(57)【要約】【課題】有限要素法によって多層ガスケットの摩耗が発生するか否かを簡単な手法で精度良く予測することの出来る多層ガスケットの摩耗予測方法を提供すること。【解決手段】多層ガスケットの摩耗予測方法であって、多層ガスケットを単層ガスケットとしてモデル化し、エンジンの全体にかかる３次元全体モデルを用いて多層ガスケットの面圧（Ｐ）及び相対滑り量（δ）を算出する全体解析ステップと、多層ガスケットを多層ガスケットとしてモデル化し、エンジンの一部を拡大した２次元拡大モデルを用い、面圧（Ｐ）及び相対滑り量（δ）を境界条件として入力して、多層ガスケットの局所面圧（Ｐlocal）及び局所相対滑り量（δlocal）を算出する局所解析ステップと、局所面圧（Ｐlocal）と局所相対滑り量（δlocal）との積（Ｐlocal・δlocal）に基づいて多層ガスケットの摩耗の発生を予測する摩耗予測ステップとを備える。【選択図】  図５
2016048084.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンのシリンダブロックとシリンダヘッドとの間に介装される、複数のガスケット層を有する多層ガスケットの摩耗予測方法であって、
前記多層ガスケットを単一のガスケット層を有する単層ガスケットとしてモデル化し、前記シリンダヘッド、前記シリンダブロック、および単層ガスケットとしてモデル化した前記多層ガスケットを含む前記エンジンの全体を、複数の３次元メッシュ要素に分割して３次元全体モデルを生成する３次元全体モデル生成ステップと、
前記３次元全体モデルを用い、所定の境界条件を入力して、前記多層ガスケットの面圧（Ｐ）及び前記多層ガスケットの相対滑り量（δ）を有限要素法によって算出する全体解析ステップと、
前記多層ガスケットを複数のガスケット層を有する多層ガスケットとしてモデル化し、前記シリンダヘッド、前記シリンダブロック、および多層ガスケットとしてモデル化した前記多層ガスケットを含む前記エンジンの一部を、前記３次元メッシュ要素のメッシュサイズよりも細かいメッシュサイズを有する複数の２次元メッシュ要素に分割して２次元拡大モデルを生成する２次元拡大モデル生成ステップと、
前記２次元拡大モデルを用い、前記全体解析ステップにおいて算出された前記面圧（Ｐ）及び前記相対滑り量（δ）を境界条件として入力して、前記多層ガスケットの局所面圧（Ｐlocal）及び前記多層ガスケットの局所相対滑り量（δlocal）を有限要素法によって算出する局所解析ステップと、
前記局所解析ステップで算出された前記局所面圧（Ｐlocal）と前記局所相対滑り量（δlocal）との積（Ｐlocal・δlocal）に基づいて多層ガスケットの摩耗の発生を予測する摩耗予測ステップと、を備える
多層ガスケットの摩耗予測方法。
【請求項２】
前記摩耗予測ステップは、前記局所解析ステップで算出された前記局所面圧（Ｐlocal）と前記局所相対滑り量（δlocal）との積（Ｐlocal・δlocal）と、摩耗が発生する限界値として予め定められた限界値（（Ｐlocal・δlocal）cr）とを比較することで摩耗の発生を予測する
請求項１に記載の多層ガスケットの摩耗予測方法。
【請求項３】
前記全体解析ステップにおける前記所定の境界条件として、
前記シリンダブロックおよび前記シリンダヘッドを締結部材で締結する際のボルト締結力、
前記エンジンの運転時においてシリンダ内に作用する燃焼圧力、及び
前記エンジンの運転時において前記シリンダブロック、前記シリンダヘッド、及び前記多層ガスケットに伝達される熱、を少なくとも含む
請求項１又は２に記載の多層ガスケットの摩耗予測方法。
【請求項４】
前記局所解析ステップにおいて入力される前記面圧（Ｐ）及び前記相対滑り量（δ）が、前記全体解析ステップにおいて夫々算出される前記３次元全体モデルの各節点における面圧（Ｐn）及び相対滑り量（δn）の内、面圧（Ｐn）と相対滑り量（δn）との積（Ｐn・δn）が最も大きい節点における面圧（Ｐn）及び相対滑り量（δn）からなる
請求項１から３の何れか一項に記載の多層ガスケットの摩耗予測方法。
【請求項５】
前記摩耗予測ステップにおいて用いられる前記局所面圧（Ｐlocal）及び前記局所相対滑り量（δlocal）が、前記局所解析ステップにおいて夫々算出される前記２次元拡大モデルの各節点における局所面圧（Ｐn_local）及び局所相対滑り量（δn_local）の内、局所面圧（Ｐn_local）と局所相対滑り量（δn_local）との積（Ｐn_local・δn_local）が最も大きい節点における局所面圧（Ｐn_local）及び局所相対滑り量（δn_local）からなる
請求項１から４の何れか一項に記載の多層ガスケットの摩耗予測方法。
【請求項６】
前記多層ガスケットは、断面方向において不均一な剛性を有し、
前記３次元全体モデル生成ステップにおいて前記多層ガスケットを単層ガスケットとしてモデル化する時に、前記多層ガスケットの断面方向における不均一な剛性に対応するように、前記単層ガスケットの断面方向における剛性を不均一に設定する
請求項１から５の何れか一項に記載の多層ガスケットの摩耗予測方法。
【請求項７】
前記２次元拡大モデルにおける前記２次元メッシュ要素のメッシュ辺の平均長さ（ｌｂ）と、前記３次元全体モデルにおける前記３次元メッシュ要素のメッシュ辺の平均長さ（ｌａ）との比（ｌｂ／ｌａ）が１／１００以下である
請求項１から６の何れか一項に記載の多層ガスケットの摩耗予測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、多層ガスケットの摩耗予測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
エンジンのシリンダブロックとシリンダヘッドとの間には、シリンダ内の圧力が外に逃げるのを防ぐとともに、冷却水やエンジンオイルがシリンダ内へ流入するのを防ぐ目的でガスケット（シリンダガスケット）が介装される。
エンジンの運転に伴ってシリンダ内の燃焼圧力が上昇すると、シリンダブロックは外側に膨らむ一方でシリンダヘッドは内側に縮み、両者は互いに逆方向に変位する。このため、シリンダヘッドとシリンダブロックとの間に介装されるガスケットには相対的な滑りが発生し、ガスケットとシリンダブロック、及びガスケットとシリンダヘッドとが擦れて、ガスケット自体や、シリンダブロック、シリンダヘッドに摩耗が発生することがある。
【０００３】
この種の摩耗が発生するか否かを事前に把握することは大変難しく、これまでは運転後に摩耗が発生しているか否かを確認していた。そして、摩耗の発生が確認された場合には、より摩耗が発生し難いガスケットに変更するなどして事後的に対応していた。
【０００４】
例えば特許文献１には、対象とする部品は異なるが、運転後に摩耗が発生しているか否かを確認するものとして、ピストンの外周面に装着されるライダーリングの摩耗量を、エンジンを連続運転しながらセンサ等によって計測する摩耗計測装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第４３５９７５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、ガスケットの摩耗が発生するか否かを事前に把握するための手段として、有限要素法などを用いた摩耗予測解析を行うことが考えられる。しかしながら、シリンダヘッドとシリンダブロックとの間に介装されるガスケットには様々な荷重が複雑に作用するばかりか、ガスケットの部位によっても面圧や相対滑り量が大きく異なることもあって、解析によってガスケットの摩耗が発生するか否かを精度良く予測することはこれまで実現出来ていなかった。
【０００７】
特に、シリンダガスケットには複数のガスケット層を有する多層ガスケットが用いられるため、ガスケットの摩耗が発生するか否かを精度良く把握するためには、ガスケットとシリンダブロック、及びガスケットとシリンダヘッドとの滑りだけでなく、ガスケット層間における滑りも考慮する必要があることを本発明者は突き止めた。しかしながら、多層ガスケットを複数のガスケット層を有する多層ガスケットとしてそのままモデル化してエンジン全体の三次元モデルに組み込み、有限要素法によって解析しようとすると、あまりにも計算が複雑になり過ぎてしまい、実現困難である。
【０００８】
このような状況の中で、本発明者は、有限要素法を利用したガスケットの摩耗予測方法の開発について鋭意検討を重ねた結果、本発明を完成するに至った。本発明の少なくとも一つの実施形態は、有限要素法を利用して多層ガスケットの摩耗が発生するか否かを簡単な手法で精度良く予測することの出来る多層ガスケットの摩耗予測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】
【０００９】
（１）本発明の少なくとも一つの実施形態は、
エンジンのシリンダブロックとシリンダヘッドとの間に介装される、複数のガスケット層を有する多層ガスケットの摩耗予測方法であって、
前記多層ガスケットを単一のガスケット層を有する単層ガスケットとしてモデル化し、前記シリンダヘッド、前記シリンダブロック、および単層ガスケットとしてモデル化した前記多層ガスケットを含む前記エンジンの全体を、複数の３次元メッシュ要素に分割して３次元全体モデルを生成する３次元全体モデル生成ステップと、
前記３次元全体モデルを用い、所定の境界条件を入力して、前記多層ガスケットの面圧（Ｐ）及び前記多層ガスケットの相対滑り量（δ）を有限要素法によって算出する全体解析ステップと、
前記多層ガスケットを複数のガスケット層を有する多層ガスケットとしてモデル化し、前記シリンダヘッド、前記シリンダブロック、および多層ガスケットとしてモデル化した前記多層ガスケットを含む前記エンジンの一部を、前記３次元メッシュ要素のメッシュサイズよりも細かいメッシュサイズを有する複数の２次元メッシュ要素に分割して２次元拡大モデルを生成する２次元拡大モデル生成ステップと、
前記２次元拡大モデルを用い、前記全体解析ステップにおいて算出された前記面圧（Ｐ）及び前記相対滑り量（δ）を境界条件として入力して、前記多層ガスケットの局所面圧（Ｐlocal）及び局所相対滑り量（δlocal）を有限要素法によって算出する局所解析ステップと、
前記局所解析ステップで算出された前記局所面圧（Ｐlocal）と前記局所相対滑り量（δlocal）との積（Ｐlocal・δlocal）に基づいて多層ガスケットの摩耗の発生を予測する摩耗予測ステップと、を備える。
【００１０】
上記（１）に記載の多層ガスケットの摩耗予測方法では、先ず、シリンダヘッド、シリンダブロック、および多層ガスケットを含むエンジンの全体にかかる３次元全体モデルを用い、多層ガスケットに作用する面圧（Ｐ）及び多層ガスケットの相対滑り量（δ）を有限要素法によって算出する。この際、多層ガスケットを単一のガスケット層を有する単層ガスケットとしてモデル化し、３次元全体モデルに組み込む。
そして次に、エンジンの一部を拡大した２次元拡大モデルを用い、算出した面圧（Ｐ）及び相対滑り量（δ）を境界条件として、多層ガスケットの局所面圧（Ｐlocal）及び局所相対滑り量（δlocal）を有限要素法によって算出する。この際、多層ガスケットを複数のガスケット層を有する多層ガスケットとしてモデル化し、２次元拡大モデルに組み込む。また、この２次元拡大モデルは、上記３次元全体モデルよりも細かいメッシュサイズを有している。
そして最後に、算出した局所面圧（Ｐlocal）と局所相対滑り量（δlocal）との積（Ｐlocal・δlocal）に基づいて多層ガスケットの摩耗の発生を予測する。
【００１１】
このような多層ガスケットの摩耗予測方法によれば、エンジンの全体にかかる３次元全体モデルを用いた全体解析ステップと、エンジンの一部を拡大した２次元拡大モデルを用いた局所解析ステップの２段階に分けて有限要素法による解析を行うことで、多層ガスケットの摩耗が発生するか否かを簡単な手法で精度良く把握することが出来る。しかも、局所解析ステップでは、多層ガスケットを複数のガスケット層を有する多層ガスケットとしてモデル化するとともに、３次元全体モデルよりも細かいメッシュサイズを有する２次元拡大モデルを用いるため、多層ガスケットの摩耗が発生するか否かを高い精度で予測することが出来る。
【００１２】
また、局所面圧（Ｐlocal）と局所相対滑り量（δlocal）との積（Ｐlocal・δlocal）からなる一つの指標に基づいて摩耗の発生を予測するため、多層ガスケットの摩耗が発生するか否かを簡単に把握することが出来る。
【００１３】
（２）幾つかの実施形態では、上記（１）に記載の多層ガスケットの摩耗予測方法において、摩耗予測ステップは、局所解析ステップで算出された局所面圧（Ｐlocal）と局所相対滑り量（δlocal）との積（Ｐlocal・δlocal）と、摩耗が発生する限界値として予め定めた限界値（（Ｐlocal・δlocal）cr）とを比較することで摩耗の発生を予測する。
【００１４】
上記（２）に記載の多層ガスケットの摩耗予測方法によれば、局所解析ステップで算出された局所面圧（Ｐlocal）と局所相対滑り量（δlocal）との積（Ｐlocal・δlocal）と、摩耗が発生する限界値として予め定めた限界値（（Ｐlocal・δlocal）cr）とを比較するだけの簡単な方法で摩耗の発生を精度良く予測することが出来る。例えば、Ｐlocal・δlocal＜（Ｐlocal・δlocal）crであれば摩耗は発生しないと予測し、Ｐlocal・δlocal≧（Ｐlocal・δlocal）crであれば摩耗が発生すると予測する。
【００１５】
限界値（Ｐlocal・δlocal）crは、摩耗が発生する限界値として予め実験的に定めておいても良い。また、過去の実機における摩耗の発生条件を分析して限界値（Ｐlocal・δlocal）crを定めても良い。
【００１６】
（３）幾つかの実施形態では、上記（１）又は（２）に記載の多層ガスケットの摩耗予測方法において、全体解析ステップにおける所定の境界条件として、シリンダブロックおよびシリンダヘッドを締結部材で締結する際のボルト締結力、エンジンの運転時においてシリンダ内に作用する燃焼圧力、及びエンジンの運転時においてシリンダブロック、シリンダヘッド、及び多層ガスケットに伝達される熱、を少なくとも含む。
【００１７】
上記（３）に記載の多層ガスケットの摩耗予測方法によれば、シリンダヘッドとシリンダブロックとの間に介装される多層ガスケットに作用する様々な荷重を的確に解析に反映させることで、多層ガスケットの摩耗が発生するか否かを高い精度で予測することが出来る。
【００１８】
（４）幾つかの実施形態では、上記（１）から（３）に記載の多層ガスケットの摩耗予測方法において、局所解析ステップにおいて入力される面圧（Ｐ）及び相対滑り量（δ）が、全体解析ステップにおいて夫々算出される３次元全体モデルの各節点における面圧（Ｐn）及び相対滑り量（δn）の内、面圧（Ｐn）と相対滑り量（δn）との積（Ｐn・δn）が最も大きい節点における面圧（Ｐn）及び相対滑り量（δn）からなる。
【００１９】
上記（４）に記載の多層ガスケットの摩耗予測方法によれば、３次元全体モデルを用いた全体解析によって面圧（Ｐn）と相対滑り量（δn）との積（Ｐn・δn）が最も大きくなる部分（節点）を抽出し、その節点の面圧（Ｐn）及び相対滑り量（δn）を境界条件として２次元拡大モデルを用いた局所解析を行うため、多層ガスケット全体の中で最も摩耗発生のリスクが高い場所に対して摩耗が発生するか否かを予測することが出来る。
【００２０】
（５）幾つかの実施形態では、上記（１）から（４）に記載の多層ガスケットの摩耗予測方法において、摩耗予測ステップにおいて用いられる局所面圧（Ｐlocal）及び局所相対滑り量（δlocal）が、局所解析ステップにおいて夫々算出される２次元拡大モデルの各節点における局所面圧（Ｐn_local）及び局所相対滑り量（δn_local）の内、局所面圧（Ｐn_local）と局所相対滑り量（δn_local）との積（Ｐn_local・δn_local）が最も大きい節点における局所面圧（Ｐn_local）及び局所相対滑り量（δn_local）からなる。
【００２１】
上記（５）に記載の多層ガスケットの摩耗予測方法によれば、２次元拡大モデルを用いた局所解析によって局所面圧（Ｐn_local）と局所相対滑り量（δn_local）との積（Ｐn_local・δn_local）が最も大きくなる部分（節点）を抽出し、その節点の局所面圧（Ｐn_local）及び局所相対滑り量（δn_local）を用いて摩耗予測を行うため、最も摩耗発生のリスクが高い部分における摩耗発生の有無を予測することが出来る。
【００２２】
（６）幾つかの実施形態では、上記（１）から（５）に記載の多層ガスケットの摩耗予測方法において、多層ガスケットは、断面方向において不均一な剛性を有し、３次元全体モデル生成ステップにおいて多層ガスケットを単層ガスケットとしてモデル化する時に、多層ガスケットの断面方向における不均一な剛性に対応するように、単層ガスケットの断面方向における剛性を不均一に設定する。
【００２３】
上記（６）に記載の多層ガスケットの摩耗予測方法によれば、多層ガスケットを単層ガスケットとしてモデル化する時に、多層ガスケットの断面方向における不均一な剛性を考慮し、多層ガスケットの断面方向における不均一な剛性に応じて単層ガスケットの断面方向における剛性を不均一に設定する。これにより、全体解析ステップにおいて算出される多層ガスケットの面圧（Ｐ）及び滑り量（δ）の解析精度を高めることが出来る。
【００２４】
（７）幾つかの実施形態では、上記（１）から（６）に記載の多層ガスケットの摩耗予測方法において、２次元拡大モデルにおける前記２次元メッシュ要素のメッシュ辺の平均長さ（ｌｂ）と、３次元全体モデルにおける前記３次元メッシュ要素のメッシュ辺の平均長さ（ｌａ）との比（ｌｂ／ｌａ）が１／１００以下である。
【００２５】
上記（７）に記載の多層ガスケットの摩耗予測方法によれば、２次元拡大モデルは、３次元全体モデルと比べて１００倍以上も細かいメッシュ要素を有する。したがって、例えば、局所解析ステップにおいて多層ガスケットの相対滑り量などをミクロンオーダーで算出することが出来る。このため、多層ガスケットとシリンダブロック及びシリンダヘッドとの滑りだけでなく、ガスケット層間における滑りをも考慮して、多層ガスケットの摩耗が発生するか否かを精度良く把握することが可能である。
【発明の効果】
【００２６】
本発明の少なくとも一つの実施形態によれば、有限要素法によって多層ガスケットの摩耗が発生するか否かを簡単な手法で精度良く予測することの出来る多層ガスケットの摩耗予測方法を提供することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の一実施形態にかかる多層ガスケットの摩耗予測方法におけるエンジンの分解状態を示した概略模式図である。
【図２】本発明の一実施形態にかかる多層ガスケットの摩耗予測方法におけるエンジンの組み立て状態を示した概略模式図である。
【図３】図２のＡ−Ａ断面を示した概略断面図である。
【図４】（ａ）は本発明の一実施形態にかかる多層ガスケットの摩耗予測方法における多層ガスケットを示した全体図、（ｂ）はａ部における要部断面図である。
【図５】本発明の一実施形態にかかる多層ガスケットの摩耗予測方法における実施手順を示したフロー図である。
【図６】本発明の一実施形態にかかる多層ガスケットの摩耗予測方法における３次元全体モデルを説明するための図である。
【図７】３次元全体モデルに組み込まれるモデル化された多層ガスケットを説明するための図である。
【図８】全体解析ステップにおいて算出された多層ガスケットの面圧分布を示した図である。
【図９】全体解析ステップにおいて算出された多層ガスケットのシリンダ周囲の面圧と相対滑り量δcrを示したグラフである。
【図１０】本発明の一実施形態にかかる多層ガスケットの摩耗予測方法における２次元拡大モデルを説明するための図である。
【図１１】局所解析ステップにおいて算出された２次元拡大モデルの変形状態を示した図である。
【図１２】局所解析ステップにおいて算出された局所面圧Ｐlocalを示したグラフである。
【図１３】局所解析ステップにおいて算出された局所相対滑り量δlocalを説明するための図である。
【図１４】実機における摩耗深さ（実測値）と局所面圧Ｐcr及び局所相対滑り量δcrの積Ｐcr・δcr（解析値）との関係を示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
【００２９】
＜エンジン１および多層ガスケット３０の構造＞
図１は、本発明の一実施形態にかかる多層ガスケットの摩耗予測方法におけるエンジンの全体を示した概略模式図である。図２は、本発明の一実施形態にかかる多層ガスケットの摩耗予測方法におけるエンジンの組み立て状態を示した概略模式図である。図３は、図２のＡ−Ａ断面を示した概略断面図である。図４において（ａ）は本発明の一実施形態にかかる多層ガスケットの摩耗予測方法における多層ガスケットを示した全体図、（ｂ）はａ部における要部断面図である。
【００３０】
図１〜図３に示したように、本発明の一実施形態にかかる多層ガスケットの摩耗予測方法におけるエンジン１は、シリンダブロック１０と、シリンダヘッド２０と、シリンダブロック１０とシリンダヘッド２０との間に介装される多層ガスケット３０と、からなる。
シリンダブロック１０の内部には、不図示のピストンが摺動自在に配置される空間であるシリンダ１２が画定されている。図示した実施形態では、４つのシリンダ１２ａ〜１２ｄは直列に配置されている。エンジン１の運転時には、これら４つのシリンダ１２ａ〜１２ｄは、例えば、シリンダ１２ａ→シリンダ１２ｃ→シリンダ１２ｂ→シリンダ１２ｄのように、順番にシリンダ内で燃料が燃焼するように構成されている。
【００３１】
シリンダブロック１０とシリンダヘッド２０とは、シリンダブロック１０の上部にシリンダヘッド２０が載置された状態で両者が不図示のボルトによって締結される。そして、図２に示したように、エンジン１が組み立てられる。
【００３２】
図３（ｂ）に示したように、シリンダ１２ｄ内でガスが燃焼すると、シリンダブロック１０は外側に膨らむ一方で（矢印１０ｘ）、シリンダヘッド２０は内側に縮むように変形する（矢印２０ｘ）。そして、シリンダブロック１０とシリンダヘッド２０との間に介装される多層ガスケット３０には、ガスケットの上下で逆方向の滑りが生じる。
【００３３】
多層ガスケット３０は、図４（ａ）に示したように、上述したシリンダ１２ａ〜１２ｄに対応した４つのシリンダ穴３２の他に、ボルトが挿通される複数のボルト穴３４、プッシュロッドが挿通される複数のプッシュロッド穴３６、及びエンジン１を冷却する冷却水が流れる冷却水穴３８が形成されている。また、これら各種の穴の周囲には、面圧を確保して穴の周囲をシールするためのビードが形成されている。
【００３４】
また、図４（ｂ）に示したように、多層ガスケット３０は、複数のガスケット層３０ａ〜３０ｄを有する。図示した実施形態では、最も上側（シリンダヘッド２０側）に配置される上板３０ａと、最も下側（シリンダブロック１０側）に配置される下板３０ｄと、上板３０ａと下板３０ｄとの間に介装される２枚の中間プレート３０ｂ、３０ｃとからなる。
【００３５】
また、図４（ｂ）に示したように、隣接するシリンダ穴３２、３２の間の多層ガスケット３０には、折返し部３０α、ビード部３０β、平坦部３０γなどの断面方向において厚みや剛性が異なる複数の部分が形成されている。折返し部３０αは、多層ガスケット３０の両端部に形成されている。折返し部３０αでは、上板３０ａが下側（シリンダブロック１０側）に折り曲げられており、中間プレート３０ｃと下板３０ｄとを挟持している。ビード部３０βは、折返し部３０αに隣接した位置に形成されている。ビード部３０βでは、シリンダブロック１０との間で面圧が発生するように、下板３０ｄに凹凸が形成されている。平坦部３０γは、２つのビード部３０βの間に形成されている。中間プレート３０ｂは、中間プレート３０ｃと比べて幅狭に形成されており、その端部は下板３０ｄ及び中間プレート３０ｃの端部よりも中央側に位置している。中間プレート３０ｂは、ビード部３０βおよび平坦部３０γに亘って積層されており、折返し部３０αでは積層されていない。
【００３６】
＜多層ガスケット３０の摩耗予測方法＞
図５は、本発明の一実施形態にかかる多層ガスケットの摩耗予測方法における実施手順を示したフロー図である。図６の（ａ）はエンジンの３次元全体モデルを示した斜視図、（ｂ）及び（ｃ）は３次元メッシュ要素を示した図である。図６は、本発明の一実施形態にかかる多層ガスケットの摩耗予測方法における３次元全体モデルを説明するための図である。図７は、３次元全体モデルに組み込まれるモデル化された多層ガスケットを説明するための図である。
【００３７】
図５に示したように、本発明の一実施形態にかかる多層ガスケットの摩耗予測方法は、３次元全体モデル生成ステップ（Ｓ１）、全体解析ステップ（Ｓ２）、２次元拡大モデル生成ステップ（Ｓ３）、局所解析ステップ（Ｓ４）、摩耗予測ステップ（Ｓ５）の５つのステップからなる。
【００３８】
＜三次元モデル生成ステップ（Ｓ１）＞
３次元全体モデル生成ステップ（Ｓ１）では、例えば図６（ａ）に示したように、上述したシリンダヘッド２０、シリンダブロック１０、およびシリンダヘッド２０とシリンダブロック１０との間に介装される多層ガスケット３０を含むエンジン１の全体を複数の３次元メッシュ要素ｍａに分割して３次元全体モデルＭＡを生成する。
【００３９】
３次元メッシュ要素ｍａの形状やメッシュサイズは、解析に適した形状およびメッシュサイズであればよく特に限定されない。一実施形態では、図６（ｂ）に示したように、３次元メッシュ要素ｍａは、全てのメッシュ辺の長さがｌａ１からなる正三角錐として構成される。また、他の一実施形態では、図６（ｃ）に示したように、３次元メッシュ要素ｍａは、メッシュ辺の長さがｌａ２、ｌａ３の２つの異なる長さを有する三角錐として構成される。なお、図中の符号ｎａは３次元メッシュ要素ｍａの節点を示している。
【００４０】
また、一つの３次元全体モデルＭＡにおいて、複数種類の３次元メッシュ要素ｍａ１、ｍａ２、・・が用いられても良い。この際、後述する３次元全体モデルＭＡにおける３次元メッシュ要素ｍａのメッシュ辺の平均長さｌａは、これら複数種類の３次元メッシュ要素ｍａにおけるそれぞれのメッシュ辺の平均長さを、それぞれの種類の３次元メッシュ要素ｍａの個数に応じて加重平均することで算出される。
【００４１】
また、３次元全体モデル生成ステップ（Ｓ１）において、上述した多層ガスケット３０は、単一のガスケット層を有する単層ガスケット３０Ａとしてモデル化され（平板モデル）、３次元全体モデルＭＡに組み込まれる。すなわち、モデル化される単層ガスケット３０Ａの断面形状は、複数のガスケット層３０ａ〜３０ｄから構成されているのではなく、図７に示したように、単層のガスケット層である単層ガスケット３０Ａのみから構成されている。
【００４２】
この単層ガスケット３０Ａの断面形状は、図７（ａ）に示したように、均一の厚みを有する単層ガスケット３０Ａとしてもよい。また、図７（ｂ）に示したように、実際の多層ガスケット３０の断面方向における剛性の不均一性に対応するように、単層ガスケット３０Ａの断面方向における厚みを不均一に設定してもよい。例えば、剛性が最も高い折返し部３０αではその厚みを一番厚く設定し、剛性が最も低いビード部３０βではその厚みを一番薄く設定し、平坦部３０βではその厚みを両者の中間程度に設定してもよい。
【００４３】
また、単層ガスケット３０Ａを均一の厚みに設定した上で、実際の多層ガスケット３０の断面方向における剛性の不均一性に対応するように、単層ガスケット３０Ａの断面方向におけるヤング率などの物性を不均一に設定してもよい。例えば、最も剛性が高い折返し部３０αではそのヤング率を一番大きく設定し、最も剛性が低いビード部３０βではヤング率を一番小さく設定し、平坦部３０βではそのヤング率を両者の中間程度に設定してもよい。
【００４４】
このように、多層ガスケット３０を単層ガスケット３０Ａとしてモデル化する時に、多層ガスケット３０の断面方向における剛性の不均一性を考慮し、多層ガスケット３０の断面方向における不均一な剛性に対応するように単層ガスケット３０Ａの断面方向における剛性を不均一に設定することで、全体解析ステップ（Ｓ２）において算出される多層ガスケット３０の面圧Ｐ及び滑り量δの解析精度を高めることが出来る。
【００４５】
一方、単層ガスケット３０Ａの平面形状は、図４（ａ）に示したように、シリンダ穴３２、ボルト穴３４、プッシュロッド穴３６、冷却水穴３８の位置や形状なども考慮して、実際の多層ガスケット３０の平面形状を模してモデル化される。
【００４６】
＜全体解析ステップ（Ｓ２）＞
全体解析ステップ（Ｓ２）では、上述した３次元全体モデルＭＡを用い、各３次元メッシュ要素ｍａにおけるヤング率、熱膨張率、摩擦係数などの各種の物性値、及び所定の境界条件を入力して、多層ガスケット３０の面圧Ｐ及び多層ガスケット３０の相対滑り量δを有限要素法によって算出する。
【００４７】
全体解析ステップにおいて入力される所定の境界条件としては、エンジン１の拘束条件などの他に、シリンダブロック１０およびシリンダヘッド２０をボルト（締結部材）で締結する際のボルト締結力、エンジン１の運転時においてシリンダ１２ａ〜１２ｄ内に作用する燃焼圧力、及びエンジン１の運転時においてシリンダブロック１０、シリンダヘッド２０、及び多層ガスケット３０に伝達される熱、を少なくとも含むように設定する。
このように、シリンダヘッド２０とシリンダブロック１０との間に介装される多層ガスケット３０に作用する様々な荷重を的確に解析に反映させることで、多層ガスケット３０の摩耗が発生するか否かを高い精度で予測することが出来る。
【００４８】
燃焼圧力は、シリンダ１２ａ〜１２ｄに順番に作用させるように、例えば、シリンダ１２ｃ内に燃焼圧力が作用しているときは、その他のシリンダの燃焼圧力は０として入力する。また、シリンダブロック１０、シリンダヘッド２０、及び多層ガスケット３０に伝達される熱の算出には、冷却水による冷却や外表面からの放熱などの条件（熱的境界条件）も考慮する。
【００４９】
図８は、全体解析ステップにおいて算出された多層ガスケットの面圧分布を示した図である。図示した実施形態では、特にシリンダ穴３２の縁部や隣接するシリンダ穴３２間における面圧が高くなっていることが分かる。このように、多層ガスケット３０の面圧分布を算出することで、多層ガスケット３０の特にどの部分において摩耗発生の危険性が高いかを把握することができる。
【００５０】
図９は、全体解析ステップにおいて算出された多層ガスケットのシリンダ周囲の面圧と相対滑り量を示したグラフである。この図９では、摩耗発生の危険性が高いと判断されたシリンダ１２ｃの周囲の面圧Ｐと相対滑り量δを示しており、（ａ）は隣接するシリンダ１２ｂ内に燃焼圧力が作用したときの面圧Ｐと相対滑り量δを、（ｂ）は当該シリンダ１２ｃ内に燃焼圧力が作用したときの面圧Ｐと相対滑り量δを、（ｃ）は隣接するシリンダ１２ｄ内に燃焼圧力が作用した時の面圧Ｐと相対滑り量δを夫々示している。
【００５１】
図９のグラフにおいて、その円の中心部分はシリンダ１２ｃの中心部分と一致している。中心から径方向に延びる各軸に示されている面圧Ｐおよび相対滑り量δは、シリンダ１２ｃに対応するシリンダ穴３２の穴縁における節点の面圧Ｐおよび相対滑り量δを示している。なお、グラフの上側は排気ポートが設けられている排気側、グラフの下側は吸気ポートが設けられている吸気側である。
【００５２】
図９に示したように、相対滑り量δは、当該シリンダ１２ｃ内に燃焼圧力が作用したとき（図９（ｂ））が一番大きくなっている。一方、面圧Ｐは、隣接するシリンダ１２ｂ内に燃焼圧力が作用したとき（図９（ａ））が一番大きくなっている。これは、当該シリンダ１２ｃ内に燃焼圧力が作用すると、ボルト締結力および熱伸びに起因して発生する面圧が打ち消される方向に働くからである。そして、面圧Ｐと滑り量δとの積（Ｐ・δ）は、図９（ａ）に示すａ点において最も大きくなっている。
【００５３】
＜２次元拡大モデル生成ステップ（Ｓ３）＞
２次元拡大モデル生成ステップ（Ｓ３）では、例えば図１０（ａ）に示したように、シリンダヘッド２０、シリンダブロック１０、および多層ガスケット３０を含むエンジン１の一部を、複数の２次元メッシュ要素ｍｂに分割して２次元拡大モデルＭＢを生成する。
【００５４】
この際、拡大するエンジン１の一部とは、上述した全体解析ステップ（Ｓ２）において、摩耗発生の危険があると判定された多層ガスケット３０の一部を含むエンジン１の一部とするのが良い。図示した実施形態では、シリンダ穴３２、３２の間の多層ガスケット３０の一部を含むエンジン１の一部を拡大して示している。
【００５５】
２次元メッシュ要素ｍｂの形状は、解析に適した形状であればよく特に限定されない。一実施形態では、図１０（ｂ）に示したように、２次元メッシュ要素ｍｂは、メッシュ辺の長さがｌｂ１からなる正方形として構成される。また、他の一実施形態では、図１０（ｃ）に示したように、２次元メッシュ要素ｍｂは、メッシュ辺の長さがｌａ２、ｌａ３からなる長方形として構成される。なお、図中の符号ｎｂは２次元メッシュ要素ｍｂの節点を示している。
【００５６】
この２次元メッシュ要素ｍｂのメッシュサイズは、上述した３次元メッシュ要素ｍａのメッシュサイズよりも細かいメッシュサイズを有する。
すなわち、２次元拡大モデルＭＢにおける２次元メッシュ要素ｍｂのメッシュ辺の平均長さｌｂは、３次元全体モデルＭＡにおける３次元メッシュ要素ｍａのメッシュ辺の平均長さｌａよりも短くなっている。なお、２次元拡大モデルＭＢにおける２次元メッシュ要素ｍｂのメッシュ辺の平均長さｌｂは、上述した３次元全体モデルＭＡにおける３次元メッシュ要素ｍａのメッシュ辺の平均長さｌａと同様の方法によって算出する。
【００５７】
幾つかの実施形態では、２次元拡大モデルＭＢにおける２次元メッシュ要素ｍｂのメッシュ辺の平均長さｌｂと、３次元全体モデルにおける３次元メッシュ要素のメッシュ辺の平均長さｌａとの比ｌｂ／ｌａは、１／１００以下である。この比ｌｂ／ｌａの下限については特に限定されない。コンピュータの性能などを踏まえ、実用上、解析可能な程度まで小さくすることが出来る。
【００５８】
このような実施形態によれば、２次元拡大モデルＭＢは、３次元全体モデルＭＡと比べて１００倍以上も細かいメッシュ要素を有する。したがって、例えば、局所解析ステップ（Ｓ４）において多層ガスケット３０の滑り量などをミクロンオーダーで算出することが出来る。このため、多層ガスケット３０とシリンダブロック１０及びシリンダヘッド２０との相対滑りだけでなく、ガスケット層３０ａ〜３０ｄ間における相対滑りをも考慮して、多層ガスケット３０の摩耗が発生するか否かを精度良く把握することが可能である。
【００５９】
また、２次元全体モデル生成ステップ（Ｓ３）において、上述した多層ガスケット３０は、図１０（ａ）に示したように、複数のガスケット層３０ａ〜３０ｄを有する多層ガスケット３０としてモデル化され（多層モデル）、２次元全体モデルＭＢに組み込まれる。すなわち、各ガスケット層３０ａ〜３０ｄはそれぞれの形状を模してモデル化されるとともに、シリンダブロック１０と多層ガスケット３０の間、及びシリンダヘッドと多層ガスケットの間、だけではなく、各ガスケット層３０ａ〜３０ｄの間にも相対滑りが発生するようにモデル化されている。
【００６０】
＜局所解析ステップ（Ｓ４）＞
局所解析ステップ（Ｓ４）では、上述した２次元拡大モデルＭＢを用い、各２次元メッシュ要素ｍｂにおけるヤング率、熱膨張率、摩擦係数などの各種の物性値、及び全体解析ステップ（Ｓ２）において算出された面圧Ｐ、相対滑り量δ、及び燃焼圧力Ｐｇを境界条件として入力して、多層ガスケット３０の局所面圧Ｐlocal及び多層ガスケット３０の局所相対滑り量δlocalを有限要素法によって算出する。
【００６１】
図１０（ａ）に示したように、面圧Ｐは、シリンダヘッド２０から多層ガスケット３０の上板３０ａに作用する荷重（押し付け力）として入力される。相対滑り量δは、相対滑り量δに相当する大きさのシリンダヘッド２０の水平方向変位として入力される。
【００６２】
幾つかの実施形態では、局所解析ステップ（Ｓ４）において入力される面圧Ｐ及び相対滑り量δが、全体解析ステップ（Ｓ２）において夫々算出される３次元全体モデルＭＡの各節点ｎａにおける面圧Ｐn及び相対滑り量δnの内、面圧Ｐnと相対滑り量δnとの積Ｐn・δnが最も大きい節点ｎａにおける面圧Ｐn及び相対滑り量δnからなる。
【００６３】
このような実施形態によれば、３次元全体モデルＭＡを用いた全体解析によって面圧Ｐnと相対滑り量δnとの積Ｐn・δnが最も大きくなる部分（節点）を抽出し、その節点ｎａの面圧Ｐn及び相対滑り量δnを境界条件として２次元拡大モデルＭＢを用いた局所解析を行うため、多層ガスケット全体の中で最も摩耗発生のリスクが高い場所に対して摩耗が発生するか否かを予測することが出来る。
【００６４】
図１１は、局所解析ステップにおいて算出された２次元拡大モデルの変形状態を示した図である。図１１において二点鎖線は、変形前の状態のシリンダヘッド２０及び多層ガスケット３０を示している。図１１に示したａ〜ｆ部は、シリンダヘッド２０及びシリンダブロック１０との間において多層ガスケット３０の面圧が大きくなっている部分である。
【００６５】
図１２は、局所解析ステップにおいて算出された局所面圧Ｐlocalを示したグラフである。（ａ）はシリンダヘッド２０側における多層ガスケット３０の局所面圧Ｐlocalを、（ｂ）はシリンダブロック側における多層ガスケット３０の局所面圧Ｐlocalを、夫々示している。
【００６６】
図１３は、局所解析ステップにおいて算出された局所相対滑り量δlocalを説明するための図である。図１３（ａ）における符号Ｌは、局所相対滑り量の算出ラインを示している。図１３（ｂ）は、その算出ラインＬ上における複数点の局所相対滑り量δlocalをプロットしたグラフである。図示した実施形態では、シリンダヘッド２０と上板３０ａとの当接部であるａ部における局所相対滑り量δlocalが最も大きくなっている。
【００６７】
＜摩耗予測ステップ（Ｓ５）＞
摩耗予測ステップ（Ｓ５）では、上述した局所解析ステップ（Ｓ４）で算出された局所面圧（Ｐlocal）と局所相対滑り量（δlocal）との積（Ｐlocal・δlocal）に基づいて摩耗の発生を予測する。
このように、局所面圧（Ｐlocal）と局所相対滑り量（δlocal）との積（Ｐlocal・δlocal）からなる一つの指標に基づいて摩耗の発生を予測するため、多層ガスケット３０の摩耗が発生するか否かを簡単に把握することが出来る。
【００６８】
幾つかの実施形態では、摩耗予測ステップ（Ｓ５）において用いられる局所面圧（Ｐlocal）及び局所相対滑り量（δlocal）が、局所解析ステップ（Ｓ４）において夫々算出される２次元拡大モデルＭＢの各節点ｎｂにおける局所面圧Ｐn_loca）及び局所相対滑り量δn_localの内、局所面圧Ｐn_localと局所相対滑り量δn_localとの積Ｐn_local・δn_localが最も大きい節点における局所面圧Ｐn_local及び局所相対滑り量δn_localからなる。
【００６９】
上記実施形態によれば、２次元拡大モデルＭＢを用いた局所解析によって局所面圧Ｐn_localと局所相対滑り量δn_localとの積Ｐn_local・δn_localが最も大きくなる部分（節点）を抽出し、その節点ｎｂの局所面圧Ｐn_local及び局所相対滑り量δn_localを用いて摩耗予測を行うため、最も摩耗発生のリスクが高い部分における摩耗発生の有無を予測することが出来る。
【００７０】
幾つかの実施形態では、摩耗予測ステップ（Ｓ５）は、局所解析ステップで算出された局所面圧Ｐlocalと局所相対滑り量δlocalとの積Ｐlocal・δlocalと、摩耗が発生する限界値として予め定めた限界値（Ｐlocal・δlocal）crとを比較することで摩耗の発生を予測する。
【００７１】
上記実施形態によれば、局所解析ステップで算出された局所面圧Ｐlocalと局所相対滑り量δlocalとの積Ｐlocal・δlocalと、摩耗が発生する限界値として予め定めた限界値（Ｐlocal・δlocal）crとを比較するだけの簡単な方法で摩耗の発生を精度良く予測することが出来る。例えば、Ｐlocal・δlocal＜（Ｐlocal・δlocal）crであれば摩耗は発生しないと予測し、Ｐlocal・δlocal≧（Ｐlocal・δlocal）crであれば摩耗が発生すると予測する。
【００７２】
限界値（Ｐlocal・δlocal）crは、摩耗が発生する限界値として予め実験的に定めておいても良い。また、以下に詳述するように、過去の実機における摩耗の発生条件を分析して、限界値（Ｐlocal・δlocal）crを定めても良い。
【００７３】
図１４は、実機における摩耗深さ（実測値）と局所面圧Ｐlocal及び局所相対滑り量δlocalの積Ｐlocal・δlocal（解析値）との関係を示したグラフである。図中の（１）における複数のプロット（◆）はＡ社ガスケットのシリンダ間における摩耗の経時変化を、（２）における複数のプロット（■）はＡ社ガスケットの排気側における摩耗の経時変化を、（３）における複数のプロット（▲）はＡ社ガスケットの吸気側における摩耗の経時変化を、（４）における複数のプロット（□）はＢ社ガスケットのシリンダ間における摩耗の経時変化を、（５）における複数のプロット（◇）はＣ社ガスケットのシリンダ間における摩耗の経時変化を、それぞれ示している。また、横軸の局所面圧Ｐlocal及び局所相対滑り量δlocalは、（１）〜（５）のガスケットごとに、実機の条件を基にして、上述した３次元全体モデル生成ステップ（Ｓ１）から局所解析ステップ（Ｓ４）までの一連の解析によって算出したものである。
【００７４】
ここで摩耗深さとは、多層ガスケット３０自体が摩耗している場合は、多層ガスケット３０の摩耗の深さを指す。多層ガスケット３０と当接するシリンダブロック１０又はシリンダヘッド２０が摩耗している場合は、当接するシリンダブロック１０又はシリンダヘッド２０の摩耗深さを指す。
【００７５】
図１４のグラフにおいて、縦軸と平行な限界線Ｌcrよりも右側（Ｐlocal・δlocalが大きくなる側）の領域に位置する上記（１）〜（３）では、時間の経過とともに摩耗量が増加している。これに対して、限界線Ｌcrよりも左側（Ｐlocal・δlocalが小さくなる側）の領域に位置する上記（４）、（５）では、時間が経過しても摩耗量は殆ど増加していない。よって、この結果から、限界線Ｌcr位置における面圧及び相対滑り量から限界値（Ｐlocal・δlocal）crを定めることができる。
【００７６】
すなわち、複数の実機（エンジン１）に対してその多層ガスケット３０の摩耗深さの経時変化を測定し、摩耗が発生しているものと摩耗が発生していないものとを区別する。そして、これら実機の多層ガスケット３０夫々に対して、実機の条件を基にして、上述した３次元全体モデル生成ステップ（Ｓ１）から局所解析ステップ（Ｓ４）までの一連の解析を行い、これら実機の多層ガスケット３０夫々の局所面圧Ｐlocal及び局所相対滑り量δlocalを算出する。そして摩耗が発生している実機の多層ガスケット３０のＰlocal・δlocalと、摩耗が発生していない実機の多層ガスケット３０のＰlocal・δlocalとから、限界値（Ｐlocal・δlocal）crを設定する。限界値（Ｐlocal・δlocal）crは、例えば、摩耗が発生している実機の多層ガスケット３０のＰlocal・δlocalの内、最もＰlocal・δlocalが小さいものと、摩耗が発生していない多層ガスケット３０のＰlocal・δlocalの内、最もＰlocal・δlocalが大きいものとの中間値として設定することが出来る。
【００７７】
以上、上述した多層ガスケット３０の摩耗予測方法によれば、エンジン１の全体にかかる３次元全体モデルＭＡを用いた全体解析ステップ（Ｓ２）と、エンジン１の一部を拡大した２次元拡大モデルＭＢを用いた局所解析ステップ（Ｓ４）の２段階に分けて有限要素法による解析を行うことで、多層ガスケット３０の摩耗が発生するか否かを簡単な手法で精度良く把握することが出来る。しかも、局所解析ステップで（Ｓ４）は、多層ガスケット３０を複数のガスケット層３０ａ〜３０ｄを有する多層ガスケットとしてモデル化するとともに、３次元全体モデルＭＡよりも細かいメッシュサイズを有する２次元拡大モデルＭＢを用いるため、多層ガスケット３０の摩耗が発生するか否かを高い精度で予測することが出来るようになっている。
【００７８】
以上、本発明の好ましい形態について説明したが、本発明は上記の形態に限定されるものではない。例えば上述した実施形態を組み合わせても良く、本発明の目的を逸脱しない範囲での種々の変更が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００７９】
本発明の少なくとも一実施形態は、各種エンジンのシリンダブロックとシリンダヘッドとの間に介装される多層ガスケットの摩耗予測方法として利用することが出来る。
【符号の説明】
【００８０】
１      エンジン
１０    シリンダブロック
１２，１２ａ〜１２ｄ  シリンダ
２０    シリンダヘッド
３０    多層ガスケット
３０，３０ａ〜３０ｄ  ガスケット層
３０α  折返し部
３０β  ビード部
３０γ  平坦部
３０Ａ  単層ガスケット
３０Ａ  単層ガスケット層
３０ａ  上板
３０ｂ，３０ｃ  中間プレート
３０ｄ  下板
３２    シリンダ穴
３４    ボルト穴
３６    プッシュロッド穴
３８    冷却水穴
ＭＡ    ３次元全体モデル
ＭＢ    ２次元拡大モデル
ｍａ    ３次元メッシュ要素
ｍｂ    ２次元メッシュ要素
【図１】
2016048084.tif 000003
【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８】
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