転に関する特性のみを有する。

エンジニアリング性能の他の側面は、またさらなるソフトウェアパッケージで考えられる。エンジニアリング性能のこれらの側面は、構造たわみおよびストレス、耐久性および疲労、製造性、熱性能、可聴雑音の生成、動的入力負荷による機械的故障、ユーザおよび環境に不都合な動的負荷の生成、速度および/または比率の変更、ならびに制御システムとの十分な相互作用を含む。これらは、後続パラグラフで説明する。

機械的な動力伝達は、構成要素にストレスを引き起こすことを含み、そのようなストレスは、過負荷疲労故障、または摩耗による甚大な故障を引き起こす可能性がある。典型的には、システム内の動作負荷を算出し、構成要素の歪みおよびストレスを算出し、したがって、構成要素の、つまりはシステム全体の耐久性を算出する。通常は、そのようなシミュレーションは、Nastran、Ansys、またはAbaqusなどのゼネラリスト有限要素パッケージまたはRomaxDesigner、KissSoft(ギヤボックス用)、およびAVL Excite(エンジン用)などの特定用途向けパッケージで実施される。

他の特定用途向けパッケージは、モータおよびジェネレータなどの他のサブシステム用に開発され、Opera、SPEED、およびJMAGなどのパッケージの表記である。

ギヤボックス内では、ギヤが重要な構成要素であり、耐久性、静音性、および効率を求められ、同時に、利用可能な空間内に適合し、さらに製造が容易であることもまた要求される。典型的には、(耐久性に対する)ストレス、効率、およびギヤに対して生成された振動を算出するが、これは、ギヤの製造容易性に関わらず行われることがある。重要な側面は、ギヤに対する切削工具の形状、特に、ホブ整形器、またはフライスカッター出っ張りが、ギヤの形状に、したがって、耐久性、雑音、および効率に対する結果に、どのように影響するかということである。製造性のこれらの側面を考慮しないと、不正確な結果がもたらされる可能性がある。

動的分析に関して、数学的表現の複雑さは、考慮される故障モードにより大きく変化する。以下はその例である。

「駆動サイクルシミュレーション」は、動的分析であり、例えば、公道走行可能車両が、さまざまな速度で、あるルートに沿って駆動される場合をシミュレーションする。これは、「ブロックダイアグラム」モデリングに関して、上記した。このシミュレーションの場合、故障モード/性能基準は、燃費およびCO2排出である。

音響シミュレーション」は、ドライブラインの構造が、エンジン着火内燃機関から)、トルクリップル(モータから)、または伝達エラー(ギヤメッシュから)などの何らかの周期的に繰り返す強制によって励起される場合である。ドライブライン構造(シャフトならびにギヤなどの回転部品およびハウジングならびにケーシングなどの構造部品などを含む)は、この励起に応じて振動する。この強制応答は、算出され、関心のある結果は、ドライブライン取付位置での振動(例えば、これは、車両の構造に伝達される)または外部ハウジングの表面での振動(これは、放射音響信号に変換することができる)である。典型的に、そのようなシミュレーションは、Nastran、Ansys、およびAbaqusなどのゼネラリストFEパッケージまたはADAMSもしくはSimpackなどのゼネラリスト・マルチボディ・パッケージで実施される。このシミュレーションの場合、故障モード/性能基準は、雑音、振動、およびハーシュネスである。

さまざまな「ドライブライン過度シミュレーション」が、実行され、回転部品からなる動力伝達ドライブラインが、駆動トルクまたは速度の急速な変化にさらされる現象を検討する。

一例において、ドライブラインの応答は、トルクのサイン反転を含むことができ、ギヤなどのバックラッシュを有する構成要素、およびバックラッシュ領域にわたって移動し、衝撃荷重にさらされるスプラインにつながる。典型的に、そのようなシミュレーションは、ADAMSまたはSimpackなどのゼネラリスト・マルチボディ・パッケージで実施される。このシミュレーションの場合、故障モード/性能基準は、システム内の高衝撃負荷またはオペレータが聞くか、もしくは感じることができる衝撃である。

別の例では、トルクの変化は、バンプ上を駆動している車両、またはグリッド故障もしくは電気的短絡にさらされている電気モータに起因する可能性がある。ドライブラインの応答は、主構成要素での高負荷(耐久性問題につながる)または車両の加速減速(乗員を不快にする)を含む可能性がある。典型的に、そのようなシミュレーションは、ADAMSまたはSimpackなどのゼネラリスト・マルチボディ・パッケージで実施される。このシミュレーションの場合、故障モード/性能基準は、システム内の高衝撃負荷またはオペレータが感じる加速度の変化である。

ドライブラインに対する異なるダイナミックシミュレーションの3つの例を説明した。歯打ち音ティップイン/ティップアウト不均衡状態ギヤシフト品質、および風力タービンの2つの速度ジェネレータの係合を含む、その他の例も挙げることができる。

これらの動的現象のいくつかは、サブシステムに関連し、いくつかは、ドライブラインシステム全体に関連する。したがって、これらは、構成部品供給者(例えば、ベアリングおよびシンクロナイザの供給者)、サブシステムの供給者(例えば、ギヤボックス、エンジン、モータ、ドライブシャフトの供給者)、および車両製造者関心事であり、それらによって影響される。

多くの場合、サブシステムの挙動は、構成要素の詳細な特性によって影響され、ドライブラインの挙動は、サブシステムの詳細な特性によって影響される。したがって、詳細な設計情報は、構成要素の供給者からサブシステムの供給者に渡され、さらにサブシステムの供給者から車両製造者に渡される必要がある。しかしながら、この処理は、構成要素の供給者およびサブシステムの供給者が、機密保持のために、自身の製品の詳細な設計情報を明かすことを拒むことが多いため、妨げられる。

サブシステムの動的モデルを、サブモデル内にパッケージ化することが可能である。これらは、「S機能」(Simulinkなどのマルチドメイン・シミュレーション・パッケージの場合)またはスーパー要素(有限要素およびマルチボディ・ダイナミクス・パッケージの場合)と呼ばれることもある。

あらゆる場合において、そのようなモデルの詳細は隠されているため、所与の動的現象または故障モードのシミュレーションに対して正確なレベルの詳細を有することが重要である。モデルの受け手は、取得されるシミュレーション結果の精度に対して正確であるモデル公式化に依存し、動的モデルは、準最適な方法でセットアップされることが多い。

製品およびサブシステムの設計が進むと、さらなる分析が実行される。電気モータまたはジェネレータが、モータ/ジェネレータの専門家または会社によって、ギヤボックスの場合と同じように、設計されることは共通である。魅力は、2つのサブシステムが、問題なく共に組み立てられ、他のサブシステムが、回転力の良好な受信器または配信器であると仮定することである。したがって、サブシステムは、トルクの平滑で、一様な通過が完全に整列したシャフトを通じてもたらされるという前提で、別々の数学的モデルで設計および分析される。

実際に、動力がギヤボックスを通じて伝達される場合、ギヤで力を分けることによって、シャフトが曲がり、ベアリングが歪み、さらにハウジングが歪む。動力がモータ内で生成されると、ロータは、不均衡磁気引力および何らかのシャフト歪みにさらされるか、または心振れにより、ロータが中心を外れて引っ張られる。これらの力(および、モーメント)および歪み(および、位置ずれ)は、ベアリングにかかる負荷、したがって、ベアリング寿命、およびギヤストレス、寿命、雑音、および効率を算出する際に重要である。また、モータ効率に影響するモータ内の空気ギャップもまた、影響される。

ギヤボックス内の負荷および歪みの影響およびギヤボックスシミュレーション内のギヤボックス性能の影響を算出することが可能である。同じように、モータシミュレーションを使用して、モータ内での不均衡な磁気引力を算出することが可能である。しかしながら、2つのサブシステム間の相互作用は、考慮されない。

小型電気機械式ドライブラインの設計においては、モータおよびギヤボックスが、ますます一体化されることが必要とされ、それにより、相互作用がより重要となるため、このことは、ますます重要になっている。

任意の製品の動的挙動を理解することは、固有周波数およびモード形状を導出することが可能な数学的モデルを生成することを含むことが多い。これは、製品が、線形またはほぼ線形に動作する場合に、最も有効な開始点である。

有限要素分析(例えば、Ansys、Nastran)もしくはマルチボディダイナミクス(例えば、ADAMS)などのゼネラリストツールまたはRomaxDesignerもしくはMASTAなどの専門ツールを使用して、ギヤボックスの固有周波数およびモード形状を算出することが可能である。同様に、同じツールを使用して、モータの構造的(機械的)部品の固有周波数およびモード形状を算出することが可能である。しかしながら、完全な組立体の固有周波数およびモード形状においては、2つのサブシステムの間の相互作用を考慮する必要がある。

この場合も、小型電気機械式ドライブラインの設計においては、モータおよびギヤボックスが、ますます一体化されることが必要とされ、それにより、相互作用がより重要となるため、このことは、ますます重要になっている。

さらに、システムの固有周波数およびモード形状の定義は、システムの関連する質量および剛性のすべてが正確に含まれることを必要とする。多くの場合、機械的システム内の剛性は、機械的な構成要素の接触および引張剛性に単独で関連する。しかしながら、モータの場合、電磁力に起因するロータでの不均衡な磁気引力もまた、剛性、実際には、負の剛性となる。これは、システムの固有周波数およびモード形状に影響するが、現在は考慮されない。

動力が、モータによって生成され、ギヤボックスによって伝達される場合、動的な励起が、トルクリップルの形態で生成され、モータ内の電磁力が変化し、ギヤ伝達エラーおよび心振れがギヤボックスで発生する。これらの励起は、ドライブラインを介して伝達され、雑音放射を引き起こす。

有限要素分析(例えば、Ansys、Nastran)もしくはマルチボディダイナミクス(例えば、ADAMS)などのゼネラリストツールまたはRomaxDesignerもしくはMASTAなどの専門家ツールを使用して、Coustyxなどの音響シミュレーションツールと組み合わせて、ギヤボックスの動的応答および音響放射を算出することが可能である。同様に、同じツールを使用して、モータの構造的(機械的)部品の動的応答および音響放射を算出することが可能である。

しかしながら、完全な組立体の動的応答および音響放射は、2つのサブシステムの間の相互作用を考慮する必要がある。トルクリップル、伝達エラー、および電磁力は、ギヤボックス/モータ構造全体を励起する。サブシステムが別々の数学的モデルでシミュレーションされる場合には、これは発生しない。

また、モータ効率に影響するモータ内の空気ギャップはまた、システムの動的応答によって、不均衡な磁気引力、均衡質量の逸脱、ロータシャフトの歪み、および構成部品製造公差に影響するが、これは、算出されず、代わりに、空気ギャップに対する値が、以前の設計から推定されるか、または引き継がれる。

前のパラグラフでは、動的応答および音響放射を評価するためのギヤボックスおよび/またはモータシステムの、正確で、複雑な数学的モデルに対する要件を説明した。音響放射の源は、ギヤボックス/モータハウジングであり、音響放射を算出するために、ハウジングは、相当詳細にモデル化される必要があり、したがって、システムのシミュレーションに含むことができる。

しかしながら、これは、製品の実際の設計に本方法を適用する場合に、問題を引き起こす。エンジニアは、コンセプト設計段階で、ベアリングならびにギヤの位置、シャフト中心距離、およびシャフトの数の変更などのレイアウトについての主要な変更を考えるからである。したがって、何らのハウジング設計も存在しない。コンセプトモデルを使用する(ローラベアリング外輪が剛性を保持した場合)か、詳細モデルを使用する(ローラベアリングの外輪が、ハウジングの質量/剛性表現に取り付けられた場合)かにより、モータ、ギヤボックス、または電気機械式ドライブラインシステムの算出された動的応答が大きく異なることが技術検討により分かった。

したがって、設計エンジニアは、トルクリップルおよび伝達エラーへの動的応答の時点では、どのコンセプト設計が最良または最悪であるかを、シミュレーションによって判断することができない。現在、エンジニアは、何らかのそのようなシミュレーションを実行することが可能になる前に、ハウジングを設計における、そのような知識、投資時間、および資金を持たずに、コンセプトを選択する必要がある。

概要

ドライブライン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であって、ドライブラインの単一パラメータ記述を生成するステップと、1つまたは複数の故障モードを使用して、性能に対するパラメータ記述を分析するステップと、パラメータ記述を修正し、分析ステップを繰り返すことによって性能を最適化するステップとを備える。

目的

魅力は、2つのサブシステムが、問題なく共に組み立てられ、他のサブシステムが、回転力の良好な受信器または配信器であると仮定することである

効果

実績

技術文献被引用数
1件
牽制数
0件

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請求項1

ドライブラインのための設計を生成するためのコンピュータ支援エンジニアリングの方法であって、a)前記ドライブライン設計のパラメータ記述を提供するステップと、b)分析用の1つまたは複数の故障モードユーザ選択を受け取るステップと、c)分析の複雑さに適したデータを前記パラメータ記述から選択するステップと、d)前記選択されたデータを分析するステップと、e)性能情報を前記ユーザに提供するステップと、を有し、前記パラメータ記述が、前記ドライブラインまたはその構成要素の形式、機能、特性、および動作条件に関するデータを含み、前記パラメータ記述が、すべての分析に対するデータの単一共通源であり、使用中に、前記ユーザは前記設計が性能目標をどのように満たすかを評価する、方法。

請求項2

g)前記ユーザから前記設計の修正を受け取るステップと、h)前記パラメータ記述を更新し、ステップc)からe)を繰り返すステップと、i)前記設計が前記性能目標を満たすまで、ステップg)およびh)を繰り返すステップと、をさらに有する、請求項1に記載の方法。

請求項3

前記分析するステップは、前記パラメータ記述から1つまたは複数の数学的モデル導出するステップを有し、前記1つまたは複数の故障モードを分析するための前記数学的モデルを導出するために使用されるデータは、前記単一共通データ源から導出される、請求項1または2に記載の方法。

請求項4

前記ドライブラインが、1つまたは複数のサブシステムを備え、前記サブシステムが、1つまたは複数の構成要素を備え、前記分析するステップが、動的分析を有し、前記構成要素または前記サブシステムの数学的モデルを導出する前記ステップが、離散化モデルを形成するステップを有する、請求項3に記載の方法。

請求項5

前記離散化モデルが、ノードを備え、ノードの数が、定義された周波数帯域で正確であるのに十分であり、ノード毎の自由度が、前記故障モードに対して適切な線形または非線形特性を有する、請求項4に記載の方法。

請求項6

前記周波数帯域、適切な線形ならびに非線形特徴、および/またはノード毎に1自由度ならびにノード毎に6自由度の点から記載することができる挙動に対する適切な設定を自動的に選択するステップをさらに有し、前記自動的に選択するステップは、前記動的分析に関する設定を選択するステップを有する、請求項4または5に記載の方法。

請求項7

前記1つまたは複数の故障モードのユーザ選択が、駆動サイクルもしくは駆動サイクルの母集団に対するドライブラインの効率を含み、前記分析するステップは、速度対時間履歴を、持続期間対速度対加速度レジデントヒストグラムに変換するステップと、前記効率をもたらすために、前記レジデントヒストグラムを効率マップ乗算するステップと、を有する、請求項1から3のいずれかに記載の方法。

請求項8

分析のユーザ選択を受け取る追加ステップを有し、前記分析の選択は、時間領域シミュレーションによって効率を計算するステップ、およびステップa)からe)を繰り返すステップであり、前記ユーザは、分析を比較することができる、請求項7に記載の方法。

請求項9

前記1つまたは複数の故障モードのユーザ選択は、ギヤストレス耐久性雑音、および/または効率を含み、前記分析するステップは、ホブ整形器、またはフライスカッター出っ張りの影響を含む前記ギヤに対する切削工具の形状の影響を分析するステップを有する、請求項1から3のいずれかに記載の方法。

請求項10

前記ドライブラインは、電気モータジェネレータおよびギヤボックスを備え、前記1つまたは複数の故障モードのユーザ選択は、構成要素の寿命を含み、前記分析するステップは、前記電気モータ/ジェネレータ内の不均衡磁気引力およびロータシャフト歪み、ならびに前記ギヤボックス内のギヤ離反力を分析するステップを有する、請求項3に記載の方法。

請求項11

前記故障モードは、製造公差および組立公差を含む、請求項10に記載の方法。

請求項12

前記モデルは、電気機械式ドライブラインの動的モデルであり、(i)ギヤからの伝達エラー、(ii)モータ/ジェネレータからのトルクリップル、および(iii)モータ/ジェネレータからの放射状電気機械式負荷の2つ以上の起動源により起動される、請求項10または11に記載の方法。

請求項13

前記ドライブラインは、電気モータ/ジェネレータおよびギヤボックスを備え、前記1つまたは複数の故障モードのユーザ選択は、モード形状および固有周波数を含み、前記分析するステップは、ギヤメッシュ剛性ローラベアリング剛性、および/または所与の速度ならびに負荷動作点での不均衡な磁気引力の非線形挙動を線形化するステップを有する、請求項1から3のいずれかに記載の方法。

請求項14

1つまたは複数の故障モードの前記ユーザ選択は、電気モータまたはジェネレータの空気ギャップを含み、分析する前記ステップは、準静的または動的条件でシステム歪みを分析するステップを有する、請求項9から13のいずれかに記載の方法。

請求項15

前記1つまたは複数の故障モードのユーザ選択は、コンセプト段階でのモータ、ギヤボックス、ドライブライン、または電気機械式ドライブラインの動的挙動を含み、前記分析するステップは、トルクリップルおよび/または伝達エラーに応じて、ベアリング外輪からハウジング振動力を通過させるために、一般的なハウジング剛性を、すべてのベアリング外側軌道に適用するステップを有する請求項1から3のいずれかに記載の方法。

請求項16

前記1つまたは複数の故障モードのユーザ選択は、前記ドライブラインのパッケージングをさらに含み、前記ユーザが前記設計が性能目標をどのように満たすかを評価するステップは、前記ユーザがグラフカル・ユーザ・インターフェースで、前記ドライブラインまたはその構成要素の幾何学的寸法を評価するステップを有する、請求項4から15のいずれかに記載の方法。

請求項17

前記選択されたデータを分析するステップと、前記性能情報を前記ユーザに提供するステップは、コンピュータ読取り可能な製品によって実行される、請求項1から16のいずれかに記載の方法。

請求項18

前記分析用の1つまたは複数の故障モードのユーザ選択を受け取るステップは、同じコンピュータ読取り可能な製品によって実行される、請求項17に記載の方法。

請求項19

前記故障モードが、エンジニアリング性能である、請求項17に記載の方法。

請求項20

エンジニアリング性能は、車両/製品性能エネルギー燃料効率/節約、排気ガスの排出、コスト、構造の歪みおよびストレス、耐久性および疲労、製造性、熱性能可聴雑音の生成、動的入力負荷による機械故障、前記ユーザおよび/または環境に不都合な動的負荷の生成、速度および比率の変更、ならびに制御システムとの十分な相互作用を含む、請求項19に記載の方法。

請求項21

前記パラメータ記述を提供するステップまたは前記パラメータ記述を更新するステップは、前記ドライブラインに対する構成要素のユーザ選択を受け取るステップと、前記選択された構成要素を位置決めするステップと、前記選択された構成要素の間の関連を生成するステップと、前記関連、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、および前記関連の特性の1つまたは複数に基づいて、前記単一のパラメータ記述を形成するステップと、に従って、コンピュータシステムのグラフィカル・ユーザ・インターフェース内で、前記ドライブラインのレイアウトを生成するステップを有する、請求項1から20のいずれかに記載の方法。

請求項22

ユーザ命令に従って、ドライブラインに対するグラフィカル・ユーザ・インターフェースから、ギヤボックスに対するグラフィカル・ユーザ・インターフェースに切り替えるステップをさらに有し、ギヤボックスに対する前記グラフィカル・ユーザ・インターフェースは、ギヤボックス比率、機能レイアウト、形状寸法、構成要素負荷、歪み、または耐久性の定義、修正、または分析を可能にする、請求項21に記載の方法。

請求項23

前記切り替えるステップは、同じグラフィカル・ユーザ・インターフェースで行われる、請求項22に記載の方法。

請求項24

前記定義または修正するステップは、前記パラメータ記述を修正するステップを含む、請求項22または23に記載の方法。

請求項25

前記分析するステップは、前記パラメータ記述を修正するステップを含む、請求項22または23に記載の方法。

請求項26

ドライブラインのコンピュータ支援エンジニアリング設計のためのコンピュータ読取り可能な製品であって、前記製品は、請求項1から25のいずれか一項に記載の前記方法の前記ステップを実施するためのコード手段を備える、製品。

請求項27

回転機械組立体のコンピュータ支援エンジニアリング設計のためのコンピュータシステムであって、前記システムは、請求項1から25のいずれか一項に記載の前記方法の前記ステップを実施するために設計された手段を備える、システム。

技術分野

0001

本発明は、コンピュータ支援エンジニアリングCAE)を使用するドライブラインの設計に関し、本ドライブラインは、内燃機関ギヤボックスジェネレータモータフライホイールバッテリ燃料タンク超コンデンサクラッチギヤポンプシャフトファンブレードヘリコプタ航空タービンならびに風力タービン、および車両などを含む組立部品、およびシャフト、ハウジングピストン、ブレード、ギヤ、ベアリング、クラッチ、ロータ、およびスタータなどから成る組立部品から成り立つシステムを備える。本発明はまた、ドライブラインを構成する組立体の設計に関する。「ドライブライン」という用語には、「ドライブトレイン」および「パワートレイン」という用語を含む。

背景技術

0002

ドライブラインの設計は、複雑であり、時間がかかる。技術者は、製造前にドライブラインが目的にかなっていることを把握し、このさまざまな分析方法を使用して、性能または故障可能性を判定し、製品定義を変更し、製品の性能を最大にするために最適化することを確認する必要がある。分析は、数学シミュレーションまたはベンチマーキング(同様の製品との比較)などの他の方法により行われ、典型的に、コンピュータプログラムで実行され、コンピュータ支援エンジニアリング(CAE)の領域は、この意図に基づいて発展してきた。

0003

性能の所与故障モードまたは側面に対する分析をセットアップする処理は、システム、組立部品、および構成要素のモデルを作成することを必要とする。したがって、本処理は、(i)モデリング、(ii)分析、および(iii)最適化の内の1つとなる。故障モードは、性能の点から見て故障を構成するものを含む。

0004

製品性能の異なる側面は、設計処理において考慮する必要があり、(これらに限定されないが)車両/製品性能、エネルギー燃料効率/節約、排気ガス放出、空間制約内でのパッケージングコスト、重量、構造たわみおよびストレス耐久性および疲労、製造性、熱性能可聴雑音の生成、動的入力負荷による機械的故障、ユーザおよび/または環境に不都合な動的負荷の生成、速度および比率の変更、ならびに制御システムとの十分な相互作用を含む。

0005

性能に対するこれらの異なる故障モードおよび側面を評価するために、異なる数学的分析方法を使用し、これらは、異なるデータから成る、システムの異なるモデルを必要とする。結果として、通常、各故障モードに対するCAEモデルが、その故障モード専用に構築される。このことを、図1に示す。実際に、CAEパッケージは、所与の故障モードを評価する目的で専用に開発されることが多い。

0006

各構成要素またはサブシステムの性能を予測するために、異なる計算アルゴリズムを必要とすることが多い。また、構成要素やサブシステムは、異なる部署または会社によって設計および製造されることが多い。したがって、その構成要素またはサブシステムのシミュレーションは、構成要素またはサブシステム単体焦点が当てられ、他の構成要素またはサブシステムと共に発生する相互作用を無視または単純化することが多い。その結果、製品性能の予測が不正確になる可能性がある。

0007

本システムの設計は、製造の瞬間モーメントを受けるのとは対照的に、処理の結果として発展する。設計を定義するパラメータのいくつかは、処理の開始時に定義され、他のパラメータは、最後まで定義されない。

0008

結果として、製品性能についてのさまざまな分析が、設計処理のさまざまな段階で実行される。すべての方法が、開始時点で可能なわけではない。典型的に、製品定義が軽い場合に、比較的単純な分析が可能なだけであり、設計処理の終了に向かうにつれ、より複雑な分析が可能となるだけである。

0009

さらに、同じ故障モードに対して、単純な分析が、設計処理の早期に実行されてもよく、次いで、より複雑な分析が、同じ故障モードに対して、後に実行されてもよい。これは、製品定義がより充実し、より高い忠実度を含むからである。

0010

したがって、さまざまなモデルがさまざまな目的を有し、設計処理のさまざまな段階で使用されることが理解されよう。どんな単一のモデル定義も、ドライブラインの完全な設計ならびに最適化に対して使用することができず、それぞれ異なる特徴および異なる強度ならびに欠点を有する異なるモデルが、設計処理の異なる段階で、異なるエンジニアリング専門家によって使用される。

0011

これは、設計者チームが、ドライブラインの性能を分析するために、多数の別々のアプリケーションを使用することを意味する。複雑さの異なるレベルでモデルを分析するために、同じ性能を測定するために別々のアプリケーションを使用する必要がある。さらに、ある性能測定のための数学的分析に適切なモデルが、他の性能測定のために適切でない可能性がある。設計チームの各メンバは、自身の知識と経験を高め、(i)どのアプリケーションを選択するべきか、(ii)どの程度の精度のモデルおよびレベルを使用するべきか、および(iii)所望の結果を得るために、どのような分析が必要か、を把握するために経験を積む必要がある。

0012

さらに、回転機械組立体について記述する情報(入力データ)が、単純な分析のみに相当する場合、ユーザが詳細分析を使用し、これにより、分析中エラーが引き起こされる可能性があるが、ユーザがそのことを把握していない可能性がある、というリスクがある。

0013

さらに、モデルが手動で作り出されるため、異なるアプリケーションでは、回転機械組立体について記述する情報(製品定義)における変更が、異なるアプリケーションで実行される他の分析に引き継がれないか、引き継ぐことができないことが多い。

0014

このことは、設計と分析の間の、製品の製造中に生じるエンジニアリング活動において、特定の区分を考慮する場合に、特に深刻である。設計は、少なくとも機械エンジニアに対して、製品の形状の定義に関して考慮されることが多く、一方、分析により、製造または故障モードの側面に対してどのように機能するかの点で製品を調査する。実際に、設計で考慮される形状は、性能の単に他の側面であり、利用可能なパッケージング空間に製品が適合される方法についての問題に対処する。また、性能のこの側面は、通常、完全に異なるコンピュータプログラム、すなわち、CADコンピュータ支援設計)によって対処される。CADには、他の側面の製品性能を予測するための計算機能がほとんどないか、全くなく、実行する分析パッケージへのリンクが少ないか、または存在しない。CADパッケージは、通常、設計エンジニアが操作し、分析パッケージは、分析エンジニアが操作する。その結果、設計処理が分断され、製品性の低下、最適状態に及ばない製品、および無駄な経済活動が発生する。

0015

複雑な分析には、さらなる問題が存在する。いずれの分析の目的も、製品の設計を誘導するためであり、分析値は、分析の結果が、エンジニアリングチームによって正確に解釈/理解され、対応する製品決定がなされた場合に提供される。結果を理解するために、エンジニアにとって「筋が通って」いて、実行するためのシステムをエンジニアが理解する様式に対応している必要がある。しかしながら、分析が高度に複雑になると、結果が複雑すぎて理解できないか、または性能についてのエンジニアの基本的な理解に整合しない可能性がある。したがって、分析結果が、可能な限り最も正確な分析であったとしても、システムに関するエンジニアリング決定で破棄されるであろう。

0016

システム性能についてのエンジニアの基本的な理解が、設計処理の最初で実行された可能性のある単純な分析に非常に密接に関連することは皮肉である。したがって、緊張状態が存在し、これにより、精度および製品性能を向上すると仮定されるために、複雑さを増大させることに対する要求があるが、行き過ぎると、複雑な分析は用いられなくなる。

0017

これらの分析の目的は、故障モードを避けることである。設計が、設計処理を通じて完成すると、データ定義の増加は、設計への金銭的投資の増加を意味し、そのため、故障モードの何らかの識別が、可能な限り早い機会に実現されることが必要であり、それにより、繰り返し作業にかかる財務費用を最小化する。

0018

これは、処理における最終的な緊張状態につながる。本処理は、製品性を与えるためにモデリングおよび分析の速度を提供し、それでもなお、精度をもたらすためにすべてのシステムの影響を含むことを必要とする。システムの影響のすべてを用いて大型システムを分析することは、より複雑な分析を引き起こす傾向があるが、上記の通り、このことが、モデリングおよび分析の速度について、ならびにデータ解釈時に問題を引き起こす。

0019

多くの場合、このことに対する解決策は、特定用途向けソフトウェアパッケージを開発することであり、モデリングおよび分析機能は、所与の種類の製品またはアプリケーションに対して事前定義される。これにより、モデリングおよび分析の所望の精度を、必要なすべての製品について第1の原理から説明することなく実現することが可能となり、それにより、製品性を維持する。

0020

製品設計のために説明してきた本処理は、さまざまな故障モードを分析するための、ドライブラインの生成モデルの1つである。設計パラメータが定義される順序の自然な階層のため、および各分析に対するさまざまな要求のため、設計処理のさまざまな段階で、さまざまな分析が実行される。したがって、設計処理は、さまざまな分析のためにさまざまな段階で作り出される同じドライブラインの異なる表現から成る。

0021

ドライブラインの主要性能基準の1つは、車両性能と称することができ、これは、「ブロックダイアグラム」と称することができる単純なモデルを使用して、設計処理の非常に初期に評価することができる。

0022

これは、主要な組立部品、すなわち、エンジン、ギヤボックス、モータ、バッテリ、燃料タンク、および車両から成る。配線は、組立部品を接続し、動力が1つの組立部品から他の組立部品に伝達される機能的接続を意味する。この動力は、回転機械力(エンジン、モータ、ギヤボックス、および車両の間)、電力(バッテリとモータとの間)、または化学動力(燃料タンクとエンジンとの間)のいずれかの形態をとることができる。一例を図2に示す。

0023

本システムの物理的実施形態は、回転機械力が回転軸によって伝達され、電力が電線により伝達され、さらに化学動力が燃料配管により伝達されることを意味する。しかしながら、この詳細は、単にドライブライン内の動力およびエネルギーの流れを見て理解することを望むエンジニアによっては、必要とされない。何らの幾何学的詳細も、本システムの物理的比率または互いに対する近接度を説明するためにあるのではないことに留意されたい。

0024

さらなる特性を、組立部品に割り当てることができる。例えば、エンジンおよびモータに対するトルクおよび動力対速度のグラフ、ギヤボックスおよび質量に対するギヤ比のセット、抵抗係数回転抵抗、車両に対する前面面積およびタイヤ回転半径がある。このデータから、シミュレーションまたは分析が実行され、車両性能(速度対時間、最大速度など)を導出することができる。

0025

さらに多くの機能的特性を、組立部品に割り当てることができる。モータ、ギヤボックス、およびエンジンの効率は、一定値として、または速度およびトルクに対する効率のグラフとして、定義することができ(より複雑な関係もまた、他のパラメータにより、定義することができる)、車両は、バーチャルな意味で、ある駆動サイクル(速度対時間プロファイル)で「駆動」することができる。

0026

所与の駆動サイクルおよび駆動スタイルなどに対して、車両の燃費および燃料排出の値を導出することができる。これにより、低炭素車両に対する要件が特に一般に増加し、これは、評価する必要のある他の故障モードである。この作業は、世界中の多くのさまざまな会社で実行され、多くの異なるCAEパッケージで実施される。これらのCAEパッケージは、典型的に、ゼネラリストCAEパッケージ(例えば、Simulink、Dymola、Modellica)およびAVLCruiseならびにGT−Suiteなどの特定用途向け車両シミュレーションパッケージの2つのサブカテゴリに分割することができるマルチドメインダイナミック・シミュレーションである。英国特許出願公開第2470385号明細書では、シミュレーションモデルは、構成要素に依存し、「仮想構成要素」とも称され、そのそれぞれが、システム内の回転機械の構成要素を表し、アルゴリズムを備えるモデルである。各モデルは、入力データのストリームで読み取られ、そのモデルアルゴリズムを使用して、出力データのストリームに送信する。モデルの特性は、値の下界ならびに上界線形もしくは非線形関係、異なる式の初期値、およびモデルのアルゴリズムによる分析の複雑さの度合いとして例示される。

0027

記載したように、製品性能の重要な側面は、パッケージングであり、すなわち、製品は、利用可能な空間内に、物理的に適合しなければならない。このため、本システム、組立部品、および構成要素は、それぞれの3D形状を定義する必要があり、これは、典型的に、Wildfire、Solid Works、Catia、およびUnigraphicsなどの3DCADパッケージで実行される。

0028

そのような3DCAD定義には、使用する材料の密度を加えることができ、本システム、組立部品、および構成要素の重量を算出することを可能にする。これにより、製品性能、重量の他の側面を算出することが可能になる。

0029

別々の製品における3D形状、パッケージング、および重量を考慮するそれら由来であるエンジニアリング性能(車両性能、効率、燃費)を評価するための機能を含む現在のソフトウェア製品の主な側面である。ギヤボックスの具体例を見ると、車両の性能、効率、および燃費を評価するソフトウェア製品は、ギヤボックスが、その比率、おそらく、慣性、またはギヤボックスおよびそのシャフトのねじり剛性の点のみから示されることを必要とする。本質的には、ギヤボックスは、何らの3D形状空間も占めず、動力を伝達する1つまたは複数の軸の周りの回転に関する特性のみを有する。

0030

エンジニアリング性能の他の側面は、またさらなるソフトウェアパッケージで考えられる。エンジニアリング性能のこれらの側面は、構造たわみおよびストレス、耐久性および疲労、製造性、熱性能、可聴雑音の生成、動的入力負荷による機械的故障、ユーザおよび環境に不都合な動的負荷の生成、速度および/または比率の変更、ならびに制御システムとの十分な相互作用を含む。これらは、後続パラグラフで説明する。

0031

機械的な動力伝達は、構成要素にストレスを引き起こすことを含み、そのようなストレスは、過負荷疲労故障、または摩耗による甚大な故障を引き起こす可能性がある。典型的には、システム内の動作負荷を算出し、構成要素の歪みおよびストレスを算出し、したがって、構成要素の、つまりはシステム全体の耐久性を算出する。通常は、そのようなシミュレーションは、Nastran、Ansys、またはAbaqusなどのゼネラリスト有限要素パッケージまたはRomaxDesigner、KissSoft(ギヤボックス用)、およびAVL Excite(エンジン用)などの特定用途向けパッケージで実施される。

0032

他の特定用途向けパッケージは、モータおよびジェネレータなどの他のサブシステム用に開発され、Opera、SPEED、およびJMAGなどのパッケージの表記である。

0033

ギヤボックス内では、ギヤが重要な構成要素であり、耐久性、静音性、および効率を求められ、同時に、利用可能な空間内に適合し、さらに製造が容易であることもまた要求される。典型的には、(耐久性に対する)ストレス、効率、およびギヤに対して生成された振動を算出するが、これは、ギヤの製造容易性に関わらず行われることがある。重要な側面は、ギヤに対する切削工具の形状、特に、ホブ整形器、またはフライスカッター出っ張りが、ギヤの形状に、したがって、耐久性、雑音、および効率に対する結果に、どのように影響するかということである。製造性のこれらの側面を考慮しないと、不正確な結果がもたらされる可能性がある。

0034

動的分析に関して、数学的表現の複雑さは、考慮される故障モードにより大きく変化する。以下はその例である。

0035

「駆動サイクルシミュレーション」は、動的分析であり、例えば、公道走行可能車両が、さまざまな速度で、あるルートに沿って駆動される場合をシミュレーションする。これは、「ブロックダイアグラム」モデリングに関して、上記した。このシミュレーションの場合、故障モード/性能基準は、燃費およびCO2排出である。

0036

音響シミュレーション」は、ドライブラインの構造が、エンジン着火(内燃機関から)、トルクリップル(モータから)、または伝達エラー(ギヤメッシュから)などの何らかの周期的に繰り返す強制によって励起される場合である。ドライブライン構造(シャフトならびにギヤなどの回転部品およびハウジングならびにケーシングなどの構造部品などを含む)は、この励起に応じて振動する。この強制応答は、算出され、関心のある結果は、ドライブライン取付位置での振動(例えば、これは、車両の構造に伝達される)または外部ハウジングの表面での振動(これは、放射音響信号に変換することができる)である。典型的に、そのようなシミュレーションは、Nastran、Ansys、およびAbaqusなどのゼネラリストFEパッケージまたはADAMSもしくはSimpackなどのゼネラリスト・マルチボディ・パッケージで実施される。このシミュレーションの場合、故障モード/性能基準は、雑音、振動、およびハーシュネスである。

0037

さまざまな「ドライブライン過度シミュレーション」が、実行され、回転部品からなる動力伝達ドライブラインが、駆動トルクまたは速度の急速な変化にさらされる現象を検討する。

0038

一例において、ドライブラインの応答は、トルクのサイン反転を含むことができ、ギヤなどのバックラッシュを有する構成要素、およびバックラッシュ領域にわたって移動し、衝撃荷重にさらされるスプラインにつながる。典型的に、そのようなシミュレーションは、ADAMSまたはSimpackなどのゼネラリスト・マルチボディ・パッケージで実施される。このシミュレーションの場合、故障モード/性能基準は、システム内の高衝撃負荷またはオペレータが聞くか、もしくは感じることができる衝撃である。

0039

別の例では、トルクの変化は、バンプ上を駆動している車両、またはグリッド故障もしくは電気的短絡にさらされている電気モータに起因する可能性がある。ドライブラインの応答は、主構成要素での高負荷(耐久性問題につながる)または車両の加速減速(乗員を不快にする)を含む可能性がある。典型的に、そのようなシミュレーションは、ADAMSまたはSimpackなどのゼネラリスト・マルチボディ・パッケージで実施される。このシミュレーションの場合、故障モード/性能基準は、システム内の高衝撃負荷またはオペレータが感じる加速度の変化である。

0040

ドライブラインに対する異なるダイナミックシミュレーションの3つの例を説明した。歯打ち音ティップイン/ティップアウト不均衡状態ギヤシフト品質、および風力タービンの2つの速度ジェネレータの係合を含む、その他の例も挙げることができる。

0041

これらの動的現象のいくつかは、サブシステムに関連し、いくつかは、ドライブラインシステム全体に関連する。したがって、これらは、構成部品供給者(例えば、ベアリングおよびシンクロナイザの供給者)、サブシステムの供給者(例えば、ギヤボックス、エンジン、モータ、ドライブシャフトの供給者)、および車両製造者関心事であり、それらによって影響される。

0042

多くの場合、サブシステムの挙動は、構成要素の詳細な特性によって影響され、ドライブラインの挙動は、サブシステムの詳細な特性によって影響される。したがって、詳細な設計情報は、構成要素の供給者からサブシステムの供給者に渡され、さらにサブシステムの供給者から車両製造者に渡される必要がある。しかしながら、この処理は、構成要素の供給者およびサブシステムの供給者が、機密保持のために、自身の製品の詳細な設計情報を明かすことを拒むことが多いため、妨げられる。

0043

サブシステムの動的モデルを、サブモデル内にパッケージ化することが可能である。これらは、「S機能」(Simulinkなどのマルチドメイン・シミュレーション・パッケージの場合)またはスーパー要素(有限要素およびマルチボディ・ダイナミクス・パッケージの場合)と呼ばれることもある。

0044

あらゆる場合において、そのようなモデルの詳細は隠されているため、所与の動的現象または故障モードのシミュレーションに対して正確なレベルの詳細を有することが重要である。モデルの受け手は、取得されるシミュレーション結果の精度に対して正確であるモデル公式化に依存し、動的モデルは、準最適な方法でセットアップされることが多い。

0045

製品およびサブシステムの設計が進むと、さらなる分析が実行される。電気モータまたはジェネレータが、モータ/ジェネレータの専門家または会社によって、ギヤボックスの場合と同じように、設計されることは共通である。魅力は、2つのサブシステムが、問題なく共に組み立てられ、他のサブシステムが、回転力の良好な受信器または配信器であると仮定することである。したがって、サブシステムは、トルクの平滑で、一様な通過が完全に整列したシャフトを通じてもたらされるという前提で、別々の数学的モデルで設計および分析される。

0046

実際に、動力がギヤボックスを通じて伝達される場合、ギヤで力を分けることによって、シャフトが曲がり、ベアリングが歪み、さらにハウジングが歪む。動力がモータ内で生成されると、ロータは、不均衡磁気引力および何らかのシャフト歪みにさらされるか、または心振れにより、ロータが中心を外れて引っ張られる。これらの力(および、モーメント)および歪み(および、位置ずれ)は、ベアリングにかかる負荷、したがって、ベアリング寿命、およびギヤストレス、寿命、雑音、および効率を算出する際に重要である。また、モータ効率に影響するモータ内の空気ギャップもまた、影響される。

0047

ギヤボックス内の負荷および歪みの影響およびギヤボックスシミュレーション内のギヤボックス性能の影響を算出することが可能である。同じように、モータシミュレーションを使用して、モータ内での不均衡な磁気引力を算出することが可能である。しかしながら、2つのサブシステム間の相互作用は、考慮されない。

0048

小型電気機械式ドライブラインの設計においては、モータおよびギヤボックスが、ますます一体化されることが必要とされ、それにより、相互作用がより重要となるため、このことは、ますます重要になっている。

0049

任意の製品の動的挙動を理解することは、固有周波数およびモード形状を導出することが可能な数学的モデルを生成することを含むことが多い。これは、製品が、線形またはほぼ線形に動作する場合に、最も有効な開始点である。

0050

有限要素分析(例えば、Ansys、Nastran)もしくはマルチボディダイナミクス(例えば、ADAMS)などのゼネラリストツールまたはRomaxDesignerもしくはMASTAなどの専門ツールを使用して、ギヤボックスの固有周波数およびモード形状を算出することが可能である。同様に、同じツールを使用して、モータの構造的(機械的)部品の固有周波数およびモード形状を算出することが可能である。しかしながら、完全な組立体の固有周波数およびモード形状においては、2つのサブシステムの間の相互作用を考慮する必要がある。

0051

この場合も、小型電気機械式ドライブラインの設計においては、モータおよびギヤボックスが、ますます一体化されることが必要とされ、それにより、相互作用がより重要となるため、このことは、ますます重要になっている。

0052

さらに、システムの固有周波数およびモード形状の定義は、システムの関連する質量および剛性のすべてが正確に含まれることを必要とする。多くの場合、機械的システム内の剛性は、機械的な構成要素の接触および引張剛性に単独で関連する。しかしながら、モータの場合、電磁力に起因するロータでの不均衡な磁気引力もまた、剛性、実際には、負の剛性となる。これは、システムの固有周波数およびモード形状に影響するが、現在は考慮されない。

0053

動力が、モータによって生成され、ギヤボックスによって伝達される場合、動的な励起が、トルクリップルの形態で生成され、モータ内の電磁力が変化し、ギヤ伝達エラーおよび心振れがギヤボックスで発生する。これらの励起は、ドライブラインを介して伝達され、雑音放射を引き起こす。

0054

有限要素分析(例えば、Ansys、Nastran)もしくはマルチボディダイナミクス(例えば、ADAMS)などのゼネラリストツールまたはRomaxDesignerもしくはMASTAなどの専門家ツールを使用して、Coustyxなどの音響シミュレーションツールと組み合わせて、ギヤボックスの動的応答および音響放射を算出することが可能である。同様に、同じツールを使用して、モータの構造的(機械的)部品の動的応答および音響放射を算出することが可能である。

0055

しかしながら、完全な組立体の動的応答および音響放射は、2つのサブシステムの間の相互作用を考慮する必要がある。トルクリップル、伝達エラー、および電磁力は、ギヤボックス/モータ構造全体を励起する。サブシステムが別々の数学的モデルでシミュレーションされる場合には、これは発生しない。

0056

また、モータ効率に影響するモータ内の空気ギャップはまた、システムの動的応答によって、不均衡な磁気引力、均衡質量の逸脱、ロータシャフトの歪み、および構成部品製造公差に影響するが、これは、算出されず、代わりに、空気ギャップに対する値が、以前の設計から推定されるか、または引き継がれる。

0057

前のパラグラフでは、動的応答および音響放射を評価するためのギヤボックスおよび/またはモータシステムの、正確で、複雑な数学的モデルに対する要件を説明した。音響放射の源は、ギヤボックス/モータハウジングであり、音響放射を算出するために、ハウジングは、相当詳細にモデル化される必要があり、したがって、システムのシミュレーションに含むことができる。

0058

しかしながら、これは、製品の実際の設計に本方法を適用する場合に、問題を引き起こす。エンジニアは、コンセプト設計段階で、ベアリングならびにギヤの位置、シャフト中心距離、およびシャフトの数の変更などのレイアウトについての主要な変更を考えるからである。したがって、何らのハウジング設計も存在しない。コンセプトモデルを使用する(ローラベアリング外輪が剛性を保持した場合)か、詳細モデルを使用する(ローラベアリングの外輪が、ハウジングの質量/剛性表現に取り付けられた場合)かにより、モータ、ギヤボックス、または電気機械式ドライブラインシステムの算出された動的応答が大きく異なることが技術検討により分かった。

0059

したがって、設計エンジニアは、トルクリップルおよび伝達エラーへの動的応答の時点では、どのコンセプト設計が最良または最悪であるかを、シミュレーションによって判断することができない。現在、エンジニアは、何らかのそのようなシミュレーションを実行することが可能になる前に、ハウジングを設計における、そのような知識、投資時間、および資金を持たずに、コンセプトを選択する必要がある。

先行技術

0060

英国特許出願公開第2470385号明細書

0061

本発明の第1の態様によれば、ドライブラインのための設計を生成するための、コンピュータ支援エンジニアリングの方法が提供される。本方法は、以下のステップを有する。すなわち、ドライブライン設計のパラメータ記述を提供するステップ、分析用の1つまたは複数の故障モードのユーザ選択を受け取るステップ、分析の複雑さに適したデータをパラメータ記述から選択するステップ、選択データを分析するステップ、および性能情報をユーザに提供するステップを有する。これは、設計が性能目標をどのくらい満たしているかをユーザが評価できることを意味する。利点は、パラメータ記述が、ドライブラインまたはその構成要素の形態、機能、特性、および動作条件に関するデータを含むことである。さらなる利点は、パラメータ記述が、すべての分析のためのデータの単一共通源であることである。さらなるステップでは、性能は、パラメータ記述を修正し、分析ステップを繰り返すことによって、最適化される。

0062

分析ステップは、パラメータ記述から1つまたは複数の数学的モデルを導出することを含むことが好ましい。これは、複数の異なる故障モードを分析するための数学的モデルを導出するために使用されるデータが、単一共通データ源から生じることを意味する。

0063

ドライブラインは、1つまたは複数のサブシステムを備え、サブシステムは、1つまたは複数の構成要素を備え、分析ステップは、動的分析を備え、構成要素またはサブシステムの数学的モデルを導出するステップは、離散化モデルを形成するステップを有することが好ましい。これは、構成要素またはサブシステムの動的分析から周波数帯域を判断することを含むことができ、分析ステップは、さらに、周波数帯域における構成要素またはサブシステムの数学的モデルを分析するステップを有し、それにより、分析ステップは、高速および正確になる。さらに、これは、以下のステップを有することができる。すなわち、動的分析、製品性能の故障モードまたは側面のユーザ選択を受け取るステップ、ならびに周波数帯域に対する適切な設定、適切な線形および非線形特徴、ならびに/または1自由度および6自由度挙動を自動的に選択するステップを含むことができる。これは、パラメータ記述から選択されたデータが、実行される分析に関連することを意味する。

0064

1つまたは複数の故障モードのユーザ選択は、駆動サイクルもしくは駆動サイクルの母集団に対するドライブラインの効率を含み、さらに、分析ステップは、速度対時間履歴持続期間対速度対加速度のレジデントヒストグラムに変換するステップ、および効率をもたらすためにレジデントヒストグラムを効率マップ乗算するステップを有することが好ましい。ソフトウェアパッケージは、ユーザによって選択がなされた場合、時間領域シミュレーションまたは持続期間対速度対加速度(または、トルク対回転速度)のレジデントヒストグラムを使用してドライブラインの効率、燃費もしくは排出を算出することができる。

0065

1つまたは複数の故障モードのユーザ選択は、ギヤのストレス、耐久性、雑音、および/または効率を含み、分析ステップは、ホブ、整形器、またはフライスカッターの出っ張りの影響を含む、ギヤに対する切削工具の形状の影響を分析するステップを有することが好ましい。

0066

ドライブラインは、電気モータ/ジェネレータおよびギヤボックスを備え、1つまたは複数の故障モードのユーザ選択の際には、構成要素の寿命を備え、分析ステップは、電気モータもしくはジェネレータ内の不均衡な磁気引力およびギヤ離反力を含むことによって、電気モータまたはジェネレータのシステム歪みを分析するステップを有することが好ましい。故障モードは、製造公差および組立公差を含む。

0067

モデルは、電気機械式ドライブラインの動的モデルであり、(i)ギヤからの伝達エラー、(ii)モータ/ジェネレータからのトルクリップル、および(iii)モータ/ジェネレータからの放射状電気機械式負荷の2つ以上の起動源により起動されることが好ましい。

0068

好ましくは、1つまたは複数の故障モードのユーザ選択は、ギヤボックスおよび/またはモータもしくはジェネレータを含むドライブラインシステムに対するモード形状および固有周波数を含み、ギヤメッシュ剛性、ローラベアリング剛性、および/または所与の速度ならびに負荷動作点での不均衡な磁気引力の非線形挙動を線形化する。

0069

好ましくは、1つまたは複数の故障モードのユーザ選択は、電気モータまたはジェネレータの空気ギャップを含み、本ステップは、準静的または動的条件でシステム歪みを分析するステップを有する。

0070

好ましくは、1つまたは複数の故障モードのユーザ選択は、コンセプト段階でのモータ、ギヤボックス、ドライブライン、または電気機械式ドライブラインの動的挙動を含み、分析ステップは、一般的なハウジング剛性を、すべてのベアリングの外側軌道に適用し、ベアリング外輪からハウジングへ、トルクリップルおよび/または伝達エラーに応じて振動力を通過させるステップを有する。

0071

好ましくは、1つまたは複数の故障モードのユーザ選択は、ドライブラインのパッケージングをさらに含み、ユーザが、グラフィカル・ユーザ・インターフェースで、ドライブラインまたはその構成要素の幾何学的寸法を評価するステップを有する。

0072

性能に対するパラメータ記述を分析するステップは、コンピュータ読取り可能製品によって実行されることが好ましい。ギヤボックスおよび/またはモータ/ジェネレータの幾何学的寸法およびパッケージングを評価するステップは、同じコンピュータ読取り可能製品によって実行することができる。故障モードに対する分析は、同じコンピュータ読取り可能製品によって実行することができる。性能は、エンジニアリング性能とすることができる。エンジニアリング性能は、車両/製品性能、エネルギー/燃料効率/節約、排気ガス排出、コスト、構造歪みおよびストレス、耐久性および疲労、製造性、熱性能、可聴雑音の生成、動的入力負荷による機械的故障、ユーザおよび環境に不都合な動的負荷の生成、速度および比率の変更、ならびに制御システムとの十分な相互作用の1つまたは複数を含む。

0073

パラメータ記述を提供するステップまたは更新するステップは、ドライブラインのための構成要素のユーザ選択を受け取るステップ、選択された構成要素の位置決めをするステップ、および選択された構成要素間の関連を生成するステップに従い、コンピュータシステムのグラフィカル・ユーザ・インターフェース内にドライブラインのレイアウトを生成するステップを含むことが好ましい。関連、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、および関連の特性の1つまたは複数に基づく単一パラメータ記述が形成される。

0074

ユーザは、ドライブラインに対するグラフィカル・ユーザ・インターフェースから、ギヤボックスに対するグラフィカル・ユーザ・インターフェースに切り替えることができ、後者により、ギヤボックス比率、機能レイアウト、形状寸法、構成要素負荷、歪み、および耐久性の定義、修正、および分析が可能となることが好ましい。これは、ギヤボックスに対するグラフィカル・ユーザ・インターフェースで行われた変更により、ドライブラインに対するグラフィカル・ユーザ・インターフェースで実行されたパラメータ記述および分析を修正できることを意味する。

0075

さらなる態様によれば、本発明は、ドライブラインのコンピュータ支援エンジニアリング設計のためのコンピュータ読取り可能製品を提供し、本製品は、上記した方法のステップを実施するためのコード手段を備える。

0076

さらなる態様によれば、本発明は、回転機械組立体のコンピュータ支援エンジニアリング設計のためのコンピュータシステムを提供し、本システムは、上記した方法のstステップを実施するために設計された手段を備える。

0077

本発明は、ほんの一例であり、添付図面を参照して説明される。

図面の簡単な説明

0078

図1は、異なるモデルのシステムを使用して、さまざまなデータから成る、性能のさまざまな故障モードおよび側面を評価する、先行技術アプローチを示す図である。
図2は、ドライブラインのブロック図である。
図3は、データの共通源をすべての分析に対してどのように使用することができるかを示す図であり、変更が行われると、すべての分析およびモデルにわたるデータの連鎖を容易にする。
図4は、並列ハイブリッド構成の図である。
図5は、図4の組立部品の定義に追加されるデータの図である。
図6は、ユーザに表示され、ユーザが本発明の方法と対話することを可能にする、グラフィカル・ユーザ・インターフェースを示す図である。
図7は、ユーザに表示され、ユーザが本発明の方法と対話することを可能にする、グラフィカル・ユーザ・インターフェースを示す図である。
図8は、4つの非重複データセットから形成されるパラメータ記述を表す図である。
図9は、データの共通源をすべての分析に対してどのように使用することができるかを示す図であり、変更が行われると、すべての分析およびモデルにわたるデータの連鎖を容易にする。

実施例

0079

これらの問題を解決し、ドライブライン、組立体、または構成部品のモデルを生成し、性能を判定するための分析、製品性能を最大にするよう製品定義を変更するための最適化を可能にし、設計に関わるすべてのさまざまなエンジニアリング専門家が使用することができ、エンジニアに対して優れた操作性および製品性を提供し、モデリング、分析、および最適化の3つの側面が統合される、統合的なアプローチが必要とされている。

0080

本発明の文脈では、「ドライブライン」という用語は、エネルギーが他の形態(線形運動、化学、電気、および油圧など)から回転運動および弾性エネルギーに変換される点から、回転運動および弾性エネルギーが他の形態(電気、油圧、および線形運動など)に変換される点までの、システム全体を意味することが理解される。前者の点は、「原動力」と称することができ、後者の点は、「消費者」と称することができる。したがって、「ドライブライン」という用語は、「駆動列」、「動力伝達装置」、「トランスミッション」「動力伝達システム」、および上記した「システム全体」に関する他の任意の用語を含むことは明らかである。「組立体」という用語は、「組立部品」、「サブシステム」、「構成」、および上記した種類の構成部品の構成に関する他の任意の用語を含む。ドライブトレインの構成要素は、タービンヘッドストック、軸、スプライン、およびプロペラを含む。

0081

エンジニアは、これらのシステム、組立部品、および構成要素を、それらがさまざまな性能目標を満たし、さまざまな故障モードを避けるように、設計することになる。「性能目標」および「故障モード」という用語は、組立体またはドライブラインがどのように動作するかについての、逆の側面であることが理解される。すなわち、1つまたは複数の故障モードを示す場合には、対応する性能目標が満たされていないこととなる。使用される他の用語には、「性能面」、「製品性能面」、および「性能基準」がある。本発明の文脈は、(i)実行されるさまざまな分析が、同じデータ源を有する、(ii)データが、ある目的のために入力されると、他の目的のために再利用される、(iii)製品データの共通源のため、データ定義に対する変更が、すべての分析を更新するために連鎖される、(iv)所与の分析が、要求された製品データおよび分析の複雑さの点で、最も適切な詳細レベルを使用して実行されるべきである、(v)製品データおよび分析の複雑さの両方が、調整可能レベルである、という問題の多くに対処する。これは、複雑な分析が実行された場合であっても、分析の複雑さは、複雑さを無くし、単純な分析に戻ることによって、段階的に戻ることができ、製品がどのように機能するかについてのエンジニアの基本的な理解に最も密接に適合し、(vi)製品全体にわたって行われる構成部品とサブシステムとの間の相互通信が、適切であることが考慮され、(vii)故障モードの分析が、最も早い段階で実行されるべきであり、複数の故障モードが、同じソフトウェア環境で評価され、(viii)特に、製品が利用可能な空間内に適合するかどうかの問題が、製品性能の他のすべての側面と並んで考慮される製品性能の一側面であり、(ix)ソフトウェア機能が、モデリングおよび分析の製品性と適度に複雑な製品定義との最適な組み合わせをユーザに提供する特定用途向けインターフェース内に構築される。

0082

本発明の主要な特徴は、システムの単一パラメータ記述が存在することであり、複数の故障モード分析に対する複数のモデルが導出される。

0083

「パラメータ記述」という用語は、製品の形式、機能、特性、および動作条件の点から、その製品を定義するデータの集合に適用されるラベルである。形式は、形状に関するデータを含む。特性は、構成要素の材質特性を含み、さらに、ベアリングの動的容量、ギヤ歯面形状の表面粗さ、潤滑油の粘度、シャフト材料のグッドマン図、電気モータ巻線抵抗率などの構成要素特有の特性を含む。動作条件は、主として、時間履歴またはレジデントヒストグラムのいずれかとして、回転機械装置の動力、速度、トルクを含むが、さらに、温度や湿度なども含む。機能は、製品、サブシステム、および構成要素が、それらの一次機能を実行する方法を定義し、例えば、ローラベアリングの機能は、回転することを可能にしながら、シャフトへのサポートをもたらし、シャフトとベアリングを組み合わせ、組み合わせられた機能は、負荷を印加することが可能な回転シャフトをもたらし、シャフトにギヤを取り付け、同様に取り付けられたギヤと噛み合わされ、組み合わせられた機能は、速度およびトルク(すなわち、ギヤボックス)を変更する。

0084

0085

表1の第1の行は、パラメータ記述800を表し、4つのデータセット(機能802、形式804、特性806、および動作条件808)で形成される。図8は、さらに、パラメータ記述800を表し、4つの非重複データセット(機能802、形式804、特性806、および動作条件808)で形成される。どの分析パッケージ810、812、814が使用されるかにより、エンジニアは、4つのデータセットの1つまたは複数からデータを選択し、実行する分析に対して適切な分析モデルを生成しなければならない。図1を参照すると、現在の実務では、典型的に、各故障モードに対して別々の分析モデルを構築してきた。

0086

従来のソフトウェアパッケージでは、CADは、形式(形状)および特性の何らかの側面(材料密度だが、ヤング率ではない)を提供するが、動作条件および機能は含まない。マルチボディダイナミクスおよび有限要素パッケージでのモデルは、形式、機能、特性、および動作条件のある種の側面を含むが、シミュレーションされる特定の故障モードに関係するもののみを含む(図1参照)。マルチドメイン・ダイナミック・シミュレーションにおけるモデルはまた、シミュレーションされる特定の故障モードに関係する機能、特性、および動作条件の側面を使用する(図1参照)が、形式は使用しない。特定用途向け車両シミュレーションパッケージ(例えば、AVL Cruise)におけるモデルは、マルチドメイン・ダイナミック・シミュレーションにおけるモデルと同様であり、シミュレーションされる特定の故障モードに関係する機能、特性、および動作条件の側面を有する(図1参照)が、形式は有さない。

0087

このことは、図8に示され、分析810に対する関連データセットは、形式セット804、特性セット806、および動作条件セット806が部分的に重なる三角形のセットによって表され、この例では、マルチボディダイナミクスまたは有限要素パッケージのためのデータを提供する。同様に、分析812に対する関連データセットは、機能セット802、特性セット806、および動作条件セット808が部分的に重なる三角形のセットによって表され、この例では、マルチドメイン・ダイナミック・シミュレーションまたは特定用途向け車両性能パッケージのためのデータを提供する。同じように、分析814に対する関連データは、形式セット804および特性セット806が部分的に重なる三角形のセットによって表され、CADのためのデータを提供する。

0088

従来のソフトウェアパッケージでは、4つの種類のデータすべてが存在しないと、設計処理内のワークフローにおいて、中断が引き起こされる。図8は、この中断を、本発明がどのように無くすかを示す。

0089

このことは、図3にさらに示され、図1で使用されるアプローチと対照的である。第1のステップ32では、本システムのパラメータ記述がもたらされる。このパラメータ記述は、上記したように形成することができ、または上記したパラメータ記述とすることができる。ステップ34では、1人または複数のユーザは、設計する製品に対する故障モードを定義し、その設計は、選択された故障モードに関してどのように実行するかを判断するために分析される。開示したように、本分析は、パラメータ記述を備える単一データセットでの数学的分析である。本分析は、第3のステップ36で、設計が性能基準を満たすことにどのように失敗しているかということについて、ユーザが洞察を有することを意味する。第4のステップ38では、ユーザは、設計を、したがって、パラメータ記述を修正および更新することができ、処理を繰り返すことができる。最後に、第5のステップ39では、最終設計が導出される。

0090

これは、すべての分析に対するデータの共通源が存在し、変更が行われると、すべての分析およびモデルにわたるデータの連鎖を容易にすることを意味する。

0091

モデリングは、要求された目的に対して可能な限り単純であり、故障モードの分析は、可能な限り早く実行される。したがって、ドライブラインの最も単純な定義が、以下に示す定義で始まり、ドライブライン構成によって記載されたドライブラインの正に一次機能(車両を駆動するための動力の伝達)で始まる。

0092

図4は、並列ハイブリッド構成の図である。電気モータおよびバッテリを取り除いた場合の、従来の内燃機関で駆動する車両を説明する。エンジンが取り除かれた場合の、電気車両を説明する。パワーフローのための接続は、単純であるが、ドライブラインの機能を明白に説明する。

0093

ここから、データは、図5に示すように、組立部品の定義に追加することができる。少数のパラメータの追加により、第1に、車両性能計算を実行することが可能となり、次いで、燃費計算が可能となる。効率は、燃費または放出を含む。

0094

燃費および放出の計算の場合、入力として、JC08、NEDC、およびFTPなどの、所与の「駆動サイクル」を使用するのが一般的である。これらは、車両を(バーチャルな意味で)「駆動する」所定の速度対時間履歴を設定し、総燃費および放出を計算する。

0095

記載したように、駆動サイクル分析の共通の実施は、マルチドメイン・ダイナミック・シミュレーション・パッケージを使用し、マルチドメイン・ダイナミック・シミュレーション・パッケージには、ゼネラリストCAEパッケージ(例えば、Simulink、Dymola、Modellica)またはAVL CruiseならびにGT−Suiteなどの特定用途向け車両性能パッケージがある。これらすべての例において、計算は、「時間ステップ積分」により続行し、所与の時間インスタンス(t)での速度(V(t))を使用して、所与の時間での速度の推進および牽引力を計算し、その差異は、加速を生じ、短期間にわたって積分され、時間インスタンス(t+1)での新規の速度(V(t+1))をもたらす。前方および後方積分の間に違いが存在するが、本方法は、本質的に同じである。

0096

所定の駆動サイクル(例えば、NEDC)を使用する、およびドライブラインの設計および最適化に対して繰り返しこれを使用することが一般的な方法であるという点で問題が発生する。ドライブラインは、選択された駆動サイクルによって示される駆動スタイルのために、高度に最適化されるが、実際の駆動が適用される場合、燃費は、目標から大幅に逸脱する。

0097

会社が実際の源から異なる駆動スタイルでデータを取得し、ドライブラインの分析および最適化への入力としてこれらを含むことが可能である。しかしながら、時間領域分析の性質は、1000の駆動サイクルを分析することが、1駆動サイクルを分析することの、ほぼ1000倍の長さがかかることを意味する。したがって、これは、実際の設計プロジェクトの間に使用する際に妨げとなる。

0098

これに対する代替は、ドライブラインの効率の簡易化した分析を実行することであり、時間ステップ積分よりわずかに単純である(および、精度に欠ける)が、はるかに迅速に実行され、時間ペナルティ無しに多数の駆動サイクルの包含を可能にする。

0099

速度対時間履歴は、サイクル対速度(車両の速度またはシステム入力/出力)対加速度またはトルク(正または負)の期間または数のレジデントヒストグラムに簡易化される。これは、駆動サイクルに対して固定され、車両とは無関係である。速度対加速度面での各点に対して、ドライブライン効率は、エンジン、ギヤボックス、およびモータなどの組み合わされた効率マップから計算される。この効率マップは、駆動サイクルとは無関係である。

0100

駆動サイクルに対するドライブラインの効率の計算は、単に、レジデントヒストグラムと効率マップとの乗算の問題である。

0101

利点は次の通りであり、すなわち、計算は、時間領域シミュレーションよりも、はるかに高速である。より重要なことだが、ドライブライン(ギヤ比、ギヤシフト方針、および車両質量など)に対する変更がなされた場合、駆動サイクルが変更されないため、すべてにおいて、ドライブライン効率マップが必要となる。最も重要なことだが、問題としているすべての駆動サイクルを、より幅広い範囲の駆動サイクルを示すレジデントヒストグラムに「スタック」することができるが、分析時間の点では、何らのペナルティも有さない。言い換えると、駆動サイクルデータが準備されると、1000駆動サイクルの分析は、1駆動サイクルの分析と、ほぼ同じ時間で行われる。

0102

したがって、会社が、領域による駆動サイクル、位置、ドライバー特性(アグレッシブパッシブ都市郊外、および車両のクラスなど)、さらに統計的評価(1%、10%、平均、90%、99%))を分類し、異なるマーケット区分に関し、製品設計の反応性を検討するために「仮定の」分析を実行する可能性がある。

0103

ソフトウェアパッケージ内で、追加データが、エンジン、モータ、バッテリ、およびギヤボックスの定義に追加される。車両性能および駆動サイクル図は、エンジンおよびモータによってもたらされ、ギヤボックスによって伝達されるトルク/動力についての情報を提供する。これから、サイズ、したがって、パッケージング要件、およびサブシステムの重量を導出するための計算方法を導出することができる。したがって、複数の側面のドライブライン性能(パッケージング、重量、車両性能、効率、燃費)の評価を、同じソフトウェアパッケージ内で評価することができる。

0104

特に、ギヤボックスの場合、より詳細な表示への移行は、特定の特徴を有する。ギヤボックスの初期表示は、それを一連のギヤ比として定義する(以前の図を参照)。これにより、駆動サイクルシミュレーションを実行することが可能となり、したがって、車両の燃費および放出を計算することができる。しかしながら、ギヤボックスの物理的な実施形態は、シャフト、ベアリング、クラッチ、およびギヤ構成が定義されること、および、以前に識別した比率を実現するために適切な比率がギヤに割り当てられることを必要とする。

0105

設計者は、ギヤボックス設計の予備段階で、「スティック線図」などの、概念モデルを使用することが多く、これらは、構成要素間の機能的関係を見るのに容易な方法をもたらす。そのような図は、綿密な構造分析または詳細なエンジニアリング図面に戻ることなく、それらの設計を概念化するために、ギヤボックスの設計者を支援する。最初に、構成要素のサイズおよびパッケージングについての情報を定義する必要無く、これらの機能的関係を定義することができる。

0106

所与のギヤボックスに対する1つまたは複数のコンセプトの基本機能が固定された場合、その構成は、さらに計算され、各ギヤセットに印加されるトルクおよびそのギヤセットの比率を使用して、ギヤのピッチ円径歯幅、および中心距離を予測することによって、ギヤセットの必要なパッケージングを推定する。これは、ギヤに対する最も単純な形式の耐久性分析であり、入力の最も単純なセットで実行することができる。さらに、ギヤボックスのパッケージングを定義する主要パラメータを定義し、ギヤボックスの重量を定義する。

0107

本発明の具体的な特徴は、ドライブラインモデリングのためのグラフィカル・ユーザ・インターフェース内のギヤボックス(比率のみ)のある表示から、同じソフトウェアパッケージ内のギヤボックスモデリングのためのグラフィカル・ユーザ・インターフェース内の他の表示(シャフト、ベアリング、ギヤ、およびクラッチの機能的接続からなる、スティック線図)への伝達を可能にすることである。実際には、ギヤボックスを表すアイコンで実行される、ダブルクリックなどの、ドライブラインモデリングのためのグラフィカル・ユーザ・インターフェース内のユーザ定義コマンドによって実行される。

0108

図6では、ユーザは、並列シャフトに取り付けられた多くのギヤを有するギヤボックスのスティック線図を生成している。ベアリングは、単純なサポートとして定義され、ギヤは、比率のみによって定義される。ハウジングは定義されず、剛体であると仮定される。シャフト部分は、定義されず、そのため、シャフト剛性が仮定される。パワーフロー分析を実行することができ、ギヤに対するトルク容量および推奨中心距離、およびベアリングならびにハウジング負荷を計算することができる。

0109

図7は、ユーザに表示されるグラフィカル・ユーザ・インターフェースの一例を示し、ユーザが、本発明の処理を使用し、図6に示した種類の図面を生成することを可能にする。図7では、回転機械の図面は、回転機械自体の機能モデルである。

0110

作業領域は、1つまたは複数のビュー302、304を備える。そのような2つのビューは、設計される回転機械の側面図302および端面図304に対応して、図6に示される。側面図は、所与の軸に沿って示される回転機械の見た目の真の表示でもよく、または1つまたは複数の断面を介して回転機械を折り返した表示でもよい。図7の回転機械は、一般的に使用される「スティック線図」形式を使用して示され、ギヤが、矩形要素によって表される。しかしながら、回転機械についての他の図表示を使用することができ、ギヤが、概ねI形状要素によって表される「スティック線図」を含む。

0111

図7に示す例において、2つのギヤ310、312は、2つのシャフト320、322にそれぞれ取り付けられる。シャフト320は、クラッチ330を介して、同軸シャフト340に接続される。この例では、シャフトは、ほぼ水平方向に配置されるものとして示されるが、シャフトは、垂直、対角線などの任意の方向で整列することができ、垂直シャフトを有する機械を定義および分析することができることが理解される。シャフト320、322、340は、ベアリング350、352、354、356、358でサポートされる。最初に、ベアリングは、非常に単純なシャフトサポートであり、半径方向剛性軸方向剛性、または傾き剛性についての何らのユーザが定義した情報も有さない。モデルが成熟すると、追加の剛性データを、ユーザが定義するか、または計算することができる。

0112

入力362および出力364の間のパワーフロー360の一例を示す。

0113

エンジニアが、ギヤボックスのモデリングインターフェース内のスティック線図で作業している場合、ソフトウェアインターフェース内で、中心距離、変更比率、および歯幅などの変更が可能であり、これは、ギヤボックスのパラメータを変更する。

0114

これは、トランスミッションのグラフ図だけでなく、回転機械組立体の機能の作業モデルであり、計算を実行し、回転機械組立体の機能および性能を予測することができる。

0115

「スティック線図」は、外部のギヤセットから成るトランスミッションを表す、非常に効果的で、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、遊星歯車セットが含まれる場合、または多くの同軸シャフトを有するシステムが含まれる場合、中心線ではなくシャフトの外径の点から、または外径および内径の点から、シャフトを表す必要がある。さらなる改善点は、ユーザがビューの間を自動的に切り替えることができることである。

0116

ユーザインターフェースとパラメータ記述との間の相互通信は、図9を参照することによって、より良好に理解することができ、データの共通源を、分析に対してどのように使用することができるかを示し、ユーザインターフェースまたはモデリングを介して変更がなされると、すべての分析およびモデルにわたるデータの連鎖を容易にする。第1のステップ32では、パラメータ記述は、ユーザがレイアウトGUI902と相互通信することによって設定することができ、典型的には、これは、パラメータ記述内に保持される形式802および機能804データを生成する。ユーザはまた、データ入力904を介して、特性806および動作条件808を追加することができる。したがって、ユーザによって開発された設計は、後続の動作のための単一のデータ源となる。ステップ34では、ユーザは、設計が、製品において要求される性能基準をどのように満たすかを評価することができる。このステップでは、モデルおよび分析は、パラメータ記述に保持される関連データを使用して、要求される性能情報を、ステップ36で、ユーザにもたらす。これにより、ユーザは、ステップ31で、設計を更新することが可能となり、処理は、設計が、ステップ39で、製品要件に合致するまで繰り返される。

0117

したがって、ギヤボックスモデラ内のギヤ比を変えることで、ギヤボックスがその一部であるドライブラインの挙動を変更する。本発明の特徴は、ギヤボックス・モデラ・インターフェースのこれらの変更が、ドライブライン・システム・レベルでの分析のために重ねて表示(カスケード表示)される。

0118

これの他の例は、ギヤボックスサブシステムに変更が行われた場合、ギヤボックスの動的挙動が変更され、これにより、ドライブラインモデルに自動的に重ねて表示(カスケード表示)される。これらの変更は、ギヤの中心距離の変更(したがって、ギヤボックスの慣性を変更)と同様に単純とすることができ、またはベアリングの事前装填の変更(したがって、線形化されたベアリング剛性を、したがって、所与の負荷条件でギヤボックス組立部品のモード形状および固有周波数を変更)と同様に詳細にすることができる。

0119

全体的なドライブラインおよび組立部品が、パッケージング、重量、性能、および効率などのための車両の要件と整合したことが確立されると、初期評価に従い、さらなる詳細をシステムに追加することができ、より詳細な分析を行うことができる。

0120

効率および燃費は、「時間ステップ積分」の方法を使用して、再計算することができる。これは、トルク/速度レジデンシーの方法よりも正確であり、バッテリ内充電状態フライホイール内運動エネルギー飽和、および熱効果などの側面に着目するために使用することができる。しかしながら、より多くの時間を消費し、複数の駆動サイクルを評価する場合に、時間ペナルティが存在する。

0121

これは、AVL Cruiseなどの業界標準ツールによって使用される方法である。特有な特徴は、ソフトウェアパッケージが、同じパッケージの中に、時間領域および比較的単純なトルク/速度レジデンシー方法を有すること、ユーザが、それらの間を切り替えて、それぞれの利点を得ることができること、および効率ならびに燃費方法とともに、パッケージングならびに重量などの性能の他の側面に見通しを有することである。

0122

さらなる詳細を、さまざまな動的分析を実行して、(例えば、エンジン着火、ギヤ鳴り、トルクリップル、モータ内の電磁力などに応じた)音響雑音、歯打ち音、分流、ティップイン/ティップアウト、強打、衝撃負荷、ギヤシフト品質、パワートレインベンディング、およびドライブラインねじれモデルなどの側面に対するドライブライン性能を評価することが可能となる程度まで、システム定義に追加することができる。

0123

これらのさまざまな現象および故障モードは、さまざまな物理的特性を有する。音響型現象は、20から50Hz周波数で始まり、15000Hz程度に達する。感じることができるか、または構成要素の故障につながる振動は、20から50Hz以下である。高周波数振動は、より短い波長を有し、したがって、より多くのノードを有するより忠実度の高いモデルおよびより多くの総数の自由度を必要とし、より多くの計算量を必要とする。

0124

同様に、いくつかの現象は、それらの挙動において、基本的に線形であり、他のものは、極めて非線形である。最後に、いくつかの現象は、ねじれだけの数学的モデルによって説明することができ、すなわち、本モデルは、所与のノードで、1自由度のみを有する。他の場合、すべて6自由度が求められる。

0125

したがって、構成要素、サブシステム、およびシステム全体の適切な数学的モデルは、所与の分析のために作られる必要がある。本システムは、ノードの集合、離散化として知られる処理によって表され、本処理は、連続的なモデルおよび数式を離散的カウンターパート転送する処理である。ノードは、分析の目的に関連した、ある特性(自由度)を有する。例えば、ねじれ振動が検討されている場合、ノードは、ねじれ自由度を有さなければならない。並進運動が検討されている場合、並進自由度を有さなければならない。ノードはまた、関連自由度に関連する慣性を有し、剛性および減衰項によって隣接ノードに接続され、動的モデルを完成する。

0126

ノードは、結果が導出されるモデル内の点であり、そのため、ノードが、関心のある位置に設置されることが重要である。さらに、ノードは、システムの挙動が適切に描写されるのに十分な量で設置される必要がある。例えば、振動波形は、その形状を描写するために、波形に沿って、少なくとも4つのノードを必要とする。したがって、1センチメートルの波長の振動は、ノードが0.25センチメートル超で区切られた場合、描写することができない。連続的な固体における振動の速度が、ほぼ一定であり、ヤング率および密度に関連する場合、より高い周波数振動が、比例的短い波長を有し、より細かな離散化に対応することを必要とする。

0127

従来のアプローチでは、故障モードがさまざまなパッケージで評価されるため、数学的モデルを、各故障モードに対して生成することが一般的である。本モデルは、ソフトウェアパッケージによって自動的に作られるか、またはユーザが定義することができる。

0128

しかしながら、本モデルが、実行される分析に対して適切であるかどうかのチェックは行われない。本モデルは、分析時間で重大なペナルティを有すると、不当に詳述されるか、または結果が不正確である可能性があるという意味で、不十分に詳述される、という可能性がある。本モデルは、過剰なある領域の詳細を含み、一方、他の領域で必要な忠実度に欠けている可能性があり、計算の減速および不正確の両方につながる可能性がある。

0129

エンジニアが、有限要素およびマルチボディ・ダイナミクス・パッケージで動的モデルを再構築および修正し、モデルを修正し、離散のレベルが変化する場合に分析結果がどのように変化するかを判断するためにチェックすることに時間を費やすのは周知である。それらは、極端に詳述されることなく、モデルが適切に正確であるという保証探すことが目的であるが、前記処理は、速度が遅く、時間がかかり、通常、組織内で最も質の高い、したがって、高給なエンジニアによって行われることになり、結果として、コストが増加する。

0130

本発明は、構成要素、サブシステム、および/またはシステムの数学的モデルを特に作成することにより、製品性能の所与の故障モードまたは側面に対する最適な精度および計算効率をもたらす機能を提供する。本ソフトウェアパッケージは、評価することを求められるシステムの動的挙動および求められる周波数帯域を考慮する。次いで、分析的定式化を使用して、分析の速度および精度に対して最適化された数学的モデルを生成し、その結果、数学的モデルは、限定周波数帯域まで、および限定周波数帯域を含む、任意の分析に対して正確であり、適切な特徴(結節位置、構成要素の接続、境界条件など)および非線形性の程度を有し、関心のある現象または故障モードを分析する。本モデルの離散化は、自動的に実行され、検討される物理的現象(故障モード)を描写するために必須のモデルにおける点で、ノードを保持する。

0131

他の特徴は、ユーザインターフェースにより、エンジニアが、評価すべき現象または故障モードを選択することが可能であり、ソフトウェアパッケージが、周波数帯域、非線形性の側面、および含まれるべき自由度に対する適切な設定を自動的に生成することとすることができる。このように、エンジニアは、所与の分析領域における専門家の専門知識がなくても、本システムの、正確で、さらに計算上効率的な数学的モデルを作成することができる。

0132

数学的モデルが、所与の動的現象または故障モードに対して最適な方法でセットアップされることを保証することは、別の利点を有する。構成要素およびサブシステムモデルが、サブモデル(S機能またはスーパー要素としても既知である)中のパッケージとなることを可能にし、設計の詳細が、知的財産を保護するために隠されることを可能にし、さらに、シミュレーションが、すべての関係する設計データを使用すること、したがって、可能な限り正確であることを可能にする。

0133

本発明は、現在のツールを使用しては不可能な方法で、サブシステム間の相互作用を計算することによって、製品全体にわたる影響を考慮しようとする。電気機械式ドライブラインは、高度に一体化された電気モータおよびギヤボックスにより、徐々に一般的になっている。動力がモータ内で生成されると、ロータは、不均衡な磁気引力および何らかのシャフト歪みにさらされるか、または心振れにより、ロータが中心を外れて引っ張られる。これらの力(および、モーメント)および歪み(および、位置ずれ)は、ベアリングにかかる負荷、したがって、ベアリングの寿命、およびギヤのストレス、寿命、雑音、および効率を算出する際に重要である。また、モータ効率に影響するモータ内の空気ギャップも影響を受ける。

0134

本発明により、ギヤボックスおよびモータを、単一システムとして定義することが可能になり、これらの故障モードを検討することができる。適切な数学的モデルを、すべての力および歪みを計算するために導出することができる。ギヤ分離力、ベアリングならびにハウジング剛性、およびロータ不均衡磁気引力は、すべて、ベアリングの負荷および位置ずれ、ギヤの位置ずれ、シャフトの歪み、ハウジングの歪み、ならびに空気ギャップの低減の計算につながる、単一のシステム計算に組み合わされる。

0135

1つまたは複数の故障モードは、固有周波数およびモード形状(固有ベクトルおよび固有振動数)を含み、固有周波数およびモード形状は、別々の組立部品ではなく、全ギヤボックスおよびモータシステムに対して計算され、これは、ロータの不均衡な磁気引力を含み、モータの所与の速度およびトルク条件に対する負の剛性として線形化され、表現される。他の非線形態様はまた、線形化され、ギヤメッシュ剛性およびローラベアリングの剛性は、所与の負荷条件に対して計算され、線形であると仮定される。これらのすべては、単一システム計算に含まれる。

0136

これにより、動的応答および音響放射が全ギヤボックスおよびモータシステムに対して計算され、ギヤ伝達エラー、モータトルクリップル、および電磁力が説明され、以前のパラグラフで説明したような固有ベクトルおよび固有振動数定式化の応答が計算される。

0137

本発明はまた、動作条件におけるモータでの空気ギャップの低減を計算するために、不均衡な磁気引力、不均衡質量、ロータシャフトの歪み、および構成要素の製造公差に加えて、ギヤボックスおよびモータシステムの動的シミュレーションを使用することができる。これを使用して、モータに対する最適な空気ギャップを定義することができ、したがって、モータ効率を最適化することができる。

0138

本発明はまた、モータ、ギヤボックス、または電気機械式ドライブラインのコンセプト選択段階に着目し、何らハウジング設計が存在しない段階において、トルクリップルまたは伝達エラーからの励起に対して、どのコンセプトが最も強くまたは最も弱く応答しそうであるかについての見通しを提供する。

0139

モータ、ギヤボックス、または電気機械式ドライブラインの算出された動的応答が、コンセプトモデルを使用する(ローラベアリングの外輪が剛性を保持した場合)か、または詳細モデルを使用する(ローラベアリングの外輪が、ハウジングの質量/剛性表現に取り付けられた場合)かによって、モータ、ギヤボックス、または電気機械式ドライブラインの算出された動的応答が大きく異なることが、技術検討により示された。

0140

本発明は、追加のハウジング自由度を、ローラベアリングのそれぞれの外輪に適用する機能を提供し、ハウジング設計全体の自由度の近似表現をもたらす。この自由度の係数は、典型的に、他の、同様の製品からの完全なハウジング設計の有限要素表現の剛性行列の主対角項検査することから生じる。

0141

次いで、ダイナミックシミュレーションが実行され、本システムは、トルクリップルおよび/または伝達エラーからの励起に応答する。技術的検討により、この修正モデルの計算された動的応答が、従来のコンセプトモデルに対してよりも、完全な、詳細モデルのものに近く、ローラベアリングの外輪が剛体を保持していることが示された。

0142

しかしながら、本シミュレーションは、音響放射の値をもたらさず、それというのも、雑音を放出するハウジング構造を有さないからである。したがって、本発明は、革新的な分析を使用し、その場合、ベアリングの動的負荷を使用して、ベアリング外輪を通じて伝達される振動力を計算し、トルクリップルおよび/または伝達エラーからの励起に対し、どのシステムが、最も高い/最も低い動的応答を有するかを指示する。

0143

これは、各ベアリングに対して個別に実行することができ、または動力は、すべてのベアリングにわたって合計することができる。動力は、個々の速度および負荷で評価することができ、またはすべての動作点にわたって合計することができる。動力は、計算された(予想された)値またはトルクリップルもしくは伝達エラーに応じて計算することができ、またはトルクリップルもしくは伝達エラーの名目ユニット値に応じて計算することができる。

0144

本発明は、ギヤのストレス、耐久性、雑音、および効率に対してギヤを分析する可能性も提供する。同時に、それらは、利用可能な空間内に適合しなければならず、さらに製造可能でなければならない。ギヤの(耐久性に対する)ストレス、効率、および生成された振動の計算においては、これは、ギヤの製造性も考慮する。具体的には、ギヤのための切削工具の形状、特に、ホブ、整形器、およびフライスカッターの出っ張りの形状は、パッケージに含まれ、これにより、エンジニアが、単一環境で、パッケージング、重量、効率、耐久性、および雑音全体にわたるこれらの影響を評価することが可能となる。

0145

本発明により、電気機械式ドライブラインの機械のエンジニアリング性能の多くの側面を評価することが可能となる。これらは、車両/製品性能、エネルギー/燃料効率/節約、排気ガスの排出、コスト、構造の歪みおよびストレス、耐久性および疲労、製造性、熱性能、可聴雑音の生成、動的入力負荷による機械的故障、ユーザおよび/または環境に不都合な動的負荷の生成、速度および比率の変更、ならびに制御システムとの十分な相互作用を含む。

0146

抜本的な革新は、シミュレーションのこれらの側面のすべてが、構成要素およびサブシステムの3D形状の評価として、同時に、同じパッケージ内で実行され、構成要素、サブシステムおよびドライブラインのパッケージング、ならびに重量計算のチェックに対して使用できることである。

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