(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気システムの構成部品を設計する方法であって、
前記排気システム構成部品の原形状を設計するステップと、
前記原形状を３次元メッシュに変換するステップと、
前記排気システム構成部品の騒音に関係する振動を最小にする前記排気システム構成部品の最適理論形状を規定するために前記３次元メッシュを変形させるステップと、
相互に交差する複数の平坦面として前記３次元メッシュを規定するステップと、
２次元の点群を前記最適理論形状に投影するステップと、
前記点群における各点間の距離とほぼ等しい曲げ半径を持つ曲線を規定するように、投影された前記点群における各点間の前記平坦面の交差部分を平滑化し、前記排気システム構成部品の最適製造可能形状を規定するステップと
を具えたことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記２次元の点群が２次元の矩形の格子を規定していることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記２次元点群の前記格子が複数の点を具え、これらの点は前記排気システム構成部品が製造される材料に応じた最小選択曲げ半径と同じ距離だけ相互に間隔が置かれていることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項４】
２次元点群の前記格子は、ほぼ４.５ミリメートルの間隔で直角に離れた複数の点を具えていることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項５】
少なくとも１つの前記原形状のパネルを選択し、前記排気システム構成部品の最適理論形状を規定するために前記３次元のメッシュを変形させる前に、前記選択したパネルにて少なくとも第１の固有振動数に関する位置をシミュレートするステップをさらに具えたことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記最適理論形状を規定するために前記３次元のメッシュを変形させた後、少なくとも前記第１の固有振動数にて振動する位置をシミュレートするステップをさらに具えたことを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項７】
排気システムを製造する方法であって、
空間利用度と排気流動特性とに基づいて排気消音器の原形状を設計するステップと、
前記原形状を３次元のデジタルメッシュにデジタル変換するステップと、
少なくとも第１の固有振動数にて振動する前記３次元のメッシュの位置をシミュレートするステップと、
前記排気消音器の最適理論形状を規定するため、前記排気消音器の騒音に関係する振動を最小にするように３次元のメッシュをデジタル変形させるステップと、
前記最適化された３次元のメッシュを相互に交差する複数の平坦面として規定するステップと、
２次元の点群を相互に交差する前記複数の平坦面にデジタル投影するステップと、
前記点群における各点間の距離とほぼ等しい曲げ半径を持つ曲線を規定するように、前記投影された前記点群における各点間の前記平坦面の交差部分を平滑化し、前記排気消音器の最適製造可能形状を規定するステップと、
金属板を用意するステップと、
前記最適製造可能形状に合致するように前記金属板を変形させるステップと
を具えたことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般に排気システムに関し、より具体的には騒音に関係する振動を最小にする排気システム構成部品の補強構造体の設計および位置設定に関する。
【０００２】
【背景の技術】
自動車の排気ガスシステムは、エンジンから排気ガスが安全に排出されることができる場所まで排気ガスを運ぶ。この排気ガスシステムはまた、エンジン燃焼および排気ガス流に関連付けられた騒音を減少させる。典型的な排気ガスシステムは、エンジンから延在する少なくとも１本の排気管と、この排気管に連通する少なくとも１つの排気消音器と、この消音器から延在する少なくとも１本のテールパイプとを有する。消音器とエンジンとの間の排気管には、触媒コンバータが一般に連通している。
【０００３】
従来の排気消音器は、排気管に連通する入口と、テールパイプに連通する出口と、排気ガス流の制御された膨張を可能にして音響変換部品をもたらす複数の内部管およびチャンバとを有する。この排気ガスの膨張は、排気ガス流に関係するエネルギを分散して騒音レベルを著しく減少させる。この騒音レベルは、これらが音響変換部品に衝突した時に減少する。
【０００４】
この分野における技術者らは、排気ガス流動特性とエンジンの音響出力とに基づいて消音器の内部構成部品を設計することができる。この設計処理は、一般に繰り返しが多い。このため、試作消音器が排気ガスの流動特性および音響出力に基づいて開発されることがある。この場合における試作消音器は、エンジンと一緒にベンチテストされ、騒音出力が解析される。この場合の消音器における管およびチャンバのアレイは、消音器の性能を最適化する努力によって変更される可能性がある。
【０００５】
従来のほとんどの消音器は、複数の横断バッフルによって相互に平行に支持された一般的な円筒管のアレイを具えている。これら管とバッフルとのサブアセンブリは、中空の外側シェル内に滑り込むように入れられ、これらバッフルと外側シェルとで消音器内にチャンバが画成されるようになっている。何本かの管はいくつかのチャンバに連通する穴があけられる一方、残りの管はチャンバ内で行き止まりとなっていてよい。対向する一対のエンドキャップまたはヘッダが筒状をなす外側シェルの両端部に取り付けられる。一方のエンドキャップは、排気管が取り付けられる入口に通常設けられる。反対側のエンドキャップは、テールパイプが取り付けられる出口に通常設けられる。
【０００６】
この従来の技術はまた、スタンプ成形された消音器を含んでいる。スタンプ成形された消音器は、複数の溝を画成するようにスタンプ成形された複数の板を有する。これらの板は、各溝が正確に重なり合うように、相互に向かい合う関係をなして固定される。正確に重ね合わされた一対の溝は、一般的な管の機能的同等物を画成する。従来のスタンプ成形された消音器は、これら内側の板によって画成された管を囲むように固定される一対のスタンプ成形された外側シェルをさらに有する。外側シェルの外縁部と内側の板の少なくとも一方とは、これら内側の板によって形成された複数の管と連通する複数のチャンバを画成するように相互に固定される。外側シェルは、少なくとも１つの入口および少なくとも１つの出口を画成するようにさらに形成されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
排気システム構成部品は、車両での利用可能な空間が限定されているため、車両における他の必要な構成部品と拮抗せざるを得ない。従来の筒状の消音器は、入口および出口の寸法や形状ならびに位置に関する選択肢をほとんど有しない。このため、従来の筒状の消音器は、利用可能な空間が著しく限定された多くの用途に対して適当ではない。他方、スタンプ成形された消音器は、筒状の形状に限定されず、入口および出口が消音器の両端にあることを必要としない。このため、スタンプ成形された消音器は、従来の筒状の消音器よりも多くの設計選択肢をもたらし、多くの状況下において、より望ましい。
【０００８】
自動車の排気システムに関係付けられる騒音は、排気ガス流によって引き起こされる騒音に限定されない。より詳細には、排気ガス流により加えられる力と、エンジンの音響および振動エネルギによって生み出される力とが従来の筒状の消音器およびスタンプ成形された消音器の両方のパネルを振動させる。そして、消音器シェルの固有振動数と一致する振動が増幅される。最初のいくつかの固有振動数モードは、排気ガスに関連付けられる騒音に対して独立した好ましからざる騒音を生じることがある。
【０００９】
排気システム製造業者は、外側シェルにリブを形成したり、別な外部覆いを設けることにより、騒音に関係する振動の問題に一般に対処してきた。これらのリブおよび外部覆いは、高剛性化をもたらし、それによって騒音に関係する振動を最小にするように意図されている。しかしながら、リブの設計および位置は、その大部分が全く科学的ではなかった。筒状の外側シェルを持つ代表的な消音器は、消音器の長手方向に沿って延在する平行に間隔を置かれたリブのアレイを有しよう。通常の筒状消音器におけるリブの間隔および寸法は、リブを形成するために用いられる装置によって大部分が決定され、このためにリブの間隔および寸法が消音器によって実質的に変わらない。一部の消音器製造業者は、そのリブパターンが商標として機能を果たすと考えており、このためにリブ設計を最適化するという動機付けがほとんどなかった。スタンプ成形された消音器もまた、平行なリブを有している。このスタンプ成形された消音器は、多くの形状が採用されているけれども、リブは消音器の長手方向に対し横切って延在しているのが一般的である。スタンプ成形された消音器に対するリブパターンのわずかな変更は、上述した繰り返しの多い消音器の設計の一環としてなされるかも知れない。しかしながら、このような設計変更は、普及傾向にある平行なリブに一般的に従っており、設計変更の努力は一般的に試行錯誤に基づいている。
【００１０】
排気システム製造業者は、排気システムの重量を削減するために本質的に強い要求を受けている。さらに、自動車製造業者は排気システムの設計および製造を一般的に外部に委託しており、価格は部品製造業者の選択において重大要因である。より薄肉の金属を消音器に用いたり、外側シェルを廃止することにより、コストおよび重量の節減を達成可能である。しかしながら、より薄肉の金属を消音器に用いたり、外側シェルが排除された場合、騒音に関係する振動が増大する可能性が高い。
【００１１】
消音器やオイルパンなどのパネルに対し、選択された固有振動数にて振動する位置を確認するソフトウェアが Altair Engineering により開発され、登録商標の OPTISTRUCT という名称で販売されている。このソフトウェアは、パネルの寸法および形状を規定するためにデータを入力することによって用いられる。このソフトウェアはさらにまた、選択された固有振動数での振動位置を確認し、選択された固有振動数での振動を実質的に減少させる理論的シェル形状を出力する。しかしながら、この理論的シェル形状は、何万もの交差する面を持った３次元マトリクスを一般的に必要としよう。このため、OPTISTRUCT ソフトウェアにより決定される理論的シェル形状は、実質的に製造できないものとして認識され、平行リブのより効率的なパターンを開発するための指標として単に用いられているに過ぎない。例えば、選択された固有振動数での振動位置および何らかの理由のために補強が必要であると考えられる位置に平行リブを設計する技術者に対し、選択された固有振動数での振動位置の OPTISTRUCT 確認および理論的シェル形状を提示することができる。この提示されたリブパターンの結果として生ずる幾何学的変化は、OPTISTRUCT ソフトウェアに入力され、選択された固有振動数での振動が回避されているか否かを決定するために新しいシミュレーションが実行されよう。あるいは、技術者は最小リブ幅と、各リブの推奨横断面角と、最大リブ深さとに関するデータを入力することができる。この場合、OPTISTRUCT ソフトウェアは選択された固有振動数にて振動を排除または実質的に減少させる１つ以上の任意のリブパターンを提示しよう。従って、OPTISTRUCT ソフトウェアは重量およびコストを削減する努力の一部として使用可能である。
【００１２】
【発明の目的】
本発明の目的は、材料の厚みを減少させると共に騒音に関係する振動に対して最適な抵抗をもたらすように、消音器におけるリブを設計する効率的な方法を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、振動抵抗を最適化する消音器の具体的な形状を設計する方法に向けられ、その第１の形態は、排気システムの構成部品を設計する方法であって、前記排気システム構成部品の原形状を設計するステップと、前記原形状を３次元メッシュに変換するステップと、前記排気システム構成部品の騒音に関係する振動を最小にする前記排気システム構成部品の最適理論形状を規定するために前記３次元メッシュを変形させるステップと、相互に交差する複数の平坦面として前記３次元メッシュを規定するステップと、２次元の点群を前記最適理論形状に投影するステップと、前記点群における各点間の距離とほぼ等しい曲げ半径を持つ曲線を規定するように、投影された前記点群における各点間の前記平坦面の交差部分を平滑化し、前記排気システム構成部品の最適製造可能形状を規定するステップとを具えたことを特徴とする方法にある。
【００１４】
本発明においては、まず排気ガス流動特性と利用可能な空間とで決定されるような原シェル形状を入力する。この入力は、Ｘ，Ｙ，Ｚ座標のアレイを画成するものであってよい。次に、原シェル形状を複数の正方形の格子を持ったメッシュに変換する。そして、所定の固有振動数を示す少なくとも１つのパネル上の位置を確認し、このパネルの固有振動数に対する抵抗が最大となるようなメッシュの最適仮想変形をシミュレートする。最適仮想変形のシミュレーションは、変形したメッシュから作り出される多数の非常に小さな平坦面のため、根本的に製造できない最適理論シェル形状を規定しよう。この変形したメッシュをシミュレートするステップは、Altair Engineering により販売されている OPTISTRUCT ソフトウェアを使って実行可能である。しかる後、選択された板金材料に対する望ましい最小曲げ半径だけ間隔をあけた複数の点を持った格子を画成する２次元の点群を、製造できない最適理論形状に投影する。この投影は、最適理論形状の３次元表示をもたらす。次に、平滑面が２次元の点群から作り出され、変形したメッシュの最適仮想形状によって規定される面の主要部にほぼ従った製造可能な形状を生じさせる。
【００１５】
本発明の第２の形態は、排気システムを製造する方法であって、空間利用度と排気流動特性とに基づいて排気消音器の原形状を設計するステップと、前記原形状を３次元のデジタルメッシュにデジタル変換するステップと、少なくとも第１の固有振動数にて振動する前記３次元のメッシュの位置をシミュレートするステップと、前記排気消音器の最適理論形状を規定するため、前記排気消音器の騒音に関する振動を最小にするように３次元のメッシュをデジタル変形させるステップと、前記最適化された３次元のメッシュを相互に交差する複数の平坦面として規定するステップと、２次元の点群を相互に交差する前記複数の平坦面にデジタル投影するステップと、前記点群における各点間の距離とほぼ等しい曲げ半径を持つ曲線を規定するように、前記投影された前記点群における各点間の前記平坦面の交差部分を平滑化し、前記排気消音器の最適製造可能形状を規定するステップと、金属板を用意するステップと、前記最適製造可能形状に合致するように前記金属板を変形させるステップとを具えたことを特徴とする方法にある。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の第１の形態による方法において、２次元の点群が２次元の矩形の格子を規定しているものであってよい。この場合、２次元点群の格子が複数の点を具え、これらの点は排気システム構成部品が製造される材料に応じた最小選択曲げ半径と同じ距離だけ相互に間隔が置かれるものであってよい。また、２次元点群の格子は、ほぼ４.５ミリメートルの間隔で直角に離れた複数の点を具えたものであってよい。
【００１７】
少なくとも１つの原形状のパネルを選択し、排気システム構成部品の最適理論形状を規定するために３次元のメッシュを変形させる前に、選択したパネルにて少なくとも第１の固有振動数に関する位置をシミュレートするステップをさらに具えることができる。この場合、最適理論形状を規定するために３次元のメッシュを変形させた後、少なくとも第１の固有振動数にて振動する位置をシミュレートするステップをさらに具えることができる。
【００１８】
原形状を設計した後、少なくとも１つの原形状のパネルを選択するステップをさらに具えることができ、このパネルに対して後に続く前述の複数の方法ステップを行うことも有効である。
【００１９】
【実施例】
本発明による設計方法を自動車用排気システムの消音器に応用した一実施例について、図１〜図１３を参照しながら詳細に説明するが、本発明はこのような実施例のみに限らず、この明細書の特許請求の範囲に記載された本発明の概念に包含されるあらゆる変更や修正が可能であり、従って本発明の精神に帰属する他の任意の技術にも当然応用することができる。
【００２０】
本発明の一実施例における消音器シェルは、図１および図１３における符号１０により概して識別される。この消音器シェル１０は、底パネル１２と、この底パネル１２から角度をなして延在する複数の側面パネル１４と、この消音器の他方のシェルの対応する外周フランジとの係合のために側面パネル１４から延在する外周フランジ１６とを有する。外周フランジ１６および側面パネル１４に隣接して入口溝１８および出口溝２０が形成され、これらに排気管およびテールパイプが消音器の内部構成部品と連通することができるようになっている。
【００２１】
消音器シェル１０の比較的大きな底パネル１２の部分の特定領域が可聴範囲内に充分含まれる選択された固有振動数にて振動する。これらの領域の位置は周知の解析技術によって決定される。第１の固有振動数にて振動する領域の位置が図２に描かれており、黒色の濃度が高い部分ほどその振幅が大きいことを示している。同様な方法で他の固有振動数を持つ位置が決定可能である。代表的な消音器においては、第１から第１０までの固有振動モードが最も重要な振動値をおそらく有し、これらの固有振動数の位置は周知の解析技術によって決定される。
【００２２】
図３および図４に示されるように、固有振動数の値を最適化するシェル変形は、まず図１のシェル形状をメッシュに変換することにより達成可能である。このメッシュは、底パネル１２と側面パネル１４と外周フランジ１６とで規定される形状にほぼ従う座標を持った多数の正方形の格子により規定される。側面パネル１４は、人間が感知するには一般的に小さすぎる固有振動数を有し、深いリブのために成形性の問題を有する。このため、側面パネル１４は最適変形設計のために比較的浅いリブを必要とする。
【００２３】
図５および図６のメッシュによって規定されるパネル１２，１４の形状は、図５および図６のメッシュによって規定される個々の格子部分を隣接する格子部分に対して変形させるというシミュレート変形に左右される。この変形は、最も支障のある固有振動数の場所にて最初にシミュレートされ、このような変形の影響がシミュレーションによって検討される。パネル１２，１４に対してシミュレートされる形状変更を含んだ一連の繰り返しを通し、図７〜図９に示されるように、最適理論形状がシェル１０のパネル１２，１４に対して決定される。図７〜図９に示された最適形状は、図５および図６に示されたメッシュの角度をなして整列する何万ものわずかに交差する面を有する。さらなるシミュレーションによって、図７〜図９に示された理論形状の固有振動数を検討することができる。より詳細には、図１０は図７〜図９に示したパネル１０の第１の固有振動数のためのシミュレーションを示している。図２と図１０とを比較すると、第１の固有振動数にて振動する図２の明確に規定された孤立領域が、より高い振動数にて発生する図１０に示された振動数分布パターンに置き換えられていることが判る。
【００２４】
しかしながら、図７〜図９に示された最適仮想変形パターンは、相互に交差する何万もの面によって規定された複雑な角度のため、本質的に製造することができない。より詳細には、図７〜図９に示された複雑に交差する面のアレイを実現するように、コスト効率の優れた方法で金属を変形させることができない。消音器を設計するための世間一般の知見は、シェル１２に形成されるべき平行リブの位置を選択するため、図７〜図９の出力を単に使用するだけであると思われる。この処理は、相当な工学的技術設計時間と、シミュレーションおよびベンチテストの両方とを必要としよう。
【００２５】
本発明の方法は、２次元の点群を図７〜図９に示される最適理論形状に投影することによって続行される。図１１に示されるように、２次元の点群は、パネルが形成されるべき板金に対する最小選択曲げ半径だけ間隔をあけられる２次元の点のアレイを画成する。これらの点群における各点の間の好ましい間隔は４.５ミリメートルである。しかしながら、２次元の点群における各点の間の距離は、使用する金属の種類およびその厚さに依存しよう。最適理論形状への２次元の点群のこの投影は、３次元の点群を効率的に規定する。図１２に示されるように、点群における各点の間にあって最適理論形状の異なる面または表面にある最適理論形状の部分は、各点の間の間隔と合致した半径で平滑化される。従って、最適理論形状は相互に交差する複数の面の間のより少ない交差面とより平滑な曲線とを持った製造可能な形状に変換される。図１３に示されるように、最終結果は図７〜図９に描かれた最適仮想形状にほぼ追従した相互に交差する複数の比較的平坦な面の間の滑らかな曲線により規定される不連続体、すなわちリブの不揃いなアレイである。
【００２６】
上述されたこの処理は、パネル剛性を犠牲にすることなく、材料厚さの減少を可能にする。このため、騒音に関係する振動を制御することができると同時に、重量およびコストの削減を達成することができる。さらに、技術者が騒音に関係する振動を有効に減らすために別なリブパターンを設計し、設計された種々のリブパターンを試験する必要性を回避することにより、これらの設計に要する時間を減少させることができる。
【００２７】
本実施例は、スタンプ成形された消音器の外側シェルに対する変更設計を示している。しかしながら、ここに開示された方法は、排気システム構成部品のための熱シールド，レゾネータ，触媒コンバータのエンドコーン、触媒コンバータおよび消音器のシェル，エンドキャップ，内側バッフル，内側パネルなどに対して利用することができる。
【００２８】
本実施例は、製造不可能な最適理論形状に投影される２次元の点群の使用を論じている。この点群は、望ましい使用形状であるが、単一の面から直接または間接的に作られる任意の形状を用いることができる。これらの幾何学的形状は、線や円弧あるいはスプラインを包含するが、これらに制限されるものではない。
【００２９】
【発明の効果】
本発明によると、材料の厚みを減少させると共に騒音に関係する振動に対して最適な抵抗をもたらすように、排気システム構成部品におけるリブを効率的に設計することができる。このため、従来のリブを設計して試験するために必要となる時間を本質的に減少させることができ、これによって得られる排気システム構成部品は、その剛性を犠牲にすることなく、騒音に関係する振動を発生させる固有振動数の数や材料の厚みおよび重量を減らすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の対象となるスタンプ成形された消音器シェルの斜視図である。
【図２】第１の固有振動数の位置を示す消音器シェルの斜視図である。
【図３】図１に示された消音器シェルのパネルに基づくパネルメッシュの斜視図である。
【図４】図３中の矢視IV部の抽出拡大図である。
【図５】図３のパネルメッシュに準じ、第１の固有振動数を示すパネルに基づいて構成されたメッシュの斜視図である。
【図６】図５中の矢視VI部の抽出拡大図である。
【図７】図５に示された対象パネルに対するメッシュの最適理論変形を示す模式図である。
【図８】図７中の矢視VIII部の抽出拡大図である。
【図９】図７中の矢視IX部の抽出拡大図である。
【図１０】図２と同様の斜視図であるが、図５の最適理論形状のために第１の固有振動数の位置を示している。
【図１１】図５に示された最適理論変形パネルの一部の拡大平面図であり、２次元の点群も同時に投影されている。
【図１２】図１１中のXIII−XIII矢視断面図であり、最適製造可能形状を示している。
【図１３】図７と同様の斜視図であるが、図１１および図１２に示された平滑化により達成される最適製造可能形状を示している。
【符号の説明】
１０  消音器シェル
１２  底パネル
１４  側面パネル
１６  外周フランジ
１８  入口溝
２０  出口溝
【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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