(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
転動体を有する軸受部と、前記軸受部から径方向に延びる複数の取付け部とを有する機械構造物の形状を、コンピュータを用いて求める形状設計方法であって、
オペレータによって、前記軸受部を形状の変更が不可能な領域として設定させ、前記取付け部を形状の変更が可能な領域として設定させる工程と、
前記設定された領域に基づいて、前記コンピュータが初期形状を求める工程と、
オペレータによって、前記機械構造物に加わる各種情報や制約条件情報を入力させる工程と、
前記入力された各種情報や制約条件情報に基づいて、前記コンピュータが初期形状のうち形状の変更が可能な領域から材料を削減した基本形状を求める工程と、
前記基本形状を最適化するために、コンピュータ支援設計ソフトウェアを実行することにより実現されるＣＡＤ機能と、モーフィングモデル作成ソフトウェアを実行することにより実現されるモーフィング機能のどちらを用いるかをオペレータによって選択させる選択工程と、
前記選択工程によって選択されたＣＡＤ機能によって前記基本形状のＣＡＤ形状を変更することにより最適化をコンピュータが行うか、あるいは選択されたモーフィング機能によって前記基本形状のモーフィングモデルを変形することにより最適化をコンピュータが行う最適化工程とを含むことを特徴とする、機械構造物形状設計方法。
【請求項２】
前記最適化工程は、
前記選択工程でモーフィング機能が選択されたとき、前記モーフィングモデル作成ソフトウェアによって前記基本形状のモーフィングモデル形状を格子状に区切ったメッシュを変形する工程と、
前記変形したメッシュの変形量を判別する工程とを含み、
前記選択工程は、前記メッシュの変形量に応じて選択指示を与える工程を含む、請求項１に記載の機械構造物形状設計方法。
【請求項３】
転動体を有する軸受部と、前記軸受部から径方向に延びる複数の取付け部とを有する機械構造物の形状を設計する形状設計装置であって、
オペレータによって、前記軸受部を形状の変更が不可能な領域として設定され、前記取付け部を形状の変更が可能な領域として設定されたことに基づいて、前記機械構造物の初期形状を求める外形形状作成手段と、
オペレータによって、前記機械構造物に加わる各種情報や制約条件情報が入力されたことに基づいて、前記初期形状のうち形状の変更が可能な領域から材料を削減して外形形状を変形して基本形状を求める外形形状変形手段と、
前記基本形状を最適化するために、コンピュータ支援設計ソフトウェアを実行することにより実現されるＣＡＤ機能と、モーフィングモデル作成ソフトウェアを実行することにより実現されるモーフィング機能のどちらを用いるかをオペレータによって選択させる選択手段と、
前記選択手段によって選択されたＣＡＤ機能によって前記基本形状のＣＡＤ形状を変更することにより最適化を行うか、あるいは選択されたモーフィング機能によって前記基本形状のモーフィングモデルを変形することにより最適化を行って自動設計する最適化手段とを備える、機械構造物形状設計装置。
【請求項４】
転動体を有する軸受部と、前記軸受部から径方向に延びる複数の取付け部とを有する機械構造物の形状を設計するコンピュータを、
オペレータによって、前記軸受部を形状の変更が不可能な領域として設定され、前記取付け部を形状の変更が可能な領域として設定されたことに基づいて、前記機械構造物の初期形状を求める外形形状作成手段と、
オペレータによって、前記機械構造物に加わる各種情報や制約条件情報が入力されたことに基づいて、前記初期形状のうち形状の変更が可能な領域から材料を削減して外形形状を変形して基本形状を求める外形形状変形手段と、
前記基本形状を最適化するために、コンピュータ支援設計ソフトウェアを実行することにより実現されるＣＡＤ機能と、前記基本形状のモーフィングモデルを変形するモーフィング機能のどちらを用いるかをオペレータによって選択させる選択手段と、
前記選択手段によって選択されたＣＡＤ機能によって前記基本形状のＣＡＤ形状を変更することにより最適化を行うか、あるいは選択されたモーフィング機能によって前記基本形状のモーフィングモデルを変形することにより最適化を行って自動設計する最適化手段として機能させるための、機械構造物形状設計プログラム。
【請求項５】
転動体を有する軸受部と、前記軸受部から径方向に延びる複数の取付け部とを有する機械構造物の形状を設計するコンピュータを、
オペレータによって、前記軸受部を形状の変更が不可能な領域として設定され、前記取付け部を形状の変更が可能な領域として設定されたことに基づいて、前記機械構造物の初期形状を求める外形形状作成手段と、
オペレータによって、前記機械構造物に加わる各種情報や制約条件情報が入力されたことに基づいて、前記初期形状のうち形状の変更が可能な領域から材料を削減して外形形状を変形して基本形状を求める外形形状変形手段と、
前記基本形状を最適化するために、コンピュータ支援設計ソフトウェアを実行することにより実現されるＣＡＤ機能と、前記基本形状のモーフィングモデルを変形するモーフィング機能のどちらを用いるかをオペレータによって選択させる選択手段と、
前記選択手段によって選択されたＣＡＤ機能によって前記基本形状のＣＡＤ形状を変更することにより最適化を行うか、あるいは選択されたモーフィング機能によって前記基本形状のモーフィングモデルを変形することにより最適化を行って自動設計する最適化手段として機能させるための、機械構造物形状設計プログラムを記録する記録媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えば、自動車の車輪用軸受であるハブ軸受などの転動体を有する機械構造物形状設計方法、形状設計装置、形状設計プログラム、および形状設計プログラム記録媒体に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１０は従来のハブ軸受の縦断面図である。この図１０に示したハブ軸受は、車両の駆動輪に使用されているものであり、ハブホイール１と、複列転がり軸受２とを備えている。ハブホイール１は中空構造となっており、その外周面の軸方向中間部には径方向外向きのフランジ部１１が鍛造により形成されており、中空孔１３には所定の領域にスプラインが形成されている。フランジ部１１よりも一方側（車両インナ側）の外周面には、複列転がり軸受２における他方側（車両アウタ側）の玉群２２の内輪軌道面１２が一体的に形成されている。中空孔１３には、図示しない軸体がスプライン結合される。
【０００３】
複列転がり軸受２は、２列の軌道溝を有する単一の外輪２１と、２列で配列される転動体としての複数の玉群２２，２４と、２つの保持器２３と、シール２６と、車両インナ側の玉群２４に関する内輪２５と、ハブホイール１に設けられている内輪軌道面１２とから構成されている。
【０００４】
ハブホイール１の外周面には、複列転がり軸受２が取り付けられる。ハブホイール１の車両インナ側端部は、径方向外向きに屈曲されて複列転がり軸受２の内輪２５の車両インナ側端面に対してかしめ付けられている。このかしめ部は、符号ａを付して示す。
【０００５】
そして、ハブホイール１のフランジ部１１に対して、パイロット部１４によりガイドされてディスクブレーキ装置のディスクロータ４および図示しない車輪があてがわれて複数のボルト１０によって装着される。また、複列転がり軸受２の外輪２１に設けてある径方向外向きの取付片２７が、車体５にボルト３９にて固定される。
【０００６】
図１０に示した自動車用ホイール軸受であるハブ軸受は、軸受の軽量化および軸受の低トルク化が求められている。軽量化を図ることで省資源を達成でき、低トルク化を図ることで燃費を削減できるからである。特開２００６−３３０９１７号公報（特許文献１）には、有限要素法を用いて転動体を含む複数の要素を有する機械構造物の形状を求める形状設計方法について記載されている。
【０００７】
ここで、有限要素法とは、計算機により構造物の変形や応力を解析するための近似解析手法であり、複雑な形状・性質を持つ物体を単純な小部分に分割することで近似し、全体の挙動を予測しようとするものである。
【０００８】
以下、特許文献１に記載されている形状設計方法の概要について説明する。
【０００９】
図１１は最適化形状を求める前におけるハブホイール１の初期形状を示す外観斜視図であり、（Ａ）はフランジ部の一方面側から見た斜視図であり、（Ｂ）はフランジ部の他方面側から見た斜視図であり、図１２はハブホイール１の外観斜視図であり、図１３は図１１（Ａ）に示す線Ａ−Ａに沿う断面図であり、（Ａ）は形状変更可能領域および形状不可能領域を示した断面図であり、（Ｂ）は（Ａ）の断面にメッシュを付して示した図である。
【００１０】
図１１（Ａ）に示すように、ハブホイール１の初期形状においてフランジ部１１ａは、肉厚のある平坦な円板状である。また、図１１（Ａ）に示すように、ディスクロータなどの相手部材６０との取付けの関係でボルト孔１７の位置と、パイロット１４の外周形状は、変更できない箇所であり、内輪軌道面１２は荷重に対する負荷容量の関係で形状を変更できない箇所であり、形状変更不可能領域として設定される。さらに、図１３（Ａ）にクロスハッチで示す領域１６ａであるフランジ部１１ａの厚み部分と、中空孔１３のうちのパイロット１４側の内周面であるクロスハッチで示す領域１９は形状変更可能領域として設定される。図１３（Ａ）に示す中空孔１３の一方端側は、図１０で説明した内輪２５と、かしめ部ａとを一体化して示されている。
【００１１】
図１２に示したハブホイール１は、図１１に示した初期形状から材料を削減して剛性の最大化と軽量化とを両立させて実現した最適形状となるように設計されたものである。図１２において、ハブホイール１の一方面である車両インナ側の中心部には、軸受部１５が形成されており、強度を高めるために、ある幅と肉厚を有するリブ１６が軸受部１５の根元から径方向に延びるように、例えば４箇所に形成されている。各リブ１６は内径側が厚肉部となっており、外径側の先端部が薄肉部になっている。各リブ１６の先端側の薄肉部には、タイヤのホイールをハブホイール１にボルトとナットで締結するために、ボルト孔１７が形成されている。
【００１２】
軸受部１５には中空孔１３が形成されているとともに、図１０に示した複列転がり軸受の転動体などが接触する内輪軌道面１２が軸受部１５の周りの全周にわたって形成されている。リブ１６から内輪軌道面１２に至る箇所には、鍛造時の金型が抜けるように勾配が形成されている。勾配の一部に小さな段差が設定され、その部分が研磨されて図１０に示したシール２６が接触するシールランド１８が形成されている。パイロット部１４は円筒状に形成されている。
【００１３】
図１４は構造物の従来の形状設計方法を説明するためにハード構成とフローチャートとを概念的に示した図である。
【００１４】
制御装置１０１は、図１１に示したハブホイール１の初期形状や、図１３（Ａ）に示した断面形状の画像を表示する。オペレータはその表示を見て、形状の変更が不可能な領域と可能な領域とを設定する。オペレータは、図１２に示したハブホイール１に関して、荷重条件，拘束条件，接触条件および鍛造抜き勾配を設定する。荷重条件として路面からハブホイール１に加わる入力荷重などの種々の条件を定義する。
【００１５】
これらの定義付けがされると、制御装置１０１は、有限要素法モデル作成ソフトウェア１０２を用いて、均質化法に基づく方法や、力法に基づく方法によりトポロジー最適化解析または領域形状最適化を行って基本形状を求める。ここでトポロジー最適化解析とは、空間内に最適な構造形態をとる形状を得る手法を云い、どのように部材を配置すれば最適な構造になるかを求める解析である。トポロジー最適化解析で得られる構造形態最適化形状は、基本形状として決定される。制御装置１０１は、決定した基本形状からメッシュモデルを作成する。
【００１６】
オペレータは、決定した基本形状を見て外形を変更する必要があるか否かを判断する。もし変更する必要があれば、変更する寸法と変更しない寸法を決定する。決定した寸法変更箇所に対して、これにモーフィングモデル作成ソフトウェア１０３を用いて、モーフィング技術を適用し、厚みなどの設計変数に対して形状を可変させられるモーフィングモデルを作成する。モーフィングとは、図１３（Ｂ）に示すようなメッシュモデルにおいて、メッシュの接点や要素形状を変えることで解析モデルの形状を変更することである。モーフィングモデルを作成することにより、形状の変更が容易になる。
【００１７】
オペレータは作成したモーフィングモデルに関して荷重条件や拘束条件などを定義し、制御装置１０１により有限要素解析用モデル１０４を作成する。そして、有限要素法計算１０５により、各部の応力と変位を計算して構造解析を実行する。実行された構造解析の結果の有限要素法計算結果分析１０６を行い、最適化されているか否かを判断する。
【００１８】
最適化されていなければ、最適化ソフトウェア１０７を用いて寸法の変更を行なう。制御装置１０１は、モーフィングソフトウェア１０８を用いて有限要素法モデルの寸法変更を行なう。変更した寸法を有限要素法モデルに反映させ、以下有限要素法解析および有限要素法計算結果分析を繰り返す。
【００１９】
図１４に示した例は、いったん有限要素法モデルを作成し、このモデルに対して、モーフィングソフトウェアを適用し、有限要素法モデルで寸法を変化させながら形状最適化計算を行なうようにしたのに対して、モーフィングモデルを作成することなく、３Ｄ−ＣＡＤとＣＡＤ形状変更ソフトウェアを組み合わせ、ＣＡＤレベルで寸法を変化させながら形状最適化計算を行なう方法もある。
【００２０】
３Ｄ−ＣＡＤで外形を作成するためには、オペレータがハブホイールのフランジ部における厚みの寸法などのベクトルデータなどを入力しなければならない。なお、以下の説明では、３Ｄ−ＣＡＤによって作成された形状をＣＡＤ形状と定義する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２１】
【特許文献１】特開２００６−３３０９１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
図１４に示した例では、モーフィング技術を用いているため、メッシュの大きさや形状の変形度合いが大きすぎるとメッシュがつぶれてしまったり、メッシュ自体が変形してしまったりする。その結果、解析計算ができない場合がある。すなわち、図１３（Ｂ）に示すようなメッシュモデルにおいて、メッシュの接点や要素形状を変えるときに変形量が大きすぎるとき、不具合の起こる可能性が高くなる。図１５（Ａ）に示した例では、Ａに示す部分のメッシュの線同士が接近しているため、パイロット１４の内径を示す外形が径方向外側に押しやられるのでＢに示す径が大きくなってしまっている。図１５（Ｂ）に示した例ではＣに示す部分のメッシュの線同士が接近しているため、パイロット１４の内径部分の深さがＤに示すように深くなってしまっている。全体のメッシュの間隔を均等に狭くすればメッシュがつぶれることはなくなるが、全体のメッシュの間隔を変更することはオペレータの負担が大きくなる。
【００２３】
ＣＡＤ形状の寸法を変化する方法では、ハブホイールのフランジ部における厚みの寸法などのベクトルデータなどをオペレータが入力しなおさなければならず自動化が困難である。
【００２４】
そこで、この発明の目的は、ＣＡＤとモーフィング技術との利点を利用して最適な形状となるように機械構造物を設計するための機械構造物形状設計方法、形状設計装置、形状設計プログラム、および形状設計プログラム記録媒体を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
この発明は、転動体を有する軸受部と、軸受部から径方向に延びる複数の取付け部とを有する機械構造物の形状を、コンピュータを用いて求める形状設計方法であって、オペレータによって、軸受部を形状の変更が不可能な領域として設定させ、取付け部を形状の変更が可能な領域として設定させる工程と、設定された領域に基づいて、コンピュータが初期形状を求める工程と、オペレータによって、機械構造物に加わる各種情報や制約条件情報を入力させる工程と、入力された各種情報や制約条件情報に基づいて、コンピュータが初期形状のうち形状変更が可能な領域から材料を削減した基本形状を求める工程と、基本形状を最適化するために、コンピュータ支援設計ソフトウェアを実行することにより実現されるＣＡＤ機能と、モーフィングモデル作成ソフトウェアを実行することにより実現されるモーフィング機能のどちらを用いるかをオペレータによって選択させる選択工程と、選択工程によって選択されたＣＡＤ機能によって基本形状のＣＡＤ形状を変更することにより最適化をコンピュータが行うか、あるいは選択されたモーフィング機能によって基本形状のモーフィングモデルを変形することにより最適化をコンピュータが行う最適化工程とを含む。
【００２６】
コンピュータ支援設計ソフトウェアにより機械構造物の外形形状を求めることと、モーフィングモデル作成ソフトウェアにより機械構造物の外形形状を求めることとの利点を利用して機械構造物を設計することが可能になる。
【００２７】
好ましくは、最適化工程は、選択工程でモーフィング機能が選択されたとき、モーフィングモデル作成ソフトウェアを用いてモーフィングモデル形状を格子状に区切ったメッシュを変形する工程と、変形したメッシュの変形量を判別する工程とを含み、選択工程は、メッシュの変形量に応じて選択指示を与える工程を含む。
【００２８】
外形形状を最適化することで容易に最適な形状の機械構造物を設計できる。
【００２９】
この発明の他の局面は、機械構造物の形状設計装置であって、転動体を有する軸受部と、軸受部から径方向に延びる複数の取付け部とを有する機械構造物の形状を設計する形状設計装置であって、オペレータによって、軸受部を形状の変更が不可能な領域として設定され、取付け部を形状の変更が可能な領域として設定されたことに基づいて、機械構造物の初期形状を求める外形形状作成手段と、オペレータによって、機械構造物に加わる各種情報や制約条件情報が入力されたことに基づいて、初期形状の内形状の変更が可能な領域から材料を削減して外形形状を変形して基本形状を求める外形形状変形手段と、基本形状を最適化するために、コンピュータ支援設計ソフトウェアを実行することにより実現されるＣＡＤ機能と、モーフィングモデル作成ソフトウェアを実行することにより実現されるモーフィング機能のどちらを用いるかをオペレータによって選択させる選択手段と、選択手段によって選択されたＣＡＤ機能によって基本形状のＣＡＤ形状を変更することにより最適化を行うか、あるいは選択されたモーフィング機能によって基本形状のモーフィングモデルを変形することにより最適化を行って自動設計する最適化手段とを備える。
【００３０】
この発明の機械構造物の形状設計装置によっても、コンピュータ支援設計ソフトウェアと、モーフィングモデル作成ソフトウェアモーフィングモデルとのいずれかを用いて外形形状を最適化することで容易に最適な形状の機械構造物を自動設計できる。
【００３１】
この発明のさらに他の局面は、機械構造物形状設計プログラムであって、転動体を有する軸受部と、軸受部から径方向に延びる複数の取付け部とを有する機械構造物の形状を設計するコンピュータを、オペレータによって、軸受部を形状の変更が不可能な領域として設定され、取付け部を形状の変更が可能な領域として設定されたことに基づいて、機械構造物の初期形状を求める外形形状作成手段と、オペレータによって、機械構造物に加わる各種情報や制約条件情報が入力されたことに基づいて、初期形状のうち形状の変更が可能な領域から材料を削減して外形形状を変形して基本形状を求める外形形状変形手段と、基本形状を最適化するために、コンピュータ支援設計ソフトウェアを実行することにより実現されるＣＡＤ機能と、モーフィングモデル作成ソフトウェアを実行することにより実現されるモーフィング機能のどちらを用いるかをオペレータによって選択させる選択手段と、選択手段によって選択されたＣＡＤ機能によって前記基本形状のＣＡＤ形状を変更することにより最適化を行うか、あるいは選択されたモーフィング機能によって基本形状のモーフィングモデルを変形することにより最適化を行って自動設計する最適化手段として機能させる。
【００３２】
コンピュータによって、機械構造物の形状設計を実現できる。
【００３３】
この発明のさらに他の局面は、機械構造物形状設計プログラムを記録する記録媒体であって、転動体を有する軸受部と、軸受部から径方向に延びる複数の取付け部とを有する機械構造物の形状を設計するコンピュータを、オペレータによって、軸受部を形状の変更が不可能な領域として設定され、取付け部を形状の変更が可能な領域として設定されたことに基づいて、機械構造物の初期形状を求める外形形状作成手段と、オペレータによって、機械構造物に加わる各種情報や制約条件情報が入力されたことに基づいて、初期形状の内形状の変更が可能な領域から材料を削減して外形形状を変形して基本形状を求める外形形状変形手段と、基本形状を最適化するために、コンピュータ支援設計ソフトウェアを実行することにより実現されるＣＡＤ機能と、モーフィングモデル作成ソフトウェアを実行することにより実現されるモーフィング機能のどちらを用いるかをオペレータによって選択させる選択手段と、選択手段によって選択されたＣＡＤ機能によって基本形状のＣＡＤ形状を変更することにより最適化を行うか、あるいは選択されたモーフィング機能によって前記基本形状のモーフィングモデルを変形することにより最適化を行って自動設計する最適化手段として機能させる。
【００３４】
記録媒体に記録されているプログラムをコンピュータで実行させることにより、機械構造物の形状の設計を実現できる。
【発明の効果】
【００４６】
この発明によれば、コンピュータ支援設計ソフトウェアおよびモーフィングモデルソフトウェアを用いて、機械構造物の外形形状を求めるとともに、外形形状を変形するようにしたので、両者の利点を利用して、機械構造物を最適な形状になるように設計することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】この発明の一実施形態の転動体を有する機械構造物の形状設計装置のブロック図である。
【図２】この発明の一実施形態の転動体を有する機械構造物の形状設計装置でハブホイールの形状を設計する方法を説明するためのフローチャートである。
【図３】ＣＡＤ形状の寸法変更を説明するための図である。
【図４】モーフィングモデル形状の寸法変更を説明するための図である。
【図５】この発明の他の実施形態の転動体を有する機械構造物の形状設計装置でハブ軸受の形状を設計する方法を説明するためのフローチャートである。
【図６】この発明のさらに他の実施形態における転動体を有する機械構造物の形状設計装置のブロック図である。
【図７】この発明のさらに他の実施形態における転動体を有する機械構造物の形状設計方法を説明するためのフローチャートである。
【図８】この発明のさらに他の実施形態における転動体を有する機械構造物の形状設計方法を説明するためのフローチャートである。
【図９】この発明のさらに他の実施形態における転動体を有する機械構造物の形状設計方法を説明するためのフローチャートである。
【図１０】従来のハブ軸受の縦断面図である。
【図１１】ハブホイールの初期形状を示す外観斜視図であり、（Ａ）はフランジ部の一方面側から見た外観斜視図であり、（Ｂ）はフランジ部の他方面側から見た外観斜視図である。
【図１２】図１０に示すハブ軸受に含まれるハブホイールを示す外観斜視図である。
【図１３】図１１（Ａ）に示す線Ａ−Ａに沿う縦断面図である。
【図１４】構造物の従来の形状設計方法を説明するためにハード構成とフローチャートとを概念的に示した図である。
【図１５】メッシュモデルにおけるメッシュの間隔を狭くしすぎた場合の不具合を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００４８】
以下に、図面を参照して、この発明の実施例について説明する。
【実施例】
【００４９】
図１はこの発明の一実施形態の転動体を有する機械構造物の形状設計装置のブロック図である。
【００５０】
図１において、３Ｄ−ＣＡＤ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ  Ａｉｄｅｄ  Ｄｅｓｉｇｎ）１１０は、３次元図形を形成するコンピュータ支援設計とも呼ばれ、コンピュータを用いて設計をする装置である。なお、３Ｄ−ＣＡＤに限ることなく２次元（２Ｄ）‐ＣＡＤを用いてもよい。３Ｄ‐ＣＡＤ１１０は、制御部１１１と、入力部１１２と、表示部１１３と、印刷部１１４と、メモリ１１５とを含む。制御部１１１は設計のための演算などを行なうものであり、外形形状作成手段と、外形形状変形手段と、最適化手段として作動する。
【００５１】
入力部１１２はキーボードやマウスなどを含む。オペレータが入力部１１２を操作することにより、形状変更可能領域と形状変更不可能領域や種々の条件が入力され、設計された機械構造物であるハブホイールなどの第１の形状である初期形状や、第２形状である基本形状の輪郭の変更やモーフィングモデル形状のメッシュの変更が指示される。表示部１１３は、設計された機械構造物であるハブホイールなどの形状を表示する。印刷部１１４は設計された設計された機械構造物であるハブホイールなどの形状を印刷する。
【００５２】
メモリ１１５は、各種プログラムであるソフトウェアを記憶する。この実施形態では、制御プログラムソフトウェア１１６と、有限要素法モデル作成ソフトウェア１１７と、モーフィングモデル作成ソフトウェア１１８と、最適化ソフトウェア１１９と、モーフィングモデル形状変更ソフトウェア１２０と、ＣＡＤ形状変更ソフトウェア１２１とを記憶している。
【００５３】
制御プログラムソフトウェア１１６は、後述の図２に示すフローチャートに基づくソフトウェアである。有限要素法モデル作成ソフトウェア１１７は、有限要素解析用モデルを作成するためのソフトウェアであり、モーフィングモデル作成ソフトウェア１１８は、モーフィングモデルを作成するためのソフトウェアである。最適化ソフトウェア１１９は、作成された機械構造物であるハブホイールなどの形状が最適化されているかを判別するためのソフトウェアである。モーフィングモデル形状変更ソフトウェア１２０は、有限要素法で作成されたメッシュモデルのメッシュの大きさや形状を変更することによりモデルの外形寸法を最適化するためのソフトウェアである。ＣＡＤ形状変更ソフトウェア１２１は、３Ｄ‐ＣＡＤ１１０で形成されたＣＡＤ形状の輪郭を変形することにより、外形寸法を最適化するためのソフトウェアである。
【００５４】
なお、これらのソフトウェア１１６〜１２１をＣＤやＤＶＤなどの記録媒体に記録しておき、読取装置により記録媒体から各ソフトウェア１１６〜１２１を読取ってメモリ１１５に書き込むようにしてもよい。
【００５５】
図２はこの発明の一実施形態の転動体を有する機械構造物の形状設計装置でハブホイールの形状を設計する方法を説明するためのフローチャートであり、図３はＣＡＤ形状の寸最適化を説明するための図であり、図４はモーフィングモデルの最適化を説明するための図である。
【００５６】
図２において、３Ｄ‐ＣＡＤ１１０の制御部１１１は、ステップ（図示ではＳＰと略称する）ＳＰ１において、図１１（Ａ），（Ｂ）に示したハブホイールの第１の形状である初期形状や、図１３（Ａ）に示した断面形状の画像を表示部１１３に表示する。オペレータは、表示部１１３の表示を見て、図１２に示したハブホイール１に関して、形状変更可能領域と形状変更不可能領域とを設定した後、荷重条件，拘束条件，接触条件および鍛造抜き勾配などを定義する。荷重条件として路面からハブホイール１に加わる入力荷重を定義する。
【００５７】
オペレータは、各種情報や制約条件を定義して入力部１１２から入力する。制御部１１１は、ステップＳＰ２において、各種情報が入力されたか否かを判別し、入力されたことを判別すると、ステップＳＰ３において、有限要素法モデル作成ソフトウェア１１７を用いて、均質化法に基づく方法や、力法に基づく方法によりトポロジー最適化解析または領域形状最適化を行って構造形態最適化形状（外形形状）である基本形状を求める。この基本形状は、初期形状から材料を削減した第２形状である。
【００５８】
ここでトポロジー最適化解析とは、空間内に最適な構造形態をとる形状を得る手法をいい、どのように部材を配置すれば最適な構造になるかを求める解析であり、解析対象よりやや大きめの空間を設定し、必要な箇所を抜出していく方法である。領域形状最適化解析も、目的とするところはトポロジー最適化と同じであるが、構造物の領域（形状）を変化させて求める点がトポロジー最適化解析と異なる。
【００５９】
トポロジー最適化手法としては、例えばＢｅｎｄｓｏｅ，Ｍ．Ｐ．ａｎｄ  Ｋｉｋｕｃｈｉ，Ｎ．，“Ｇｅｎｅｒａｔｉｎｇ  ｏｐｔｉｍａｌ  ｔｏｐｏｌｏｇｉｅｓ  ｉｎ  ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ  ｄｅｓｉｇｎ  ｕｓｉｎｇ  ａ  Ｈｏｍｏｇｅｎｉｚａｔｉｏｎ  ｍｅｔｈｏｄ”，Ｃｏｍｐｕｔ．Ｍｅｔｈｏｄｓ  Ａｐｐｌ．Ｍｅｃｈ  Ｅｎｇｒｇ．，７１（１９８８）．ｐｐ．１９７−２２４によって提案された均質化法に基づく方法がある。また、力法による最適化手法として、例えば、畔上秀幸，呉志強“線形弾性問題における領域最適化解析（力法によるアプローチ）”、日本機械学界論文集Ａ編，６０（５７８），１９９４，ｐｐ．２３１２−２３１８．がある。
【００６０】
さらに、トポロジー最適化を行なうために、ＯｐｔｉＳｔｒｕｃｔ（Ａｌｔａｉｒ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ），ＯｐｔｉＳｈａｐｅ（くいんと），ＧＥＮＥＳＩＳ（ＶＤＯＣ），ＮＡＳＴＲＡＮ（エムエスシー）、領域形状最適化を行なうためにＯｐｔｉＳｈａｐｅ（くいんと）などのソフトウェアを使用することができる。ステップＳＰ１〜ＳＰ３は、ＣＡＤによる外形形状が決定される第１工程である。
【００６１】
決定した基本形状は、表示部１１３に画像として表示される。制御部１１１は、ステップＳＰ４において、寸法最適化解析のために、基本形状から図１３（Ｂ）に示すメッシュモデルを作成する。ステップＳＰ５において、モーフィングモデル作成ソフトウェア１１８を用いて、モーフィング技術を適用し、厚みなどの設計変数に対して形状の変更が可能な、基本形状の輪郭内をメッシュで示したモーフィングモデルを作成する。このようにモーフィングモデルを作成することにより、形状の変更が容易になる。ステップＳＰ４〜ＳＰ６は、外形形状を変形する第２工程である。
【００６２】
オペレータは作成したモーフィングモデルに関して荷重条件や拘束条件などを定義する。制御部１１１は、ステップＳＰ６において、有限要素解析用モデルを作成し、有限要素法計算により、各部の応力と変位を計算して構造解析を実行する。実行された構造解析の結果の有限要素法計算結果分析を行い、ステップＳＰ７において、最適化ソフトウェア１１９を用いて、有限要素解析用モデルが最適化されているか否かを判断する。最適化されていれば処理を終了する。
【００６３】
最適化されていないとき、作成された有限要素解析用モデルを変形、すなわち寸法の変更を行なう。有限要素解析用モデルは、モデルの外形形状であるＣＡＤ形状と、ＣＡＤ形状の表面を格子状に区切ったメッシュで表されたモーフィングモデル形状とで表されている。オペレータは変更が大きければステップＳＰ１〜ＳＰ３で決定されたＣＡＤ形状の寸法変更をする必要があると判断し、変更がわずかでありＣＡＤ形状を変更するまでもなく外形線のわずかな変更、すなわち微調整で済むと判断すればステップＳＰ４、ＳＰ５で決定されたモーフィングモデル形状の変更であると判断し、いずれで変更すべきかを入力部１１２を操作して指示する。そして、オペレータは、ＣＡＤ形状の寸法変更に必要な形状のデータを入力部１１２から入力するかあるいは、モーフィングモデル形状の寸法変更であれば、変更すべきメッシュを指示してそのメッシュの形状を変更する。
【００６４】
制御部１１０は、ステップＳＰ８において、ＣＡＤ形状の寸法変更であるかを判別し、ＣＡＤ形状の寸法変更であることを判別すると、ステップＳＰ９において、ＣＡＤ形状変更ソフトウェア１２１を用いて、入力されたデータに応じてＣＡＤ形状の変形を行なう。ＣＡＤ形状の変形でないことを判別したときには、ステップＳＰ１０において、モーフィングソフトウェア１２０を用いて、指示されたメッシュの形状を変更してモーフィングモデル形状の変形を行なう。いずれかのモデルの寸法が変更されると、ステップＳＰ６に戻り、有限要素解析用モデルを再度作成し、ステップＳＰ７において最適化されていることが判別されると、処理を終了する。ステップＳＰ７〜ＳＰ１０は、外形形状を最適化する第３の工程である。
【００６５】
より具体的に説明すると、オペレータは、例えば、加工し易いように、平面や円筒面や円錐面で近似した形状に変形すると必要があると判断したときには、先にＣＡＤ形状の輪郭の変更を行い、その後、変更の微調整を行ないたいときはモーフィングモデル形状のメッシュの変更を行なう。変更について具体的に説明すると、図３（Ａ）に示すハブ軸受の縦断面のＣＡＤ形状に対して、形状変更可能領域であるパイロット１４の内側の底の深さを変更するときは、図３（Ｂ）に示すように、底の外形線を矢印Ｇに示す軸方向に移動し、パイロット１４の内側の径方向の寸法を変更したいときには、図３（Ｃ）に示すように、矢印Ｈに示す径方向の外形線を移動させる。
【００６６】
外形形状の変更を微調整したいときには、図４に示すモーフィングモデルにおいて、軸方向（Ｉ方向）に並んでいるメッシュの大きさを小さくすれば軸方向の寸法を短くでき、メッシュの大きさを大きくすれば軸方向の長さを長くできる。また、図４において、径方向（Ｊ方向）に並んでいるメッシュの大きさを変更することで、径方向の寸法を微調整できる。
【００６７】
なお、図３（Ｂ）に示すようにパイロット１４の内側の底の深さを変更するとき、ＣＡＤ形状で底の深さを最も深い形状に輪郭を変更しておき、その後、底の深さが浅くなるようにモーフィングモデル形状を膨らませるようにメッシュの形状を変更すれば、メッシュがつぶれ難くなる。
【００６８】
また、モーフィングモデル形状の変更を行なった後に、ＣＡＤ形状の変更を行なうようにしてもよい。すなわち、オペレータは、形状変更に応じて、ＣＡＤ形状の変更と、モーフィングモデル形状の変更とを選択的に選べばよい。
【００６９】
上述のごとく、この実施形態によれば、３Ｄ‐ＣＡＤ１１０により有限要素法モデル作成ソフトウェア１１６を用いて機械構造物のＣＡＤ形状を求め、求められたＣＡＤ形状で規定される機械構造物を、モーフィングモデル作成ソフトウェア１１を用いて、格子状に区切ったメッシュで示されたモーフィングモデル形状を求めて機械構造物を設計することができる。また、オペレータが形状最適化のためにＣＡＤ形状の輪郭の変更であるか、あるいはモーフィングモデル形状の変更であるかを判断し、いずれで変更すべきかを選択できるようにしたので、ハブホィール１を最適な形状になるように設計することができる。
【００７０】
図５は、この発明のさらに他の実施形態における転動体を有する機械構造物の形状設計方法を説明するためのフローチャートである。
【００７１】
図１〜図４に示した実施形態は、図１１に示したハブホイール１の最適形状を求めたのに対して、図５に示した実施形態は、転動体モデルも解析して、転動体を有する機械構造物としての最適な軸受の形状を設計するものである。すなわち、図２に示したフローチャートの処理と並行して、転動体の解析計算を行なう。すなわち、転動体接触解析により、接触角や接触楕円範囲を計算する。転動体接触解析に関しては、Ａ．Ｂ．ジョーンズ（Ａ．Ｂ．ＪＯＮＥＳ）著，“Ａ Ｇｅｎｅｒａｌ  Ｔｈｅｏｒｙ  ｆｏｒ  Ｅｌａｓｆｉｃａｌｌｙ  Ｃｏｎｓｔｒａｉｎｃｄ  Ｂａｌｌ  ａｎｄ  Ｒａｄｉａｌ  Ｒｏｌｌｅｒ  Ｂｅａｒｉｎｇｓ  Ｕｎｄｅｒ  Ａｒｂｉｔｒａｒｙ  Ｌｏａｄ  ａｎｄ  Ｓｐｅｅｄ  Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ”  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｂａｓｉｃ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｊｕｎｅ  １９６０／３０９に記載されている。
【００７２】
図１１（Ａ）に示した内輪軌道面１２と、外輪軌道面との転走面間の距離を定義するために、オペレータはステップＳＰ１において形状表示された後、外輪の形状などの情報を入力する。ここで、転走面間の距離は、玉軸受であれば外輪の内周面と内輪の内周面との対向する距離を意味し、ころ軸受であれば「ころの軸線に垂直な平面」と「内外輪転走面上のころとの接触線」との交点間の距離を意味する。転走面間の距離および外輪または内輪に加わる荷重は、ステップＳＰ６における有限要素解析用モデル作成により得られる。
【００７３】
転動体（玉、ころなど）、が外輪と内輪との間の転走面と接触する部分については、ヘルツの接触理論を適用することが一般に行われている。ステップＳＰ１５において、軸受の解析であるか否かを判別し、軸受の解析であればステップＳＰ２１において、ステップＳＰ６の有限要素解析用モデルで作成された外輪および内輪の間の距離と、外輪または内輪に加わる荷重とが入力されていることを判別する。ステップＳＰ２２において、転走面間の距離と荷重との関係を解析し、ヘルツの接触理論から得られる非線形ばねとして数値モデル化する。ステップＳＰ２３において、数値化モデルに基づいて、転動体モデルを作成する。転動体モデルは、玉やころの数や、その直径などの外形を規定したモデルである。作成した転動体モデルを有限要素法モデルに組み込む。それ以外の処理は図１と同じである。
【００７４】
この実施形態では、単にハブホイールの形状を設計するのみならず、軸受を解析することにより、転動体も含めたハブ軸受の最適な形状を設計できる。
【００７５】
図６は、この発明の他の実施形態の転動体を有する機械構造物の形状設計装置を示すブロック図である。
【００７６】
図６に示した実施形態は、３Ｄ−ＣＡＤ１１０ａに形状変更データベース１２２を備えたものであり、その他の構成は図１と同じである。形状変更データベース１２２は、記憶手段として作動し、形状変更するＣＡＤ形状の輪郭およびモーフィングモデル形状のメッシュのそれぞれの複数の異なる形状のパターンをテンプレートとして記憶している。
【００７７】
図２に示したフローチャートにおけるステップＳＰ９において、ＣＡＤ形状の寸法を変更するとき、およびステップＳＰ１０においてモーフィングモデル形状の寸法を変更するときは、オペレータが入力部１１２から指示を与えることにより、形状変更データベース１２２から所望の形状を読み出して、該当する部分の寸法変更を行なう。図１に示した実施形態では、ＣＡＤ形状の寸法を変更するためにオペレータがベクトルデータを入力したり、変更すべきモデルのメッシュの形状をその都度変更したりする必要がある。これに対して、この実施形態によれば、形状変更データベース１２２から所望の形状を読み出して入力するだけでＣＡＤ形状あるいはモーフィングモデル形状の寸法変更を容易に行なうことができる。
【００７８】
図７はこの発明のさらに他の実施形態における転動体を有する機械構造物の形状設計方法を説明するためのフローチャートである。
【００７９】
この実施形態は、図示しないが図１に示したメモリ１１５に寸法変更値分配ソフトウェアを記憶している。図７に示すステップＳＰ１１において、最適化のためにＣＡＤ形状を変更するとき、およびステップＳＰ１２において、モーフィングモデル形状を変更するときに、それぞれ寸法変更値分配ソフトウェアに基づいて、寸法変更値を振分ける。それ以外の処理は、図１と同じである。
【００８０】
寸法変更値は、モデルの形状に応じて決定すればよい。例えば、形状の変形割合が所定値より多ければＣＡＤ形状の変形値を大きくし、モーフィングモデル形状の変形値を少なくすることが考えられる。
【００８１】
図８は、この発明のさらに他の実施形態における転動体を有する機械構造物の形状設計方法を説明するためのフローチャートである。
【００８２】
この実施形態は、モーフィングモデル形状を変更した後、メッシュの品質チェックを行なうようにしたものである。すなわち、図８に示すステップＳＰ１２において、図７の説明と同様にして、最適化のために分配値に基づいてモーフィングモデル形状を変更した後、ステップＳＰ１３において、メッシュの品質のチェックが正常であるか否かを判別する。
【００８３】
メッシュの品質チェックは、メッシュのゆがみ値、ストレッチゆがみなど変形量のチェックを行なうことである。ストレッチは、例えば三角形で言えば三角形の内側にフィットする最大の円の半径をコーナ節点間の最大距離で割ったものである。もし、メッシュがつぶれているようであればその後の解析計算ができないので、ステップＳＰ１４において、ＣＡＤ形状の変更する割合が大きくなるように分配値を変更する。そして、ステップＳＰ１１において、変更した分配値でＣＡＤ形状の変形を行なう。それ以外の処理は図１と同じある。
【００８４】
このように、メッシュがつぶれているようであれば、ＣＡＤ形状の変更を大きくすることにより、その後にモーフィングモデル形状を変更してもメッシュの品質が悪くなるのを防ぐことができる。
【００８５】
図９は、この発明のさらに他の実施形態における転動体を有する機械構造物の形状設計方法を説明するためのフローチャートである。
【００８６】
図９に示した実施形態は、図２、図５、図６、図７、図８の各実施形態を組合わせたものである。この実施形態によれば、ステップＳＰ１１，１２において、分配値に基づいてＣＡＤ形状、モーフィングモデル形状を変更し、ステップＳＰ１３においてメッシュの品質をチェックし、ステップＳＰ１４において、メッシュの品質に応じて分配値を変更し、ステップＳＰ２１〜ステップＳＰ２３において転動体モデルを作成できる。したがって、最適なハブ軸受の形状を自動的に設計することが可能になる。
【００８７】
なお、上述の説明では、この発明をハブホイール１の最適形状を求める場合に適用したが、これに限ることなく、その他の等速ジョイント，ロッカーアームなどのように転動体を有し、複数の要素を有する機械構造物の最適形状を求める場合にも適用することができる。
【００８８】
以上、図面を参照してこの発明の実施形態を説明したが、この発明は、図示した実施形態のものに限定されない。図示された実施形態に対して、この発明と同一の範囲内において、あるいは均等の範囲内において、種々の修正や変形を加えることが可能である。
【符号の説明】
【００８９】
１  ハブホイール、１１０  ３Ｄ‐ＣＡＤ、１１１  制御部、１１２  入力部、１１３  表示部、１１４  印刷部、１１５  メモリ、１１６  制御プログラムソフトウェア、１１７  有限要素法モデル作成ソフトウェア、１１８  モーフィングモデル作成ソフトウェア、１１９  最適化ソフトウェア、１２０  モーフィングモデル形状変更ソフトウェア、１２１  ＣＡＤ形状変更ソフトウェア、１２２  形状変更データベース。
【図１】
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【図２】
0005467810.tif 000003
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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