(57)【要約】【課題】ラックガイドとこれを収容する導管との間のクリアランスを表す数値解析用のモデルを作成する。【解決手段】車輪操舵用のラックバーを所定方向に付勢するための部品であるラックガイド３０は、略円柱形状をなし、一端に断面円弧形状の凹面が形成されている。ラックガイド３０の導管内での挙動を数値解析するためのモデルを作成する方法は、ラックガイドの中心軸上に所定の間隔で節点を定義する工程と、節点に非線形特性のばね要素を定義する工程と、クリアランスＣを表現するためにばね要素Ｓのばね係数を設定する工程からなる。節点Ｎから、節点Ｎを中心とした円周を所定値で等分した角度に向く複数のばね要素Ｓを準備しておく。そして、節点Ｎを含みラックガイドの中心軸３８に垂直な平面ξ＝ａ０〜ａ１０でラックガイドを切断したときに、平面とラックガイドの外周とが交わる点に向かうばね要素Ｓを節点Ｎに定義する。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
略円柱形状の物体と、前記物体の少なくとも一部を収容し該物体を長軸方向に移動させるように保持する導管とからなる構造について、前記物体と前記導管との間にクリアランスがあるとき前記物体の前記導管内での挙動を数値解析するためのモデルを作成する方法であって、
前記物体の中心軸上に所定の間隔で節点を定義する工程と、
前記節点に非線形特性の仮想的なばね要素を定義する工程と、
前記クリアランスを表現するために前記ばね要素の特性を設定する工程と、
を含むことを特徴とするモデリング方法。
【請求項２】
両端に車輪が連結されるラックバーを所定方向に付勢するためのラックガイドと、該ラックガイドの少なくとも一部を収容し該ラックガイドを長軸方向に移動させるように保持する導管とからなる構造について、前記ラックガイドは略円柱形状をなし、一端に前記ラックバーの周面に当接するための断面円弧形状の凹面が形成されており、前記ラックガイドと前記導管との間にクリアランスがあるとき、前記ラックガイドの前記導管内での挙動を数値解析するためのモデルを作成する方法であって、
前記ラックガイドの中心軸上に所定の間隔で節点を定義する工程と、
前記節点に非線形特性のばね要素を定義する工程と、
前記クリアランスを表現するために前記ばね要素のばね係数を設定する工程と、
を含み、
前記節点から前記節点を中心とした円周を所定値で等分した角度に向く複数のばね要素のうち、前記節点を含み前記ラックガイドの中心軸に垂直な平面でラックガイドを切断したときに該平面と前記ラックガイドの外周とが交わる点に向かうばね要素を前記節点に定義することを特徴とするモデリング方法。
【請求項３】
前記ばね係数は、前記節点の正方向の変位がクリアランスと等しくなる点で略垂直に増加し、前記節点の負方向の変位がクリアランスと等しくなる点で略垂直に減少するように設定されることを特徴とする請求項２に記載のモデリング方法。
【請求項４】
前記節点を含み前記ラックガイドの中心軸に垂直な平面でラックガイドを切断したとき、該平面による前記ラックガイドの切片が全円であるとき、該平面上の節点については円筒座標系で定義したひとつのばね要素を設定することを特徴とする請求項２に記載のモデリング方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、有限要素法などの数値解析における部品のモデリング方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
車両の操舵装置は、ステアリングホイールの操作に応じて車両の左右方向に移動し、両端に連結された車輪を転舵させるラックバーを有している。このラックバーには、ステアリングホイールに連動するピニオンと係合するラックが形成されている。そのため、ラックバーのラックをピニオンに向けて付勢しつつ支持するラックガイドが必要になる（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００４−２５６０６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
コンピュータの発達とともに、車両の設計において有限要素法（ＦＥＭ）を用いたシミュレーションが多用されるようになってきている。ラックガイドをこのような解析の対象とするためには、ラックガイドとこれを収容するハウジングとの間のクリアランスをモデル化する必要がある。部品モデル間のクリアランスを評価するには、例えば部品モデルのサーフェスデータを利用してクリアランスに相当する解析モデルを作成する方法がある。しかし、この方法では、モデルの作成にかかる工数と解析にかかる時間が多大になるという問題がある。
【０００４】
本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、二つの部品間のクリアランスを表現する数値解析用のモデルを簡便に作成する方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明のある態様は、略円柱形状の物体と、前記物体の少なくとも一部を収容し該物体を長軸方向に移動させるように保持する導管とからなる構造について、前記物体と前記導管との間にクリアランスがあるとき前記物体の前記導管内での挙動を数値解析するためのモデルを作成する方法である。この方法は、前記物体の中心軸上に所定の間隔で節点を定義する工程と、前記節点に非線形特性の仮想的なばね要素を定義する工程と、前記クリアランスを表現するために前記ばね要素の特性を設定する工程と、を含む。
【０００６】
この態様によれば、略円柱形状の物体とこれを収容する導管との間のクリアランスをばね要素の特性で表現することによって、数値解析用のモデルを簡便に作成することができる。
【０００７】
本発明の別の態様は、両端に車輪が連結されるラックバーを所定方向に付勢するためのラックガイドと、該ラックガイドの少なくとも一部を収容し該ラックガイドを長軸方向に移動させるように保持する導管とからなる構造について、前記ラックガイドは略円柱形状をなし、一端に前記ラックバーの周面に当接するための断面円弧形状の凹面が形成されており、前記ラックガイドと前記導管との間にクリアランスがあるとき、前記ラックガイドの前記導管内での挙動を数値解析するためのモデルを作成する方法である。この方法は、前記ラックガイドの中心軸上に所定の間隔で節点を定義する工程と、前記節点に非線形特性のばね要素を定義する工程と、前記クリアランスを表現するために前記ばね要素のばね係数を設定する工程と、を含む。そして、前記節点から前記節点を中心とした円周を所定値で等分した角度に向く複数のばね要素のうち、前記節点を含み前記ラックガイドの中心軸に垂直な平面でラックガイドを切断したときに該平面と前記ラックガイドの外周とが交わる点に向かうばね要素を前記節点に定義する。
【０００８】
ラックガイドには、ラックバーに当接するために円柱の一部を切り欠いた形状を有しているが、この態様によると、中心軸上に設定した複数の節点毎に、定義するばね要素の本数と方向とを変化させることで、切り欠かれた部分についても断面形状を比較的容易に表現することができる。
【０００９】
前記ばね係数を、前記節点の正方向の変位がクリアランスと等しくなる点で略垂直に増加し、前記節点の負方向の変位がクリアランスと等しくなる点で略垂直に減少するように設定してもよい。こうすると、節点がクリアランス分だけ移動したときにばね要素による反力が極めて大きくなり、節点のそれ以上の変位を妨げる。したがって、ラックガイドが導管の壁面に接触してそれ以上移動しない様子をばね要素で代替して表すことができる。
【００１０】
前記節点を含み前記ラックガイドの中心軸に垂直な平面でラックガイドを切断したとき、該平面による前記ラックガイドの切片が全円であるとき、該平面上の節点については円筒座標系で定義したひとつのばね要素を設定してもよい。
【００１１】
なお、本発明を方法、装置、システム、記録媒体、コンピュータプログラムにより表現したもの、それらの表現を入れ替えたもの、本発明の処理の順序を入れ替えたものなどもまた、本発明の態様として有効である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、二つの部品間のクリアランスを表現する数値解析用のモデルを簡便に作成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
まず、図１ないし図３を参照して、本実施形態のモデリング方法の対象となるラックガイドの構造を説明する。
【００１４】
図１は、ラックガイドを有する車両操舵装置１０の概略構成を示す図である。ステアリングシャフト１４は、運転者によって操作されるステアリングホイール１２に連結されステアリングホイールの回転が入力される入力軸１４ａと、ピニオン４０へ回転を伝達する中間軸１４ｂとに分割されている。入力軸１４ａと中間軸１４ｂとは自在継手１６で接続される。
【００１５】
ラックハウジング５０内には、車両の左右方向、すなわち車幅方向に延びるラックバー５２が移動可能に収納されている。ピニオン４０の両端は、軸受４４によって回転可能に軸支される。ピニオン４０は、ラックバー５２の一部に形成されたラック４２と噛合されている。自在継手１６に接続された中間軸１４ｂが回転すると、図示しないギヤを介してピニオン４０が回転する。ラックバー５２の両端には、それぞれタイロッド５４の一端が接続される。タイロッド５４の他端は、左右の操舵輪５８を支持するナックルアーム５６に連結されている。ナックルアーム５６はキングピン６０を支点として回転する。ステアリングホイール１２が操作されてステアリングシャフト１４が回転すると、この回転がピニオン４０およびラック４２によってラックバー５２の車両左右方向の直線運動に変換される。この直線運動は、ナックルアーム５６のキングピン６０回りの回動に変換され、操舵輪５８の転舵が行われる。
【００１６】
図２は、ラックハウジング５０のうちピニオン４０およびラック４２付近をラックバー５２の中心軸５３を含む垂直断面図で示す。また、図３は、図２のＡ−Ａ断面を表す模式図である。
ラックガイド３０は、ラックバー５２をピニオン４０に向けて付勢しつつ支持する装置である。ラックガイド３０は全体として略円柱形状をなすが、ラックガイド３０の上端にはラックバー５２の周面に当接するための断面円弧形状の凹面が形成されている。円筒上の導管３６は、ラックハウジング５０の壁面に形成され、ラックハウジング５０の中心軸に対して垂直方向に延びる。ラックガイド３０の少なくとも一部は、導管３６内に配置される。ラックガイド３０と導管３６の中心軸３８は、ラックガイド３０に力がかかっていない状態では同軸に配置される。
【００１７】
ラックガイド３０の底面にはスプリング３２の一端を受け入れるための凹部が形成される。スプリング３２の他端は、導管３６を塞ぐプラグ３４に固定される。このスプリング３２によって、ラックガイド３０は常にラックバー５２をピニオン４０に向けて付勢する。
【００１８】
ラックガイド３０と導管３６との間には、図３に示すようにクリアランスＣが設けられている。このため、ラックバー５２がピニオン４０の回転によって車両の左右方向に移動すると、ラックガイド３０がラックバー５２に引き摺られ導管３６内を移動し、ときには導管３６の壁面に接触することもある。
【００１９】
近年、車両の設計においても数値解析が広く取り入れられている。ラックバー全体の挙動を検証するには、ラックガイドと導管との間のクリアランスを適切にモデリングする必要がある。ばね要素を使ってラックガイドの径方向クリアランスを簡便に表現する方法として、従来から、以下の二つの方法が知られている。
【００２０】
（１）直交する二方向のばね要素を定義する方法
図４（ａ）に示すように、ラックガイドの中心軸に垂直な平面内のη−ζ座標系を考える。節点Ｎに対して、η軸に平行なばね要素Ｓηと、ζ軸に平行なばね要素Ｓζの二つのばね要素を定義する。ばね要素Ｓηのばね係数をＫη、ばね要素Ｓζのばね係数をＫζとする。節点がΔη、Δζ変位したものとすると、節点Ｎに働くη方向の力Ｆηは−ＫηΔη、ζ方向の力Ｆζは−ＫζΔζとなる。節点Ｎの変位がクリアランスＣと等しくなったときにばね係数の傾きがほぼ垂直になるようにばね係数Ｋη、Ｋζを設定しておくと、節点Ｎの可動範囲は、図４（ｂ）に示すように２Ｃ×２Ｃの正方形になる。つまり、直交する二つのばね要素では、円筒形の導管内で変位する略円柱形状のラックガイドのクリアランスを適切に表現できない。
【００２１】
（２）円筒座標系で表記したばね要素を定義する方法
図５（ａ）に示すように、ラックガイドの中心軸に垂直な平面内のｒ−θ座標系を考える。節点Ｎに対して、半径方向の変位に対応するばね要素Ｓｒを定義する。ばね要素Ｓｒのばね係数をＫｒとする。節点がΔｒ変位したものとすると、節点Ｎに働く半径方向の力Ｆｒは−ＫｒΔｒとなる。（１）と同様に、節点Ｎの変位がクリアランスＣと等しくなったときにばね係数の傾きがほぼ垂直になるようにばね係数を設定しておくと、節点Ｎの可動範囲は、図５（ｂ）に示すように半径Ｃの円になる。これは、ラックガイドが完全な円柱であれば円筒形の導管内での変位を表現できることを意味する。しかしながら、図３に示すように、実際のラックガイド３０にはラックバー５２を受けるために上端が大きく円弧状に切り取られているため、やはりラックガイド３０と導管３６との間のクリアランスを適切に表現できない。
【００２２】
そこで、本実施形態では、ラックガイドと導管とのクリアランスをラックガイドの形状をも考慮してモデリングする手法を提供する。
【００２３】
図６は、有限要素法による解析装置の概略を示す。ここに示す各ブロックは、ハードウェア的には、コンピュータのＣＰＵやメモリをはじめとする素子や電気回路、機械装置で実現でき、ソフトウェア的にはコンピュータプログラム等によって実現されるが、ここでは、それらの連携によって実現される機能ブロックとして描いている。したがって、これらの機能ブロックはハードウェア、ソフトウェアの組合せによっていろいろなかたちで実現できることは、当業者には理解されるところである。
【００２４】
入力部７０は、ＦＥＭモデルを作成するために必要となるラックガイド３０の外径、形状、高さ、クリアランス、スプリング３２のばね係数などの入力を受け付ける。
モデル作成部７２は、解析対象となる部品についてＦＥＭモデルを作成する。一般的には、部品の形状を表した三次元データをメッシュ分割してモデルを作成するが、本実施形態では導管内でのラックガイドの挙動を検証するのみであるから、以下に述べるような単純なモデルを作成する。
条件入力部７４は、シミュレーションのための条件の入力を受け付ける。図２の例では、ラックバーからラックガイドに与えられる力、ラックガイドとラックバーとの動摩擦係数などである。
【００２５】
シミュレーション実行部７６は、モデル作成部７２で作成されたモデルに対して条件入力部７４で入力された条件を与えて、有限要素法による解析を実行する。有限要素法による数値解析は周知であるので、詳細な説明は省略する。
出力部７８は、解析の結果をディスプレイにグラフィック表示したりデータをプリンタで印字するなどの出力処理を行う。
【００２６】
図７は、節点を含みラックガイドの中心軸に垂直な平面においてばね要素を用いてクリアランスを定義する様子を説明する図である。
本実施形態では、ラックガイド３０の中心軸３８に沿って、ラックガイドの軸方向長さにわたって複数の節点Ｎを定義する。節点Ｎの数は、ラックガイドの長さなどによって変わる。図７では、ラックガイド３０の上端から下端までを１０等分したうえで、ラックガイド３０の上面をξ＝ａ０とし、以降、ξ＝ａ１、ａ２、ａ３、．．．、ａ１０の平面に節点を定義する。ばね要素の他端は、同一平面内の仮想的な点に固定する。したがって、節点Ｎの中立位置、すなわち中心軸３８からの変位だけを考慮すればよい。
【００２７】
ラックガイド３０と導管３６とのクリアランスＣは、ばね要素Ｓのばね係数で調整する。ばね要素Ｓに与えるばね係数の一例を図８に示す。図示するように、節点Ｎの正方向の変位がクリアランスＣに達したらグラフがほぼ垂直となるように増加し、ばね要素Ｓによる反力が十分大きい値になるように設定する。また、節点Ｎの負方向の変位がクリアランスＣに達したらグラフがほぼ垂直となるように減少し、ばね要素Ｓによる反力が十分大きい値になるように設定する。これは、ラックガイドが中立位置からクリアランスＣだけ変位すると、ばね要素の反力によりそれ以上変位することができなくなる、つまり導管の壁に接触している状態を表すことができる。また、変位がＣになるまでのばね係数を十分小さいかまたは０とすることで、ラックガイドがＣだけ変位するまでは、つまり導管の壁面に接触するまでは自由に動けることを表している。
【００２８】
本実施形態では、図９に示すように、ひとつの節点に対して最大で３２本のばね要素を設定する。ばね要素は、１８０度分の円周を３２等分した方向について定義する。なお、図８に示したように、ばね要素のばね係数は負方向についても設定してあるので、円の下半分についてはばね要素を定義する必要はない。
【００２９】
ところで、上述したように、ラックガイドの上部には凹面をなす切り欠きが存在する。したがって、ラックガイドが傾いた状態になるとき、この切り欠き部分についてはクリアランスＣよりも変位する余地がある。そこで、図９で定義した３２本のばねの一部を取り出すことで、ラックガイドの形状を表現する。すなわち、図１０に示すように、３２本のばね要素のうち、ξ＝ａ０〜ａ１０である平面Ｐでラックガイド３０を切断したときに、平面Ｐとラックガイド３０の外周とが交わる点についてのみばね要素を節点Ｎに定義する。ξ＝ａ０、ａ１、ａ２、ａ３、ａ１０について、この方法でばね要素を定義すべき方向を求めた様子を図１１（ａ）〜（ｅ）に示す。ラックガイドの外形が完全な円筒である部分、つまり、ξ＝ａ１０では、３２本のばねを定義する。
【００３０】
ξ＝ａ０、ａ１、ａ２、ａ３の平面で、節点Ｎについてばね要素Ｓを定義すべき方向を求めた結果を図１２（ａ）〜（ｄ）に示す。図１２（ａ）に示すように、ξ＝ａ０では、ラックバーを受ける凹面の左右の爪の部分を向く方向についてのみばね要素を定義する。図１２（ｂ）については、平面がラックガイドの切り欠きを構成する曲面と接する点に向く方向についてのみばね要素を定義する。図１２（ｂ）において、図中Ｅで示す部分にばね要素を定義しないのは、ラックガイドが導管内で傾くとき、Ｅの部分が導管の壁面と接することはないからである。言い換えると、Ｅの部分のクリアランスは、この平面（ξ＝ａ１）よりもラックガイドの上端側にある平面（ξ＝ａ０）で既に定義されているため、改めて定義する必要がないからである。図１２（ｃ）、図１２（ｄ）についても、同様にしてばね要素を定義する。
【００３１】
ξ＝ａ０〜ａ１０という予め定めた平面でラックガイドを切断すると、平面とラックガイドの外周とが交わる点が、予め定めた３２方向と異なる場合が起こりうる。そこで、ラックガイドの切り欠き部において、節点Ｎについてばね要素Ｓを定義すべき方向を定める手順を以下のようにしてもよい。
手順１．まず、ξ＝ａ０〜ａ１０の各平面（例えば、ξ＝ａ２）において、予め定めた３２方向とラックガイドの外周との交点を求める。
手順２．次に、上記平面ξ＝ａ２をξ座標のいずれかの方向に動かして、つまりラックガイド中心軸の上下いずれかの方向に動かして、手順１で求めた交点がラックガイド切り欠き部の曲面と交わるξ座標ａ２’を求める。
手順３．ξ＝ａ２’の平面とラックガイド中心軸の交点に節点Ｎを定義し、この平面とラックガイドの外周とが交わる点についてばね要素を定義する。
なお、上記手順によらず、手順１で求めた交点が予め定めた３２方向と異なる場合は、最も近い方向にあるばね要素を定義するようにしてもよい。
【００３２】
図１３は、ラックガイドと導管とのクリアランスをモデル化してラックガイドの挙動を解析する手順のフローチャートである。
モデル作成部７２は、ラックガイドの中心軸に沿って複数の節点を配置する（Ｓ１０）。節点は等間隔であってもよいし、ラックガイド外形の複雑な部分に対しては節点の間隔を狭めるようにしてもよい。続いて、モデル作成部７２は、節点を含み中心軸に垂直な平面で、ラックガイドの外形モデルを切断する（Ｓ１２）。この平面とラックガイド外周とが交わる方向について、予め定めた３２方向のばね要素のうちその方向にあるものを節点に対して定義する（Ｓ１４）。モデル作成部７２は、設定したばね要素のばね係数を与えるデータを、ラックガイドと導管のクリアランスＣにしたがって設定する（Ｓ１６）。こうしてＦＥＭモデルが作成される。そして、シミュレーション実行部７６は、条件入力部７４で入力されたラックバーからラックガイドに付与される応力または変位をモデルに与えて、その挙動を有限要素法によって解析する（Ｓ１８）。
【００３３】
以上説明したように、本実施形態によれば、略円柱形状のラックガイドとこれを収容する導管との間のクリアランスをばね要素の特性で表現することによって、数値解析用のモデルを簡便にかつ高精度に作成することができる。したがって、導管内でのラックガイドの動きを解析できるほか、ラックバーの他の部分のモデルと組み合わせることで、ラックバー全体の挙動について従来より正確な解析結果を得ることができる。
【００３４】
本発明は、上述の各実施形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を加えることも可能である。各図に示す構成は、一例を説明するためのもので、同様な機能を達成できる構成であれば、適宜変更可能である。
【００３５】
実施形態では、ばね要素を半円に対して最大３２方向に定義したが、これより多いまたは少ない方向について定義してもよい。
【００３６】
実施形態では、ラックガイド下部の外周が完全な円形である部分についても３２方向のばね要素を節点に対して設定したが、こうした部分については、上述した円筒座標系で定義したばね要素を設定しても同様の解析結果を得ることができる。
【００３７】
実施形態では、導管内のラックガイドについてモデルを作成することを述べたが、本発明はこれに限られず、管内に配置された略円筒形をなす物体のモデリングに適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】車両操舵装置の概略構成を示す図である。
【図２】図１のピニオンおよびラックの近傍を示す垂直断面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ断面を表す模式図である。
【図４】（ａ）は直交座標系で定義されるばね要素を示し、（ｂ）はそのときのクリアランスを示す図である。
【図５】（ａ）は円筒座標系で定義されるばね要素を示し、（ｂ）はそのときのクリアランスを示す図である。
【図６】解析装置の概略を示す図である。
【図７】ラックガイドの中心軸に沿った平面について、ばね要素を用いてクリアランスを定義する様子を説明する図である。
【図８】ばね要素に与えられるばね係数のグラフである。
【図９】平面内で節点に定義されるばね要素の方向を説明する図である。
【図１０】平面内で節点に定義されるばね要素の本数を決定する様子を説明する図である。
【図１１】（ａ）〜（ｅ）は、節点に定義されるばね要素を示す図である。
【図１２】図１１の（ａ）〜（ｄ）について、ばね要素の定義された方向を中心軸に垂直な平面内で表した図である。
【図１３】クリアランスをモデル化してラックガイドの挙動を解析する手順のフローチャートである。
【符号の説明】
【００３９】
３０  ラックガイド、  ３２  スプリング、  ３６  導管、  ４０  ピニオン、  ４２  ラック、  ５０  ラックハウジング、  ５２  ラックバー、  Ｃ  クリアランス、  Ｎ  節点、  Ｓ  ばね要素。
【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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【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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