目的

学生プロジェクト教育へのCAE・実製作と連動したTRIZの応用 大学生への発明の方法を教える良い方法の開発
 TRIZによって、プロジェクト型教育カリキュラ
ムの内容充実を行う.

石濱 正男（いしはま まさお）
神奈川工科大学・自動車システム開発工学科「Formula SAE」とは何か?
ケーススタディNo.1:

エンジンの吸気系
Formula SAE
学生レーシングカー開発競技での設計事例

 目的：

体験的な工学教育
 主催者： 米国自動車技術会(Society of Automotive Engineers)
 開催地: 米国・ミシガン州
 時期: 毎年５月下旬（1989より）
 参加校: 140 大学（全世界より）
 スポンサー: GM, Ford, Daimler Crysler
ほか自動車関連企業

競技での採点 １，０００点満点.

（以下の２カテゴリの総合）
 静的競技; 350 点
製品コンセプトのプレゼンテーション
デザイン（技術的評価）
コスト分析≤ $30, 000 ≈ 3,300, 000Yen 動的競技; 650 points
発進加速
８の字旋回
走行コース２周での時間競技
耐久走行レース（含 燃費）

学生が学べること
 専門知識を統合して活用する能力
 エンジニアリングの一連のプロセスの理解（企画、概念設計、ｼﾐｭﾚｰｼｮﾝ計算、詳細設計、試作、実験、ﾄﾞｷｭﾒﾝﾃｰｼｮﾝ、コスト分析）
 チームワーク（対人能力）
 プレゼンテーション能力
 産業界との直接の接触（自らの将来像を描ける）

神奈川工科大での教育上の位置づけ
 正規の授業科目
 プロジェクト型体験教育科目
 講義シリーズ、デザインレビュー、実習（設計、製作）、資金集め、遠征など多彩な内容
 １年生から４年生までの縦割り（学生の自主的組織による運営も含む）

神奈川工科大の戦績
 米国遠征２５位 2004年 (燃費部門１位)
途中リタイア 2005年
２７位 2006年
 全日本大会
２位 2004年
２位 2005年

使用エンジンの基本諸元

Formula SAEで必要となるエンジン性能
 低回転速度でトルクが大きいこと
 応答のすばやさ ホンダ２輪車CBR600F4i（600cc）

理由：走行コースがカーブの連続レース走行に不慣れなドライバーが運転 直列４気筒 DOHC（4弁）
 電子制御燃料噴射 出力72 PS /12,000 rpm
 トルク: 5.2 Nm /10,000rpm

典型的なF-SAEの競技コース

競技コースのエッセンスを抜き出したモデルコースの設定

スラローム
高速コーナー

ヘアピン

スラローム

ヘアピン
コーナー
高速コーナー

モデルコース走行でのエンジン回転速度の分布
頻繁に使われる速度域

エンジン設計への制約条件
 排気量< 610ｃｃ

φ 吸気制限オリフィス（内径20mm）の設置
 下記の空間内に全てのエンジンシステム頻度、%が納まること。

エンジン回転速度, rpm

設計原理と実体設計


性能チューニングの物理原理「慣性吸気」
設計の第１ステップ：
吸排気全系の脈動現象の最適化CAEシミュ
レーション
設計の第２ステップ：
実体設計→対立マトリクスへと進展

慣性吸気の解説
1. 吸気弁開き始め負圧が上流に伝播
2.ピストンによる吸引
大気からの正圧が下流に伝播
3. 吸気弁閉止直前
気柱が運動を継続

濃い混合気が詰め込まれる

慣性吸気を活用するための吸気管長

吸気コレクター容量の調整
 すばやい応答には容量は 小さい必要あり

at low engine
speed

具体的な長さはどれほど？
空間的な制約条件に納まるのか？

吸気系の性能シミュレーション
準1次元の脈動計算モ
デル。長さ、断面積などのみで表現。
詳細な形状は表現できない。

 空間的制約条件を考えなければ、性能要件を満たす吸気系のディメンジョンは見つかった。
 この結果、設計者（学生）は素早く実体設計に移ることが出来た。

この二つの要件を同時に満たす容量は存在するのか？

 各気筒への均一な分配には 大きい必要あり

実体設計
A. コレクターの設計
コレクターの発揮すべき機能• 圧力損失を最小にする• 各気筒への吸気分配を均一にする
機能実現の方策• 空気の流動速度を下げる• シャープエッジを避ける• 各気筒への流路の断面積を等しくする• 各気筒への流路での曲がりを等しくする

製作や安全面からの制約条件

吸気管の設計 吸気系内部の流速分布計算用モデル

 自由な形状実現には鋳造が好適だが、設備がない。
 FRPの使用可能性はあるが、安全面で不安が残る。

吸気管の広がり角度は、乱流防止のために15度以下が必要

この設計案は性能要件を満たす。
しかし、占有空間が大きすぎる。

可能性の高い解：
アルミ板金の溶接によって、円筒状のコレクターを形成する。

相互に矛盾する要求

学生による発明A) 吸気管は長く、まっすぐが望ましい。
B) コレクターは十分な容積を必要とする。
C) コレクターは空気の乱れを最小限にし、各気筒に均一な分配をしなければならない。
D) どの部品も単純な設備で製作できなければならない。
E) 小さな空間内に、全吸気系が納まらなければならない。

吸気系設計での対立マトリクス
改善したい特性

悪化する特性

発明原理

静止物体の面積

17, 7, 10, 40

静止物体の長さ 動く物体の体積

35, 8, 2, 14

力

28, 10

出力・動力

12, 8

発明原理と具体的な解（続き）

発明の原理と具体的な解#7 入れ子構造=> 吸気管をコレクター内に深々と挿入#14 直線から曲線へ=> コレクター壁面を半球状にして、空気流をスムーズに反転させる。

発明の具体化 発明された吸気系の断面図#17 他の次元への移行=> コレクター内の空気流路を、半径方向と周方向の3次元的運動となるようにデザイン。

発明にあたっての製造面でのメモ

発明案の性能評価（計算ｼﾐｭﾚｰｼｮﾝ）

 製造方法の選択：

吸気管； 一部を旋盤加工
コレクター殻； 半球状バッフルを強度と組み立て精度確保中心として旋盤加工。これにアルミ板金の曲げと溶接で組み立て。
 発明を行ううえで学生は最初から加工法を考慮。
 この学生は、プロジェクト科目の中で機械加工や溶接などの体験をもっていて、発明の実現性をすぐに判断できた。

No.1 気筒が吸気中の流線

No.3 気筒が吸気中の流線

 どの気筒へもほぼ均一な流量（±2%)を分配することがすぐに確認できた。

プロジェクトの概要
ケーススタディ No.2

屋外用歩行支援機の開発

 歩行障害を持つ人々により大きなモビリティ
 日々の生活ニーズを満たすと同時に、適度な運動を。例えば郵便局やコンビニなどに 凹凸のある路面の走破や、段差乗り越えを、振動を少なく、そして「しっかり感」で使える。
ちょうど自動車のように。

段差乗り越えの力学

段差乗り越えには前輪直径を大きく
 縁石（50mm）の前方への転倒に対する余裕を増すには：乗り越えには、直径500mmの車輪が必要。
 しかし、500mmの車輪は大きすぎて、足を自由に動かせない。

推進力F は小さく
前輪と重心の距
離L は大きく振動防止という要件
推進力が大きいと握りに大きな反力が返る

歩行支援機設計上の矛盾の整理
 改善したい特性：推進力（最大値）の低減
 悪化する特性：
車輪の直径が大きくなる
柔らかいサスペンションでは不安定になる

発明原理


セグメンテーション（細分化）：
小さい直径の車輪の包絡線で大きな車輪外形を近似

発明原理（その３）
アクションの先取り：
前輪サスペンションに段差乗り越え前にエネルギーを蓄積。それを段差乗り越え時に一気に吐き出して使う。こうすれば、握りにかかる推進力の最大値を小さくできる。（棒高跳びの原理）
Peaky thrust curve
Thrust, N

発明原理（その２）非対称性：
包絡線の前側下半分だけを使うと足を動かす空間が生まれる

多輪包絡線理論と棒高跳び原理を応用した前輪の具体案
Pivot

Caster mechanism

Torsion spring
揺V shaped link(swing arm)

動Store energy
Gap climbing
Travel distance, mLeading wheel

φ 740

Virtu
al l argewheel

発明案のテスト

動力学シミュレーションの結果
主輪が段差に当たる。

V-link
V型リンクがスイング
誘導輪が段差上に乗る
50mm

 マルチボディ動力学によるシミュレーション
 設計者（学生）にはCAEの経験があったので、すぐに発明案の成立性を確認できた。
計算結果のアニメーション

V型リンクによる主輪運動で実質的な登坂勾配が緩やかになる
0.25
Vertical displacement, m

剛な場合
ねじりばねありの場合

0.2

Gentle slopeEnergy storing time period

0.1501Time, s

2

Bump height = 50mm

3

ねじりばねにエネル
ギーを蓄えるエネルギーを吐き出して段差に乗り上げ

歩行支援機の試作機

モーター補助によるさらなる効果

Horizontal Force (Thrust),N

計測された推進力は、歩行障害者が出しうる限界をはるかに下回り、OK。

 学生に発明を教える上での教訓が得られた。

Without power assist

 学生の有するCAE使用能力や製作の経験が、Threshold, 128N

With power assist

結論

発明の学習に大きな効果を持つ。
 TRIZを学ぶには、プロジェクト型授業が有効。

Time, s