(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ドライブラインをモデル化するためのコンピュータ実装方法であって、前記ドライブラインが複数のコンポーネントを備え、前記方法が、
ａ）前記ドライブラインのパラメータ記述を受信するステップと、
ｂ）前記パラメータ記述から前記ドライブラインの熱モデルを作成するステップと、
ｃ）前記熱モデルを使用して、前記ドライブラインの１つまたは複数のコンポーネントについての温度分布を計算するステップと、
ｄ）前記パラメータ記述および前記温度分布に基づいて、熱分布によって引き起こされる前記ドライブラインの１つまたは複数のコンポーネントの撓みを特定するステップと、
ｅ）前記１つまたは複数のコンポーネントの特定された前記撓みに基づいて、前記ドライブラインの性能メトリックを計算するステップと
を含む、方法。
【請求項２】
前記パラメータ記述から前記ドライブラインの構造モデルを作成するステップと、
前記構造モデルおよび前記温度分布に基づいて、前記熱分布によって引き起こされる前記ドライブラインの１つまたは複数のコンポーネントの前記撓みを特定するステップと
をさらに含む、
請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記熱モデルおよび特定された前記撓みにも基づいて、前記ドライブラインの前記１つまたは複数のコンポーネントについての前記温度分布を再計算するステップと、
再計算された前記温度分布に対してステップｄ）およびｅ）を繰り返すステップと
をさらに含む、
請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記温度分布および／または撓みを１つまたは複数のループ終了条件と比較するステップと、
前記１つまたは複数のループ終了条件が満たされない場合、
前記熱モデルおよび特定された前記撓みにも基づいて、前記ドライブラインの前記１つまたは複数のコンポーネントについての前記温度分布を再計算するステップと、
再計算された前記温度分布に対してステップｄ）およびｅ）を繰り返すステップと
をさらに含む、
請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記ドライブラインの前記性能メトリックに基づいて、前記パラメータ記述を更新するステップと、
更新された前記パラメータ記述に対してステップｂ）〜ｅ）を繰り返すステップと
をさらに含む、
請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記性能メトリックを１つまたは複数のループ終了条件と比較するステップと、
前記１つまたは複数のループ終了条件が満たされない場合、
前記性能メトリックに基づいて前記パラメータ記述を更新するステップと、
更新された前記パラメータ記述に対してステップｂ）〜ｅ）を繰り返すステップと
をさらに含む、
請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記ドライブラインに対して実行されるべき分析のタイプの指示を受け取るステップと、
実行されるべき分析の前記タイプに従って、前記ドライブラインの前記性能メトリックを計算するステップと
をさらに含む、
請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
実行されるべき分析の前記タイプに基づいて、前記パラメータ記述から前記ドライブラインの数学モデルを構築するステップと、
実行されるべき分析の前記タイプおよび前記数学モデルに従って、前記ドライブラインの前記性能メトリックを計算するステップと
をさらに含む、
請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記パラメータ記述から前記ドライブラインの前記数学モデルを構築するステップが、前記パラメータ記述によって提供される情報のサブセットを処理するステップを含む、
請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
実行されるべき分析の前記タイプが効率分析であり、
前記性能メトリックが効率メトリックである、
請求項７から９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
（ｉ）前記パラメータ記述、（ｉｉ）前記１つまたは複数のコンポーネントの特定された前記撓み、および（ｉｉｉ）計算された前記温度分布に基づいて、前記ドライブラインの前記効率メトリックを計算するステップ
をさらに含む、
請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
（ｉ）前記パラメータ記述、（ｉｉ）前記１つまたは複数のコンポーネントの特定された前記撓み、および（ｉｉｉ）計算された前記温度分布に基づいて、前記ドライブラインの電力損失プロファイルを計算するステップと、
前記性能電力損失プロファイルを１つまたは複数のループ終了条件と比較するステップと、
前記１つまたは複数のループ終了条件が満たされない場合、
前記電力損失プロファイルに基づいて前記ドライブラインの前記熱モデルを再作成するステップと、
前記再作成された熱モデルに基づいて前記電力損失プロファイルの前記計算を繰り返すステップと、
前記１つまたは複数のループ終了条件が満たされる場合、
（ｉ）前記パラメータ記述、（ｉｉ）前記１つまたは複数のコンポーネントの特定された前記撓み、および（ｉｉｉ）計算された前記温度分布に基づいて、前記ドライブラインの前記効率メトリックを計算するステップと
をさらに含む、
請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記パラメータ記述に基づいて構造メッシュモデルを構築するステップと、
前記構造メッシュモデルに基づいてメッシュ熱モデルを構築するステップと、
（ｉ）前記メッシュ熱モデル、および（ｉｉ）前記ドライブラインに関連付けられた１つまたは複数の流体温度を使用して、前記ドライブラインの１つまたは複数のコンポーネントの温度分布を計算するステップと、
（ｉ）前記構造メッシュモデル、および（ｉｉ）前記温度分布に基づいて、前記熱分布によって引き起こされる前記ドライブラインの１つまたは複数のコンポーネントの前記撓みを特定するステップと、
前記１つまたは複数のコンポーネントの特定された前記撓みに基づいて、前記ドライブラインの前記性能メトリックを計算するステップと
をさらに含む、
請求項１から１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
前記パラメータ記述から前記ドライブラインの集中パラメータ熱モデルを作成するステップと、
前記集中パラメータ熱モデルに基づいて、前記ドライブラインに関連付けられた前記流体温度を計算するステップと
をさらに含む、
請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記ドライブラインに関連付けられた前記流体温度をセンサからの入力として受信するステップ
をさらに含む、
請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
前記性能メトリックを計算するステップが、
複数の異なる環境条件の場合の前記ドライブラインに駆動サイクルを適用するステップ
をさらに含む、
請求項１から１５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１７】
実行されるべき分析のタイプに基づいて、前記性能メトリックを計算するために、前記パラメータ記述のどの特徴を使用するかを自動的に決定するステップ
をさらに含む、
請求項１から１６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１８】
前記ドライブラインの前記熱モデルを作成するステップが、
前記ドライブラインの１つまたは複数のコンポーネントにおける電力損失を計算するステップと、
計算された前記電力損失を前記熱モデルの１つまたは複数の熱入力に変換するステップと
をさらに含む、
請求項１から１７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１９】
特定された前記撓みに基づいて動作位置ずれの値を計算するステップと、
動作位置ずれの前記値に基づいて前記ドライブラインについての電力損失を計算するステップと
をさらに含む、
請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
特定された前記撓みに基づいて動作位置ずれの値を計算するステップと、
動作位置ずれの値に基づいて、以下のギア応力、ギア疲労、ギアスカッフィング、ギア伝達誤差、ギアメッシュの電力損失、ギアメッシュの剛性、遊星ギアの負荷分散、ベアリングの非線形剛性、ベアリング疲労、ドライブライン効率、ドライブラインモード形状、ギア伝達誤差、トルクリップル、ステータ半径方向力などの励磁による動的な強制応答のうちの１つまたは複数を計算するステップと
をさらに含む、
請求項１から１９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２１】
ギアスカッフィングの前記計算への入力として、前記ドライブライン内の予測潤滑油温度を使用するステップ
をさらに含む、
請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記ドライブライン内のコンポーネントの質量および剛性の行列を計算することを含む、前記ドライブラインの動的分析を実行することによって前記性能メトリックを計算するステップ
をさらに含む、
請求項１から２１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２３】
等速ジョイントの負荷および角度依存剛性を計算し、これを前記ドライブラインの動的分析に含めるステップ
をさらに含む、
請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
転がりベアリングの負荷依存剛性を計算し、これを前記ドライブラインの動的分析に含めるステップ
をさらに含む、
請求項２２に記載の方法。
【請求項２５】
前記ドライブラインの前記パラメータ記述が製造公差を含む、
請求項１から２４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２６】
ドライブラインをモデル化するためのコンピュータ実装方法であって、前記ドライブラインがギアボックスを含む複数のコンポーネントを備え、前記方法が、
ａ）前記ドライブラインのパラメータ記述を受信するステップと、
ｂ）前記ドライブラインに対して実行されるべき分析のタイプの指示を受け取るステップと、
ｃ）前記パラメータ記述から少なくとも前記ドライブラインの前記ギアボックスの熱モデルを作成するステップと、
ｄ）前記熱モデルを使用して、少なくとも前記ドライブラインの前記ギアボックスについての温度分布を計算するステップと、
ｅ）実行されるべき分析の前記タイプ、計算された前記温度分布、および前記パラメータ記述に従って、前記ドライブラインの性能メトリックを計算するステップと
を含む、
方法。
【請求項２７】
前記パラメータ記述に基づいて前記ドライブラインの構造モデルを作成するステップと、
前記構造モデルおよび計算された前記温度分布に基づいて、前記ドライブラインの前記性能メトリックを計算するステップと
をさらに含む、
請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記ドライブラインに関連付けられたループ性能メトリックに基づいて前記熱モデルを再作成するステップと、
再計算された前記温度分布に対してステップｄ）およびｅ）を繰り返すステップと
をさらに含む、
請求項２６または２７に記載の方法。
【請求項２９】
前記ループ性能メトリックを１つまたは複数のループ終了条件と比較するステップと、
前記１つまたは複数のループ終了条件が満たされない場合、
前記ドライブラインに関連付けられた前記ループ性能メトリックに基づいて前記熱モデルを再作成するステップと、
再作成された前記熱モデルに対してステップｄ）およびｅ）を繰り返すステップと
をさらに含む、
請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
前記ドライブラインに関連付けられたループ性能メトリックに基づいて前記温度分布を再計算するステップと、
前記再計算された温度分布に対してステップｅ）を繰り返すステップと
をさらに含む、
請求項２６から２９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３１】
前記ループ性能メトリックが、前記性能メトリックまたは中間性能メトリックを含む、
請求項２８または請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
前記ループ性能メトリックを１つまたは複数のループ終了条件と比較するステップと、
前記１つまたは複数のループ終了条件が満たされない場合、
前記ドライブラインに関連付けられた前記ループ性能メトリックに基づいて前記温度分布を再計算するステップと、
再作成された前記熱モデルに対してステップｅ）を繰り返すステップと
をさらに含む、
請求項３０または３１に記載の方法。
【請求項３３】
前記ドライブラインが電気機械を含む、
請求項１から３２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３４】
ドライブラインのコンピュータ支援エンジニアリング設計のためのコンピュータ可読製品であって、請求項１から３３のいずれか一項に記載の方法の前記ステップを実施するためのコード手段を備える、
製品。
【請求項３５】
ドライブラインのコンピュータ支援エンジニアリング設計のためのコンピュータシステムであって、請求項１から３３のいずれか一項に記載の方法の前記ステップを実施するために設計された手段を備える、
システム。
【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、ドライブラインおよびドライブラインを構成するアセンブリの設計およびモデリングに関し、詳細には、設計上の熱性能の影響に関する。
【０００２】
ドライブラインは、内燃機関、ギアボックス、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、ディファレンシャル、電気機械、発電機、モーター、フライホイール、バッテリ、燃料タンク、スーパーコンデンサ、燃料電池、インバータ、コンバータ、クラッチ、ギア、ポンプ、シャフト、ハウジング、ピストン、ブレード、ベアリング、ローター、ステータなどを含む場合がある複数のコンポーネントから構成されるシステムを備える。ドライブラインの用途は、車両、タービン、船舶、航空機、ヘリコプタ、および風力タービンを含むことができる。
【背景技術】
【０００３】
機械式サブアセンブリが支配的であり、電気式サブアセンブリが周辺的なので、機械式ドライブラインは機械工学の側面に焦点を当てる。電気機械式ドライブラインという用語は、多くの業界にわたる最近の発展により、電気駆動の使用が増加しているという事実を説明するために使用され、電気式サブアセンブリはますます重要になっている。例示的な産業には、風力産業、電気乗用車およびハイブリッド乗用車、ハイブリッドマリンドライブ、より多くの電気航空機、ならびに回生制動を備えた列車が含まれる。「電気機械」という用語は、しばしば、モーター／発電機がどちらのモードでも動作することができる同じコンポーネントであるため、それを指すために使用される。電気機械を参照すると、これは以下の：ブラシ付きＤＣ機械、二重給電誘導発電機を含む誘導機、表面実装永久磁石機械、内部実装永久磁石機械、軸方向磁束永久磁石機械、スイッチドリラクタンス機械、同期リラクタンス機械、巻線フィールド機械、二重突出または磁束切替え永久磁石機械、および永久磁石支援同期機械のうちのいずれかを意味することができる。
【０００４】
これらの例の多くでは、十分な電力密度、コスト、および効率を実現するために、電気システムと機械システムがますます統合されている。
【０００５】
電気機械は、しばしば、パワーエレクトロニクスと総称され得るインバータ、コンバータなどの電子部品を必要とする。したがって、電気機械式ドライブラインを定義する３つの主要なサブシステム−ギアボックス、電気機械、およびパワーエレクトロニクスがあり得る。これら３つのサブシステムは異なる物理的原理によって動作するが、それらが統合された電気機械式ドライブライン内で一緒に組み立てられると、これら３つのサブシステム間の物理的相互作用が起こり始める。その上、これらのサブシステムの性能がさらに拡張されるにつれて、様々な物理現象が互いに相互作用し始める。「ドライブライン」という用語は、電気機械、ギアボックス、およびパワーエレクトロニクスの一部またはすべてを含むシステムを包含する。
【０００６】
ドライブラインの主な機能は、機械的な回転力を伝達することである。電気機械式ドライブラインは、力を電気から機械に、またはその逆に変換することもできる。これは、電力損失を最小限に抑えて、可能な限り効率的に行われる必要がある。この要件は、地球温暖化に対抗する戦いにおいて、およびハイブリッド／電気自動車がエネルギー／燃料消費を最小化するという特定の意図で設計されている場合に、ますます重要になっている。
【０００７】
ＧＢ２５０６５３２Ａは、ドライブラインの主要なエンジニアリングパラメータが、形式、機能、動作条件、および特性を含む単一のパラメトータモデルで定義される手法を開示している。これらは、設計の迅速な再定義を可能にするパラメータ記述内で定義され、多様な物理シミュレーションの結果による迅速な設計−分析−再設計の反復を可能にする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】ＧＢ２５０６５３２Ａ
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本明細書に記載される１つまたは複数の例は、熱性能、およびそれがドライブライン内のコンポーネントの撓み、応力、疲労、効率、ノイズ、振動、摩耗などの物理的挙動の他の態様とどのように相互作用するかの主題に関係する。そのような例の機能は、熱挙動およびそれがドライブライン性能の他の態様にどのように影響するかに関する洞察を設計エンジニアに提供し、その結果、設計は最適化され、以前は可能でなかった生産性で目的に合ったものとして確認され得る。新製品を市場に投入する際の時間および資金を節約することができる。また、既存の製品の問題は、本明細書に開示される例を使用することによって効果的に解決することができる。最も重要なことに、人間の生命をさらに保護する可能性がある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本開示の第１の態様によれば、ドライブラインをモデル化するためのコンピュータ実装方法が提供され、ドライブラインは複数のコンポーネントを備え、方法は、
ａ）ドライブラインのパラメータ記述を受信するステップと、
ｂ）パラメータ記述からドライブラインの熱モデルを作成するステップと、
ｃ）熱モデルを使用して、ドライブラインの１つまたは複数のコンポーネントについての温度分布を計算するステップと、
ｄ）パラメータ記述および温度分布に基づいて、熱分布によって引き起こされるドライブラインの１つまたは複数のコンポーネントの撓みを特定するステップと、
ｅ）１つまたは複数のコンポーネントの特定された撓みに基づいて、ドライブラインの性能メトリックを計算するステップと
を含む。
【００１１】
本明細書に開示されるいかなる方法も、
パラメータ記述からドライブラインの構造モデルを作成するステップと、
構造モデルおよび温度分布に基づいて、熱分布によって引き起こされるドライブラインの１つまたは複数のコンポーネントの撓みを特定するステップと
を含んでよい。
【００１２】
本明細書に開示されるいかなる方法も、
熱モデルおよび特定された撓みにも基づいて、ドライブラインの１つまたは複数のコンポーネントについての温度分布を再計算するステップと、
再計算された温度分布に対してステップｄ）およびｅ）を繰り返すステップと
を含んでよい。
【００１３】
本明細書に開示されるいかなる方法も、
温度分布および／または撓みを１つまたは複数のループ終了条件と比較するステップと、
１つまたは複数のループ終了条件が満たされない場合、
熱モデルおよび特定された撓みにも基づいて、ドライブラインの１つまたは複数のコンポーネントについての温度分布を再計算するステップと、
再計算された温度分布に対してステップｄ）およびｅ）を繰り返すステップと
を含んでよい。
【００１４】
本明細書に開示されるいかなる方法も、
ドライブラインの性能メトリックに基づいて、パラメータ記述を更新するステップと、
更新されたパラメータ記述に対してステップｂ）〜ｅ）を繰り返すステップと
を含んでよい。
【００１５】
本明細書に開示されるいかなる方法も、
性能メトリックを１つまたは複数のループ終了条件と比較するステップと、
１つまたは複数のループ終了条件が満たされない場合、
性能メトリックに基づいてパラメータ記述を更新するステップと、
更新されたパラメータ記述に対してステップｂ）〜ｅ）を繰り返すステップと
を含んでよい。
【００１６】
本明細書に開示されるいかなる方法も、
ドライブラインに対して実行されるべき分析のタイプの指示を受け取るステップと、
実行されるべき分析のタイプに従って、ドライブラインの性能メトリックを計算するステップと
を含んでよい。
【００１７】
本明細書に開示されるいかなる方法も、
実行されるべき分析のタイプに基づいて、パラメータ記述からドライブラインの数学モデルを構築するステップと、
実行されるべき分析のタイプおよび数学モデルに従って、ドライブラインの性能メトリックを計算するステップと
を含んでよい。
【００１８】
パラメータ記述からドライブラインの数学モデルを構築するステップは、パラメータ記述によって提供される情報のサブセットを処理するステップを含んでよい。
【００１９】
実行されるべき分析のタイプは効率分析であってよい。性能メトリックは効率メトリックであってよい。
【００２０】
本明細書に開示されるいかなる方法も、
（ｉ）パラメータ記述、（ｉｉ）１つまたは複数のコンポーネントの特定された撓み、および（ｉｉｉ）計算された温度分布に基づいて、ドライブラインの効率メトリックを計算するステップ
を含んでよい。
【００２１】
本明細書に開示されるいかなる方法も、
（ｉ）パラメータ記述、（ｉｉ）１つまたは複数のコンポーネントの特定された撓み、および（ｉｉｉ）計算された温度分布に基づいて、ドライブラインの電力損失プロファイルを計算するステップと、
性能電力損失プロファイルを１つまたは複数のループ終了条件と比較するステップと
を含んでよい。
【００２２】
１つまたは複数のループ終了条件が満たされない場合、
方法は、電力損失プロファイルに基づいてドライブラインの熱モデルを再作成するステップと、
再作成された熱モデルに基づいて電力損失プロファイルの計算を繰り返すステップと
を含んでよい。
【００２３】
１つまたは複数のループ終了条件が満たされる場合、
方法は、（ｉ）パラメータ記述、（ｉｉ）１つまたは複数のコンポーネントの特定された撓み、および（ｉｉｉ）計算された温度分布に基づいて、ドライブラインの効率メトリックを計算するステップを含んでよい。
【００２４】
本明細書に開示されるいかなる方法も、
パラメータ記述に基づいて構造メッシュモデルを構築するステップと、
構造メッシュモデルに基づいてメッシュ熱モデルを構築するステップと、
（ｉ）メッシュ熱モデル、および（ｉｉ）ドライブラインに関連付けられた１つまたは複数の流体温度を使用して、ドライブラインの１つまたは複数のコンポーネントの温度分布を計算するステップと、
（ｉ）構造メッシュモデル、および（ｉｉ）温度分布に基づいて、熱分布によって引き起こされるドライブラインの１つまたは複数のコンポーネントの撓みを特定するステップと、
１つまたは複数のコンポーネントの特定された撓みに基づいて、ドライブラインの性能メトリックを計算するステップと
を含んでよい。
【００２５】
方法は、
パラメータ記述からドライブラインの集中パラメータ熱モデルを作成するステップと、
集中パラメータ熱モデルに基づいて、ドライブラインに関連付けられた流体温度を計算するステップと
をさらに含んでよい。
【００２６】
方法は、
ドライブラインに関連付けられた流体温度をセンサからの入力として受信するステップ
をさらに含んでよい。
【００２７】
性能メトリックを計算するステップは、
複数の異なる環境条件の場合のドライブラインに駆動サイクルを適用するステップ
を含んでよい。
【００２８】
本明細書に開示されるいかなる方法も、
実行されるべき分析のタイプに基づいて、性能メトリックを計算するために、パラメータ記述のどの特徴を使用するかを自動的に決定するステップ
を含んでよい。
【００２９】
ドライブラインの熱モデルを作成するステップは、
ドライブラインの１つまたは複数のコンポーネントにおける電力損失を計算するステップと、
計算された電力損失を熱モデルの１つまたは複数の熱入力に変換するステップと
を含んでよい。
【００３０】
本明細書に開示されるいかなる方法も、
特定された撓みに基づいて動作位置ずれの値を計算するステップと、
動作位置ずれの値に基づいてドライブラインについての電力損失を計算するステップと
を含んでよい。
【００３１】
本明細書に開示されるいかなる方法も、
特定された撓みに基づいて動作位置ずれの値を計算するステップと、
動作位置ずれの値に基づいて、以下のギア応力、ギア疲労、ギアスカッフィング、ギア伝達誤差、ギアメッシュの電力損失、ギアメッシュの剛性、遊星ギアの負荷分散、ベアリングの非線形剛性、ベアリング疲労、ドライブライン効率、ドライブラインモード形状、ギア伝達誤差、トルクリップル、ステータ半径方向力などの励磁による動的な強制応答のうちの１つまたは複数を計算するステップと
を含んでよい。
【００３２】
方法は、
ギアスカッフィングの計算への入力として、ドライブライン内の予測潤滑油温度を使用するステップ
をさらに含んでよい。
【００３３】
本明細書に開示されるいかなる方法も、
ドライブライン内のコンポーネントの質量および剛性の行列を計算することを含む、ドライブラインの動的分析を実行することによって性能メトリックを計算するステップ
を含んでよい。
【００３４】
方法は、
等速ジョイントの負荷および角度依存剛性を計算し、これをドライブラインの動的分析に含めるステップ
をさらに含んでよい。
【００３５】
方法は、
転がりベアリングの負荷依存剛性を計算し、これをドライブラインの動的分析に含めるステップ
をさらに含んでよい。
【００３６】
ドライブラインのパラメータ記述は製造公差を含んでよい。
【００３７】
ドライブラインのコンピュータ支援エンジニアリング設計のためのコンピュータ可読製品が提供されてよく、製品は本明細書に開示される任意の方法のステップを実施するためのコード手段を含む。
【００３８】
ドライブラインのコンピュータ支援エンジニアリング設計のためのコンピュータシステムが提供されてよく、システムは本明細書に開示される任意の方法のステップを実施するために設計された手段を備える。
【００３９】
本明細書に開示される任意の方法を使用して設計されたドライブラインが提供されてよい。
【００４０】
本発明のさらなる態様によれば、ドライブラインをモデル化するためのコンピュータ実装方法が提供され、ドライブラインはギアボックスを含む複数のコンポーネントを備え、方法は、
ａ）ドライブラインのパラメータ記述を受信するステップと、
ｂ）ドライブラインに対して実行されるべき分析のタイプの指示を受け取るステップと、
ｃ）パラメータ記述から少なくともドライブラインのギアボックスの熱モデルを作成するステップと、
ｄ）熱モデルを使用して、少なくともドライブラインのギアボックスについての温度分布を計算するステップと、
ｅ）実行されるべき分析のタイプ、計算された温度分布、およびパラメータ記述に従って、ドライブラインの性能メトリックを計算するステップと
を含む。
【００４１】
本明細書に開示されるいかなる方法も、
パラメータ記述に基づいてドライブラインの構造モデルを作成するステップと、
構造モデルおよび計算された温度分布に基づいて、ドライブラインの性能メトリックを計算するステップと
を含んでよい。
【００４２】
本明細書に開示されるいかなる方法も、
ドライブラインに関連付けられたループ性能メトリックに基づいて熱モデルを再作成するステップと、
再計算された温度分布に対してステップｄ）およびｅ）を繰り返すステップと
を含んでよい。
【００４３】
方法は、
ループ性能メトリックを１つまたは複数のループ終了条件と比較するステップと、
１つまたは複数のループ終了条件が満たされない場合、
ドライブラインに関連付けられたループ性能メトリックに基づいて熱モデルを再作成するステップと、
再作成された熱モデルに対してステップｄ）およびｅ）を繰り返すステップと
を含んでよい。
【００４４】
本明細書に開示されるいかなる方法も、
ドライブラインに関連付けられたループ性能メトリックに基づいて温度分布を再計算するステップと、
再計算された温度分布に対してステップｅ）を繰り返すステップと
を含んでよい。
【００４５】
ループ性能メトリックは、性能メトリックまたは中間性能メトリックを含んでよい。
【００４６】
方法は、
ループ性能メトリックを１つまたは複数のループ終了条件と比較するステップと、
１つまたは複数のループ終了条件が満たされない場合、
ドライブラインに関連付けられたループ性能メトリックに基づいて温度分布を再計算するステップと、
再作成された熱モデルに対してステップｅ）を繰り返すステップと
をさらに含んでよい。
【００４７】
ドライブラインは電気機械を含んでよい。
【００４８】
次に、添付の図面を参照して、ほんの一例として本発明が記載される。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】個別の故障モード分析のための個別のＣＡＥツールによって個別のモデルがどのように使用され得るかを示す図である。
【図２ａ】パラメータ記述の一例を概略的に示す図である。
【図２ｂ】パラメータ記述の具体例を概略的に示す図である。
【図３】４つの非重複データセットから形成されたパラメータ記述の別の表現を示す図である。
【図４】ドライブラインの複数の性能メトリックを決定するために、ドライブラインのパラメータ記述がどのように使用され得るかを示す図である。
【図５】熱モデルを使用し、撓み計算を実行するドライブラインをモデル化するためのコンピュータ実装方法の概略図である。
【図６】熱モデルおよび構造モデルを使用し、両方による撓みを計算する、ドライブラインをモデル化ための、場合によってはドライブラインを設計するための別のコンピュータ実装方法の概略図である。
【図７】さらなるユーザ指定の分析、ならびに熱モデルおよび構造モデルを含む、ドライブラインをモデル化するための別のコンピュータ実装方法の概略図である。
【図８ａ】図７に類似する、ドライブラインをモデル化するための別のコンピュータ実装方法の概略図である。
【図８ｂ】熱モデル、構造モデル、および効率モデルの間の反復が識別される、図８ａの方法を示す図である。
【図９】熱モデルが単純な集中パラメータ熱モデルおよびメッシュモデルを含む、ドライブラインをモデル化または設計するためのコンピュータ実装方法の概略図の別の例を示す図である。
【図１０】ドライブラインがギアボックスを含み、処理が必ずしも撓みを計算することを含まない、ドライブラインをモデル化するための別のコンピュータ実装方法の概略図である。
【図１１】図１０に類似し、反復ループを含む、ドライブラインをモデル化するための、場合によってはドライブラインを設計するための別のコンピュータ実装方法の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００５０】
コンピュータ実装方法は、ドライブラインをモデル化するために、特に、ドライブラインの設計を表すパラメータ記述に１つまたは複数の異なるタイプの分析を実行するために使用することができる。パラメータ記述がどのように実装され得るかのさらなる詳細が以下で説明される。
【００５１】
ドライブラインの設計エンジニアは、設計プロセス内で、（非限定的な例として）以下の態様：（ｉ）たとえば、エネルギー／燃料消費量によって表されるエネルギー変換の効率の観点からのドライブラインの効率、（ｉｉ）疲労またはスカッフィングによるギア故障の回避、（ｉｉｉ）疲労によるベアリング故障の回避、ならびに（ｉｖ）ギアの軋み音の最小化およびドライブライン効率の最大化のうちの１つまたは複数に関係する安全性の性能目標を、できる限り満たすことを目指すことができる。ドライブライン用の様々な性能メトリックを決定するために様々なタイプの分析を使用することができ、様々な性能メトリックは、次いで、関連する性能目標と比較することができる。性能目標を満たす能力は、ドライブラインの「故障モード」を回避することと見なすこともできる。
【００５２】
そのような分析を適用するために、シミュレーションツールを使用することができる。たとえば、ＲｏｍａｘＤＥＳＩＧＮＥＲ、ＭＡＳＴＡ、およびＫｉｓｓＳｏｆｔなどの機械式ドライブライン設計用の特定用途向けＣＡＥツールは、ＩＳＯ６３３６およびＡＧＭＡ２００１に準拠するギア疲労、およびＩＳＯ２８１に関連し、それから導出された様々な規格に準拠するベアリング疲労を予測する。ＩＳＯ  ＴＲ１４１７９および他の方法を使用して、ギアスカッフィングが予測され、ギアメッシュ損失が予測される。すべてのこれらの方法は、ギアおよびベアリング専用に開発されているので、有限要素分析（ＦＥＡ）、モデルベース定義（ＭＢＤ）、またはマルチドメインシミュレーションなどの一般的なＣＡＥツールには存在しない。
【００５３】
従来のＣＡＥツールでは、ＣＡＤは形式（形状）および特性のいくつかの態様（たとえば、ヤング率ではなく材料密度）を提供するが、動作条件または機能を含まない。ＭＢＤツールおよびＦＥＡツールの中のモデルは、形式、機能、特性、および動作条件の特定の態様を含むことができるが、シミュレートされている特定の故障モードに関連する態様のみを含む。
【００５４】
図１は、個別のＣＡＥツールによって個別のモデルがどのように使用され得るかを示し、その結果、モデルの各々は、ドライブラインの性能メトリック、したがって性能目標が満たされ、故障モードが回避されるか否かを判定するために使用することができる。これは、性能メトリックを性能目標と比較することを含むことができる。
【００５５】
以下に記載される様々な例では、ドライブラインの単一のパラメータ記述を使用することができ、そこから複数の性能メトリックおよび故障モードの分析のための複数のモデルを導出することができる。
【００５６】
図２ａは、パラメータ記述２００ａの一例を概略的に示す。パラメータ記述２００ａは、複数のデータセット２０２ａ、２０４ａ、２０６ａを含み、それらのうちの１つまたは複数は、異なるＣＡＥ機能２１０ａ、２１２ａ、２１４ａを実行するために使用することができる。従来、各ＣＡＥ機能は個別のＣＡＥツールによって提供され、各々が異なるタイプの分析を実行する。パラメータ記述２００は、ドライブラインを定義するデータの集合（データセット２０２ａ、２０４ａ、２０６ａ）、および場合によってはドライブラインがどのように動作するかを含むことができる。
【００５７】
図２ｂは、図２ａのパラメータ記述に類似するパラメータ記述２００ｂの具体例を概略的に示す。図２ｂに示されたＣＡＥ機能は、ＭＢＤおよびＦＥＡ２１０、マルチドメイン動的シミュレーションおよび特定用途向けＣＡＥツール２１２、ならびにＣＡＤ２１４である。
【００５８】
この例では、「パラメータ記述」２００ｂは、以下のデータセット：形式２０２ｂ、機能２０４ｂ、特性２０８ｂ、および動作条件２０６ｂを含む。これらのデータセットは重複しないようにすることができる。
【００５９】
・形式２０２ｂは形状に関連するデータを含むことができる。
【００６０】
・特性２０８ｂは、コンポーネントの材料特性に加えて、ベアリングの動的容量、ギア歯面の表面粗さ、潤滑油の粘度、シャフト材料のグッドマン図、電気機械巻線の抵抗率などのコンポーネント固有の特性を含むことができる。
【００６１】
・動作条件２０６ｂは、時間履歴または常駐ヒストグラムのいずれかとして、主に回転機械の出力、速度、トルクを含むことができるが、温度、湿度などを含むこともできる。
【００６２】
・機能２０４ｂは、製品、サブシステム、およびコンポーネントがそれらの主な機能を実行する方法を定義することができる。たとえば、ローラーベアリングの機能は、シャフトを回転させながら支え、シャフトとベアリングを一緒に組み立てることであり、結合機能は、負荷をかけることができる回転シャフトを提供し、シャフトにギアを取り付け、同様に取り付けられたギアと噛み合わせることであり、結合機能は速度およびトルクを変更することである。
【００６３】
以下の表は、図２ｂを表形式にしたもので、便宜上同じ参照番号が使用されている。このようにして、この表は、様々なタイプの分析を実行するために、様々なＣＡＥ機能によってパラメータ記述２００ｂからのどのデータが使用されるかを示している。
【００６４】
【表１】
0006807489.tif 000002
【００６５】
重要なことに、上記の表ならびに図２ａおよび図２ｂは、１つのパラメータ記述２００ａ、２００ｂが、分析ごとに別個のツールを必要とせずに、１つのＣＡＥツールで複数の分析タイプが実行されることを可能にすることを示す。
【００６６】
従来のＣＡＥツールは、各々１つのＣＡＥ機能しか提供することができない。その機能を実行するために、ツールは、上述されたパラメータ記述によって提供される情報のサブセットを必要とする場合がある。たとえば、ＣＡＤ２１４ｂは、形式（形状）２０２ｂおよび特性２０８ｂのいくつかの態様（たとえば、ヤング率ではなく材料密度）を提供するが、動作条件２０６ｂまたは機能２０４ｂを含まない。ＭＢＤおよびＦＥＡ機能２１０ｂは、形式２０２ｂ、機能２０４ｂ、特性２０８ｂ、および動作条件２０６ｂの特定の態様を含むが、シミュレートされる特定の故障モードに関連する態様のみを含むモデルを必要とする。マルチドメイン動的シミュレーションおよび特定用途向けＣＡＥ機能２１２ｂ内のモデルは、シミュレーションされる特定の故障モードに関係する機能２０４ｂ、特性２０８ｂ、および動作条件２０６ｂの態様を使用するが、形式２０２ｂを使用しない。
【００６７】
どのＣＡＥ機能２１０ｂ、２１２ｂ、２１４ｂが採用されるかに応じて、エンジニアは、４つのデータセットのうちの１つまたは複数からデータを選択して、実行される分析に適した分析モデルを作成する必要がある。
【００６８】
有利なことに、本明細書に記載される例は、複数のＣＡＥ機能を実行することができる単一のＣＡＥツールを含むことができる。これは、少なくとも部分的に、様々なＣＡＥ機能についての情報の共通ソースを提供する単一のパラメータ記述による。
【００６９】
図３は、４つの非重複データセット３０２、３０４、３０６、３０８から形成されるパラメータ記述３００の別の表現を示す。多体動力学または有限要素パッケージ分析３１０用の関連データセットは、形式セット３０４、特性セット３０６、および動作条件セット３０６の一部に重なる三角形のセットによって表される。同様に、マルチドメイン動的シミュレーションまたは特定用途向け車両性能パッケージ分析３１２用の関連データセットは、機能セット３０２、特性セット３０６、および動作条件セット３０８の一部に重なる三角形のセットによって表される。同様に、ＣＡＤ分析３１４用の関連データは、形式セット３０４および特性セット３０６の一部に重なる三角形のセットによって表される。従来のＣＡＥツールでは、４つのタイプすべてのデータが存在するとは限らないので、設計プロセス内のワークフローが不連続につながる。
【００７０】
図４は、ドライブラインの複数の性能メトリック、したがって複数の性能目標が満たされ、故障モードが回避されるか否かを判定するために、上述されたパラメータ記述などのパラメータ記述４００がどのように使用され得るかを示す。図１とは対照的に、図４のパラメータ記述４００および単一のＣＡＥツールは、有利なことに、ＣＡＥ機能ごとに個別のモデルが手動で構築される必要がなく、異なるＣＡＥ機能間でデータが移動される必要もない。対照的に、パラメータ記述４００からデータを自動的に選択して、分析タイプごとに数学モデルを構築することができる。
【００７１】
図４は、複数のタイプのデータセットを有するパラメータ記述が利用可能でない従来のＣＡＥツールで発生する可能性があるワークフローの不連続性に本発明がどのように対処するかを示す。図４のＣＡＥツールは、複数のシミュレーションを実行して、ドライブラインの性能メトリックまたは様々な故障モードの可能性を判断することができる。これらのシミュレーションの各々の結果は、ドライブラインの動作性能の数学モデルから生じ、各物理現象が異なるアルゴリズムを必要とし、エンジニアリングの生産性を最大化するために、単一のＣＡＥツール内ですべてのアルゴリズムが利用可能である。
【００７２】
図４は、ドライブラインの設計を更新するステップ４０１を概略的に示す。これは、ＣＡＥツールによって計算された１つまたは複数の性能メトリックを１つまたは複数の性能目標と比較することを含むことができる。関連する故障モードが回避されないような、性能目標が満たされない場合、ソフトウェアは、パラメータ記述４００を調整することにより、ステップ４０１において設計を更新することができる。次いで、新しい設計の場合すべての故障モードが回避されるか否かを判定するために、新しいパラメータ記述４００にＣＡＥツールを適用することができる。設計がどのように更新され得るかのさらなる詳細が以下に提供される。
【００７３】
ギアをメッシュサイクルに通し、メッシュ剛性の変動を計算することにより、伝達誤差（ＴＥ）を計算するためにＣＡＥツールを使用することができる。伝達誤差は、公称値からの回転角の偏差である。結果として生じるＴＥは、ドライブライン構造への励磁として使用でき、ハウジングの表面における強制応答分析および振動の予測、ならびに、必要に応じて放射ノイズの予測につながる。このプロセスは、ギアおよびドライブライン専用にセットアップすることができる。モデルはパラメトリックで高速に実行することができ、後処理はアクセス可能なグラフィカルユーザインターフェイスの形態でセットアップすることができる。
【００７４】
これらの潜在的な故障モードおよびその対応する計算のすべてにおいて、１つの重要な影響要因は位置ずれである。位置ずれは、コンポーネントの位置、または少なくともコンポーネントの一部の位置が別のコンポーネントに対して変化するように偏向するコンポーネントによって引き起こされる可能性がある。転がりベアリング内では、位置ずれにより、疲労サイクルごとの応力が増大し、ベアリングの寿命が短くなる可能性がある。ギアの場合、位置ずれにより、噛み合う歯の間の接触圧力が増大し、疲労抵抗が減少し、スカッフィングの可能性が高まる可能性がある。また、位置ずれは、接触するギア間の接触パッチを変更する可能性があり、それによってＴＥが増加し、ギア間の油膜に影響を与え、それによってギアメッシュの電力損失が増加し、ドライブライン全体の効率が低下する。
【００７５】
ドライブラインの１つまたは複数のコンポーネントの撓みを計算することが有利であり得る。上記に示されたように、そのような撓みは、一例として、動作条件下でギアおよびベアリングの位置ずれをもたらす可能性がある。ギアおよびベアリングのそのような撓み／位置ずれを計算するために、シャフト、ベアリング、およびギアから構成されるギアボックスサブシステム全体の数学的な表現を使用することができる。ギアの力は、加えられたトルクによりギアメッシュにおいて生成され、シャフトの撓み、ベアリングの負荷依存の撓み、およびハウジングの歪みにつながる。結果は、実際と計算の両方で、ギアボックスが動力を伝達するときのギアおよびベアリングの位置ずれであり、それは、ギア疲労、スカッフィング、ＴＥおよび効率、ならびにベアリング疲労の前述の故障モード／性能目標に影響を与える。
【００７６】
ドライブライン設計のための一般的なツールの制限は、熱の影響が正確に含まれていないことである。しかしながら、しばしば、ドライブラインの主要な機械部品（シャフト、ベアリング、ギア、ローター、ハウジング）は、加熱すると膨張する金属から作られているので、熱の影響は構造分析および他のタイプの分析にとって重要であり得る。
【００７７】
いくつかの用途では、どの温度分布がドライブラインのサブ構造（たとえば、１つまたは複数のコンポーネント）内にあるかを知ることが有利であり得る。ドライブラインが動力を伝達すると、摩擦によりギアおよびベアリングにおいて熱が発生する。また、電力が電気機械式ドライブライン内で変換されると、電気機械およびパワーエレクトロニクス内で電力損失が発生する。発生した熱は、通常、ハウジング、したがってその周囲までの直接伝導、もしくは間接的にオイルへ、そこからハウジングへ、または何らかの形式のラジエーターにオイルを抽出することによって環境に放出される。
【００７８】
通常、ドライブラインを表す異なるデータを必要とする異なるツールごとに異なるモデルが必要とされるので、ドライブライン設計用の既知のツールにおける熱の影響を正確に考慮することは可能でなかった。たとえば、ドライブラインは、熱分析および構造分析のために、離散化ノードの異なる選択で異なってモデル化することができる。また、ノードは異なる場所にある可能性があるので、温度分布を機械モデルに適用することは技術的に困難な可能性がある。
【００７９】
ドライブラインのシミュレーション主導設計は、目的に合った設計を実現するための不可欠なツールであり得る。本明細書に記載される例は、有利なことに、モデリングおよび設計を実行するときに熱挙動を予測することができる。たとえば、ドライブラインの正確な性能メトリックを決定することができるように、パラメータ記述から温度分布を計算することができる。また、性能メトリックにより、ドライブラインの改善された設計が生み出されることが可能になり得る。改善された設計プロセスにより、熱の影響によって引き起こされる撓みに起因して故障する可能性が低いドライブラインがもたらされる可能性がある。たとえば、ドライブライン内のより正確な温度分布を決定することで、より正確な効率メトリックおよびより正確な撓みの値が可能になり得るし、その結果、より正確な耐久性メトリックがもたらされる可能性がある。このようにして、位置ずれの過小評価による早期故障の可能性を低減することができる。
【００８０】
その結果、既知のＣＡＥツールを使用するドライブラインの実際の設計では、熱に関する考慮事項を十分な精度で含めることができない。したがって、ドライブラインは、性能が最適化されずに設計され、かつ／またはテストおよび開発において失敗するか、もしくはさらに悪いことに動作中に故障するリスクがある。確かに、そのような故障は熱的故障としてさえ現れないかもしれない。たとえば、それは、ギアの設計者がギアの微小形状を誤って設計し（熱の影響を考慮していない）、歯の接触不良、高応力、および未熟だが明らかに従来の疲労故障につながる可能性がある。
【００８１】
特定の航空宇宙用途では、熱性能が非常に重要である。ヘリコプタのドライブラインの認証要件は、緊急時に乗員を安全に送り届けることを補償するために、潤滑油が失われた後一定の時間動作することができることである。しかしながら、そのような機能は、通常、以前の設計の設計特性を複製した後に、プロトタイプユニットの低速かつ非常に高価なテストを行うことによって実現される。
【００８２】
動的性能は乗用車などの用途でも非常に重要であり、内燃機関の使用量の削減は、ギアの騒音がエンジンの騒音によってもはや隠されないことを意味する。ドライブラインにノイズが多いかどうかを予測するために、ドライブラインの動的特性を予測する必要があり、それは、ドライブラインの質量および剛性の数学モデルを構築することに加えて、境界条件を含むことができる。次いで、動的モデルはドライブラインシステムの励磁によって励磁することができ、それは、伝達誤差、電磁トルクリップル、および／またはステータの歯に対する半径方向力を含むことができる。この動的モデルは、式４を参照して以下でより詳細に記載され、それにより、加えられる力Ｆにシステムの励振が含まれる。（たとえば、熱の影響および関連する撓みを考慮に入れないことにより）ドライブラインが正確にモデル化されない場合、ギアノイズに関連付けられた性能目標は、設計に従って構築されたドライブラインによって満たされない場合がある。
【００８３】
いくつかの特定用途向けＣＡＥツールは、様々なコンポーネントについての電力損失を計算し、それは熱性能に関する有用な情報を提供することができる。これらの電力損失は、有利なことに、以下で説明されるように、ドライブラインシステムへの熱入力としてモデル化することができる。
【００８４】
図５は、ドライブラインをモデル化するためのコンピュータ実装方法の概略図を示す。方法は、ドライブライン５００のパラメータ記述を処理し、ドライブラインの性能を表す性能メトリック５３２を計算する。他の例が本明細書に記載される。以下で説明されるように、図５の方法は、ドライブライン内の温度分布５２４によるドライブライン内の１つまたは複数のコンポーネントの撓み５２８を計算し、性能メトリック５３２は少なくともその撓みに基づいて計算される。性能メトリック５３２の例には、ドライブライン内のコンポーネントの異なる部分間の位置ずれ、効率、耐久性、および伝達誤差が含まれる。いくつかの例では、性能メトリック５３２は、計算された撓みの表現であり得る。
【００８５】
いくつかの例では、方法は、ドライブライン内で発生する力による構造的な撓みを計算することもできる。性能メトリック５３２は、構造的な撓みおよび熱的な撓みの両方に基づいて計算することができる。
【００８６】
ステップ５２０において、方法は、パラメータ記述５００からドライブラインの熱モデルを作成する。熱モデルは、離散熱モデルまたは連続熱モデルであり得る。離散熱モデルは、集中パラメータ熱ネットワークモデル、およびメッシュ有限要素熱モデルを含むことができる。
【００８７】
ドライブラインの離散集中パラメータ熱ネットワークモデルは、熱流束の入力を提供する熱源を備えた、熱リンクによって接続された熱慣性または静電容量を含む場合がある。熱リンクは、伝導、対流、および放射による熱伝導を含むことができる。ステップ５２０における処理は、ドライブラインおよびそのコンポーネントのパラメータ記述５００から、これらのキャパシタンスおよびコンダクタンスの特性、ならびにそれらの接続を決定することができる。
【００８８】
いくつかの実施形態では、方法は、熱モデルを構築するために、パラメータ記述を自動的に処理して、ドライブライン内のどこに電力損失があるかを識別することができる。たとえば、方法は、（場合によっては特定の動作条件に対して）ドライブライン内の１つまたは複数のコンポーネントの電力損失を特定し、次いで、特定された電力損失値に基づいて、コンポーネントが熱源としてモデル化されるべきか否かを判定することができる。たとえば、電力損失値が電力損失しきい値よりも大きい場合、コンポーネントは熱源としてモデル化することができる。熱源は、関連する電力損失があると判定されたコンポーネントの位置に対応するモデル内の位置に含めることができる。このようにして、方法は、電力損失があるドライブライン内の位置において熱が発生することを認識することができる。電力損失の位置は、接触面（ギアおよびベアリング）の間の摩擦がある場所、配線を通る電流（たとえば、電気機械のステータおよびパワーエレクトロニクス）、シールにおける抗力損失、または抗力損失を引き起こす流体の動き（撹拌もしくは風損）を含む。
【００８９】
いくつかの例では、ステップ５２０において構築される熱モデルは、集中パラメータ熱ネットワークモデルである。方法は、以下を含むいくつかの異なる方法でそのようなモデルを離散化することができる。
【００９０】
ａ）パラメータ記述に基づいて、コンポーネント当たり１つの熱ノードを有する集中パラメータ熱ネットワークを作成する。しかしながら、この手法は、熱モデルが実行される熱分析に適しているかどうかを確認しない場合がある。コンポーネントに関連付けられた熱ノードとの間の熱流束は、周囲のコンポーネントと比較されるコンポーネントの形状、サイズ、材料、熱容量、および温度に依存する。それは、コンポーネント当たり１つの熱ノードを有するモデルが理由なく詳述され、結果として分析時間にペナルティが生じるか、または詳細が不十分である場合があり、結果の精度が不十分になる可能性があることを意味する。他の領域では必要な忠実度を欠いている一方で、モデルが過度な１つの領域に詳細を含む可能性があり、それにより、計算が遅くなり、不正確になる。
【００９１】
ｂ）上記ａ）に記載された集中パラメータ熱ネットワークのコンポーネント当たり１ノードの離散化の代替手段は手動の離散化であり、手動の離散化では、ユーザがコンポーネントごとに必要な熱ノードの数、またはどのコンポーネントを単一の熱ノードに一緒にまとめるかを指定する。次いで、ステップ５２０における方法は、ユーザ入力とパラメータ記述５００の両方に基づいて熱モデルを構築することができる。しかしながら、そのような手動の離散化の場合、エンジニアは、モデルの構築および改良、ならびに離散化のレベルが変化するにつれて分析結果がどのように変化するかを見る確認に時間を費やす必要があり得る。エンジニアは、モデルが過度に詳述されずに適切に正確であることの再保証を得ることを目指すことができるが、プロセスは時間がかかる可能性があり、組織内で最も高度な資格をもつ、したがって高価なエンジニアによって実行されることになり、結果としてプロジェクトのコストおよびタイミングに悪影響が生じる可能性がある。
【００９２】
ｃ）有利なことに、分析の速度および精度について最適化された集中パラメータ熱ネットワークを作成するために、分析の定式化を使用することができる。ステップ５２０における方法は、ドライブラインの熱挙動を正確に記述するのに適したモデル内のポイントに熱ノードを保持するために、モデルの自動離散化を実行することができる。上記で説明されたように、方法は、集中パラメータ熱ネットワークにおけるドライブライン内の熱損失を熱源として含めることができる。方法は、ドライブラインのパラメータ記述からのデータを使用して、コンポーネントごとの熱伝導率および熱容量の値を計算することができる。これらの値から、方法は、コンポーネントについての熱伝導率対熱容量の比を決定することができる。方法は、材料特性、ならびにコンポーネントのサイズおよび形状などのパラメータ記述５００内で提供される情報からこの決定を行うことができる。あるいは、熱伝導率対熱容量の比は、パラメータ記述５００から直接利用可能であってよい。次いで、方法は、熱伝導率対熱容量の比を、１つまたは複数の熱伝導率対熱容量比のしきい値と比較することができる。方法は、有利なことに、熱伝導率対熱容量の比に応じて、熱伝導率または熱ノードのいずれかとしてドライブラインコンポーネントのうちの１つまたは複数をモデル化することができる。たとえば、方法は、熱伝導率対熱容量比のしきい値よりも高い比率のドライブラインコンポーネントを熱伝導率としてモデル化することができる。方法は、熱伝導率対熱容量比のしきい値よりも低い比率のドライブラインコンポーネントを熱ノードとしてモデル化することができる。したがって、ユーザからの手動入力またはモデリングの決定を必要とせずに、集中パラメータ熱ネットワークを自動的に構築および離散化することができる。
【００９３】
たとえば、同じシャフトに取り付けられた２つのベアリングを分離するスペーサを見なす。スペーサは、非常に小さい質量の薄壁シリンダである。その形状および位置は、２つのベアリング間で熱を伝導することを意味する。手法ｃ）は、熱伝導率対熱容量の比に基づいてコンポーネントを熱質量として扱うか熱伝導率として扱うかを自動的に判定する方法を採用し、したがって、スペーサを熱ノードではなく熱伝導率として分類する。熱質量は無視できるので、これは適切であるが、特にそれらの温度差が大きい場合、ベアリング間で熱を伝導する効果が著しい。方法ａ）はスペーサを熱ノードとして分類し、方法ｂ）は、エンジニアがそのコンポーネントをモデル化するために最も適切な方法を手動で決定することを必要とする。
【００９４】
これらのコンポーネントがドライブラインに存在する場合、ギアボックスおよびモーターを含むドライブライン全体について、集中パラメータ熱モデルを計算することができる。ドライブラインがパワーエレクトロニクスを含む場合、これらは、前述されたように、熱伝導率に関連付けられた熱源として集中パラメータ熱モデルに含めることもできる。
【００９５】
関連する電力損失を有するコンポーネントにおいて熱入力を自動セットアップすることにより、時間の節約およびエラー回避を実現することができる。また、以下で説明されるように、熱流束値は、コンポーネントの動作条件に基づいてステップ５２０において自動的に決定することができる。
【００９６】
熱伝導は、伝導、対流、および放射を含む様々なメカニズムによって発生する可能性がある。固体金属部品の熱伝導率は簡単に計算することができるので、伝導は簡単である。たとえば、方法は、ローラーベアリングの静的分析および負荷依存剛性によって生成される接触面積に基づいて、ベアリングを通る伝導熱伝導を計算することができる。通常、放射による熱伝導は、伝導および対流に比べて小さい。しかしながら、対流による熱伝導を判断することはさらに困難であり得る。たとえば、ギアメッシュにおける熱は油膜内で生成され、ギアの金属への熱伝導は、ギアとオイルとの間の対流熱伝導係数（ＨＴＣ）によって決定される。これらのＨＴＣを確実に予測することは困難である。静止した空気の中にある熱い金属表面は、その表面上で穏やかな層状の空気の流れに遭遇する金属よりもはるかに遅い速度で熱を失い、急速な乱流の空気の流れと比較するとさらにそうである。
【００９７】
ステップ５２０において構築された熱モデルは、ドライブラインに関連付けられたＨＴＣについての値を含むことができる。これらのＨＴＣは、内部ドライブラインコンポーネントと潤滑油との間、潤滑油とハウジングとの間、および／またはハウジングと環境との間の熱伝導に関係する可能性がある。
【００９８】
ＨＴＣの値は、以下を含むいくつかの方法で決定することができる。
【００９９】
ｉ）方法は、ＨＴＣ用のデフォルト値を使用することができる。
【０１００】
ｉｉ）ユーザは、任意のデフォルト値を修正することを含むことができる、使用されるべきＨＴＣ値を表す入力を提供することができる。
【０１０１】
ｉｉｉ）方法はＨＴＣを自動的に計算することができる。方法は、計算流体力学（ＣＦＤ）モデルを使用して、または（本明細書において後述される）単純な集中パラメータ熱ネットワークモデルを使用して、対流ＨＴＣを計算することができる。
【０１０２】
ステップ５２２において、方法は、ステップ５２０において構築された熱モデルに基づいて熱分布５２４を計算する。たとえば、ステップ５２２において、方法は、計算された効率値に基づいて１つまたは複数のコンポーネントについての電力損失を計算し、そのコンポーネントにおいて発生する熱量を特定することができる。方法は、この熱量を熱モデル内の対応する熱源と関連付けることができる。温度分布５２４を決定するために、ステップ５２２はドライブライン内の熱流束を計算することができる。このようにして、温度分布は、熱モデル内の各モードに関連付けられた温度値を含むことができる。いくつかの例では、温度分布は、単一のコンポーネントについての複数の温度値を含むことができる。
【０１０３】
集中パラメータ熱ネットワークへの熱流束は、任意のコンポーネントに関連付けられた電力損失があるところどこでも発生する。これらの熱流束の値は、以下を含むいくつかの方法で決定することができる。
【０１０４】
ｉ）これらの熱流束の値はユーザが定義することができ、これらをステップ５２０において構築された熱モデルと組み合わせて熱分析５２２を実行し、ドライブライン内の温度分布５２４を計算することができる。
【０１０５】
ｉｉ）方法は、熱流束の値を自動的に決定することができる。たとえば、熱モデルを構築するとき、方法は、ドライブライン内の１つまたは複数のコンポーネントに対して既知の効率／電力損失の計算を実行して、効率／電力損失値を決定することができる。次いで、ステップ５２０において熱モデルを構築するとき、方法は、効率／電力損失値ならびにパラメータ記述５００に基づいて、関連する熱流束の値を決定することができる。たとえば、ステップ５２０は、パラメータ記述５００からの動作条件を処理して、ドライブライン内の様々なコンポーネントにおけるエネルギー量を決定することができる。
【０１０６】
方法は、集中パラメータ熱ネットワークモデルを使用してステップ５２２において熱分析を実行することができ、温度の値が離散熱ノードにおいて取得されることにつながる。言い換えれば、「集中」という用語は「離散的」という用語と等価である。完全な構造全体にわたる熱プロファイルが計算されるべき場合、ドライブラインコンポーネントの熱特性に基づいて、（パラメータ記述５００から決定された）ドライブラインの３Ｄ構造に基づいてさらなる熱計算を実行することできる。したがって、ドライブライン内のすべての機械部品全体を通して滑らかな温度プロファイルを取得することできる。
【０１０７】
ステップ５２２における処理は、熱ネットワークモデル内で熱流束を計算する方法を記述する以下の式１の適用を含むことができる。
【０１０８】
Ｑ’＝ｄＴ／Ｒ（式１）
【０１０９】
ここで、Ｑ’は熱流束（時間に対する熱Ｑの導関数）であり、ｄＴは温度差であり、Ｒは熱抵抗である。
【０１１０】
熱抵抗Ｒは、異なるコンポーネントおよび熱伝導方法に対して異なる方法で計算することできる。たとえば、コンポーネントと流体との間の対流熱伝導の場合、Ｒは式２ａによって与えられる。
【０１１１】
Ｒ＝１／ｈＡ（式２ａ）
【０１１２】
ここで、ｈは熱伝導係数であり、Ａは接触表面積である。固体コンポーネント内の伝導の場合、式２ｂは熱抵抗を計算する方法を記述する。
【０１１３】
Ｒ＝Ｌ／ｋＡ（式２ｂ）
【０１１４】
ここで、Ｌは特性長さであり、ｋは熱伝導率であり、Ａは表面積である。パラメータｋは材料特性であり、パラメータＡおよびＬは幾何学特性であり、すべてドライブラインのパラメータ記述内で定義される。ベアリング内の伝導の場合、熱抵抗は式２ｃを使用して計算することできる。
【０１１５】
Ｒ＝Ｉｎ（ｒ０／ｒ１）／２πｂｋ（式２ｃ）
【０１１６】
ここで、ｒ０およびｒ１はベアリングの内径および外径であり、ｂは面幅であり、ｋは熱伝導率である。
【０１１７】
方法は、ステップ５２２において式１および式２を使用して、熱モデル内のすべてのノード間の熱流束、したがってドライブライン内の温度分布５２２を計算することができる。
【０１１８】
熱ネットワークをセットアップおよび実行する方法のさらなる詳細は、ＫＴＨ  Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ  ａｎｄ  Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ  Ｍａｃｈｉｎｅ  ＤｅｓｉｇｎのＣＡＲＬＯＳ  ＰＲＡＫＡＳＨ  ＤＥＬ  ＶＡＬＬＥによる「Ｔｈｅｒｍａｌ  ｍｏｄｅｌｌｉｎｇ  ｏｆ  ａｎ  ＦＺＧ  ｔｅｓｔ  ｇｅａｒｂｏｘ」と題する論文、特にこの文書のセクション３．２において提供される。
【０１１９】
パラメータ記述５００に基づいてステップ５２０において熱モデルを構築し、ステップ５２２において熱分布を計算する方法は、いくつかの利点を有することができる。
【０１２０】
１）熱モデルは、すべてのコンポーネントおよびサブアセンブリを含むドライブライン全体を網羅することができる。これは、特定のコンポーネントまたはサブアセンブリのみを個別に考慮する特定用途向けＣＡＥツールと比べて有利である。
【０１２１】
２）以下で説明されるように、熱モデルに基づいて計算された温度分布は、熱膨張の影響を含めることにより、ドライブラインの撓みのより正確な計算を実現するために使用することができる。正確な撓みは、効率、耐久性、および他の性能メトリックをより正確に計算するために使用することができる。これは、温度分布を計算するが、撓みの計算を改善するためにそれを使用しない特定用途向けＣＡＥツールと比べて有利である。
【０１２２】
３）特に上記の手法ｃ）に記載されたように、集中パラメータ熱ネットワークモデルを自動的に作成し、速度および精度を最適化することができる。
【０１２３】
ステップ５２６において、方法は、パラメータ記述５００および温度分布５２４に基づいて、熱分布５２４によって引き起こされるドライブラインの１つまたは複数のコンポーネントの撓みを特定する。いくつかの例では、これは、温度分布５２４をドライブラインの構造モデルに適用することと見なすことができる。ドライブラインのそのような構造モデルは、パラメータ記述５００内で利用可能であってもよく、パラメータ記述５００から導出可能であってもよい。いくつかの例では、ドライブトレインコンポーネントのほとんどは、構造モデル内のＦＥメッシュコンポーネントとしてモデル化することができる。
【０１２４】
いくつかの例では、（メッシュモデルであり得る）熱モデルおよび構造モデルメッシュが同じ場合がある。したがって、熱ノードと構造ノードの間には１対１の対応関係が存在し、温度分布５２４は構造ノードに直接適用することができる。温度分布５２４は、ノードの位置またはノード番号によって構造モデルに適用することができる。
【０１２５】
いくつかの例では、構造モデルおよび熱モデルは、同じでないメッシュとして提供することができる。これらの例では、ステップ５２６は、構造モデルのノードにおける補間温度値を特定するために、熱モデルのノード間の温度分布を補間することを含むことができる。たとえば、そのような補間は、少しのノードのみを有する比較的単純な集中モデルである熱モデルを、場合によっては互換性がないと見なされる可能性がある、多くのノードを有するＦＥ構造モデルと組み合わせるために使用することができる。次いで、ステップ５２６は、補間温度値に基づいて、構造モデルのノードにおける撓みを計算することができる。
【０１２６】
ステップ５２６において、方法は、ドライブラインの構造モデル内のあらゆるノードについての撓みを計算することができる。
【０１２７】
方法は、式３を使用して熱膨張によって引き起こされる撓みを計算することができる。
【０１２８】
ｄＸ＝ａｌｐｈａ＊Ｘ＊ｄＴ（式３）
【０１２９】
ここで、
ｄＸは撓みであり、
ａｌｐｈａは無次元の熱膨張係数（パラメータ記述５００に含めることができる材料特性）であり、
Ｘは、（パラメータ記述５００に含めることができるか、またはドライブラインの構造モデルを構築する方法によってパラメータ記述５００から決定することができる）ノードの元の位置である。Ｘは、構造モデル内のあらゆるノードの位置および回転を３次元で定義するベクトルとして提供することができる。したがって、各ノードの位置は６自由度で定義することができ、
ｄＴは、ステップ５２２において計算された温度分布５２４から特定される温度変化である。ｄＴは、材料がＴ＞２５°Ｃの場合は膨張し、Ｔ＜２５°Ｃの場合は収縮するような、ノードの温度と定義された温度（通常２５°Ｃ）との間の差であり得る。
場合によっては、ステップ５２６において、方法は、ドライブライン内で発生する力によって引き起こされる撓みを計算することができる。そのような撓みは、構造的な力によって引き起こされると見なすことができる。いくつかの例では、撓みは、ドライブラインシステムのｉ）静的分析またはｉｉ）動的分析によって計算することができる。ドライブラインシステムは、完全なドライブライン内のすべてのノードと見なすことができる。これらの方法は、以下でより詳細に記載される。
【０１３０】
ｉ）静的分析は、いくつかのコンポーネントの剛性が負荷に依存する可能性があることを考慮に入れて、ドライブラインのすべてのコンポーネントに加えられた力を分解して撓みを計算する。したがって、方法は、収束が達成されるまで、力、撓み、および剛性を反復処理する必要がある。方法は、パラメータ記述５００の一部として提供される動作条件内で指定された一定の速度で回転すること以外は、力および変位が時間的に変化しないと仮定する。
【０１３１】
ｉｉ）動的分析は、静的分析とは対照的に、撓みおよび加えられた力が時間とともに変化することを許す。これにより、時変励磁が分析に含まれることが可能になる。時変励磁は、伝達誤差、エンジントルクリップル、電気機械トルクリップル、および電気機械半径方向力を含むことができる。動的分析では、式４の行列式で表されるドライブラインシステムの運動方程式を解くことにより、撓みを特定することができる。
【０１３２】
ＭＸ”＋ＣＸ’＋ＫＸ＝Ｆ（式４）
【０１３３】
ここで、
Ｍは、（パラメータ記述５００に含めるか、またはそこから導出することができる）ドライブラインシステムの質量行列であり、
Ｃは、（パラメータ記述５００に含めるか、またはそこから導出することができる）ドライブラインシステムの減衰行列であり、
Ｋは、（パラメータ記述５００に含めるか、またはそこから導出することができる）ドライブラインシステムの剛性行列であり、
Ｆは、（パラメータ記述５００に含めるか、またはそこから、たとえばパラメータ記述５００に格納された「動作条件」から導出することができる）加えられた力であり、
ベクトルＸは、式３について上述されたのと同じように、６自由度で構造モデル内のあらゆるノードの位置および回転を定義する。記号Ｘ’は、時間に関するＸの導関数を意味する。
【０１３４】
前述されたように、構造モデルは静的または動的のいずれかで解くことができる。これらの方法はどちらも、ドライブライン構造モデル内のあらゆるノードについて６自由度で撓みを計算する。
【０１３５】
方法は、Ｘについての行列方程式を解いて、構造モデル内のノードの新しい位置および回転を決定することができる。撓みは、ノードの新しい位置／回転値と開始位置／回転値との間の差と見なすことができる。
【０１３６】
ステップ５２６が熱効果および構造効果によるノードの撓みを計算する例では、方法は、これらの撓みを全体的な撓み値に結合することができる。たとえば、方法は、個々の撓み値を単純に合計することができる。
【０１３７】
ベアリングであるドライブラインコンポーネントの場合、方法は、温度分布を構造モデルに適用する代替方法を使用して、撓み５２８を計算することができる。構造モデルは、内部配線路、外部配線路、回転要素、および接続コンポーネントのうちの１つまたは複数に対応するノードを含めることができる。ステップ５２６において、方法は、温度分布５２４を適用して、構造モデルのこれらのノードにおける温度値を特定することができる。次いで、方法は、これらのノードにおける熱膨張を特定し、その膨張がベアリングの動作クリアランスをどのように変化させるかを特定することができる。したがって、動作クリアランスは、ベアリング製造業者からの標準値である半径内部クリアランスとは異なる可能性がある。動作クリアランスは、より正確な性能メトリック５３２を決定するために使用することができる撓み５２８の表現の一例である。
【０１３８】
ステップ５３０において、方法は、１つまたは複数のコンポーネントの特定された撓み５２８に基づいて、ドライブラインの性能メトリック５３２を計算する。非限定的な例として、性能メトリックは、ドライブラインの２つのコンポーネント間の位置ずれであり得る。方法は、ノード／コンポーネントの相対位置の変化を計算するために、２つのコンポーネント、またはドライブラインの構造モデル内のノードの撓み値５２８を加算または減算することにより、位置ずれを計算することができる。他の性能メトリックが以下に記載される。
【０１３９】
方法は、有利なことに、より正確な性能メトリック５３０を計算することができるように、熱効果によって引き起こされるコンポーネントの撓みを考慮に入れることができる。したがって、ドライブラインをより正確にモデル化することができる。
【０１４０】
図６は、ドライブラインをモデル化するための、場合によってはドライブラインを設計するための別のコンピュータ実装方法の概略図を示す。図５の対応する機能を有する図６の機能は、６００番台の参照番号が与えられ、必ずしもここで再び記載されるとは限らない。
【０１４１】
この例では、方法は、パラメータ記述６００に基づいて構造モデルを構築するステップ６３４を含む。次いで、ステップ６２６において、方法は、上述されたように、計算された温度分布６２４を構造モデルに適用して、熱効果によって引き起こされる撓みを特定する。この例では、ステップ６２６において、方法は、ドライブライン内の力によって引き起こされる構造的な撓みも計算する。そのような構造的な撓みを計算する方法の一例も上記で提供されている。したがって、ステップ６２６において計算される撓み６２８は、熱的な撓みと構造的撓みの組合せである。
【０１４２】
また、図６は、互いに独立して、または一緒に提供され得る２つのオプションの反復ループ６３６、６３８を示す。第１の反復ループ６３６は、特定された撓み６２８をステップ６２２において処理される情報に適用し、その結果、ドライブライン内のたわんだコンポーネントについて温度分布６２４を計算することができる。第２の反復ループ６３８はパラメータ記述６００を修正することができ、それにより、計算された性能メトリック６３２に基づいてドライブラインが再設計される。
【０１４３】
第１の反復ループ６３６に関して、ステップ６２２が（温度分布６２４の最初の計算のために）初めて実行された後、後続の反復ごとに、方法ステップ６２２は、熱モデルおよび計算された撓み６２８にも基づいて、ドライブラインの１つまたは複数のコンポーネントについての温度分布６２４を再計算することができる。この例では、計算された撓み６２８は構造的効果および熱的効果によるが、他の例では、計算された撓み６２８は熱的効果により、必ずしも構造的効果によらない可能性がある。次いで、方法は、再計算された温度分布に対してステップ６２６および６３０を繰り返す。
【０１４４】
いくつかの例では、方法は、第１の反復ループ６３６を回るか否かを判定する機能を含むことができる。この機能は、ステップ６４０として図６に示されている。ステップ６４０において、方法は、温度分布６２４および／または撓み６２８を１つまたは複数のループ終了条件と比較することができる。１つまたは複数のループ終了条件が満たされない場合、方法はステップ６２２に戻って、熱モデルおよび特定された撓み６２８にも基づいて、ドライブラインの１つまたは複数のコンポーネントについての温度分布６２４を再計算する。１つまたは複数のループ終了条件が満たされる場合、方法はステップ６３０に進んで、性能メトリック６３２を計算することができる。
【０１４５】
いくつかの例では、図６に示された第１の反復ループ６３６は、１つまたは複数のループ終了条件が満たされない場合、方法がステップ６２０に戻って、パラメータ記述６００および特定された撓み６２８にも基づいて熱モデルを再構築するように、異なって実装することができる。
【０１４６】
第２の反復ループ６３８に関して、方法は、場合によっては、ドライブラインの性能メトリック６３２に基づいてパラメータ記述６００を更新するステップ６４４を含むことができる。パラメータ記述６００が更新された後、方法は、更新されたパラメータ記述に対して、ステップ６２０、６２２、６３４、６２６、および６３０を繰り返すことができる。
【０１４７】
この例では、方法は、第２の反復ループ６３８を回るか否かを判定する機能を含むことができる。この機能は、ステップ６４２として図６に示されている。ステップ６４２において、方法は、性能メトリック６３２を１つまたは複数のループ終了条件と比較することができる。１つまたは複数のループ終了条件が満たされない場合、方法はステップ６４４に進んで、パラメータ記述６００を更新し、次いで、図６の方法を繰り返す。１つまたは複数のループ終了条件が満たされる場合、方法は終了する。
【０１４８】
ループ終了条件をどのように適用することができるかの非限定的な例は以下を含む。
【０１４９】
・ループ終了条件と比較される値の収束速度を決定し、収束速度を値が十分に安定していることを示すしきい値と比較する。しきい値が満たされた場合、ループ終了条件が満たされたと判断する。このようにして、値がユーザ指定の許容範囲内で変化しなくなるまで、ループを繰り返すことができる。
【０１５０】
・実行されたループの周りの反復回数を特定し、この回数を反復の最大数と比較する。最大数に達した場合、ループ終了条件が満たされたと判断する。
【０１５１】
・ループ終了条件と比較される値を、許容可能な性能を表すしきい値と比較し、しきい値が満たされた場合、ループ終了条件が満たされたと判断する。
【０１５２】
・ループの現在の反復についての性能メトリックと、ループの前回の反復で計算された同じ性能メトリックの値との間の差を特定し、この差を許容可能な収束を表すしきい値と比較する。連続するループ上の性能メトリック値間の差がしきい値よりも小さい場合、ループ終了条件が満たされたと判断する。この「差」は、絶対差または（たとえば、パーセンテージとして表される）相対差であり得る。このようにして、値が、たとえば、前の反復からのその値の１％以内になったときに、反復ループは反復を停止することができる。
【０１５３】
したがって、図６の例は、負荷、撓み、ひずみ、位置ずれ、したがって応力を計算する目的に使用することができる、パラメータ記述６００から導出されたドライブラインの構造モデルを含む。これは、構造モデルをいくつかのノードに離散化し、ギア力などの加えられた構造負荷に基づいて、６自由度でそれらの変位を計算することによって実現することができる。有益なことに、構造モデル内のこれらの同じノードは、熱分析からの温度プロファイル／分布６２４に基づいて計算された熱膨張による追加の変位も受ける。撓み、ひずみ、および位置ずれのすべての値において、変化が生じる可能性がある。これらの変化は、ドライブライン内の主要なコンポーネントの性能に影響を与える可能性があり、したがって、有利なことに、計算された性能メトリック６３２によって正確に表すことができる。
【０１５４】
図７は、ドライブラインをモデル化するための別のコンピュータ実装方法の概略図を示す。前の図の対応する機能を有する図７の機能は、７００番台の参照番号が与えられ、必ずしもここで再び記載されるとは限らない。本明細書に開示されたすべての例と同様に、図７の機能は、図６の反復ループの１つまたは両方を含む、本明細書に記載された任意の他の機能と組み合わせることができる。
【０１５５】
図７では、方法は、ドライブラインに対して実行されるべき分析の１つまたは複数のタイプの指示７４６を受信し、次いで、実行されるべき分析のタイプに従って、ドライブラインの性能メトリック７３２を計算する。
【０１５６】
実行されるべき分析のタイプは、ドライブラインの効率、ドライブライン内の１つもしくは複数のコンポーネントの効率、ドライブラインの寿命、ドライブライン内の１つもしくは複数のコンポーネントの寿命、疲労もしくはスカッフィングによるギア故障の可能性、疲労、ギアの軋み音によるベアリング故障の可能性、または任意の他のタイプの熱分析もしくは構造分析に関係することができる。
【０１５７】
方法は、ユーザからドライブラインに対して実行されるべき分析の１つもしくは複数のタイプの指示７４６を受け取ることができるか、またはコンピュータメモリからそれを取り出すことができる。たとえば、ユーザは、実行されるべき分析のタイプを指定する入力を提供することができる。あるいは、方法は、所定の時間に、または所定の順序で、１つまたは複数のタイプの分析を自動的に処理することができる。図７では、指示７４６はユーザ指定のタイプの分析を表す。
【０１５８】
ステップ７４８において、方法は、指定されたタイプの分析のためのドライブラインの数学モデルを構築することができる。方法は、指定されたタイプの分析に必要なパラメータ記述７００内のデータを識別し、次いで、そのタイプの分析に適したその識別データを使用して数学モデルを構築することができる。いくつかの例では、これは、パラメータ記述７００によって提供される情報のサブセットを処理することを含むことができる。場合によっては、ステップ７３４において構造モデルを構築すること、および／またはステップ７２０において熱モデルを構築することは、ステップ７４８において処理されるサブセットとは異なる、パラメータ記述７００によって提供される情報のサブセットを処理することを含むことができる。方法は、実行されるべき分析／処理に基づいて、パラメータ記述７００からデータを自動的に選択することができる。たとえば、各分析／プロセスは、必要とされるパラメータ記述７００からの特徴／データタイプの関連リストを有してよい。
【０１５９】
ステップ７５０において、方法は、ステップ７４８において構築された数学モデルに基づいて、場合によっては計算された撓み７２８にも基づいて、特定のタイプの分析に適した分析を実行することができる。上記のように、計算された撓み７２８は、熱効果によるものであり、場合によっては構造効果によるものであってもよい。（重量、パッケージング、およびコストなどの）いくつかのタイプの分析は、ステップ７２６において計算された撓み値７２８を処理する必要がなくてよい。
【０１６０】
次いで、ステップ７３０において、方法は、ステップ７５０における分析の結果に基づいて、性能メトリック７３２を計算する。したがって、この例では、方法は、パラメータ記述７００に間接的に基づいて、場合によっては（ステップ７２６からの）１つまたは複数のコンポーネントの特定された撓み７２８に間接的に基づいて、性能メトリック７３２を計算することと見なすことができる。
【０１６１】
性能メトリック７３２が耐久性に関係する例では、計算方法（たとえば、ＩＳＯ規格）は、入力パラメータとして位置ずれの測定値を含めることができる。有利なことに、図７のステップ７５０は、計算された撓み７２８を使用して位置ずれについての正確な値を特定することができる。
【０１６２】
性能メトリック７３２が効率に関係する例では、ステップ７５０における処理は、撓み７２８についての正確な値を考慮に入れることができ、それは、摩擦から熱を生成する接触面の位置および接触応力に影響を及ぼす。
【０１６３】
性能メトリック７３２が伝達誤差に関係する例では、値は接触するギア歯の位置および回転から直接計算することができる。
【０１６４】
本明細書で開示された例のうちの１つまたは複数は、位置ずれの変更された値がギアの接触および曲げ応力を変化させる可能性があり、したがって、ギアの予測疲労寿命を修正できることを考慮に入れることができる。位置ずれの値が変化すると、各ギアペアの負荷歯接触分析が変更される可能性があり、予測されるギアメッシュの抗力における変化および伝達誤差につながる。
【０１６５】
ドライブライン構造内の撓みは、理想的には等しいはずであるが、システムの撓みおよび製造誤差により実際には等しくない、遊星ギアセット内の遊星間の負荷分散を計算するために使用することができる。繰り返すが、構造モデルにおける変位の値が変化すると、遊星負荷分散の計算が修正される。
【０１６６】
ベアリング疲労は、ドライブラインの性能分析から計算された負荷および撓みから特定することができる。温度プロファイルによる変位および位置ずれの値が変化すると、ベアリング寿命が修正される可能性がある。
【０１６７】
さらに、構造分析７２６が動的分析である例では、ドライブラインシステムの負荷および変位は、ギアメッシュの剛性およびベアリングの剛性を計算するために使用され、どちらも負荷に依存するので、熱モデルから計算された温度プロファイルによっても影響を受ける。これらの剛性の値は完全なドライブラインの動的モデルの作成に使用されるので、これは重要である。ドライブラインは、伝達誤差、トルクリップル、または電気機械の半径方向力などの励磁を受け、これらの励磁による表面振動および／または放射ノイズを計算するために剛性が必要とされる。これらの励磁は、式４の加えられた力Ｆ、および剛性行列Ｋの負荷依存剛性に含めることができる。これらの影響はすべてシームレスに処理される。
【０１６８】
電気機械のローターも、撓みおよび位置ずれを受ける。これらの撓みおよび位置ずれの値は、コンポーネントの熱膨張により変化する可能性がある。たとえば、ローターの位置ずれはエアギャップの幅に影響を与え、電気機械の効率にも影響を与える。本明細書に記載された温度分布のうちの１つまたは複数は、電気機械の損失にも影響を与える可能性がある。有利なことに、それにより、熱モデルが温度分布をもたらし、この温度分布がドライブラインの撓みおよび位置ずれに影響を与える、本明細書に記載された処理は、電気機械にも適用することができる。
【０１６９】
図７によって実行することができる１つまたは複数の分析の場合、温度分布７２４を使用する効果を含めることの影響は、性能メトリック７３２の精度を高めることである。したがって、より正確な情報を設計エンジニアに提供することができ、ドライブラインの設計が最適化されることが可能になり、確実性が上がり、潜在的な故障が回避される。ドライブラインはより静かで効率的になり、疲労またはスカッフィングによる致命的で潜在的に生命を脅かすドライブライン故障のリスクを低減することができる。
【０１７０】
これのすべては、非専門家が実際の設計プロジェクトに適した時間スケールでこの作業を実行することを可能にし、多目的設計の最適化を容易するＣＡＥツールにおいて実現することができる。
【０１７１】
図８ａおよび図８ｂは、図７に類似する、ドライブラインをモデル化するための別のコンピュータ実装方法の概略図を示す。前の図の対応する機能を有する図８ａおよび図８ｂの機能は、８００番台の参照番号が与えられ、必ずしもここで再び記載されるとは限らない。
【０１７２】
図８ａおよび図８ｂでは、性能メトリックは効率メトリック８３２であり、ステップ８５０において実行される分析のタイプは効率分析である。この例では、方法は、実行されるべき分析のタイプの指示を受け取らない。たとえば、図８ａおよび図８ｂの方法は、効率分析を実行するためにハードコーディングされた方法と見なすことができる（コンピュータメモリからドライブラインに対して実行されるべき分析のタイプの指示を受け取ると見なすことができる）。
【０１７３】
この例では、ステップ８５０における効率分析は、ステップ８２２において計算された温度分布８２４も入力として使用する。これは、温度分布が、（たとえば、潤滑油の粘度を変更することによって）直接的に効率に影響を与える可能性があり、ならびに撓み８２８によって引き起こされた効果に起因するからである。
【０１７４】
ステップ８５０において、効率分析に加えて、またはその代わりに、任意のタイプの性能分析を実行することができ、ステップ８５０は、方法の他の場所から利用可能な任意の必要な情報を処理できることが諒解されよう。
【０１７５】
また、この例では、ステップ８５０における効率分析は、効率モデルを決定することの一部として電力損失プロファイルを決定することができる。有利なことに、改善された熱モデルを構築するために、ステップ８５０において計算された電力損失をステップ８５０への入力として提供することができる。これは、図８ｂで強調表示されている別のオプションの反復ループ８５２と見なすことができる。
【０１７６】
この例では、ステップ８５４において、方法は、計算された電力損失（または任意の他の計算された特性）を、本明細書に記載されたループ終了条件のいずれかの１つまたは複数と比較することができる。１つまたは複数のループ終了条件が満たされない場合、方法はステップ８２０に戻って、計算された電力損失（または任意の他の計算された特性）に基づいて熱モデルを再構築する。次いで、方法は、ステップ８２２、８２６、８５０、および８５４を繰り返す。１つまたは複数のループ終了条件が満たされる場合、方法は先に進んで、効率メトリック８３２を計算する。
【０１７７】
自動車業界は、標準の駆動サイクルを使用して、車両の燃費および排出量を測定する。本明細書に記載された処理の場合、各駆動サイクルは、（均一である可能性が高いが、必ずしも均一ではない）ドライブライン内の所与の外部温度および周囲熱分布で開始することができる。この均一な分布は、位置ずれ、したがってｔ＝０における電力損失の計算に使用することができる。駆動サイクルが開始すると、方法は、（計算された撓みから特定することができる）位置ずれの変化につながる、入熱が変化するときのコンポーネント内の温度分布を計算する。温度分布の発生は、初期条件、シミュレーション入力、ならびにギアメッシュトライボロジーの相互作用、熱放散、および駆動サイクル全体にわたる温度分布によるシステムの撓みに依存する可能性がある。
【０１７８】
定常状態であっても、熱の影響を含めると、熱モデル、構造モデル、および電力損失モデルの間の興味深い影響の輪につながる可能性がある。初期のギアメッシュ電力損失値は、温度プロファイル／分布の影響なしに計算された位置ずれの値のみを含むことができる。ドライブライン構造内の不均一な温度が位置ずれを変化させ、ギアメッシュにおける電力損失を変化させ、定常状態の温度分布を修正するので、本明細書に記載された例は、収束が達成されるまでこれらの値に対して繰り返すステップを含むことができる。
【０１７９】
（図８ｂに示された反復ループを含む）そのような反復ステップは、車両のエネルギー／燃料消費量、したがって内燃機関を動力とする従来の車両またはハイブリッド車両の排出量の計算に特定の利点を有することができる。駆動サイクルを通してドライブラインの温度が変化すると、オイルの粘度が変化する可能性があり、ギアメッシュの電力損失およびギアの撹拌を含む、ドライブライン効率の重要な成分の多くが変化する可能性がある。乗用車のドライブラインの効率は、起動時に比較的低く、ドライブラインが温まるにつれて向上することが知られている。本明細書に記載された例のエンジニアリング効果は、ドライブラインの変化する温度および効率を現在実現できない方法で予測できることであり、設計プロセスおよび開発プロセスにおけるリスクを下げ、最終的により効率的な車両につながる。
【０１８０】
反復ステップを含む本明細書に記載された例では、初期のコンポーネント電力損失値は、温度プロファイル／分布の影響なしに計算された位置ずれの値のみを含めることができるが、ドライブライン構造内の不均一な温度が位置ずれを変化させると、コンポーネントの電力損失値が変化する可能性があり、定常状態の温度分布が修正される。定常状態または過渡の条件について、システムの撓み、コンポーネントの電力損失、および温度のうちの１つまたは複数に対する収束解が得られるまで、反復は（図８ｂで識別されたループの周りで）継続することができる。
【０１８１】
図９は、ドライブラインをモデル化または設計するためのコンピュータ実装方法の概略図のさらに別の例を示す。前の図の対応する機能を有する図９の機能は、９００番台の参照番号が与えられ、必ずしもここで再び記載されるとは限らない。
【０１８２】
図９は、（ステップ９５６において構築された）単純な集中パラメータ熱ネットワークモデルと（ステップ９２０において構築された）詳細なメッシュ熱モデルの組合せである熱モデリングの方法を示す。単純な集中熱ネットワークモデルは、詳細な分析において支援するのに十分な精度を与えないと認識されているので、単純な熱モデルと詳細な熱モデルを組み合わせることは容易に理解できない。詳細なメッシュモデルのみを使用して熱分析を始めることの欠点は、シミュレーションが計算能力を必要とし、実行に時間がかかることである。しかしながら、単純な熱モデルと詳細な熱モデルを組み合わせると、結果の必要な精度を維持しながら、シミュレーション時間が速くなる。
【０１８３】
以下でより詳細に説明されるように、図９の方法は、流体温度９６０を計算するために使用される単純な集中パラメータ熱ネットワークモデルをステップ９５６において構築する。液体は、冷却液、潤滑油、ドライブライン内部の空気、およびドライブライン外部の空気を含むことができる。流体温度９６０は、単純な集中パラメータ熱ネットワークモデルの出力であり、対流ＨＴＣを計算するために使用され、対流ＨＴＣはメッシュ熱モデルへの入力として使用される。有利なことに、方法は、流体温度を使用して、ドライブラインに必要なポンプ流量を計算することもできる。
【０１８４】
ステップ９５６において、方法は、パラメータ記述９００に基づいて単純な集中パラメータ熱モデルを構築する。この熱モデルは、（第１の熱モデルと呼ばれる場合もある）集中パラメータ熱モデルと見なすことができる。次いで、ステップ９５８において、方法は、上記で識別された流体温度などの、１つまたは複数の流体温度９６０を計算するために、単純な集中パラメータ熱モデル上で熱分析を実行する。
【０１８５】
ステップ９３４において、方法は、パラメータ記述９００に基づいてドライブラインの構造モデルを構築する。次いで、ステップ９６２において、方法は、構造メッシュ９６４を決定するために、ステップ９３４において構築された構造モデルをメッシュ化する。
【０１８６】
ステップ９２０において、方法は、構造メッシュ９６４に基づいてメッシュ熱モデルを構築する。この熱モデルは、（第２の熱モデルと呼ばれる場合もある）メッシュ熱モデルと見なすことができる。メッシュ熱モデルは、ステップ９５６において、場合によっては構造モデルと同じメッシュを用いて構築された集中パラメータ熱モデルよりも高い解像度をもつことができる（たとえば、それはより細かく離散化することができる）。
【０１８７】
ステップ９２２において、方法は、（ｉ）構造メッシュモデル９６４および（ｉｉ）流体温度９６０に基づいて温度分布９２４を計算する。
【０１８８】
たとえば、ステップ９２２は、流体温度９６０を使用して対流ＨＴＣを計算することができる。ＨＴＣの計算は複雑になる可能性があり、流量および表面粗さを含む複数の要因に依存する。ＨＴＣの値は、境界を横切る（境界に垂直の）導電性の熱伝導に対する対流の比を表す無次元数であるヌッセルト数（Ｎｕ）の定義に基づいて推定することができる。たとえば、プレート上の自然対流の場合、ヌッセルト数の式は、
【０１８９】
Ｎｕ＝ｈＬ／ｋ＝ＣＲａｎ（式５）
であり、ここで、ｈはＨＴＣであり、Ｌは特性長さであり、ｋは熱伝導率であり、Ｒａはレイリー数であり、Ｃおよびｎは形状およびフローに依存する定数である。
【０１９０】
パラメータＬ（形状パラメータ）およびｋ（材料特性）は、ドライブラインのパラメータ記述９００内で定義することができ、したがって、ステップ９２２は、パラメータ記述９００に（直接的または間接的に）基づいてその処理を実行することもできる。レイリー数Ｒａは、熱伝導の挙動を記述する無次元数であり、レイリー数が所与の流体用の臨界値を下回るとき、熱伝導は主に伝導の形になり、レイリー数が臨界値を超えると、熱伝導は主に対流の形になる。レイリー数は、流体特性および流体温度に依存する。所与の形状および条件に対してＣおよびｎの値を定義する標準教科書の結果、たとえば、等温垂直プレート、等温水平プレートが存在する。したがって、形状ならびに流体特性および体温度が知られていると、方法は対流熱伝導係数の値を計算することができる。
【０１９１】
ｈを計算する方法は、様々な形状および動作条件で類似している。式５の右辺は、形状および動作条件に応じて異なる可能性があるが、定数および流体特性を依然含む。
【０１９２】
ヌッセルト数を使用してＨＴＣを計算することは知られているが、有利なことに、図９の方法は、（ステップ９５６において）単純なモデルで計算された流体温度を使用してこれを行い、次いで、（ステップ９２２において）詳細モデルに得られたＨＴＣを適用する。対流用のＨＴＣを計算する上記の方法は、ＣＦＤモデルを使用する標準的な方法と比較して利点を有する。上述された方法は、シミュレーション時間が速く、大量の計算能力を必要としないという利点を有する。
【０１９３】
対流ＨＴＣ、熱伝導率、および電源からの熱流束は、すべて詳細なメッシュ熱モデルへの入力である。
【０１９４】
ステップ９２０は、ステップ９６２においてメッシュ化された構造モデルと同じメッシュ９６４を使用するように、詳細なメッシュ熱モデルを構築することができる。したがって、詳細なメッシュ熱モデル内の各熱ノードは、まったく同じ位置を有する構造モデル９６４内の対応する構造ノードを有する。ステップ９２２の出力は温度分布９２４であり、それは、熱モデル内の各熱ノードを温度値に関連付けることができる。
【０１９５】
ステップ９２６において、方法は、（ｉ）構造メッシュ９６４および（ｉｉ）温度分布９２４に基づいて、撓み９２８を計算するために構造分析を実行する。有利なことに、熱モデルによって計算された温度分布９２４は、メッシュが同じなので、ステップ９２６において構造メッシュ９６４とともに便利かつ効率的に使用することができる。すなわち、構造メッシュ９６４内の構造ノードごとの温度は、メッシュ熱モデル内の対応する熱ノードを表す温度分布９２４から容易に取得することができる。
【０１９６】
単純な集中パラメータ熱ネットワークモデルを使用して流体温度９６０を計算する代わりとして、いくつかの例では、方法は、直接測定として、たとえばセンサからの入力として、流体温度９６０を受信することができる。すなわち、いくつかの例では、ステップ９５６および９５８は必要とされない。これは、ドライブラインの設計が十分に進んでおり、テストするプロトタイプが存在する場合にのみ可能であってよい。
【０１９７】
図６を参照して記載された第１の反復ループは、場合によっては、ループ９３６によって概略的に表されるように、この例に適用することができる。追加または代替として、図６を参照して記載された第２の反復ループは、ループ９３８によって概略的に表されるように、この例に適用することができる。
【０１９８】
図１０は、ドライブラインをモデル化するための別のコンピュータ実装方法の概略図を示す。前の図の対応する機能を有する図１０の機能は、１０００番台の参照番号が与えられ、必ずしもここで再び記載されるとは限らない。
【０１９９】
上述された方法のうちの少なくともいくつかとは対照的に、図１０の処理は必ずしも撓みを計算するとは限らない。この例では、パラメータ記述１０００は、ギアボックスを含む複数のコンポーネントを備えるドライブラインに関係する。パラメータ記述およびドライブラインの上記の説明から諒解されるように、パラメータ記述１０００は、電気機械を含む他のコンポーネントも含むドライブラインに関係することができる。
【０２００】
図１０の方法は、（ｉ）パラメータ記述１０００、および（ｉｉ）ドライブラインに対して実行されるべき１つまたは複数のタイプの分析の指示１０４６を処理する。上述されたのと同じように、方法は、ユーザからドライブラインに対して実行されるべき１つまたは複数のタイプの分析の指示１０４６を受け取ることができるか、またはコンピュータメモリからそれを取り出すことができる。同様に、方法は、ユーザからパラメータ記述１０００を受け取ることができるか、またはコンピュータメモリからそれを取り出すことができる。
【０２０１】
この例では、実行されるべき分析のタイプは、熱効果によって引き起こされるドライブラインの構造モデル内のノードについての撓みの計算を必ずしも必要としない。有利なことに、実行されるべき分析のタイプは、以下の説明から諒解されるように、ドライブラインの温度分布１０２４を考慮に入れることによってより正確に実行できるタイプである。
【０２０２】
ステップ１０４８において、方法は、指定された分析のタイプ向けのドライブラインのモデルを構築することができる。図７を参照して上述されたのと同じように、方法は、指定されたタイプの分析に必要なパラメータ記述１０００からデータを自動的に選択し、次いで、その選択されたデータを使用して数学モデルを構築することができる。モデルは、実行されるべき分析のタイプに適した任意のタイプであり得る。
【０２０３】
無関係に、ステップ１０２０において、方法は、パラメータ記述１０００から少なくともドライブラインのギアボックスの熱モデルを作成する。次いで、ステップ１０２２において、方法は熱分析を実行し、熱モデルを使用して少なくともギアボックスについての温度分布１０２４を計算する。これらのステップは、本明細書に記載された例のいずれかに従って実行することができる。
【０２０４】
ステップ１０２６において、方法は、計算された温度分布１０２４およびパラメータ記述１０００に基づいて、実行されるべき分析のタイプ１０４６に従ってドライブラインの性能メトリック１０３２を計算するために分析を実行する。この例では、ステップ１０２６における分析は、パラメータ記述１０００を間接的に処理すると見なすことができる。すなわち、方法はステップ１０４８において構築されたモデルを処理し、モデルはパラメータ記述１０００に基づいて構築される。
【０２０５】
有利なことに、図１０の方法は、実行されるべき１つまたは複数のタイプの分析の受信された指示１０４６によって定義されるように、異なるタイプの物理学に関係する別のタイプの分析を含む、別のタイプの分析と熱処理が組み合わされることを可能にすることができる。そのような分析のタイプの組合せの処理は、ギアボックスと電気機械の両方を含むドライブラインにとって特に困難であり得る。ギアボックスの設計者および電気機械の設計者が、異なる部門またはさらに異なる企業に所属することは一般的であり、このため、これらの２つの分野の熟練者が、モーターとギアボックスの両方を含むドライブラインに対するそのような分析タイプの組合せを検討することを妨げる技術分野内の偏見が存在する。熟練者が様々な分野にわたって協働するべき場合でも、すべての関連する影響および相互作用を考慮しながら、合理的なシミュレーション時間で複数の物理領域内で完全なドライブトレイン用のシミュレーションを実行することができるＣＡＥツールが不足している。異なるタイプのモデルを組み合わせることに関連して上述された問題は、図１０の方法によって対処することができる。
【０２０６】
図１１は、ドライブラインをモデル化するため、場合によってはドライブラインを設計するための別のコンピュータ実装方法の概略図を示す。図１１は図１０に類似し、３つのオプションの反復ループ１１３６ａ、１１３６ｂ、１１３８の追加機能を含む。これらのループは、互いに独立して、または一緒に提供することができる。
【０２０７】
第１の反復ループ１１３６ａは、ステップ１１２６が（性能メトリック１１３２の初期計算のために）初めて実行された後、実行分析ブロック１１２６の出力を（ステップ１１４０において）処理することを含む。
【０２０８】
ステップ１１４０における処理は、他の反復ループに関して上述されたのと同じように、（出力として提供される性能メトリック１１３２と同じであっても異なっていてもよい）ドライブラインに関連付けられたループ性能メトリックを、１つまたは複数のループ終了条件と比較することができる。１つまたは複数のループ終了条件が満たされない場合、方法はステップ１１２０に戻って、ループ性能メトリックおよびパラメータ記述１１００に基づいて熱モデルを再構築する。１つまたは複数のループ終了条件が満たされる場合、方法はステップ１１４２に進んで、第３の反復ループ１１３８の周りをループするか否かを判定することができる。
【０２０９】
第１のループの周りを反復するか否かを判定するためにステップ１１４０において処理されるループ性能メトリックは、（受け取られた指示１１４６に従って）選択されたタイプの分析に関連付けられた性能メトリック１１３２であり得るか、または中間性能メトリックなどの任意の他の性能メトリックであり得る。たとえば、実行されるべき分析のタイプが効率分析である場合、方法の出力として提供される性能メトリック１１３２は効率メトリックであり得る。しかしながら、ループするか否かを判定するループ性能メトリックとして、異なる性能メトリックがステップ１１４０において処理されてよい。たとえば、ループ性能メトリックは、効率計算の一部として決定され得る電力損失などの中間性能メトリックを含んでよい。同様の機能は、図８ａおよび図８ｂを参照して上述されている。
【０２１０】
その後の反復ごとに、方法は、次いで、再構築された熱モデルに対してステップ１１２２、１１２６、および１１４０を繰り返すことができる。
【０２１１】
第２の反復ループ１１３６ｂは、第１の反復ループ１１３６ａに類似し、第１の反復ループ１１３６ａについて上述されたステップ１１４０における同じ処理を含むことができる。
【０２１２】
第１の反復ループ１１３６ａとは対照的に、第２の反復ループ１１３６ｂについて１つまたは複数のループ終了条件が満たされない場合、方法はステップ１１２２に戻って、ループ性能メトリックおよび熱モデルに基づいて温度分布１１２４を再計算する。１つまたは複数のループ終了条件が満たされる場合、方法はステップ１１４２に進んで、第３の反復ループ１１３８の周りをループするか否かを判定することができる。その後の反復ごとに、方法は、再計算された温度分布１１２４に対してステップ１１２６および１１４０を繰り返すことができる。
【０２１３】
第３の反復ループ１１３８に関して、方法は、場合によっては、ドライブラインの性能メトリック１１３２（またはより一般的には、第１および第２の反復ループを参照して上述された任意のループ性能メトリック）に基づいて、パラメータ記述１１００を更新するステップ１１４４を含むことができる。パラメータ記述１１００が更新された後、方法は、更新されたパラメータ記述１１００に対してステップ１１４８、１１２０、１１２２、１１２６、１１４０、および１１４２を繰り返すことができる。
【０２１４】
この例では、方法は、第３の反復ループ１１３８を回るか否かを判定する機能を含む。この機能は、ステップ１１４２として図１１に示されている。ステップ１１４２において、方法は、性能メトリック１１３２（または別のループ性能メトリック）を１つまたは複数のループ終了条件と比較することができる。１つまたは複数のループ終了条件が満たされない場合、方法はステップ１１４４に進んで、パラメータ記述１１００を更新し、次いで、図１１の方法を繰り返す。１つまたは複数のループ終了条件が満たされる場合、方法は終了する。
【０２１５】
パラメータ記述１１００を更新する第３の反復ループ１１３８を回るプロセスは、ドライブラインを設計することと見なすことができる。
【０２１６】
前の図を参照して記載された他の機能のいずれも、図１０および図１１の方法と組み合わせることができることが諒解されよう。
【０２１７】
一般に、添付の図面に示されている方法では、囲まれたボックス内にあるテキストは処理ステップを表し、囲まれたボックス内にない単語は（入力または結果などの）データを示す。また、様々な点線の矢印および線はオプションと見なすことができる。
【０２１８】
本明細書に記載された例の効果は、エンジニアリングの生産性を大幅に改善することができ、このモデリング／設計作業が熱モデリングおよびシミュレーションの専門家ではないエンジニアによって実行されることが可能であり得ることである。ドライブライン内のいかなる設計変更も、熱シミュレーション結果における変化を自動的にもたらすことができ、そのたびに正しい結果が提示されるという確信につながる。
【０２１９】
構造モデルが動的分析によって解かれる例では、さらなる開発により、ドライブラインシステムの動的分析、ならびにその後の振動および放射ノイズの予測が改善され得る。本明細書に記載された例は、剛性が加えられた負荷（トルク）および接合角度の両方で変化する等速ジョイントを含むドライブシャフトのパラメータで定義されたモデルを含むことができる。この計算を実行し、それをシステム全体の動的モデルに含めることで、ドライブラインの動的挙動のより正確な予測が実現される。
【０２２０】
本明細書に記載された例は、歯の接触分析を計算し、局所トライボロジーモデルを使用してギアメッシュによる温度上昇を予測することにより、ギアスカッフィングを予測するために使用することができる。この予測は、計算された熱挙動によって２つの面で影響を受ける可能性がある。第１に、位置ずれの値が変化すると、歯の接触分析、したがってメッシュ内の予測温度上昇が変化する可能性がある。第２に、熱分析は、メッシュに入る前に、全体としてドライブライン内のオイルの温度を示すために使用することができる。
【０２２１】
本明細書に記載された例は、定常状態または過渡の条件に関係する処理を実行することができる。定常状態条件からの結果は、実際の動作をあまり表していない可能性があるが、調査および検証が容易になる可能性がある。
【０２２２】
過渡分析は条件が一定ではないことを意味するが、電力損失、熱シミュレーション、およびシステムの撓みの間の同じ相互作用が関連する可能性がある。過渡状態は、主に、運転速度またはトルクなどの動作条件を変更することから発生する可能性がある。これは、実際の動作条件を表すために使用することができる。自動車業界は、「Ｄｅａｔｈ  Ｖａｌｌｅｙ  Ｃｙｃｌｅ」などの準標準的な最悪ケースを使用し、速度、トルク、および外部の熱の観点から、Ｄｅａｔｈ  Ｖａｌｌｅｙにおける運転条件が定義され、タイムステッピングシミュレーションへの入力として使用される。
【０２２３】
以前のシミュレーションのうちの１つまたは複数は、公称値でのコンポーネント寸法で実行することができる。加えて、ドライブラインの性能における変動を評価することができるように、製造公差を主要なパラメータに割り当てることが可能であり得る。たとえば、ギアの製造プロセスにおける変動の結果としてのギアの微小形状における変動は、負荷歯接触分析、したがって熱歪みから生じる位置ずれの変化との相互作用に影響を与える可能性がある。いくつかの例では、製造公差および温度変化による変動を考慮に入れると、コンポーネントの耐久性が依然として許容可能であることを保証することにより、安全性を改善することができる。
【０２２４】
発明を実行するための一例
【０２２５】
本発明は、ドライブラインの性能を予測し、理解し、設計変更を介して改善するために、エンジニアが、機械式または電気機械式のドライブライン内のギアボックス、モーター、およびパワーエレクトロニクスの３つのサブシステムのいずれかまたはすべての設計を、シミュレーションを介して理解することを可能にするソフトウェアパッケージである。本発明は、熱性能、およびそれが撓み、応力、疲労、効率、ノイズ、振動、摩耗などの物理的挙動の他の態様とどのように相互作用するかの主題に焦点を当てる。
【０２２６】
本発明は、熱性能、およびそれが撓み、応力、疲労、効率、ノイズ、振動、摩耗などの物理的挙動の他の態様とどのように相互作用するかの主題に焦点を当てる。その機能は、熱挙動およびそれがドライブライン性能の他の態様にどのように影響するかに関する洞察を設計エンジニアに提供し、その結果、設計は最適化され、以前は可能でなかった生産性で目的に合ったものとして確認され得る。新製品の市場投入、および既存製品の問題解決にかかる時間および資金が節約される。最も重要なことに、人間の生命をさらに保護する可能性がある。
【０２２７】
発明を実行するためのモードの詳細説明
【０２２８】
主に、ギアボックスのすべての主要なエンジニアリングパラメータは、形式、機能、負荷ケース、および材料特性を含む単一のモデルで定義される。これらは、設計の迅速な再定義を可能にするパラメータモデルで定義され、多様な物理シミュレーションの結果による迅速な設計−分析−再設計の反復を可能にする。
【０２２９】
本発明の重要な特徴は、システムの単一のパラメータ記述が存在し、そこから複数の故障モード分析のための複数のモデルが導出されることである。
【０２３０】
パラメータ記述という用語は、その形式、機能、特性、および動作条件の観点から製品を定義する、データの収集に適用されるラベルである。形式は形状に関連するデータを含み、特性は、コンポーネントの材料特性に加えて、ベアリングの動的容量、ギア歯面の表面粗さ、潤滑油の粘度、シャフト材料のグッドマン図、電気機械巻線の抵抗率などのコンポーネント固有の特性を含み、動作条件は、時間履歴または常駐ヒストグラムのいずれかとして、主に回転機械の出力、速度、トルクを含むが、温度、湿度なども含み、機能は、製品、サブシステム、およびコンポーネントがそれらの主な機能を実行する方法を定義する。たとえば、ローラーベアリングの機能は、シャフトを回転させながら支え、シャフトとベアリングを一緒に組み立てることであり、結合機能は、負荷をかけることができる回転シャフトを提供し、シャフトにギアを取り付け、同様に取り付けられたギアと噛み合わせることであり、結合機能は速度およびトルク（すなわち、ギアボックス）を変更することである。
【０２３１】
表１  分析固有のデータ選択およびパラメータ記述
【表２】
0006807489.tif 000003
【０２３２】
表１の最初の行は、４つのデータセット（機能３０２、形式３０４、特性３０６、および動作条件３０８）から形成されたパラメータ記述３００の表現を示す。図３は、４つの非重複データセット（機能３０２、形式３０４、特性３０６、および動作条件３０８）から形成されたパラメータ記述３００のさらなる表現を示す。どの分析パッケージ３１０、３１２、３１４が使用されるかに応じて、エンジニアは、４つのデータセットのうちの１つまたは複数からデータを選択して、実行される分析に適した分析モデルを作成する必要がある。
【０２３３】
従来のソフトウェアパッケージでは、ＣＡＤは形式（形状）および特性のいくつかの態様（ヤング率ではなく材料密度）を提供するが、動作条件または機能を含まない。マルチボディダイナミクスおよび有限要素パッケージの中のモデルは、形式、機能、特性、および動作条件の特定の態様を含むことができるが、シミュレートされている特定の故障モードに関連する態様のみを含む（図１参照）。マルチドメイン動的シミュレーション内のモデルは、シミュレーションされている特定の故障モードに関係する機能、特性、および動作条件の態様を使用する（図１参照）が、形式を使用しない。特定用途向け車両シミュレーションパッケージ（たとえば、ＡＶＬ  Ｃｒｕｉｓｅ）内のモデルは、シミュレーションされている特定の故障モードに関係する機能、特性、および動作条件の態様を使用する（図１参照）が、形式を使用しないという点で、マルチドメイン動的シミュレーションパッケージ内のモデルに類似する。
【０２３４】
これは図３に示されており、分析３１０用の関連データセットは、形式セット３０４、特性セット３０６、および動作条件セット３０６の一部に重なる三角形のセットによって表され、この例では、マルチボディダイナミクスまたは有限要素パッケージ用のデータを提供する。同様に、分析３１２用の関連データセットは、機能セット３０２、特性セット３０６、および動作条件セット３０８の一部に重なる三角形セットによって表され、この例では、マルチドメイン動的シミュレーションまたは特定用途向け車両性能パッケージ用のデータを提供する。同様に、分析３１４用の関連データは、形式セット３０４および特性セット３０６の一部に重なる三角形のセットによって表され、ＣＡＤ用のデータを提供する。
【０２３５】
従来のソフトウェアパッケージでは、４つのタイプのデータすべてが存在しないと、設計プロセス内のワークフローにおける不連続につながる。図３は、本発明が排除するこの不連続性がどういうものかを示している。
【０２３６】
ドライブラインの性能または様々な故障モードの可能性を判断するために、多様なシミュレーションが実行される。これらのシミュレーション結果の各々は、ドライブラインの動作性能の数学モデルから生じ、各物理現象が異なるアルゴリズムを必要とし、エンジニアリングの生産性を最大化するために、単一のパッケージ内ですべてのアルゴリズムが利用可能である。
【０２３７】
モデル、ならび応力、疲労、スカッフィング、ＴＥ、遊星の負荷分散、および効率についての対応するシミュレーションと並行して、本発明は、熱伝導率によって互いにリンクされた熱慣性から構成される、ギアボックスの離散化された集中パラメータ熱ネットワークモデルを作成する。これらの慣性およびコンダクタンスは、シャフト、ベアリング、ギア、ハウジング、ならびに必要に応じてクラッチ、ブレーキ、およびシンクロナイザを含む他のコンポーネントの形態でのパラメータ記述から、それらの接続および特性を取得する。モデルは、ギアからオイル、シャフトからオイル、オイルからハウジング、およびハウジングから環境用の熱伝導係数についての値も含み、それらはデフォルト値に基づいて挿入されるが、ユーザは自分自身の裁量でこれらを修正することができる。
【０２３８】
ベアリングを通る熱伝導にはデフォルト値が割り当てられる。しかしながら、ローラーベアリングの静的分析および負荷依存剛性によって生成された接触面積に基づいて、これらの値が計算されるためのオプションが存在する。
【０２３９】
熱モデルへの熱流束はギアおよびベアリングにおいて発生し、本発明はモデル内のこれらの位置で熱が発生することを自動的に認識する。これらの熱流束の値は、ユーザによって定義されるか、またはギアメッシュの電力損失およびベアリング抗力の計算によって自動的に設定される可能性があり、ベアリング抗力および電力損失は、したがって熱の発生に対応する回転力の損失を示す。ＩＳＯ１４１７９、Ａｎｄｅｒｓｏｎ、ＦＶＡ３４５、および弾性流体潤滑を含む、多様なギアメッシュの電力損失方法が利用可能である。次に、これらは、主要な入力パラメータとして動作中のメッシュの位置ずれを有するギアメッシュの負荷歯接触による影響を受ける。
【０２４０】
ＩＳＯ１４１７９、Ｐａｌｍｇｒｅｎ、およびＳＫＦ２００４を含むが、それらに限定されないベアリング損失モデルの範囲から選択するオプションが存在する。
【０２４１】
したがって、ユーザは、集中パラメータ熱モデルを手動で作成する時間のかかる作業から解放され、モデルは反復可能でエラーがないプロセスで作成される。ギアおよびベアリングにおける熱入力の自動セットアップ、ならびにコンポーネントの動作条件に基づく熱流束値の定義により、さらなる時間節約およびエラー回避が実現される。
【０２４２】
効果は、エンジニアリングの生産性が大幅に改善され、この作業が熱モデリングおよびシミュレーションの専門家ではないエンジニアによって実行されることが可能であることである。ギアボックス内のいかなる設計変更も、熱シミュレーション結果における変化を自動的にもたらし、そのたびに正しい結果が提示されるという確信につながる。
【０２４３】
熱分析は、集中パラメータモデルを使用して実行することができ、温度の値が離散熱ノードにおいて取得されることにつながる。完全な構造全体にわたる熱プロファイルが計算されるために、シャフト、ベアリング、ギア、およびハウジングの熱特性に基づいて、３Ｄ構造内でさらなる熱計算が実行される。したがって、ギアボックス内のすべての機械部品全体を通して滑らかな温度プロファイルが取得される。
【０２４４】
パッケージは、負荷、撓み、ひずみ、位置ずれ、したがって応力を計算する目的で、ギアボックスの構造モデルを含む。これは、構造を多数のノードに離散化し、ギア力などの加えられた構造負荷に基づいて、６自由度でそれらの変位を計算することによって実現される。本発明のイノベーションは、これらの同じノードが、熱分析からの温度プロファイルに基づいて計算された熱膨張による追加の変位も受けることである。撓み、ひずみ、および位置ずれのすべての値において変化が生じる。
【０２４５】
これらの変化は、ギアボックス内の主要なコンポーネントの性能のシミュレーションに影響を与える。位置ずれの値が変化すると、ギアの接触および曲げ応力が変化するので、ギアの予測疲労寿命が修正される。位置ずれの値が変化すると、各ギアペアの負荷歯接触分析が変化し、予測されるギアメッシュ抗力における変化および伝達誤差につながる。
【０２４６】
ギアボックス構造内の撓みは、理想的には等しいはずだが、システムの撓みおよび製造誤差により実際には等しくない、遊星ギアセット内の遊星間の負荷分散を計算するために使用される。繰り返すが、構造モデルにおける変位の値が変化すると、遊星負荷分散の計算が修正される。
【０２４７】
ベアリング疲労は、完全なシステムのシミュレーションから生じる負荷および撓みから決定される。温度プロファイルによる変位および位置ずれの値が変更されると、ベアリング寿命が修正される。
【０２４８】
さらに、システムの負荷および変位は、ギアメッシュの剛性およびベアリングの剛性を計算するために使用され、どちらも負荷に依存するので、温度プロファイルによっても影響を受ける。剛性のこれらの値は、ギアの軋み音による表面振動および／または放射ノイズを計算するために伝達誤差による励磁の影響を受ける完全なギアボックスの動的モデルの作成に使用されるので、これは重要である。これらの影響のすべてはシームレスに処理される。
【０２４９】
さらなる開発により、ドライブラインシステムの動的分析、ならびにその後の振動および放射ノイズの予測が改善される。本発明は、剛性が加えられた負荷（トルク）および接合角度の両方で変化する等速ジョイントを含むドライブシャフトのパラメータで定義されたモデルを含む。この計算を実行し、それをシステム全体の動的モデルに含めることで、ドライブラインの動的挙動のより正確な予測が実現される。
【０２５０】
ギアスカッフィングの予測は、歯の接触分析を計算し、局所トライボロジーモデルを使用してギアメッシュによる温度上昇を予測することを含む。この予測は、計算された熱挙動によって２つの面で影響を受ける。第１に、位置ずれの値が変化すると、歯の接触分析、したがってメッシュ内の予測温度上昇が変化する。第２に、熱分析は、メッシュに入る前に、全体としてギアボックス内のオイルの温度を示すために使用される。
【０２５１】
これの分析すべてにおいて、温度プロファイルの効果を含めることの影響は、予測の精度を高めることである。したがって、設計エンジニアに提供される情報はより正確であり、設計が最適化されることが可能になり、確実性が上がり、潜在的な故障が回避される。ギアボックスはより静かで効率的になり、疲労またはスカッフィングによる致命的で潜在的に生命を脅かすギアボックス故障のリスクが低減される。
【０２５２】
これのすべては、非専門家が実際の設計プロジェクトに適した時間スケールでこの作業を実行することを可能にし、多目的設計の最適化を容易するパッケージにおいて実現される。
【０２５３】
定常状態または過渡の条件でこの作業を実行するオプションが存在する。定常状態条件からの結果は、実際の動作をあまり表していないが、調査および検証が容易である。
【０２５４】
定常状態であっても、熱の影響を含めると、熱モデル、構造モデル、および電力損失モデルの間の興味深い影響の輪につながる。初期のギアメッシュ電力損失値は、温度プロファイルの影響なしに計算された位置ずれの値のみを含むことができる。ギアボックス構造内の不均一な温度が位置ずれを変化させると、ギアメッシュにおける電力損失が変化し、定常状態の温度分布が修正される。ソフトウェアは、収束が達成されるまでこれらの値に対して繰り返す機能を有する。
【０２５５】
過渡分析は条件が一定ではないことを意味するが、電力損失、熱シミュレーション、およびシステムの撓みの間の同じ相互作用が関連する。過渡状態は、主に、運転速度またはトルクなどの動作条件を変更することから発生する。これは実際の動作条件を表すために使用され、自動車業界は、「Ｄｅａｔｈ  Ｖａｌｌｅｙ  Ｃｙｃｌｅ」などの準標準的な最悪ケースを使用し、速度、トルク、および外部の熱の観点から、Ｄｅａｔｈ  Ｖａｌｌｅｙにおける運転条件が定義され、タイムステッピングシミュレーションへの入力として使用される。
【０２５６】
自動車業界は、Ｎｅｗ  Ｅｕｒｏｐｅａｎ  Ｄｒｉｖｅ  Ｃｙｃｌｅなどの標準の駆動サイクルを使用して、車両の燃費および排出量を測定する。本発明では、各駆動サイクルは、（均一である可能性が高いが、必ずしも均一ではない）ドライブライン内の所与の外部温度および周囲熱分布で開始する。この均一な分布は、位置ずれ、したがってｔ＝０における電力損失に使用される。サイクルが開始すると、熱の入力によりコンポーネント内の温度分布が変化し、位置ずれ、すなわち熱源における変化につながる。温度分布の発生は、初期条件、シミュレーション入力、ならびにギアメッシュトライボロジーの相互作用、熱放散、および駆動サイクル全体にわたる温度分布によるシステムの撓みに依存する。
【０２５７】
これは、車両の燃料消費量、したがって排出量の計算に特定の利点を有する。駆動サイクルを通してギアボックスの温度が変化すると、オイルの粘度が変化し、ギアメッシュの電力損失およびギアの撹拌を含む、ギアボックス効率の重要な成分の多くが変化する。乗用車のパワートレインの効率は、起動時に比較的低く、パワートレインが温まるにつれて向上することが知られている。エンジニアリング効果は、ドライブラインの変化する温度および効率を現在実現できない方法で予測できることであり、設計プロセスおよび開発プロセスにおけるリスクを下げ、最終的により効率的な車両につながる。
【０２５８】
以前のシミュレーションのすべては、公称値でのコンポーネント寸法で実行することができる。加えて、ドライブラインの性能における変動を評価することができるように、公差を主要なパラメータに割り当てることが可能である。たとえば、ギアの製造プロセスにおける変動の結果としてのギアの微小形状における変動は、負荷歯接触分析、したがって熱歪みから生じる位置ずれの変化との相互作用に影響を与える。潜在的に、安全性が向上する。
【０２５９】
番号付けされた節
【０２６０】
以下の番号付けされた節によって定義される主題も提供される。
【０２６１】
１．ドライブラインを設計するためのコンピュータ実装方法であって、
ドライブラインのパラメータ定義を提供するステップと、
入力データに対して実行されるべき分析のタイプをユーザ指定するステップと、
選択された分析のタイプに従って、入力データのどの特徴が分析に使用されるかを判定するステップと、
パラメータ定義から集中パラメータ熱モデルを作成するステップと、
実行されるべき分析の前記タイプに従って、前記ドライブラインの性能を分析するステップであって、
それにより、ドライブラインを作成するための設計が生成される、ステップと
を含む、方法。
【０２６２】
２．熱モデルへの熱入力が、ギアメッシュおよび／またはベアリングにおける電力損失の計算を含む、節１に記載の方法。
【０２６３】
３．ベアリングにおける熱伝導係数が手動で定義されるか、またはベアリングの動作条件に従って計算され得る、節２に記載の方法
【０２６４】
４．ギアボックス内の不均一な熱分布の予測が、定常状態または過渡の動作条件によって実行される、節２または３に記載の方法。
【０２６５】
５．ギアボックスコンポーネントの不均一な熱プロファイルが、ギアの力による撓みの有無にかかわらず、ギアおよびベアリングの動作位置ずれを計算するために使用される、節４に記載の方法
【０２６６】
６．動作位置ずれが、ギア応力、ギア疲労、ギアスカッフィング、ギア伝達誤差、ギアメッシュの電力損失、ギアメッシュの剛性、遊星ギア負荷分散、ベアリングの非線形剛性、ベアリング疲労、ギアボックス効率、ギアボックスモード形状、ギア伝達誤差による動的な強制応答のうちのいずれかの計算への入力として使用される、節５に記載の方法。
【０２６７】
７．システム内の予測油温がギアスカッフィングの計算への入力として使用される、節６に記載の方法。
【０２６８】
８．ギアメッシュおよび／またはベアリングにおける電力損失、システムの熱シミュレーション、およびシステムの撓みがすべて互いに相互作用して、定常状態または過渡の条件における収束解につながる、節６に記載の方法。
【０２６９】
９．ギアメッシュおよび／またはベアリングにおける電力損失に対する収束解が、定常状態または過渡の条件におけるギアボックス効率を計算するために使用される、節８に記載の方法。
【０２７０】
１０．等速ジョイントの負荷および角度依存剛性が、転がりベアリングの負荷依存剛性と、システムモード形状分析において組み合わされて計算される、節１に記載の方法。
【０２７１】
１１．ドライブラインのパラメータ定義が製造公差を受ける、節１から１０のいずれかに記載の方法。
【０２７２】
１２．ドライブラインのコンピュータ支援エンジニアリング設計のためのコンピュータ可読製品であって、節１から１１のいずれかに記載の方法のステップを実施するためのコード手段を備える、製品。
【０２７３】
１３．回転機械アセンブリのコンピュータ支援エンジニアリング設計のためのコンピュータシステムであって、節１から１１のいずれかに記載の方法のステップを実施するために設計された手段を備える、システム。
【図１】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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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８ａ】
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【図８ｂ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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