(57)【要約】【課題】エンジンと変速機からなるパワープラントの固有振動数を容易に算出することができる算出方法を提供すること。【解決手段】エンジンと変速機とから構成されたパワープラントを任意に分割する分割面を設定する。分割面で分割された部分の質量を求め、分割面に接する両側の分割部分の質量のそれぞれ１／２を加算する。そして加算した質量が分割面に配置されているとして、各節点の質量として、パワープラントの固有振動数を算出する。【選択図】    図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定物に、固有振動の振幅方向に沿って分割する分割面を任意の位置に設定し、
前記分割面で前記被測定物が分割されたと想定し、想定された分割部分の各質量を求め、
前記分割面において該分割面を挟む両側の前記分割部分の質量の１／２を加算した値を、各分割面について求め、
前記加算質量が前記分割面の中心上に配置されていると仮定し、
前記各分割面の位置、および各分割面に配置されていると仮定した質量を振動解析の要素に用い、前記被測定物が有する固有振動数を算出することを特徴とした固有振動数の算出方法。
【請求項２】
車両は、車両用の内燃機関に、該内燃機関の駆動力を変速する変速機とを連結させて構成した車両用パワープラントと、該パワープラントから車両用駆動軸とを連結させ、前記パワープラントで発生した動力を駆動軸に伝達するプロペラシャフトとを備え、
前記被測定物は、前記パワープラントとしたことを特徴とする請求項１に記載の固有振動数の算出方法。
【請求項３】
前記分割面は、前記パワープラントの前記内燃機関と前記変速機に各４箇所以上設定したことを特徴とする請求項２に記載の固有振動数の算出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンやトランスミッションなどのパワープラント固有振動数の算出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
車両は、走行中に、エンジン、変速機、プロペラシャフト等から構成されるパワートレーン（以下、「駆動系」ともいう。）に共振が生じると、変速機の特定部位に応力が発生したり、プロペラシャフトに曲げ応力が発生することにより、変速機やプロペラシャフトの疲労強度や耐久性が低下することが考えられる。そのため、パワートレーンに共振が生じないようにパワートレーンを設計する必要がある。例えばパワープラントとプロペラシャフトのそれぞれが有する固有振動数を、車両が最高速度で走行した場合においても共振を生じさせない値に設定する。したがって従来は、車両のパワートレーンを設計したり、車両の仕様を変更する際には、パワープラントやプロペラシャフトを構成する個々の部材の固有振動数を、実験により求めたり、あるいは数値計算により求めていた。
【０００３】
ここで車両のパワートレーンなどの曲げ振動について説明する。尚車両の駆動系は、ドライブトレーン、ドライブラインあるいはパワートレーンなどと呼ぶ。また駆動系でプロペラシャフトが無い場合を駆動系（プロペラシャフト無し）、またはパワープラント等と呼び、プロペラシャフト有りの場合と区別する。駆動系の曲げ振動の計算モデルは、駆動系曲げ振動の振動モードから、次のようにモデル化できる。
【０００４】
ａ、エンジンとトランスミッション（変速機）は、剛体とみなし、それぞれに質量と慣性モーメントを与える。またそれぞれのバネ定数は十分大きいとして、剛体条件を与える。
【０００５】
ｂ、エンジンと変速機との間に設けられるフライホイールハウジングおよびクラッチハウジングは、エンジンとトランスミッションの質量に比べて質量が十分小さく、フライホイールハウジングとクラッチハウジングの質量は無視することができる。また振動モードからフライホイールハウジングとクラッチハウジング部分を見た場合、かかる部分で折り曲がりが生じるとみなせる。そのため、かかる折曲がり部分に回転バネ定数を与える。
【０００６】
ｃ、プロペラシャフトは、質量としても弾性体（バネ）としても、振動モードの観点から有効に作用する。例えばプロペラシャフトの全体を、長さ方向に沿って１５程度に分割し、各断面についてその断面積、断面２次モーメント、区分長さなどを与える。また、区分長さと断面積と密度から区分ごとの質量を算出する。
【０００７】
ｄ、プロペラシャフトに連結されるディファレンシャルより後方には、ほとんど振動が発生しない。そのため、プロペラシャフト後端のフランジヨーク部の変位を拘束（０とする。）する。
【０００８】
ｅ、そして、プロペラシャフトがある駆動系の場合は、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄの計算モデルを用いて駆動系の曲げ振動の計算を行う。プロペラシャフトなしの駆動系の場合には、ａ＋ｂの計算モデルでの曲げ振動の計算を行う。
【特許文献１】特開２００６−２０７６８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記ａの作業において、エンジンとトランスミッションの曲げ振動の計算は、エンジンとトランスミッションのそれぞれの重心位置を求め、求められた重心位置での質量と慣性モーメントを算出していた。したがって数値計算で駆動系の曲げ振動を求める場合には、多くのパラメータを使用し、重心位置の計算と、慣性モーメントの計算を行う必要があった。そのため、計算に手間と時間がかかり、また計算間違いを生じさせるおそれもあった。一方駆動系の曲げ振動を、実験で求めようとした場合には、実験に多くの時間と手間がかかり、費用が嵩むという問題があった。
【００１０】
また車両は、同一のパワープラントを用いても、補機類が取り付けられて、異なる仕様となる場合がある。例えばエンジンに燃料ポンプや過給器が取り付けられたり、また変速機に動力取出機構が取り付けられるなど、補機類により仕様が異なることがある。このように補記類を取り付けて仕様が異なった場合には、それによりパワープラントの固有振動数が変化する。そこで補機類が取り付けられる毎に、パワープラント全体についての質量や重心位置、慣性モーメントを求め、求められた結果から共振状態を生じさせないかどうか改めて検査していたので、多くの手間と時間を要していた。
【００１１】
本発明は上記課題を解決し、車両用パワープラントなどの固有振動数が簡易に算出できる、車両用固有振動数の算出方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、上記課題を解決するため固有振動数の計算方法を次のように構成した。
【００１３】
被測定物に、固有振動の振幅方向に沿って分割する分割面を任意の位置に設定する。
【００１４】
分割面で被測定物を分割したと仮定した場合の各分割部分の質量を求める。そして各分割面を挟む両側の分割部分の質量の１／２を加算した値を求める。次に各分割面において、加算した両側の質量を分割面上に配置されていると推定する。このようにして各分割面の位置、および各分割面に配置されていると推定した中心質量が求められたら、これら数値を振動解析の要素に用い、従来の算出手法により被測定物が有する固有振動数を算出することとした。すなわち上記計算をａとし、ａに続いて、従来例で示したｂ以降の算出方法を用いて計算を行う。
【発明の効果】
【００１５】
本発明にかかる固有振動数の算出方法は、次の効果を有している。  
駆動系の曲げ振動を算出する場合、慣性モーメントの計算と、重心位置の計算が不要となる。したがって、簡易な算出方法でパワープラントなどの固有振動数を求めることができる。
【００１６】
車両の仕様が異なり、パワープラントに補機類が付加、あるいは除去される場合などでも容易に算出できる。すなわち補機が取り付けられる部分についてのみ改めて計算を行い、他の部分は変更することなく、新たに計算された部分を組み合わせることにより容易に算出できる。したがって、補機が取り付けられる部分を除く他の部分の算出結果は、有効に利用でき、パワープラントに部分的な変更が生じた場合、パワープラント全体の質量、重心等をあらためて求める必要がないので、簡易な算出方法でパワープラントの固有振動数を求めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明にかかる固有振動数の計算方法の一実施形態について、車両のパワートレーンの例を用いて説明する。  
図１に、車両１０のパワートレーン１２を示す。車両１０は、ＦＲ（フロントエンジン・リアドライブ）方式の貨物用車両で、車両前方（図の下方。）にエンジン１４と変速機
１６からなるパワープラント１３を備え、後方に後輪１８を有し、後輪１８に取り付けられたデファレンシャル機構２０と変速機１６との間にプロペラシャフト２２が配設されている。
【００１８】
パワープラント１３は、エンジン１４と変速機１６の間にクラッチハウジング１５を介して構成されている。クラッチハウジング１５を介してエンジン１４と変速機１６は互いに連結されている。パワープラント１３は、シャーシフレーム１１にゴムブッシュ（図示せず。）などを介して取り付けられている。
【００１９】
プロペラシャフト２２の前側には前側継ぎ手２４が設けられ、プロペラシャフト２２は、前側継ぎ手２４を介してパワープラント１３と屈曲可能に連結されている。またプロペラシャフト２２の後側には後側継ぎ手２６が設けられ、後側継ぎ手２６を介してデファレンシャル機構２０とプロペラシャフト２２が屈曲可能に連結されている。
【００２０】
前側継ぎ手２４、及び後側継ぎ手２６は、フランジヨーク、ジョイントヨーク及びスパイダ（図示省略）等から構成されている。尚パワープラント１３は、車両１０に縦置きでなく、横置きに取り付けられていてもよい。
【００２１】
プロペラシャフト２２は、所定の断面形状を有する金属製の中空パイプから形成されている。プロペラシャフト２２の長さという場合、基本的に継ぎ手間の距離、すなわち前側継ぎ手２４と後側継ぎ手２６の間の距離をいう。尚プロペラシャフト２２は、中空の金属製パイプに限らず、炭素繊維製などその他の素材で形成しても、あるいは中実軸であってもよい。デファレンシャル機構２０は、内部に差動ギアを備え、プロペラシャフト２２からの駆動力を左右の後輪駆動軸に分配し、後輪１８を駆動させる。
【００２２】
次に、パワープラント１３の固有振動数の算出方法について説明する。
【００２３】
パワープラント１３は、駆動系曲げ振動の計算において、エンジン１４と変速機１６がクラッチハウジング１５を介して、所定の回転ばね定数で結合されているとしてモデル化する。次に、パワープラント１３の分割数を決定する。この例では、パワープラント１３を８分割するものとする。
【００２４】
次に、図２に示すようにパワープラント１３に、７つの分割面ａ〜ｇを設定する。分割面ａ等は、求めようとする固有振動の振幅方向、すなわち縦置きエンジンでは、車両の進行方向に垂直な面に沿って設定する。各分割面ａ等は、パワープラント１３の長手方向に沿って任意の位置に設定する。
【００２５】
尚分割面ａ等は、後述する分割部分の質量算出の容易性や、補機類の取り付けの有無などを考慮して、位置や、分割数などを設定することが好ましい。すなわち、密度がほぼ等しい部分を同一の分割部分に含めれば、質量の算出が容易となる。また、仕様により燃料ポンプなどが別途取り付けられることがある場合には、その部分全体を同一の範囲に含めるように分割面を設定する。
【００２６】
図２に示すように、パワープラント１３は、具体的にはエンジン１４を４分割し、かつ変速機１６を４分割している。パワープラント１３は、設定した各分割面ａ〜ｇで分割したと仮定し、各分割面で分割された部分の質量を求める。各部分の質量は、その部分の密度と幅（長手方向である。）と断面積から求める。またパワープラント１３の密度を、長手方向に均等と仮定して計算してもよい。
【００２７】
図３に、分割面ａ〜ｃで分割された部分を取り出して示す。分割面ａ、ｂで区画された部分および分割面ｂ、ｃで区画された部分を、斜線でそれぞれ示す。それぞれの分割部分の質量Ｂと質量Ｃの１／２を各々算出する。
【００２８】
質量Ｂ／２とＣ／２を加え、中心質量ＢＣを求める。そして中心質量ＢＣが分割面ｂ上に配置されているとする。尚、図２および図３は、パワープラント１３を上面から示した図であり、中心質量ＢＣは、分割面ｂの面中心にあるとする。上記分割面ａ〜ｇについて、同様の操作を行ない、各分割面についての中心質量を求める。各分割面についての中心質量が求められたら、従来例で示したと同様にして、パワープラント１３の固有振動数を算出する。
【００２９】
すなわち、ｂ、クラッチハウジング１５は、エンジン１４と変速機１６の質量に比べて質量が十分小さく、クラッチハウジング１５の質量は無視する。またクラッチハウジング１５部分は、振動モードで折り曲がりが生じるので、回転バネ定数を与える。
【００３０】
ｃ、プロペラシャフト２２は、質量としても弾性体（バネ）としても、振動モードの観点から有効に作用するとする。しかし、本実施例では考慮しない。
【００３１】
ｅ、そして、プロペラシャフトなしの駆動系として、ａ＋ｂの計算モデルでの曲げ振動の計算を行う。
【００３２】
計算結果を図４に示す。固有振動数ｆ０は、９６．１３０１９Ｈｚである。質量と慣性モーメントを用いて求めた結果を図８に示しており、固有振動数ｆ０は、１０１．２４７４Ｈｚである。上記分割面を８とした算出方法では、質量と慣性モーメントを用いて求めた結果に対してほぼ９５％の値が得られている。
【００３３】
更に、上記と同様にして、パワープラント１３を１６分割して求めた結果を図５に示す。これは、エンジン１４を８分割し、変速機１６を８分割した。この場合に求められた固有振動数ｆ０は、１００．８９２４Ｈｚである。質量と慣性モーメントを用いて求めた結果（固有振動数ｆ０＝１０１．２４７４Ｈｚ）との比較においては、ほぼ９９％の値が得られた。
【００３４】
図６に、分割面の数と固有振動数のグラフを示す。グラフは、横軸に分割面の数、縦軸に固有振動数を示す。点線は、質量と慣性モーメントを用いて求められた結果である。グラフから、分割面を４以上に設定すると、ほぼ９５％以上の値となり、満足する結果が得られることがわかる。
【００３５】
以上説明したように、分割面と質量に基づいて振動解析を行うことにより、パワープラント１３の固有振動数を容易に求めることができる。
【００３６】
次に算出方法の他の例について説明する。
【００３７】
この例は、エンジン１４に他の部材、つまり燃料ポンプ２３を新たに設けた場合である。図７に示すように、パワープラント２１自体は上記例で説明したパワープラント１３と同様のものであるが、分割面ｂとｃの間に燃料ポンプ２３が設けられている。パワープラント２１のその他の部分にはパワープラント１３と異なる点はない。
【００３８】
中心質量ＢＣとＣＤを、分割面ｂｃ間に燃料ポンプ２３が設けられたことにより質量が増加したことを考慮して求める。そして、上述したと同様の方法で既に求められている中心質量と、新たに求められた中心質量ＢＣとＣＤとを用いてパワープラント２１の固有振動数を求める。
【００３９】
すると、燃料ポンプ２３が新たに取り付けられた部分の分割面ｂｃ間の質量は、かかる部分の質量に燃料ポンプ２３の質量を加算すればよいので、容易に求められる。そして、燃料ポンプ２３が取り付けられた部分以外は、新たに質量を算出する必要がないことから、全体についての質量を容易に求めることができ、新たに部材が付加された場合においてもパワープラント２１の固有振動数を数値計算により容易に算出できる。
【００４０】
尚上記例では分割面ｂｃ間に燃料ポンプ２３が設けられたが、燃料ポンプ２３が設けられた前後に分割面を移動させてもよい。更に、仕様により燃料ポンプ２３がパワープラント１３に加えられることがわかっている場合には、燃料ポンプ２３が取り付けられていないパワープラント１３について、分割面を燃料ポンプ２３が取り付けられる位置の前後に予め設定しておくことが好ましい。更に取付部材は、燃料ポンプに限るものではない。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明にかかるパワープラントを搭載した車両を示す平面概略図である。
【図２】本発明にかかるパワープラントを示す図である。
【図３】本発明にかかるパワープラントを示す図である。
【図４】本発明にかかる計算結果を示すグラフである。
【図５】本発明にかかる計算結果を示すグラフである。
【図６】本発明にかかる計算結果を示すグラフである。
【図７】他の例のパワープラントを示す図である。
【図８】従来の計算方法による結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４２】
１０…車両
１２…パワートレーン
１３…パワープラント
１４…エンジン
１６…変速機
１８…後輪
２０…デファレンシャル機構
２２…プロペラシャフト
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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