(57)【要約】  回転機械組立体のための設計を生成するためのコンピュータ実装システムを開示する。本システムは、回転機械組立体のうちの１つ以上のコンポーネントに関するデータを受信するように構成されたデータモジュール（１０）と、データモジュールによって受信されたデータを指定し、データに対して実行される解析の種類をユーザから受信するように構成されたユーザインターフェースモジュール（２０）と、選択された解析の種類と使用されるデータの選択された特徴とに従って、回転機械組立体の性能を解析するように構成された解析モジュール（３０）と、を備える。本システムは、選択された解析の種類に従って解析に使用するデータの特徴を識別および選択するように構成された認識モジュール（４０）をさらに備える。本システムは、ドライブラインの性能に関する最も正確かつ有益な洞察が設計プロセスのできるだけ早期にエンジニアに提供されるような、ひいては、製品設計および最適化が可能な限り迅速かつ効率的に実施され得るような、ドライブラインシステムの設計におけるデータを管理および調整するための手法を提供する。製品性能のより多くの側面がまとめて調整され、エンジニアリングの洞察がますます大きくなるため、本方法論は、数学的シミュレーションではなく、技術的意思決定を行うためのプラットフォームになる。
2019501445.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転機械組立体のための設計を生成するためのコンピュータ実装システムであって、
前記回転機械組立体のうちの１つ以上のコンポーネントに関するデータを受信するように構成されたデータモジュールと、
前記データモジュールによって受信されたデータを指定し、前記データに対して実行される解析の種類をユーザから受信するように構成されたユーザインターフェースモジュールと、
選択された前記解析の種類に従って、前記解析に使用する前記データの特徴を識別および選択するように構成された認識モジュールと、
選択された前記解析の種類と使用される前記データの選択された特徴とに従って、前記回転機械組立体の性能を解析するように構成された解析モジュールと、を備え、
前記データモジュールは、生成された前記設計を含む、
コンピュータ実装システム。
【請求項２】
前記認識モジュールは、回転機械コンポーネントの機能的特徴およびそれらの接続の機能的特徴のデータベースを備え、データモジュール（１０）に保持された前記データを解析して、それ自身の機能的特徴データベースに含まれる特徴を識別するように構成される、
請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記データモジュールは、ハウジング、遊星キャリヤ、またはデフケースを含む一般化された形状用であるＣＡＤのソリッドジオメトリをインポートするように構成される、
請求項１または２に記載のシステム。
【請求項４】
前記データモジュールは、軸のＣＡＤプロファイルをインポートするように構成される、
請求項１または２に記載のシステム。
【請求項５】
前記１つ以上のコンポーネントは、一式の内部コンポーネントを含み、前記データモジュールによって受信されるデータは、ユーザ定義の肉厚および前記回転コンポーネントからのすきまを含み、前記解析モジュールは、前記回転コンポーネントを包み込むハウジングを作成する、
請求項１または２に記載のシステム。
【請求項６】
前記認識モジュールは、軸受外輪を識別し、これらが前記ハウジングによって支持される必要があると判断し、前記解析モジュールは、前記軸受の幅に等しい長さと、前記軸受の外径に等しい内径と、ユーザ定義の外径とを有し、前記軸受外輪を包囲する支持円筒を生成し、前記円筒は、前記ハウジング構造に一体化される、
請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
前記１つ以上のコンポーネントは、一式の内部コンポーネントを含み、前記データモジュールによって受信されるデータは、ユーザ定義の肉厚および前記回転コンポーネントからのすきまを含み、前記解析モジュールは、前記回転コンポーネントを包み込むハウジングを作成する、
請求項１または２に記載のシステム。
【請求項８】
前記１つ以上のコンポーネントは、歯車、遊星ピン、および遊星軸受を含み、前記認識モジュールは、歯車セットコンポーネントを識別し、それらがどのように遊星キャリヤと相互作用するかを識別し、前記解析モジュールは、前記遊星キャリヤを定義する、
請求項１または２に記載のシステム。
【請求項９】
前記データモジュールに提供されるデータは、ＣＡＤからインポートされたソリッドジオメトリと、軸、軸受、および歯車を含む他のコンポーネントに関するデータと、を含み、これらが配置されている場合、３Ｄメッシュが前記解析モジュールによって作成される、
請求項１から８のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１０】
前記３Ｄメッシュは、軸、軸受、および歯車を含むさらなるコンポーネントに接続され、凝縮のプロセスは、前記解析モジュールによって実行される、
請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
前記解析モジュールにおいて、転動体軸受の非線形剛性計算を含む性能データを解析する、
請求項９または１０に記載のシステム。
【請求項１２】
遊星キャリヤのメッシュ生成、接続および凝縮のプロセスが、前記解析モジュールにおいて遊星歯車負荷分散の計算と組み合わされる、
請求項１から１１のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１３】
ハウジングおよび遊星キャリヤのメッシュ生成、接続ならびに凝縮のプロセスが、前記解析モジュールにおいて歯車の噛み合いのミスアライメント、伝達エラー、応力および寿命の計算と組み合わされる、
請求項１から１２のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１４】
ハウジングおよび遊星キャリヤのメッシュの生成、接続ならびに凝縮のプロセスが、モード周波数およびモード形状の計算と、前記解析モジュールにおける伝達に対する強制応答と組み合わされる、
請求項１から１３のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１５】
前記解析モジュールは、３Ｄ  ＦＥ構造の応力解析を実行する、
請求項１から１４のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１６】
前記データモジュールは、回転機械組立体を受け取り、前記認識モジュールは、軸への接続を識別する、
請求項１から１５のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１７】
軸に保持される特徴が、前記ユーザによって入力モジュールに指定される、
請求項１６に記載のシステム。
【請求項１８】
前記認識モジュールは、ティモシェンコ梁解析には短すぎる軸部分を識別する、
請求項１６または１７に記載のシステム。
【請求項１９】
前記認識モジュールは、２Ｄシェル要素を使用する選択肢を前記ユーザに提供する、
請求項１８に記載のシステム。
【請求項２０】
前記認識モジュールは、断面、隅の丸み、ラジアル穴、キー溝、スプラインの変化を認識して、前記軸をＨＥＸ自動化する、
請求項１６または１７に記載のシステム。
【請求項２１】
前記認識モジュールは、前記軸をシェル自動メッシュ化する、
請求項１６または請求項１７に記載のシステム。
【請求項２２】
前記認識モジュールは、ｈｅｘ、シェルおよびティモシェンコ梁を使用する、
請求項１６または１７に記載のシステム。
【請求項２３】
同じのドライブラインモデルにおいて、異なる軸の異なる要素の種類が使用される、
請求項２３に記載のシステム。
【請求項２４】
異なる種類の要素が同じ軸で使用される、
請求項２２に記載のシステム。
【請求項２５】
回転機械組立体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コンピュータ実装方法であって、
前記回転機械組立体の１つ以上のコンポーネントに関するデータを提供するステップと、
前記データに対して実行される解析の種類をユーザから受け取るステップと、
選択された前記解析の種類に応じて前記解析に使用されるデータの特徴を認識するステップと、
選択された前記解析の種類に応じて前記回転機械組立体の性能を解析するステップと、
を含む、
方法。
【請求項２６】
前記データがＣＡＤデータを含む、
請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記ＣＡＤデータは、１つ以上の特定用途向けパッケージから取得される、
請求項２５に記載の方法。
【請求項２８】
前記特定用途向けパッケージがＣＡＤ読み取り可能テンプレートを出力する、
請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
前記ＣＡＤデータがＣＡＤ軸データを含む、
請求項２７に記載の方法。
【請求項３０】
選択された前記解析の種類に従って前記解析のために前記データのどの特徴を使用するかを判定するステップは、前記解析に不要なコンポーネントを除去するステップを含む、
請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
前記解析に必要のないコンポーネントを除去する、前記ステップが自動的に行われる、
請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
前記ＣＡＤデータは、コンポーネントの組立体を含む、
請求項２６に記載の方法。
【請求項３３】
選択された前記解析の種類に従って前記解析のために前記データのどの特徴を使用するかを判定するステップは、組立体からの前記データにおいてコンポーネントを認識するステップを含む、
請求項３０に記載の方法。
【請求項３４】
選択された前記解析の種類の解析構造を判定するステップをさらに含む、
請求項２５から３３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３５】
前記構造がメッシュ構造である、
請求項３４に記載の方法。
【請求項３６】
前記メッシュ構造は、各コンポーネントについて同一ではない、
請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
前記メッシュ構造は、各コンポーネント内で同一ではない、
請求項３５に記載の方法。
【請求項３８】
前記コンポーネント間の移行点が自動的に判定される、
請求項３６に記載の方法。
【請求項３９】
前記軸データは、（ｉ）単純なラジアル支承体、次いで、より複雑な（ｉｉ）前記軸受の種類に対応するアキシアル制約および接触角を伴う簡単な支承体、（ｉｉｉ）ヘルツ接触要素および剛体の内側および外側の軌道を持つ軸受モデル、（ｉｖ）ヘルツ接触要素と可撓性の内側および外側軌道を有する軸受モデル、ならびに（ｖ）可撓性ころ、接触剛性および可撓性内側および外側軌道を有する有限要素軸受モデルとして存在する、軸受を含む、
請求項２９に記載の方法。
バージョン（ｉ）から（ｉｉｉ）では、軸受は、１つの節点を介して軸の中間点に接続されている。バージョン（ｉｖ）および（ｖ）では、内輪の内径の周囲に多数の節点を有する３Ｄ有限要素でモデリングされた軸受内輪を有する。
【請求項４０】
前記データに対して実行される解析の種類を指定するユーザは、忠実度のレベルを選択することを含む、
請求項２５から３９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４１】
前記データに対して実行される解析の種類を指定するユーザは、解析の周波数を選択することを含む、
請求項２５から４０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４２】
前記構造が非回転対称構造である、
請求項２５から４１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４３】
前記構造が遊星キャリヤまたはハウジングである、
請求項１９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【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、トランスミッション、ドライブシャフト、等速ジョイント、ユニバーサルジョイント、車軸、差動装置、発電機、モータ、フライホイール、バッテリ、燃料タンク、スーパーキャパシタ、クラッチ、歯車、ポンプ、軸、ファン用ブレード、ヘリコプタ、航空タービンおよび風力タービン、車両などを含む組立部品から成り立つシステムを備え、組立部品は、軸、ハウジング、ピストン、ブレード、歯車、軸受、クラッチ、回転子、および固定子などから成る。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、「動力伝達装置」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。エンジニアは、製造前にドライブラインが目的に適っていることを把握する必要があり、このことを見極めるために、様々な解析方法を使用して性能や故障の可能性を判断した後、製品の性能を最大限にするために製品定義を変更する最適化を行う。解析は、数学的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、一般的には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】
所与の故障モードまたは性能面について解析をセットアップするプロセスでは、システム、組立部品、およびコンポーネントのモデルを作成することが必要になる。従って、プロセスは、（ｉ）モデリング、（ｉｉ）解析、および（ｉｉｉ）最適化のうちの１つとなる。
【０００４】
設計プロセスでは、製品性能の様々な側面を考慮する必要があり、考慮すべき側面としては、車両／製品性能、エネルギー／燃料効率／経済性、排気ガス排出量、空間的制約内でのパッケージング、コスト、重量、構造的変位および応力、耐久性および疲労、製造性、熱性能、可聴ノイズの発生、動的入力負荷による機械的故障、ユーザおよび／または環境に悪影響を与える動的負荷の発生、速度およびギヤ比の変化、ならびに制御システムとの十分な相互作用が挙げられる（ただし、これらに限定されない）。
【０００５】
これらの異なる故障モードおよび性能面を評価するためには、異なる数学的解析方法が使用され、これらには、異なるデータからなる異なるモデルがシステムに対して必要となる。そのため、各故障モードのＣＡＥモデルをその故障モード専用に構築するのが一般的である。これを図１に示す。実際、ＣＡＥパッケージは、所与の故障モードを評価する目的専用に開発されることが多い。
【０００６】
各コンポーネントまたはサブシステムの性能を予測するには、異なる計算アルゴリズムを必要とすることが多い。また、コンポーネントおよびサブシステムは、異なる部門または企業によって設計および製造されることが多い。従って、そのコンポーネントまたはサブシステムのシミュレーションは、コンポーネントまたはサブシステムだけに焦点を当て、他のコンポーネントまたはサブシステムとの間で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】
創造の瞬間を経るのとは対照的に、システムの設計は、プロセスの結果として発展する。設計を定義するいくつかのパラメータは、プロセス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】
そのため、製品性能の同じ側面であっても、設計プロセスの様々な段階で製品性能の様々な解析が実行される。すべての方法が最初から可能とは限らない。一般的には、製品定義が軽い場合に比較的単純な解析のみが可能であり、設計プロセスの終わりに近づかないと、より複雑な解析はできない。
【０００９】
さらに、同じ故障モードについて、設計プロセスの早い段階で簡単な解析を実行する場合があり、その後、同じ故障モードについてより複雑な解析を行う場合がある。これは、製品の定義がより成熟し、より高い忠実度を含むからである。しばしば、これらの異なるレベルの忠実度は、異なるＣＡＥパッケージを必要とし、その際、設計プロセス内のデータ転送、データ更新などのすべての問題を伴う。
【００１０】
全体として、異なるモデルは異なる目的を有し、設計プロセスの異なる段階で使用されることが理解されよう。ドライブラインの完全な設計および最適化には、単一のモデル定義を使用することはできず、それぞれ異なる特徴ならびに異なる長所および短所を持つ異なるモデルが、設計プロセスの様々な段階において、様々なエンジニアによって使用される。
【００１１】
このことは、設計者のチームが、ドライブラインの性能を解析するためにいくつかの別個のアプリケーションを使用することを意味する。様々なレベルの複雑さでモデルを解析するには、同じ性能指標に対して別個のアプリケーションを使用する必要がある。加えて、１つの性能指標に対する数学的解析に適したモデルは、別の性能指標には適さない。設計チームの各メンバーは、（ｉ）選択するアプリケーションと、（ｉｉ）使用するモデルと正確さのレベルと、（ｉｉｉ）所望の結果を得るのに必要な解析と、を把握するための知識および経験を働かせる必要がある。
【００１２】
加えて、回転機械組立体（入力データ）を記述する情報が単純な解析のみに値する場合に、ユーザが詳細な解析を使用し、その結果、解析のエラーにつながる可能性があるが、ユーザは把握していない場合がある、というリスクがある。
【００１３】
さらに、モデルは手動で作成されるため、異なるアプリケーションでは、回転機械組立体（製品定義）を記述する情報の変更は、異なるアプリケーションで実行される他の解析に派生していかず、多くの場合、派生し得ない。
【００１４】
このことは、設計と解析との間で製品を創り出す際に行われるエンジニアリング活動において、特定の区分を考える場合に特に重要である。少なくとも機械エンジニアにとっては、設計は、製品のジオメトリの定義に関係しているとみなされることが多いが、解析では、製品が性能や故障モードの側面でどのように機能するかについて、製品を検討する。実際、設計上考慮されているジオメトリは、性能のもう１つの側面にすぎず、これは、使用可能なパッケージ空間にどのように製品を収めるかという問題を扱っている。しかしながら、性能のこの側面は、一般的に、製品性能の他の側面を予測する計算機能をほとんどまたは全く持たず、かつこれを行う解析パッケージへのリンクが不十分または存在しない、全く異なるコンピュータプログラム、ＣＡＤ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ  Ａｉｄｅｄ  Ｄｅｓｉｇｎ）によって扱われる。一般的に、ＣＡＤパッケージは、設計エンジニアが操作し、解析パッケージは、解析エンジニアが操作する。その結果、設計プロセスの分断、生産性の低下、最適に到らない製品、無駄な経済活動が発生する。
【００１５】
複雑な解析には、さらなる問題がある。あらゆる解析の目的は製品の設計を導くことであり、解析の結果がエンジニアリングチームによって正しく解釈／理解され、対応する設計上の決定が下されたときに解析に価値が生まれる。結果が理解されるには、結果がエンジニアにとって「理に適って」おり、エンジニアが理解する、システムの動作方法に対応する必要がある。しかしながら、解析が非常に複雑になると、結果が複雑すぎて理解できない、またはその性能に関するエンジニアの基本的な理解と一致しない可能性がある。従って、解析結果は、その解析結果が得られる最も正確な解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において破棄される。
【００１６】
システム性能についてのエンジニアの基本的な理解は、設計プロセスの開始段階で実行された可能性のある単純な解析と非常に密接に関連していることは皮肉なことである。従って、緊張状態が存在する。つまり、精度および製品性能を向上させると考えられるためより複雑にしたいのであるが、これが行き過ぎると、複雑な解析は使えなくなるのである。
【００１７】
これらの解析の目的は、故障モードを回避することである。設計プロセスを通じて設計が成熟するにつれて、データ定義の増加は設計への出資の増加を意味するため、あらゆる故障モードの特定を可能な限り早い段階で実現し、それによって反復的な再作業の財務コストを最小限に抑える必要がある。
【００１８】
これはプロセスの最後の緊張状態を示している。プロセスは、モデリングおよび解析を加速させて生産性を生み出しながらも、すべてのシステムの影響を含んで精密である必要がある。すべてのシステムの影響を含めて大規模なシステムを解析することは、より複雑な解析に向かう傾向があるが、これは、上述のように、モデリングおよび解析の速度の問題とデータ解釈における問題とを引き起こす。
【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、ここでは、モデリング機能および解析機能は、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、すべての製品について第１原理から記述することを必要とすることなく、モデリングおよび解析の望ましい精度を実現し、それにより、生産性を維持することができる。
【００２０】
製品設計について説明してきたこのプロセスは、様々な故障モードを解析するためのドライブラインのモデルの作成のうちの１つである。設計パラメータが定義されている順序の自然な階層のため、および各解析の要件が異なることのため、設計プロセスの様々な段階で様々な解析が実行される。従って、設計プロセスは、異なる解析目的のために異なるステージで作成された同じドライブラインの異なる表現から成る。
【００２１】
上述の問題を扱うために様々な手法を使用できるが、これらはすべて異なる背景を持ち、異なる訓練を受けたエンジニアが使用する複数のソフトウェアを伴う。
【００２２】
ＣＡＤをインポートする方法
【００２３】
非常に多くの異なる性能基準が予測されるため、異なるＣＡＥパッケージが開発されている。ＣＡＤは、ドライブラインの形状（ジオメトリ）を定義するために使用され、マルチボディダイナミクス（ＭＢＤ）パッケージおよび有限要素解析（ＦＥＡ）パッケージは、システム全体の構造（静的および動的）性能を予測し、専門コンポーネントパッケージは、個々のコンポーネント（スプライン、歯車など）の性能を予測し、特定用途向けパッケージは、いくつかの種類のコンポーネントの性能を組み合わせて、特定の性能目標のためのドライブラインの性能を記述し、マルチドメインシミュレーションツール（例えば、Ｓｉｍｕｌｉｎｋ）は、燃費、シフトクオリティなどについて車両システム内のドライブラインの動作を検討する。一部のドライブラインシステムシミュレーション用の特定用途向けパッケージにより、ドライブラインコンポーネントの全体的な形状を定義することができるが、その定義はＣＡＤモデルの定義には及ばない。各パッケージには役割があり、そのパッケージ内のドライブラインの定義は、割り当てられた役割に合わせて調整される。各定義において、常になんらかの、異なる目的に必要とされるデータが欠けているという点で、単一のパッケージでドライブライン（形、機能、材料特性および荷重ケース）の「完全な」定義を持つものはない。
【００２４】
設計されているあらゆるドライブラインにおいて、形はＣＡＤパッケージで定義される。設計が完了すると、完全な組立体モデルは、組立体のデジタルモックアップ（ＤＭＵ）を形成し、コンポーネントごとに製造に使用される図面が用意される。この図面には、コンポーネントのジオメトリ、材料、公差などに関するすべての詳細が含まれる。
【００２５】
ドライブラインシステムのシミュレーション用の一部の特定用途向けパッケージにより、ドライブラインの形状を定義することもできるが、これは高い水準であり、静的変位、応力、動力学などのドライブラインの、一部の（ただしすべてではない）性能目標の（所与のレベルの忠実度の）予測に必要な詳細のみを含む。
【００２６】
ＣＡＤの定義では、形状および材料の特性の定義が多いが、機能や荷重ケースの定義はない。特定用途向けパッケージは、形状の定義は少ないが、機能および荷重ケースの定義は多い。
【００２７】
従って、別個のパッケージに、２つのドライブラインの形状の定義がある。一部の企業では、ＣＡＤの定義が特定用途向けパッケージに優先しているが、他の企業ではそれが逆である。長年にわたり、これらの２つの定義の間でデータを手動で転送する必要があったが、これは、最新の製品の設計に必要とされる設計−解析−再設計の迅速な繰り返しにとっては、遅く、エラーが発生しやすく、問題がある。
【００２８】
ＣＡＤから特定用途向けパッケージにデータを転送するプロセスを自動化するいくつかの試みがなされており、例えば、軸断面の２Ｄプロファイルを紙の図面をスキャンして読み込んで、軸のパラメータ定義を一連の断面の形態で作成することによる試みがなされているが、各寸法は正確な値ではなく推定値にすぎないため、これらは高度な近似値である。加えて、このようなリンクを定義できるのは軸についてのみであり、歯車、軸受などには定義できない。
【００２９】
（２）および（３）マルチフィジックス環境におけるソリッドモデリングおよびＦＥメッシュ、ならびに（４）マルチフィジックス環境におけるＦＥの解法
【００３０】
ドライブラインシステムの解析では、軸、軸受、歯車、ハウジング、および遊星キャリヤなどの多くの異なるコンポーネントのモデルを組み合わせる必要がある。軸、歯車、および軸受は、その性質上、軸対称であり、シンプルで標準化されたパラメータ定義を持つことができ、従って、業界を横断して使用することができる。しかしながら、ハウジング、遊星キャリヤ、およびデフケースは、軸対称ではないため、標準化されたパラメータ定義および単純な解析モデルは存在しない。
【００３１】
このようなコンポーネントをギヤボックスの解析モデルに含めるには、コンポーネントのＦＥモデルをギヤボックスのモデルに組み込み、かつ歯車、軸受、および軸に適切な方法でリンクする必要がある。
【００３２】
そのようなＦＥモデルは数千または数百万もの自由度を含むため、そのようなシステムのシミュレーションは、遅くなり、かつ計算コストが高くなる。一般的に行われるのは、Ｇｕｙａｎの縮約法（静的解析の場合）またはＣｒａｉｇ−Ｂａｍｐｔｏｎの縮約法（動的解析の場合）などのプロセスを通じて、モデルをより管理しやすいサイズに縮約する手法である。
【００３３】
通常、ユーザは、ＣＡＤからソリッドジオメトリを取り出し、ＦＥプリプロセッサでＦＥメッシュを作成し、ＦＥメッシュを解析パッケージにインポートし、次いで、軸、軸受、および歯車に接続する。これがその後エクスポートされて、モデル縮約を行うＦＥソルバーに戻され、縮約されたコンポーネントの解析表現が、ＭＢＤまたは特定用途向けパッケージに再インポートされる。
【００３４】
ハウジングまたは遊星キャリヤのＦＥモデルをＭＢＤまたは特定用途向けパッケージにインポートし、かつ軸、軸受および歯車に接続した状態で、ギヤボックスシステムは、通常、システムの変位または動的特性について解析される。遊星キャリヤとハウジングとにかかる荷重が計算され、軸の変位、軸受の非線形剛性などの重要なシステムの影響が考慮される。検討中のコンポーネントにかかる応力を求めるためには、次いで、コンポーネントの各ポイントにおける応力を計算できるＦＥソルバーに、これらの荷重を再エクスポートして戻さなければならない。この後も、コンポーネントの耐久性については、特殊な疲労シミュレーションパッケージに応力履歴をエクスポートする必要がある。
【００３５】
このプロセスは、５つの異なるソフトウェアアプリケーション（ＣＡＤ、ＦＥプリプロセッサ、ＦＥソルバー、ＭＢＤ／特定用途向けパッケージ、および疲労シミュレーションパッケージ）および６つの異なるパッケージ間データ転送の使用に依拠している。大企業では、これらのパッケージは、異なる機能領域、異なる部門、場合により異なる地理的位置にある場合が多い。たとえそうでなくても、各自が異なるプロジェクトのために時間を必要としている、異なる機能的な専門知識を持つエンジニアによって管理されている。このプロセスの舵取りはやっかいであり、それは、設計−解析−再設計の迅速な繰り返しが要求される場合、コンセプト設計段階では試すことができず、そして設計が細部を設計する段階に落ち着いた場合であって、設計の最適化が遅れるためである。その結果、ギヤボックスの設計が遅れ、製品の品質が低下する。
【００３６】
さらに、設計者は、そのようなコンポーネントのＦＥモデルの組み込みが、設計プロセスの所与の段階で重要か否かを決定する必要がある。このようなＦＥモデルを含んだ場合、解析結果はより正確になり得るが、設計変更の可能性は、モデルのインポート／エクスポートを増やすことを意味することから、厳しく制限される。設計者が設計を修正する自由を手放したくない場合、作成されたギヤボックス設計が目的に合わないほど解析結果が不正確になる恐れがある。従来のパッケージは、インポートされたＦＥモデルを含める、または含めないタイミングに関して、設計者に手引きはしてくれない。
【００３７】
いずれにしても、ギヤボックスの設計者がＣＡＤパッケージでモデリングを開始する前に、ハウジングのソリッドモデルの作成と、ギヤボックスの設計と、が一定の成熟度に達するようにされる。歯車の中心距離および軸受の位置は、ハウジングが内部コンポーネントを包むことができるように定める必要がある。ＣＡＤでのハウジングモデルの作成にはかなりの労力がかかるため、ハウジングに対する作業の開始を決定する前に、ハウジング（当然のことながら、ハウジングの挙動は、内部コンポーネントの性能に悪影響を与える可能性がある）が設計される前であっても、「関門」審査が行われ、ここでは、内部コンポーネントの設計が基本的に定められる。現実的な設計プロジェクトの現実的な時間制約の中で、このプロセスは、エンジニアに洞察を与えられないことがしばしばであり、エンジニアは、プロジェクトおよび／または最適に到らないギヤボックス設計に対するリスクを見積もる、希望する、および／または継続するしかない。
【００３８】
こうした、ＣＡＤとＣＡＥと統合が劣悪であることと、設計プロセスを導くための正確な数学的モデルの利用可能性の低さと、は遊星歯車（またはエピサイクリック）システムの設計において特に顕著に現われる。遊星キャリヤの特性は、遊星歯車を含むドライブラインの静的変位、耐久性および動的特性に大きな影響を与えるが、設計プロセスが終了するまで、このデータは入手できない。遊星キャリヤをＣＡＤでモデル化し、ＦＥでメッシュ化してから（双方が別々の部門でなされる）、ドライブラインのエンジニアに渡して戻すプロセスは、最大２か月間かかることがある。明らかに、これは最適には程遠い。
【００３９】
モータの構造モデルをドライブラインシステムに含める場合にも同じ問題が生じる。他の例としては、デフケースが挙げられる。
【００４０】
（５）ＦＥモデルの様々な設定方法−軸
【００４１】
ドライブライン性能の様々な予測には、軸の挙動、例えば静的および動的負荷に対する応答ならびに疲労性能を予測できるように、軸のジオメトリを定義することが必要とされる。軸ジオメトリから解析モデルへの変換は、様々な方法で行うことができる。円柱形または円錐形である各部分は、静的変位および動的応答に必要なすべての特性を有する、等価な１Ｄ梁要素、例えばティモシェンコ（Ｔｉｍｏｓｈｅｎｋｏ）梁に変換することができる。軸部分に変化がある場合、シャフト上の応力集中部分には隅の丸みが持たせてあり、所与の負荷条件では、この特徴はピーク応力、ひいては破壊または疲労に対する抵抗を判定するために重要である。隣接する２つのティモシェンコ梁はこのピーク応力を判定することはできないが、断面変化およびこの断面変化における隅の丸みに応じて応力集中係数が決定された場合、ピーク応力、ひいては疲労および破壊に対する抵抗を判定できる。
【００４２】
ティモシェンコ梁モデルの１つの問題は、軸上のどの段を含め、どの段を省くかの決定が、モデルを作成するエンジニアに任されていることである。エンジニアは、軸モデルが物理的な対象物のようにみえるため、すべての特徴を含めたならば正確さが増すはずであるという考えから、軸上のすべての段を含めたくなるものである。これは計算コストが高い上に、重要なことに、ティモシェンコ梁のアスペクト比が高くなるにつれ（長さに対する直径の比が大きくなるにつれ）、精度が低下するため、不正確になり得る。従って、形状をより詳細に定義することにより、より不正確になる場合がある。
【００４３】
代替的な手法に、３Ｄ有限要素を使用する手法があり、ここでは、３Ｄジオメトリの体積が連続メッシュを形成する有限要素によって占められる。節点が、低次要素の場合には各要素の角に、高次要素の場合には各要素の角および辺に設けられ、節点における変位と応力の結果を得ることができる。節点の数が多いほど、結果の忠実度は高くなる。
【００４４】
ティモシェンコ梁は、ギヤボックス設計プロセスで可能にされる高い生産性のために、特定用途向けパッケージでよく使用される。それらの特性は、各軸部分の直径、長さおよび内径に依存し、これは、パラメータ的に定義することができる、または上述したように、スケッチもしくはＣＡＤ図面からの２Ｄ軸プロファイルのインポートから近似することができる。
【００４５】
しかしながら、結果において適切な詳細レベルに到るためには３Ｄ有限要素が必要であると判断された場合は、ＭＢＤまたは特定用途向けパッケージをＣＡＤ、ＦＥプリプロセッサ、ＦＥソルバー（２回）および特殊な疲労シミュレーションパッケージとリンクするという面倒なプロセスに取り掛からなければならない。
【００４６】
これまで説明したように、エンジニアがモデル構築においてこの変更を行うと決定してしまうと、ギヤボックス設計の変更の可能性は大幅に低減され、このモデリング手法における変更は、軸の３Ｄ有限要素定義から１Ｄ（ティモシェンコ梁）モデルを得ることはできないために、後戻りはできない。
【００４７】
３Ｄ有限要素メッシュは、様々な要素の種類を使用する。六面体（ｈｅｘ）要素には、６つの面、８つの頂点、１２本の辺がある。従って、低次要素は、８つの節点を持ち、高次要素は、２０の節点を持つ。四面体（Ｔｅｔ）要素には、４つの面、４つの頂点、６本の辺がある。従って、低次要素は、４つの節点を持ち、高次要素は、１０の節点を持つ。一般に、要素が多いほど精度が高くなるが、計算時間が増加する。
【００４８】
すべての場合において、高次要素は、低次要素よりも正確であるが、解析時間が長くなる。ｈｅｘ要素は、同じ数の節点では、Ｔｅｔ要素よりもはるかに正確であるため、精度と計算時間とのバランスを良好にするという利点がある。しかしながら、各メッシュは連続である必要があり、そのため、１つの要素の頂点は、隣接する要素の頂点と一致する。トポロジの性質上、ｔｅｔ要素のメッシュは、あらゆる任意の３Ｄボリュームを埋めることができるが、ｈｅｘメッシュには連続性の問題に悩まされる。このため、過去２０年間で、解析の主要要素は、ｈｅｘ要素からｔｅｔ要素に取って代わり、ＦＥパッケージは、任意の３Ｄ体積を引き受け、これをｔｅｔメッシュで自動的にメッシュ化している。ｔｅｔエレメントの精度の限界は、ますます細かいメッシュの導入によって緩和されている。これは基本的には機能するが、実際には、解く時間が非常に長くなることを意味する。
【００４９】
３Ｄメッシュの別の側面には、どの解析を実行するかによってメッシュ要件が異なることがある。剛性の計算には、応力の計算よりもはるかに粗いメッシュが必要とされる。動的解析の場合、メッシュ密度は、目的の最大周波数に依存する。これは、所与の線形等方性固体の場合、振動の速度は、密度およびヤング率によって決まるからである。従って、より高い周波数は、より短い波長を有する。振動を正確に表現するためには、その波長を定義するのに十分な要素が必要であり、従って、より短い波長であるより高い周波数の振動は、より細いメッシュ、より多くの要素、より長い計算時間および大きな容量を必要とする。
【００５０】
要するに、様々なエンジニアが、同じ会社に在籍していたとしても、様々なツールや手法を使用している状態で、構造的な挙動を解析するために、余りにもたくさんの様々なプロセスがあるということである。標準化がなされておらず、同じ解析上の問題の結果は、作業を実施するエンジニアの判断と経験とによって異なる。
【００５１】
一部の企業は、品質管理され、バージョン管理手順の対象となる「単一の標準メッシュ」を持つことによって、この問題を克服しようとしている。問題は、このメッシュが使用され得る最も正確な計算に対して十分に正確でなければならないということであり、これはつまり、他のすべての計算では行き過ぎた正確さであることを意味する。これにより、より低いレベルの精度で十分である解析のデータ処理時間が遅くなる可能性がある。
【００５２】
また、高いレベルのメッシュ密度は、ある領域では必要であるが、別の領域では必要ではない場合もある。例えば、軸上の隅の丸みにおける応力が軸上のある場所で問題となる可能性があり、その結果として生じる高いメッシュ密度は、連続体を通って、そのような高いレベルの精度は必要ではないかもしれない、軸の残りの部分、場合によってはドライブラインの残りの部分に拡張される。
【００５３】
軸をモデリングする第３の手法は、シェルＦＥ要素を使用する手法である。これは、極めて短い軸方向距離の間に断面が極めて大幅に変化するような、軸部分が非常に薄い場合、または軸がフランジになる場合に適している。（従来の乗用車自動トランスミッションでよくある）後者の場合、ティモシェンコ梁は、所与の軸方向位置のすべての点が同じ動きで移動すると仮定するため、不正確になる。これの限界は、シェル要素が軸のすべての部分に適切でない可能性があり、シェル要素と３Ｄ有限要素との間の移行を定義し管理するための手動介入が必要であるということであり、その手順は、遅く、解釈、判断および変化を受けやすい。
【００５４】
３Ｄメッシュは通常、目的のコンポーネントのソリッドジオメトリをＣＡＤからインポートすることにより作成され、体積は有限要素パッケージにおいて適切なメッシュで埋められる。設計（ＣＡＤ）と解析（ＦＥＡ）との間のリンクは、より近いリンクおよび半自動化により徐々に改善されている。狙いは、エンジニアが設計のジオメトリを変更できること（ＣＡＤパッケージの機能）、および解析モデル（ＦＥメッシュ）が自動的に更新され、設計−解析−再設計の繰り返しをできるだけ迅速に行うことである。
【００５５】
しかしながら、これらの機能は、汎用パッケージに存在し、これには、ドライブラインシステムの解析のための専門的な手引きやプロセスはない。ＦＥメッシュは、ドライブラインをどのように解析するかに関係なく作成され、メッシュを組み込むシミュレーションモデルは手動で定義する必要がある。加えて、変更が極めて局所的であった場合でも、ＦＥメッシュ全体が再定義されてしまう。
【００５６】
上述したように、このような自動メッシュ機能は、一般に、ｔｅｔメッシュに基づいている。解析には比較的不正確かつ遅いことに加えて、これらのメッシュは、ドライブラインの解析に関してさらなる限界を有する。特定の機能、負荷、および境界条件は、ドライブライン軸の軸線に平行に走り、特定の機構は、ドライブライン軸の軸線に対して周方向に走る。
【００５７】
軸線に対して平行に走る特徴としては、スプライン、軸穴、およびころ軸受の接触線が挙げられる。軸線に対して周方向に走る特徴としては、軸断面の変化、隅の丸み、およびころ軸受の軌道面と歯車ブランクとの接点が含まれる。
【００５８】
軸の軸線は、軸線の周りを円周方向に走るすべての線に対して垂直である。ｈｅｘ要素の各面は四辺形であるため、最も単純で歪みのない形では、軸線に平行な１つの面と、軸線の周りを円周方向に走る隣接した垂直面と、を持つことができる。これに対し、ｔｅｔ要素のすべての面は三角形である。従って、はるかに高効率であり、かつ要素の歪みの少ないｈｅｘ要素を使用して、ドライブライン軸にメッシュを作成することが可能である。ころ軸受のころ、スプライン歯、歯車歯などが回転式に繰り返されるため、高度な対称性が得られ、メッシュは高度な制御で作成し、その結果、精度が要求される場所にはメッシュ密度を高くし、他の場所でより低い密度にすることができる。
【００５９】
どの要素の種類が使用されたとしても、「基準節点（ｓｅｅｄ  ｎｏｄｅ）」を用いる場合が多い。これらは、エンジニアがそこを節点または最小のメッシュ密度となるように要求する事前定義された場所であり、例えば、主な応力がかかる領域または変位もしくは解析結果が必要な場所である。これらは自動メッシュ化に先立って定義され、自動メッシュは、これらの節点をコンポーネントの連続的なメッシュに組み込む。
【００６０】
この場合も、ドライブラインでは、これらの基準節点が、ドライブライン軸に対して平行または周方向のいずれかに、まとまって走ることが一般的であり、従って、最も効果的にｈｅｘメッシュに組み込むことができる。
【００６１】
公開されている文献においてドライブライン軸用のｈｅｘベースのメッシュをみることはできるが、中実な軸の中心までメッシュの連続性を維持するためにパッケージが苦労しているため、主に中空軸用である。従って、ドライブライン軸用の一般化されたｈｅｘ自動メッシュ装置は存在せず、エンジニアは、指摘した欠点のうちの１つ以上を受け入れる必要がある。
【００６２】
（６）モデルの様々な設定方法−軸受
【００６３】
転動体軸受（すべてのタイプの玉軸受およびころ軸受を含む）の機能は、軸を支持し、それを回転可能にすることである。従って、ギヤボックスシステム内での軸受の最も単純な数学的表現は、ラジアル剛性が無限大であり、傾斜剛性がゼロである、単純な支承体の数学的表現である。
【００６４】
現実には、転動体軸受は、有限のラジアル剛性および傾斜剛性を有し、多くの場合、アキシアル剛性も有する。上述のように、転動体軸受の実際の可撓性は、ギヤボックスシステムの変位およびハウジング、遊星キャリヤなどの負荷（ひいては応力および耐久性）を決定する際に重要である。機械的負荷、変位および応力に対する最も広く使用されている解析手法であるため、有限要素法を使用して、転動体間の負荷分散および各接点における変位を計算することができる。しかしながら、各接点の剛性は、接触面の大きさに依存し、接触面の大きさは、負荷の大きさに依存するため、反復計算が必要になる。この計算は、ＦＥでは遅く、反復は安定解に収束することは保証されない。
【００６５】
様々な特定用途向けパッケージによって取り上げられているように、一般的な手法は、転動体軸受のための特定の解析ルーチンを開発することであり、それにより、各接点はパラメータで定義された２つの共形表面間のヘルツ接触要素としてモデル化される。この手法は、ＦＥを使用するよりもはるかに高速で、収束を一層容易にし、実際に、より正確である。
【００６６】
その際、ラジアル内部すきま、予圧、軸ずれ、ならびにアキシアル、ラジアル、および傾斜の荷重および変位を考慮して、転動体間の負荷分散を計算できる。ハウジングや遊星キャリヤの負荷を計算する上で重要なのと同様に、これは応力、ひいては軸受の寿命を計算する上で不可欠である。歯車の動作不整合にも影響し、歯車の耐久性、雑音および効率に影響を及ぼす。
【００６７】
この手法の問題は、軌道が剛性リングであると仮定されていることである。従って、転動体上の負荷が均等になっていないと判定されたとしても、この不均等な負荷は、軸受軌道を変形させない。転動体間の負荷分散、ひいては軸受の寿命の計算精度には限界がある。
【００６８】
軸受軌道の変形は、他の影響を及ぼし得る。真形ではない軌道により、ハウジング内の応力場が変わり、ハウジングの耐久性が変化するため、この影響を省くこと誤りである。軸の負荷、応力、耐久性についても同様である。
【００６９】
完全なギヤボックスの３Ｄ有限要素モデルは、軸、軸受、歯車、クラッチ、差動装置、ハウジングなどから構築でき、構造、熱、応力、および動的解析に使用できる。動的解析の問題点は、ハウジングの有限要素モデルが５ｋＨｚ以上では精度であることはめったになく、そのため、可聴スペクトルの広い領域が不正確な解析の影響を受けやすいことである。これは、高周波数では、モード形状が局所化し、その波長が小さな幾何学的特徴の寸法に匹敵するためである。これらの局所化した小さな幾何学的特徴は、製造誤差のかなり影響を受ける。これが、ＦＥモデルが高い周波数で正確でない理由である。
【００７０】
閉形式解析解と統計的エネルギー解析とを含む、固有振動数の計算のための代替的な方法も可能である。解析的手法は、軸対称、２Ｄ、または平面などの構造に使用できるが、現実のギヤボックス構造、特にハウジングは、これらのどれにも当てはまらない。統計的エネルギー解析は、高周波数で大いに役立つが、ＣＡＥパッケージは、有限要素解析および（ＦＥＡの側面を含み得る）マルチボディダイナミクス解析が標準的なデフォルト手法であるという前提で進化してきた。
【００７１】
明らかになりつつある状況は、多くの様々な全く異なるパッケージが、様々エンジニアによって、場合によっては異なる部門や企業で使用されて、様々な解析結果を得ているというものである。シミュレーションが設定される方法はいろいろな解釈が可能であるため、品質管理が問題になる。シミュレーションが複雑であるほど結果が正確になるという考えから、万一必要になった場合に備えて、シミュレーションを複雑にしようとしがちである。
【００７２】
これにより、以下のような問題が生じる。シミュレーションには設定に時間がかかるため、モデリングプロセスは遅い。そのような複雑さのために、熟練のユーザがシミュレーションを設定し得ることが必要とされ、これは費用がかかり、リソースの制約を招く可能性がある。
【００７３】
複雑なモデルの１つの大きな欠点は、意思決定の背後にある心理に由来する。シミュレーションが行われ、エンジニアは結果を検討し、（ｉ）結果が正しいことを確認するために、結果が理に適っているか否かと、（ｉｉ）設計を改善するために、設計に対してすべきことに関して結果がどのような指針を与えるかと、を調べる。この２つのステップがなければ、シミュレーションがどれほど有効であっても価値がない。結果が理に適っていなければ、破棄され、設計に対してすべきことに関して指針を示さないのであれば、製品に影響を与えない。シミュレーションをより複雑にすることは、これは常に、コンピュータの能力およびより洗練されたソフトウェアを増やすことを伴う誘惑であるのだが、これらの結果の両方をもっともらしくする。
【００７４】
複雑なシミュレーションには、結果を得るために必要なデータの一部が設計プロセスの最後に近づくまで入手できないという点で、もう１つの欠点がある。それにもかかわらず、設計が目的に合っているかどうかを判断するためには結果が必要である。
【００７５】
ここまで、静的変位、耐久性、および動力学の問題について検討してきた。性能の他の側面、すなわち、コスト、熱、運転性、効率、および変速制御もシミュレーションする必要がある。これらのすべてには他のシミュレーション方法があるが、シミュレーションは、異なる部門または会社によって、様々なパッケージに設定される恐れがある（例えば、効率については計算流体力学、変速制御についてはマルチドメインシミュレーションパッケージ、運転性についてはマルチボディダイナミクス）。
【００７６】
設計変更が行われたときのデータ更新のプロセスは遅く、エラーを起こしやすく、異なるシミュレーションツールの数が増えるにつれて、この問題は悪化する。エンジニアは設計変更の影響を効率的に評価することはできない。例えば、歯車の圧力角を変更することにより、歯車の応力（専門コンポーネントパッケージの特定用途無形パッケージ）、軸受荷重（別の専門コンポーネントパッケージの特定用途向けパッケージ）、ドライブラインの静的変位（ＦＥＡまたは特定用途向けパッケージ）、歯車鳴り（ＦＥＡ）、歯打ち（ＭＢＤ）、および効率（ＣＦＤ）が変化する。設計およびシミュレーションの設計プロセス全体が、迅速な製品開発の必要性に比べて遅くなる。
【００７７】
（７）特定用途向けパッケージからのエクスポート
【００７８】
特定用途向けパッケージから（例えばソリッドジオメトリをエクスポートすることにより）ＣＡＤにデータを転送するプロセスを自動化するいくつかの試みが行われた。しかしながら、このようなジオメトリは、最新のＣＡＤパッケージの標準機能であるパラメトリックモデリングには使用できないＳＴＥＰやＩＧＥＳなどの「使えない（ｄｕｍｂ）」ジオメトリの形式で通常エクスポートされていた。
【００７９】
ＣＡＤにおけるパラメトリックモデリングに対する別の手法は直接モデリングである。この場合、コンポーネントのＳＴＥＰまたはＩＧＥＳ定義を直接操作し、寸法を変更することができるが、結果のコンポーネントのモデルは使えず、パラメトリック定義へ転送して戻すことは不可能である。
【００８０】
特定のコンポーネントでは、ジオメトリは容易に定義されないか、製造用の関連データがパラメトリックに定義される。歯車の場合、歯底隅肉部の正確な形状は、歯車切削工具と、歯車が切削される歯車ブランクと、切削機械との間の複雑な運動学的関係に依存する。この関係は、歯車およびギヤボックスシステムのほとんどの設計者には知られていないため、歯車のＣＡＤ定義には歯底隅肉部の簡略化された幾何学的表現が使用されている。
【００８１】
このことの問題は、歯底の応力を計算するために有限要素解析などの汎用解析パッケージを使用する場合に、歯底の正確な形状が必要となるということである。このようなデータがない場合、歯車設計者は歯底の形状を推定し、解析者は正しくない応力値しか得られない。
【００８２】
歯車の作用歯面も複雑な形状をしている。ほとんどの歯車はインボリュート歯車であり、インボリュート歯形は、２軸間で一定の運動を最も効率的に伝達する形である。歯車製造者は、ＣＡＤファイルのジオメトリの形状がどのようなものであっても、基礎円ピッチ、基礎円直径、モジュール、ねじれ角、圧力角、転位係数などの基本パラメータを参照する。これらのデータは、歯車の図面に表示される表に記載されており、歯車の性能を最も効果的に定義する値である。当然のことながら、特定用途向けパッケージ（または専門コンポーネントパッケージ）は、歯車比などの業界標準の方法を使用して歯車の挙動を解析できるため、歯車の基本パラメータの点で歯車を定義する。
【００８３】
歯車のパラメトリックな定義の問題は、これらのデータをＣＡＤ定義に転送する必要があることであり、これは、最終的に転写のプロセスになる。これは時間がかかり、エラーが発生しやすくなる。さらに、設計の更新がある場合、プロセスを繰り返す必要がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００８４】
本発明は、ドライブラインの性能に関する最も正確かつ有益な洞察が設計プロセスのできるだけ早期にエンジニアに提供されるような、ひいては、製品設計および最適化が可能な限り迅速かつ効率的に実施され得るような、ドライブラインシステムの設計におけるデータを管理および調整するための手法を説明する。製品性能のより多くの側面がまとめて調整され、エンジニアリングの洞察がますます大きくなるため、本方法論は、数学的シミュレーションではなく、技術的意思決定を行うためのプラットフォームになる。
【課題を解決するための手段】
【００８５】
一実施態様によれば、本発明は、請求項１から２３による、データ入力モジュールと、ユーザインターフェースモジュールと、認識モジュールと、解析モジュールと、を備えるコンピュータ支援エンジニアリングシステムである。
【００８６】
別の実施態様によれば、本発明は、回転機械組立体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コンピュータ実装方法である。本方法は、回転機械組立体の１つ以上のコンポーネントに関するデータを提供するステップと、データに対して実行される解析の種類をユーザから受け取るステップと、選択された解析の種類に応じて解析に使用されるデータの特徴を選択するステップと、選択された解析の種類に応じて回転機械組立体の性能を解析するステップと、を含む。
【図面の簡単な説明】
【００８７】
【図１】図１は、本発明のコンピュータ支援エンジニアリングシステムの概略図である。
【図２】図２は、本発明のインターフェースにおけるワークフローの一例の図である。
【発明を実施するための形態】
【００８８】
ここで、図１を参照すると、図１は、本発明のコンピュータ支援エンジニアリングシステムの概略図を示している。回転機械組立体の１つ以上のコンポーネントに関するデータが、データモジュール１０に提供される。一実施形態では、このデータはＣＡＤデータとすることができ、このことは、ＣＡＤがドライブラインシステムの設計において重要な役割を果たすことを表している。ドライブラインの設計はＣＡＤにおいて始まり、当然のことながら、製造に先立つコンポーネントの最終的な図面もＣＡＤにある。ドライブラインのライブラリ、そのサブシステムおよびコンポーネントは、過去の製品用であり、これらはデータの貴重なデータ源である。データモジュール１０はまた、回転機械組立体の１つ以上のコンポーネントに関連するデータを受信または（例えばデータベースに）格納することができる。データは、例えば、ハウジングまたは遊星キャリヤのためのソリッドジオメトリの形態であってもよい。通常、ＣＡＤのソリッドジオメトリは、ハウジング、遊星キャリヤ、またはデフケースを含む一般化された形状用である。これは、独自の３Ｄ  ＣＡＤパッケージから取得することができ、この場合、ジオメトリはデータモジュール１０にインポートされる。データは、回転機械組立体の形状、機能、特性および動作条件に関するデータを含む、パラメータ記述の形態であってもよい。データモジュール１０に保持されるデータは、形式、機能、特性および動作条件を記述する単一のデータ源である、または単一のデータ源となる。これは、システムを通した複数回の繰り返しによって設計が作成される場合に有効である。
【００８９】
データモジュール１０は、他のコンポーネント（軸、軸受、歯車など）に関するさらなるデータを受け取ることができる。上述のように、従来の手法では近似手法を使用してスケッチまたはＣＡＤ図面から２Ｄ軸プロファイルをインポートしていた。データモジュール１０は、軸のＣＡＤプロファイルをインポートするように構成される。データモジュール１０は、ユーザがデータモジュールへのデータフローを制御することを可能にすると共に、インポートされたソリッドジオメトリに関連して他のコンポーネントを配置することを可能にする、ユーザインターフェース１２と通信する。
【００９０】
解析モジュール３０では、本発明は、変位、動力学、応力および疲労の解析のために、１つ以上のコンポーネントのＦＥモデルをシステムモデルに統合する。しかしながら、異なる部門に存在し得る様々なエンジニアを含む、プロセスの異なる段階について、いくつかの異なるパッケージに依拠するのではなく、本発明のシステムには、すべての必要なツールが含まれている。これは、ハウジング、遊星キャリヤ、およびデフケースなどの非軸対称コンポーネントでは特に有益である。よって、ソリッドジオメトリがＣＡＤからインポートされ、他のコンポーネント（軸、軸受、歯車など）に関するさらなるデータがインポートされ位置決めされると、その場ですぐに、適切な３Ｄメッシュが解析モジュール３０によって作成される。
【００９１】
３Ｄメッシュは、他の軸、軸受、歯車に接続することができ、同じシステムで再び凝縮プロセスが行われる。静的変位の解析は解析モジュール３０によって直ちに実行され、ここで、ハウジングの可撓性が軸受の非直線剛性、軸変位などと相互作用し、回転機械組立体の性能の解析が静的変位を計算する。
【００９２】
これは、軸受寿命、歯車寿命および雑音の性能を解析するために使用することができ、また、負荷は、詳細な応力の計算のためにハウジングまたは遊星キャリヤに印加される。これは、この場合も、同じシステム内で行われる。同様に、疲労に関してハウジングの性能を解析することができる。
【００９３】
上述した手法は、例えば、別個の３Ｄ  ＣＡＤパッケージで作成されたハウジング設計に依存する。これは一般的であり、最終的な設計チェックや旧式のギヤボックスの設計の解析には許容されるが、専門的な職務（ＣＡＤエンジニア、ＦＥエンジニア）を分離し、ソフトウェアツール（ＣＡＤ、ＦＥプリプロセッサ、およびソルバー）を分離するプロセスが、実用的な設計タイムスケールには遅すぎることから、例えばギヤボックスのコンセプト設計では満足のいくものではない。その結果、コンセプト設計フェーズでは、ハウジングまたは遊星キャリヤの剛性の影響は無視される。
【００９４】
本発明のシステムは、コンセプト段階におけるギヤボックス設計に対するハウジングおよび遊星キャリヤの影響を含む、性能解析に必要なすべてのプロセスを統合する。複数の機能が含まれているため、各機能の数学的モデルが作成される場合、その機能に関連する情報のみがデータから抽出されるべきである。これが、認識モジュール４０が行うことである。ＣＡＤは、どのように機能するのか理解しないため、各特徴の機能への寄与を認識できない。
【００９５】
例えば、１つ以上のコンポーネントは、ギヤボックスの内部コンポーネントを含み、データモジュール１０によって受信されるデータは、ユーザ定義の肉厚および回転コンポーネントからのすきまを含み、解析モジュール３０は、回転コンポーネントを包み込むハウジングを作成する。解析モジュール３０は、特定用途向けパッケージを備え、ユーザは、ユーザ定義の肉厚およびユーザ定義の回転コンポーネントからのすきまを有するソリッドジオメトリ「ラップアラウンド」を作成することができる。これは、回転機械コンポーネントの機能的特徴とそれらの接続のデータベースを含む認識モジュール４０によって実現され、認識モジュール４０は、データモジュール１０に格納されたデータを解析して、それ自身の特徴データベースに含まれる特徴を識別する。これは、ギヤボックスの機能的挙動を「理解」することによって、パッケージが、軸受外輪を認識し、これらがハウジングによって支持される必要があることを認識することを意味する。認識モジュール４０は、これを認識し、軸受の幅に等しい長さと、軸受の外径に等しい内径と、ユーザ定義の外径とを有し、軸受外輪を包囲する支持円筒を形成する。このシリンダーはハウジング構造に組み込まれる。
【００９６】
従って、短い時間内に、ユーザまたはエンジニアは、内部コンポーネントに対するその影響を調査し始めることができる機能的ハウジングを作成している。
【００９７】
解析モジュール３０は、データを別のパッケージに転送する必要なしに、ソリッドジオメトリをメッシュ化する機能を含む。解析モジュール３０内の機能は、ＦＥプリプロセッサに当てはまるように、汎用的な有限要素解析とは対照的に、ギヤボックスエンジニアリングのために構成されているため、ＦＥの専門家ではないエンジニアによってプロセスを管理することができ、従って、個別の専門的な職務または機能部門を関与させる必要がなくなる。
【００９８】
ハウジングと内部コンポーネントとの（通常は軸受外輪を介して、場合によってはリングギヤおよびクラッチを介する）接続は、データモジュール４０に保持されている発展中の設計のパラメータ定義を解析／修正する認識モジュール４０によって自動的に識別される。次に、ハウジングＦＥモデルを凝縮するプロセスは、データモジュール１０内のデータを使用して解析モジュール３０によって実行される。これは、この場合も、別個のソフトウェアツール、専門的な職務または機能部門を関与させる必要なしに、同じシステムで実行される。
【００９９】
ハウジングの定義は、回転機械組立体の性能をこの段階で解析する、例えば静的な変位およびＮＶＨ計算を報告するのに適しているようである。この段階では、特定の性能基準が解析に適していないことに留意されたい。これらの性能基準には、例えば、隅の丸みが定義されたハウジングの詳細モデルを定義するより多くのデータを必要とする応力計算が含まれる。この解析は後で、詳細な設計段階で行われる。
【０１００】
それにもかかわらず、ハウジングの剛性が、軸受の荷重、ミスアライメント、応力、ひいては寿命に対して、また歯車のミスアライメント、雑音、応力、ひいては寿命に対して及ぼす影響は、ギヤボックス設計プロセス内で、現在可能であるよりもかなり早い段階にすべて含まれている。
【０１０１】
遊星キャリヤについても同様のプロセスを行うことができる。あらゆる遊星歯車システムにおいて、遊星キャリヤの剛性は、遊星歯車間の負荷分散、ひいては遊星歯車セット全体の負荷容量を支配するため、決定的な役割を果たす。そのような情報がない場合、設計エンジニアは、遊星歯車セットのサイズを決定するコンセプト設計段階で、この効果について経験的データまたは推定値に依拠しなければならない。その結果、プロジェクトへのリスクが高まる。エンジニアが、歯車、遊星ピン、および遊星軸受を定義した状態で、遊星歯車セットの設計を作成または指定すると、遊星キャリヤを定義するステップが実行され、これには、ハウジング作成について上で開示したように、認識モジュール４０が、歯車セットコンポーネントと、これらがどのように遊星キャリヤと相互作用するかと、を識別することが含まれる。
【０１０２】
遊星キャリヤのソリッドモデルが定義されると、別個のソフトウェアツール、専門的な職務または機能部門を必要とすることなく、ＦＥメッシュがパッケージ内に作成される。遊星キャリヤのＦＥモデルは遊星ピンに接続され、ＦＥモデルを凝縮するプロセスは同じパッケージ内で実行される。
【０１０３】
ギヤボックスシステムの静的解析を実行する際に、遊星キャリヤの剛性の影響が遊星歯車の負荷分散計算に含まれる。これは、遊星歯車のいずれかの最大負荷を判定するために不可欠であり、ひいては、遊星歯車セットが負荷容量の点で目的に合っているかどうかを判断するために不可欠である。
【０１０４】
このプロセスは、同じパッケージ内で同じエンジニアによって迅速に実行できる。これは、大手自動車メーカーが述べたように、２か月で３部門のプロセスを伴う従来の手法とは対照的である。
【０１０５】
このように、設計エンジニアは、３つの遊星歯車と４つの遊星歯車との設計の違いを簡単に調べることができる。これは、現実の設計プロジェクトの時間的制約を伴う従来のツールでは実行できない設計研究である。
【０１０６】
ドライブライン回転機械組立体の設計は、どの段階においても、本発明のシステムからエクスポートできる。
【０１０７】
歯車を扱う場合、特定用途向けパッケージからＣＡＤへのデータの転送は直接データ転送の形式で行われ、ここでは、基本パラメータの数値がＣＡＤパッケージに転送され、関連するテーブルに挿入される。これにより、プロセスが高速になり、エラーが発生しにくくなる。さらに、歯車設計が更新されると、ＣＡＤ定義をもう一度更新することができる。
【０１０８】
特定用途向けパッケージ内では、歯車切削工具と製造プロセスの定義は、詳細な運動学的シミュレーション手段を使用して、歯底隅肉の詳細な形状を計算できるように十分詳細に定義されている。この詳細な運動学的シミュレーションをＣＡＤパッケージで実行するのではなく、専門パッケージは、歯底隅肉の「テンプレート」プロファイルを出力する。これは、ＣＡＤパッケージで読み取りでき、押し出しのプロセスを通して、歯底隅肉のソリッドジオメトリを作成するために使用できる。この相互作用は、２つの重要なツールを統合し、設計プロセスを通したデータのワークフローを作成するプロセスになる。
【０１０９】
軸がＣＡＤからインポートされると、本発明は、ＣＡＤデータに直接アクセスするので、ジオメトリは正確な寸法でインポートされる。これは、２Ｄ図面をスキャンするなどの他の方法で得られた近似値よりも優れている。
【０１１０】
このようなデータは、軸のＣＡＤモデルだけでなく、様々なコンポーネント（軸、軸受歯車）の組立体から読み込むことができる。認識モジュール４０は、ギヤボックス内の軸の役割を認識し、関連する機能特性を関連付ける。
【０１１１】
さらに、組立体からデータを読み込む際に、認識モジュールは、歯車および軸受などの軸内の様々なコンポーネントの取り付けを認識することができる。多くの情報が既に導出されているため、ドライブラインの機能的定義の作成は加速される。
【０１１２】
軸のジオメトリをインポートする場合、エンジニアのニーズおよび要望に応じてデータが調整される。隅の丸み、溝、短い部分、面取りおよびキー溝は、応力に関しては重要であるが、剛性および動力学に関しては重要でない特徴の例である。認識モジュール４０は、小さな特徴を自動的に識別することができ、これにより、エンジニアは、実行すべき解析の種類に基づいて、保持すべきか否かをユーザインターフェース２０を介して決定することができる。
【０１１３】
このプロセスを自動化するオプションが存在し、それにより、エンジニアは、解析モジュール３０によって実行すべき解析の種類を選択し、認識モジュール４０は、その解析にとって重要でない特徴を自動的に除去する。
【０１１４】
動的解析では、このステップをさらに進める。保持する必要のある特徴は、所与の動的現象に必要な解析の周波数に依存する。エンジニアは、必要とされる最も高い周波数を入力し、それに応じて、インポートされたモデルの忠実度が認識モジュール４０によって調整される。
【０１１５】
このデータの処理は、軸を表すために使用されている要素の種類によって異なる。上述したように、ティモシェンコ梁は、内径、外径、および長さによってパラメータで定義されており、簡単に変更できるので便利である。
【０１１６】
エンジニアがティモシェンコ梁を使用して軸を表現することを選択した場合、認識モジュール４０軸は、どの部分が、そのような表現が不正確となるほど短いかを自動的に識別する。ここでも、本発明は、ユーザインターフェースモジュール２０を介して、エンジニアがこの助言を受け入れる／拒否するため、また自動的に決定するための機能を提供する。
【０１１７】
しかしながら、本発明はまた、他の要素の種類がより適切であり得るか否かを識別する。例えば、ある部分が、大きな断面の変化を有する、または薄い部分である場合、本発明は、２Ｄシェル要素が適切であることを示唆することができる。ここでも、本発明は、エンジニアがこの助言を受け入れる／拒否するため、また自動的に決定するための機能を提供する。
【０１１８】
エンジニアは、ユーザインターフェース２０を介して、２Ｄシェルまたは３Ｄ要素を使用して解析モジュール３０によって、軸をモデリングすることを選択することができる。従来の手法では、ＦＥメッシュは別個のパッケージからをインポートする。しかしながら、ハウジングおよび遊星キャリヤに関して説明したように、本発明では、ＦＥメッシュを作成し、ＦＥメッシュを歯車および軸受に接続し、ＦＥモデルを凝縮する機能がすべて同じパッケージ内に存在する。
【０１１９】
従って、軸の詳細な構造的挙動から生じるいかなる影響も、従来のツールを使用するのではできない方法、かつ実際の設計プロジェクトの時間的制約内で、設計プロセスの早期に含めることができる。
【０１２０】
例として、はすば歯車が軸の薄い部分に取り付けられたときに生じる面外曲げが上げられる。この部分がティモシェンコ梁としてモデル化される場合、歯車荷重のアキシアルコンポーネントが、歯車の噛み合いのミスアライメントに影響を及ぼすように軸部分を曲げるという事実を認識しない。歯車の噛み合いのミスアライメントは、歯車の雑音および応力、ひいては寿命に影響する。これは、３Ｄ有限要素モデルによってのみ捉えることができる。本発明は、この影響を、従来のツールを使用するのではできない方法で、設計プロセスの早期に検討することを可能にする。
【０１２１】
従来のオートマチックトランスミッションでは、軸の多くは、２Ｄシェル要素に適しており、かつ遊星リング歯車（内歯歯車（ａｎｎｕｌｉ）としても知られている）が取り付けられている、薄い構造である。リング歯車は、リング歯車が遊星歯車と噛み合うことにより、負荷が不連続な点においてかかるため、リング歯車は真円から外れる。しかしながら、軸のティモシェンコ梁表現は、軸が真円に保たれると仮定しているため、リング歯車を誤って過剰に拘束し、かつ遊星歯車の負荷分散および歯車の噛み合いのミスアライメントに対して不正確な結果をもたらす。本発明により、初めて、初期の設計段階でこの洞察をギヤボックスのエンジニアが利用できる。
【０１２２】
３Ｄ要素が選択されている場合、必要な解析に従って、メッシュ密度とメッシュ構造が定義される。例えば、応力解析ではなく剛性解析や動的解析が必要な場合は、断面変化における隅の丸みを無視でき、断面変化において鋭角な９０度の角ができるようにメッシュが構築される。
【０１２３】
応力解析が必要な場合、応力を計算するために、メッシュは、正しいジオメトリで、隅の丸みの周りに滑らかで連続的なメッシュがあるように構築しなければならない。本発明は、エンジニアが、ユーザインターフェースモジュール２０を介して、この隅の丸みの周りに配置されるべき基準節点の数および位置を定義するための機能を提供する。あるいは、認識モジュール４０は、解析モジュール４０によって実行される応力計算において適切な精度を実現するための事前定義された設定を含み、適切なメッシュ密度を自動的に適用する。
【０１２４】
本発明では、メッシュ構造および要素の種類は、同じドライブライン内のすべての軸について同じである必要はない。ティモシェンコ梁を使用して１つの軸をモデリングし、詳細な応力計算のために３Ｄ有限要素を使用して別の軸をモデリングすることが可能である。
【０１２５】
本発明は、メッシュ密度、メッシュ構造および要素の種類が、各所与の軸の構造を通して一定である必要はないという点で、さらに進んでいる。軸は、１つの領域を（詳細な応力解析用に）３Ｄ有限要素、別の領域を（軸構造に起因して）２Ｄシェル要素、そして別の領域をティモシェンコ梁を使用することにより最も効率的にモデル化することが可能である。従って、図＊＊（Ｓｈａｒａｄの図を含める）に示すように、軸の「ハイブリッド」な定義が作成される。本発明は、モデルの設定および解析において、ある要素の種類から別の要素の種類への移行を自動的に処理する。
【０１２６】
ティモシェンコ梁と３Ｄ有限要素との間の移行は、軸中心線に垂直な断面で変化のある、適切な軸部分で行われる。解析中、変位（３方向）および回転（３軸周り）は、断面のこの変化に位置するすべての節点について一定に維持される。
【０１２７】
ティモシェンコ梁と２Ｄシェル要素との間の移行は、軸中心線に垂直な断面で変化のある、適切な軸部分で行われ得る。ここでも、解析中、変位（３方向）および回転（３軸周り）は、断面のこの変化に位置するすべての節点について一定に維持される。
【０１２８】
ティモシェンコ梁と２Ｄシェル要素との間の移行は、断面でかなりの変化のある場所で行われ得る。実際には、この軸部のティモシェンコ梁の外径に節点からなるリングが配置される。解析中、変位（３方向）および回転（３軸周り）は、断面のこの変化に位置するすべての節点について一定に維持される。
【０１２９】
３Ｄ有限要素と２Ｄシェル要素との間の移行は、任意の場所で行うことができる。そのような要素間のリンクの処理は、適度に一般的であり、有限要素法でよく知られている。境界部分では、各節点は、３Ｄおよび２Ｄ有限要素の辺または頂点に配置される。従って、変位（３方向）および回転（３軸周り）は、この位置での両方の要素について同じであり、メッシュは正しい機械的特性を有する。
【０１３０】
軸、軸受、および歯車に３Ｄおよび２Ｄシェル要素を使用することで、このシステムは計算流体力学にも適するようになる。この例では、コンポーネントの表面のみがメッシュを作成するために使用され、このメッシュは、乱流および油の乱れによる油の流れと抵抗をシミュレーションで予測するために使用される。
【０１３１】
上述したように、最も単純な形態では、軸受は、（ｉ）単純なラジアル支承体として存在する。他の選択肢としては、（ｉｉ）軸受の種類に対応するアキシアル制約および接触角を伴う簡単な支承体、ならびに（ｉｉｉ）ヘルツ接触要素および剛体の内側および外側の軌道を持つ軸受モデルがある。
【０１３２】
しかしながら、これらのすべてのバージョンにおいて、内側軌道および外側軌道は剛体であると仮定されている。実際には、軸受に負荷がかかると、転動体の負荷が不均一であることにより、軌道が真円ではなくなる。軌道の可撓性は、ころの最大荷重、ひいては応力および軸受寿命を変化させるが、従来のツールはこれを考慮に入れることができない。
【０１３３】
ハウジング、遊星キャリヤ、および軸の場合と同じＦＥメッシュツールを使用して、外側軌道のＦＥモデルが作成され、転動体およびヘルツ接触モデルのそれぞれに接続される。ＦＥモデルの凝縮は、今回は、軌道の可撓性を正しく考慮した要素間の負荷分散を伴って、システムの静的解析を行うために行われる。
【０１３４】
最後の新機軸では、３Ｄ有限要素を使用して、ころのそれぞれをモデル化するオプションがある。これは、ユーザに接触条件に関する最大の洞察を与え、一般的な３Ｄ  ＦＥツールと互換性のある結果を提供するために提供される。この場合も、軸受の挙動に対する従来のツールに可能な洞察よりも優れた洞察が提供される。
【０１３５】
（ｉｖ）ヘルツ接触要素と可撓性の内側および外側軌道を有する軸受モデル、ならびに（ｖ）可撓性ころ、接触剛性および可撓性内側および外側軌道を有する有限要素軸受モデル。バージョン（ｉ）から（ｉｉｉ）では、軸受は、１つの節点を介して軸の中間点に接続されている。バージョン（ｉｖ）および（ｖ）において、軸受は有する。
【０１３６】
軸に対する軸受の接続は、それがどのようにモデリングされるかに依存する。バージョン（ｉ）から（ｉｉｉ）では、軸受は、１つの節点を介して軸の中間点に接続されている。バージョン（ｉｖ）および（ｖ）では、内輪の内径の周囲に多数の節点を有する３Ｄ有限要素でモデリングされた軸受内輪を有する。
【０１３７】
軸モデルが設定される方法は、軸受などの他のコンポーネントへの接続、および軸受のモデルの性質によって異なる。５つの異なる軸受モデルが、異なるレベルの忠実度で説明されている。
【０１３８】
これらの５つのバージョンでは、軸受とティモシェンコ梁との接続は、軸受の中心にある単一の節点を介して行われる。ＦＥ定義による可撓性軸受内輪がある場合、この節点は、例えばＲＢＥ２またはＲＢＥ３要素を使用することにより、この所与のアキシアル位置において軸受内輪の内面上のすべての節点と共に移動するように拘束される。
【０１３９】
軸がシェルまたは３Ｄ有限要素としてモデリングされる場合、軸受バージョン（ｉ）〜（ｉｉｉ）の単一の節点への接続は、この軸受節点を、例えば、ＲＢＥ２またはＲＢＥ３要素の使用することにより、この所与のアキシアル位置において軸の外面上のすべての節点とともに移動するように制約することによって行われる。
【０１４０】
３Ｄモデルでのｈｅｘ要素を使用すると、軸受に接続できるメッシュを作成するのに非常に効率的になることに留意されたい。軸ジオメトリおよび軸受の位置が分かれば、正しい位置に正確なメッシュ密度で配置された節点を持つ軸メッシュがプロセスによって自動的に設定される。
【０１４１】
軸がシェルまたは３Ｄ有限要素としてモデリングされる場合、軸受バージョン（ｉｖ）および（ｖ）への接続はメッシュの連続性によってなされる。軸と軸受リングとの両方に、合わせ面に四辺形の面を持つ要素がある。従って、軸と軸受リングとに一致する節点を持つメッシュの連続性が簡単に得られる。軸のｈｅｘ進メッシュは、軸中心線に対して周方向に走るモードの線を設定して、ころ軸受ころ要素と接触するのに必要な節点のラインと、軸受の内輪とＲＢＥ２およびＲＢＥ３要素のための節点からなる中央リングとのいずれかの面を、一致させる。このプロセスは自動的に行われ、非常に効率的で正確なメッシュを作成する。
【０１４２】
さらに、メッシュは容易にセグメント化されるため、モデルのある部分においてジオメトリを変更しても、全体の再メッシュ化を必要としない。これは特に、軸の「ハイブリッド」モデルが作成される場合に当てはまる。ティモシェンコ梁の軸径を軸の一部で変更でき、（３Ｄ有限要素でモデル化されている）軸の別の部分の詳細な応力に対するこの変更の効果は、再メッシュ化なしで評価することができる。
【０１４３】
上記の手法は、軸受外輪が、例えばポケット（スピゴットまたはパイロットとしても知られる）軸受などの軸に配置されている場合にも機能する。
【０１４４】
数学的モデル内の歯車の特性は、忠実度のレベルが異なる、様々な一連の定義を有することもできる。多くの場合、歯車の負荷は、歯車の面の中央で支持軸にかかる。歯車とティモシェンコ梁としてモデル化された軸部分との間の接続は、数学的に接続された２つの一致節点が存在する単純な接続である。
【０１４５】
軸が２Ｄまたは３Ｄ  ＦＥモデルとしてモデリングされる場合、歯車の中心にある節点は、例えばＲＢＥ２またはＲＢＥ３要素を使用することにより、この所与のアキシアル位置において軸の外面上のすべての節点と共に移動するように拘束される。
【０１４６】
歯車が３Ｄ  ＦＥメッシュでモデリングされている場合、歯車ブランクは、軸と一体化することができ、この場合、（メッシュの連続性を提供するｈｅｘメッシュにより）軸の一部として扱われる、または軸上に取り付けられ、この場合、歯車ブランクと軸との間の接続は、上述した軸と軸受軌道との間と同様に処理される。
【０１４７】
さらなる新機軸では、上記の方法はすべて、例えば、軸受軌道と軸との間、または歯車ブランクと軸との間の、ドライブラインにおける締まりばめの影響をシミュレートするために使用できる。ティモシェンコ梁を軸に使用することができ、この場合、解析モデルを使用して締まりばめの影響を計算することができる。あるいは、軸、軸受、および歯車の３Ｄ  ＦＥモデルを使用して、各節点における応力および変位の非常に複雑な解析と、システムの残り部分への影響と、を計算することができる。解析方法は、結果を迅速に提供できるが、例えば、締まりばめが計算されている部分の途中で軸の内径が変化する場合、これは計算できないという限界がある。３Ｄ  ＦＥ手法は、より複雑なジオメトリの結果を提供するが、実行は遅い。繰り返しになるが、同じＣＡＥパッケージ内で２つを組み合わせることで、エンジニアリングの洞察、意思決定および設計の最適化への直接のルートが提供される。
【０１４８】
プロセス全体に、大きな柔軟性がある。例えば、歯車は、内輪が軸に接続されている、軸受外輪に装着することができる。歯車、軸および軸受は、数学的モデルにおけるそれらの表現に関して、異なるレベルの忠実度を有することができる。いずれの場合でも、すべてのレベルの忠実度を、他のコンポーネントの他のレベルの忠実度と共に利用することができる。すべての場合において、忠実度のレベルは、ドライブラインの再定義を必要とせずに増加または減少させることができる。すべての場合において、プロセスは、試みようとする解析に応じて、忠実度レベルの推奨値を提供する。すべての場合において、忠実度のレベルが選択されたならば、（ＣＡＤの）コンポーネントのいずれかの形式に対するいかなる変更も、自動的に、検討中の性能基準のいずれかに関して数学的モデルが更新される。常に、ユーザは、任意のコンポーネントまたはコンポーネントのグループに対して異なるレベルの忠実度を選択することができる。
【０１４９】
これにより、従来のＣＡＥシステムの主要な欠点はすべてなくなる。１つのドライブライン定義で複数の性能基準を検討することができ、その結果、ドライブライン設計の変更が行われた場合、再定義やユーザの介入を必要とせずに、すべての故障モードの数学モデルが自動的に更新される。
【０１５０】
同時に、すべての数学的モデルは目的に合わせて正確に適合しているため、必要なシミュレーションに対して過度のまたは不十分なレベルの忠実度を含んでいない。
【０１５１】
さらなる利点は解釈可能性に由来する。各コンポーネントは最高レベルの忠実度にモデリングして、ドライブラインの数学的モデルを非常に複雑にすることが可能である。しかしながら、そのようなモデルのシミュレーションの結果は、一見して直感に反したものになるだろう。エンジニアは、各コンポーネントの忠実度のレベルを選択的に減らすことができ、手計算で簡単に理解または確認できるものに戻すことができる。各レベルの複雑さが追加／削除されるにつれて、エンジニアは、どのような影響が結果を直感から逸脱させるのかについての洞察を得る。エンジニアは、ドライブラインの定義にエラーがないことを確認し、複雑なシミュレーションの結果に対する影響の比類のない理解を深めることができる。これは意思決定を支援し、より良い製品とより効率的な経済活動につながる。
【０１５２】
ここまで、軸、軸受、歯車、スプラインなどの回転対称のコンポーネントに関してシステムを説明してきた。一般的に使用される他のコンポーネントは、回転非対称であり、従って、異なる処理が必要とされる。例としては、（自動車用途の）デフケースおよび（広範囲の用途の）遊星キャリヤが挙げられる。特に、遊星キャリヤは、遊星歯車を含むドライブラインの挙動に強い影響を及ぼすが、多くの場合、エンジニアは、意味のある設計変更が困難であるほど設計が完成に近づく時点まで、これが剛体であると仮定する。
【０１５３】
本発明では、直接モデリングまたは少数のパラメータによって制御されるソリッドモデルのいずれかを介して、遊星キャリヤの単純な表現を実現できる。隅の丸みなどの詳細は省略されているが、ＣＦＤ、静的変位、剛性およびすべての動的影響の解析にはこれで十分である。従って、歯車および歯車が支持する軸受の性能のすべての側面に対する遊星キャリヤの影響が含まれる。
【０１５４】
遊星キャリヤのこのような定義のために、ここでも、実施されている解析および相互作用するコンポーネントへの関連するインターフェースに適したメッシュ密度のレベルを備えて、ｈｅｘ自動メッシュ化できる。複数の性能基準の解析のすべての原則、様々なレベルの忠実度を行きつ戻りつ調べること、および自動モデルの更新が成り立つ。
【０１５５】
デフケースの挙動は、遊星キャリヤと同様に扱うことができる。
【０１５６】
最後に、ドライブラインのハウジングの処理を説明する。この場合、ジオメトリは非常に変わりやすく、ｈｅｘ自動メッシュ化は不可能である。従って、ｔｅｔ自動メッシュ化を使用できることが一般的であり／予期される。
【０１５７】
本発明は、この場合も、異なる性能基準について、複数レベルの複雑さおよび忠実度を使用するため、ならびに数学モデルを自動更新するため、ハウジングが完全なドライブラインの解析に含まれるようにする。
【０１５８】
ハウジングは、通常、軸受の外輪を支持しており、様々な定義を有することができる。軸受内輪と軸との間の接続の場合と同様に、外輪が剛体である場合、その単一の解析節点は、例えばＲＢＥ２またはＲＢＥ３要素を使用することにより、この所与のアキシアル位置近くのハウジングの内面上のすべての節点と共に移動するように拘束される。
【０１５９】
しかしながら、軸受外輪が３Ｄｈｅｘ要素を使用して定義されている場合、メッシュがある要素の種類から次の要素の種類に移動するときに、不連続なメッシュが存在する。しかしながら、最新のＦＥパッケージ（例えば、Ｎａｓｔｒａｎ）では、２つの非共形メッシュ間の連続性は、これらの接触面が一緒に「溶接」されると仮定することによって近似することができ、この近似がここで使用される。この利点は、ハウジング設計の影響を、ここで説明するドライブラインシステムの設計−解析−再設計のための柔軟性のある、マルチアナリシスおよびマルチフィデリティプロセスに統合できることである。
【０１６０】
動的解析では、（ｉ）解析方法、（ｉｉ）有限要素解析、および（ｉｉｉ）統計的エネルギー解析のオプションを同じパッケージ内で提供することにより、マルチフィデリティ手法を拡張する。解析手法は単純な構造（平面部分、２Ｄ形状、軸対称部分）では正確であるが、複雑な３Ｄ構造では正確ではない。それにもかかわらず、同じパッケージ内で３Ｄ動的解析と組み合わせて使用する場合、これらの方法のうちの１つを単独で使用することではできない方法で、システム性能を最適化できる設計方法論が生まれる。
【０１６１】
ハウジング内では、一般的に、一定の厚さを有するハウジングの領域に、構造的な剛性を高めるリブが組み込まれる。リブ同士が離れすぎていると、その間が共振して雑音を出す「パネル」になる恐れがある。３Ｄ有限要素解析を使用してシステムをモデリングし、モーダル周波数や強制応答などを計算することは多い。しかしながら、パネルの寸法を調べ、閉形式解析解により、そのようなパネルの共振周波数を示唆することが可能である。この周波数が低すぎれば、エンジニアは、直ちに肉厚を増やしたり、リブ間の間隔を狭めたりすることができる。この手法の成功は、構造全体の３Ｄ  ＦＥＡを使用して、同じパッケージで確認することができる。
【０１６２】
ＳＥＡが同じパッケージ内で組み合わされている場合、ＦＥＡの周波数の制限はなくなる。システムには、多くの場合、ＦＥＡに適した範囲内にある振動周波数がいくつかあるが、他はこれを上回る。本発明は、動的挙動の予測に使用されるＦＥＡおよびＳＥＡの両方を提供する。使用する方法の選択は、パッケージによって励起の解析に基づいて示唆されるが、エンジニアが選択することもできる。
【０１６３】
ＳＥＡの使用には別の利点がある。ハウジングの動的挙動は、統計的エネルギー解析（ＳＥＡ）を使用して計算することができ、これは、ハウジングの詳細な設計ではなく、ハウジング全体の形状に依存する。従って、類似の形状およびサイズのハウジングを有するドライブライン設計が存在する限り、ハウジングのＳＥＡにより、コンセプト設計の初期段階において、その影響を抽出したり含めたりできる。このようにして、新しいドライブラインのコンセプト設計に、まだ作成されていない新しいドライブラインの実際のハウジングの代わりに、既存であるが同様のドライブラインハウジングからのデータを使用することができる。従って、本発明は、新しい設計を作成するプロセスを最適化するために、過去の設計の「データマイニング」の機会を提供する。
【０１６４】
マルチフィデリティ手法は、設計プロセス内で利点がある。ドライブライン設計のコンセプトフェーズでは、可能な設計構造および構成を幅広く検討する必要があり、この場合、作成、解析、および解釈が最も簡単なため、単純なモデルが適する。設計が成熟するにつれて、実質的な変更の要件は、ドライブラインの性能を確認するために最高レベルの忠実度が要求される設計凍結点まで低下する。
【０１６５】
本発明では、ドライブラインの最も初期の定義から最終定義への移行プロセスは、シームレスかつ円滑である。これは、製品モデルへの更新を伴うだけであるからであり、この場合、既に設定されたすべての数学モデルが自動的に更新され、エンジニアには、各コンポーネントについて、低忠実度モデルから高忠実度モデルに移行する選択肢がある。
【０１６６】
上述のように、高忠実度から低忠実度の数学モデルへの移行は、結果を解釈し、支配的な影響を特定するのに役立つ。しかしながら、さらに、エンジニアが、どのパラメータがドライブライン性能に影響を及ぼしているか、及ぼしていないのか、またそれがどの程度かを特定できるという利点もある。
【０１６７】
影響がないパラメータは、設計の解析から除外することができる。パラメータの及ぼす影響がほとんどない場合、他のコンポーネントの忠実度のレベルによって、パラメータを含むことが正当化される後の設計まで、無視することができる。エンジニアは、常に、ドライブラインの定義が設計プロセスの所与の段階に正確に適していることと、数学モデルからの除外が正しい判断に基づいていることと、を確実にすることができる。
【０１６８】
マルチフィデリティ手法により、エンジニアは、既存のシステムの設計を取り入れ、数学的モデルからパラメータを系統的に１つずつ除外して、どのプロセスが影響力があるか、ひいては、どのプロセスを設計プロセスのどの段階に含める必要があるかを調べることができる。このようにして、エンジニアは、比較が有効で「リンゴがリンゴと比較されている」と確信した上で、既存のドライブラインを解析し、新しいドライブラインのガイダンスとしてこれらの結果を使用することができる。本発明は、この場合も、既存のアプリケーションに対する洞察的なデータマイニングの機会を提供し、それ自体が意思決定および設計最適化のためのツールとなる。
【０１６９】
すべての場合において、シミュレーション方法は、各コンポーネントの公称寸法に適用することができるが、各寸法が製造公差に従って変化する状態でも適用することができる。説明したマルチフィデリティ手法は、解析と洞察のスピードとの最適な組み合わせが確保されるように設定されており、このことは、製造ばらつきを考慮する場合に所与の解析を複数回行う必要があることから、不可欠である。従って、そのような検討を実施するためには、所与の性能目標に対して最も効果的な解析を得られることが前提条件である。
【０１７０】
インターフェースモジュール２０で行われるワークフローの一例を図２に示す。第１のステップ２１０において、ユーザは、インターフェースモジュール２０を使用して、回転機械組立体の１つ以上のコンポーネントのモデルを、この例ではウェブアプリケーションの形態で準備する。第２のステップ２２０において、ユーザは、アプリケーションの他のユーザとモデルを共有する。第３のステップ２３０において、ユーザは、他の当事者が閲覧または編集できるものを選択することができ、例えば、共同作業を結果を閲覧することのみに制限できる。モデルデータの共有には、グループ内のすべてのユーザが、集中管理された安全なデータベースにモデルを格納していることを含む。これは、グローバルにアクセス可能なデータベースまたは特定の場所のオンサイトのローカルデータベースであってもよい。任意の共同作業者がモデルに変更を加えると、モデルで作業しているすべてのユーザが、変更を直ちに確認する。これにより、モデルファイルのファイル追跡の必要性が軽減される。つまり、チームやチームメンバーをサポートするために大きなファイルを送信する必要がない。また、すべてのデータがサーバー上に安全に保存されているため、セキュリティが向上する。モデルに対して一度に複数人で作業することができ、チームの生産性が向上する。
【０１７１】
他の解析としては、軸部分間の締まりばめ；干渉に対する解析的３Ｄ  ＦＥ手法；ｈｅｘ／シェル構造を用いた、軸受内輪、ころ軸受、歯車へのメッシュ移行；真円から外れた軸受のための、可撓性軸受リングの３Ｄドライブライン解析への組み込み、またＦＥ接触の組み込みを伴うもの；軸受リングの可撓性の解析とハウジングの剛性および遊星キャリヤの剛性との組み合わせ；軸受リングの柔軟性の解析と遊星歯車の負荷分散および歯車の噛み合いのミスアライメントとの組み合わせ；行きつ戻りつ調べる軸受（５つのバージョン）に対するマルチフィデリティ手法；コンポーネントのすべてのバージョンを所与のレベルの忠実度に設定する、または１つずつ選択する、歯車、軸、および軸受のマルチフィデリティモデルを同時に行きつ戻りつ調べる機能；軸のｈｅｘ自動メッシュからハウジングのｔｅｔ自動メッシュへのメッシュ移行；遊星キャリヤおよびデフケース自動メッシュ（マルチフィデリティジオメトリおよびメッシュオプション）；解析の目的（応力、変位、周波数）に応じたデータを含む軸のインポート；周波数および忠実度の要件に依存するＳＥＡ／ＦＥＡ；データマイニング、コンセプト設計のためのＳＥＡ；リブの分離について助言するための一連のプレート部分の曲げ周波数に関するガイダンス；が挙げられる。
【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
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2019501445.tif 000011