知能機械システム工学科卒業論文

3D-CAD ソフトの比較と小型電気自動車用フレーム設計

高知工科大学
知能機械システム工学科
竹村 雄介

目次
第１章 序章････････････････････････････････････････････････2
1.1 緒言1.2 研究目的
1.3 前回製作した電気自動車の課題
第２章 3D-CAD ソフトの比較････････････････････････････････4
2.1 ソフト比較の目的
2.2 比較内容
2.3 比較結果
第３章 小型電気自動車の設計までの流れ･･････････････････････6
3.1 設計の流れ
3.2 車体サイズの設定
3.3 サスペンション形式の決定
3.4 モータや駆動方式の決定
3.5 フレーム形状の決定
第４章

小型電気自動車の設計の実施･････････････････････････11
4.1 メインフレームの設計
4.2 アームの設計

第５章

終章･･･････････････････････････････････････････････13
5.1 今後の課題
5.2 結言

謝辞･･･････････････････････････････････････････････････････14
参考文献･･･････････････････････････････････････････････････15
付録 1（前回・今回の小型電気自動車性能比較表）･･････････････16
付録 2（図面）･･････････････････････････････････････････････17

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第１章 序論
1.１

緒言

近年地球上では様々な環境問題が起こっており、自然環境は我々の生活が便利になると同時に悪化するというような悪循環が起こっている。我々が日常よく使っている自動車は化石燃料を燃焼しエネルギーにすることで走行しているため、地球の温暖化の要因となる二酸化炭素を大量に発生し地球の温暖化を促進している。その結果、異常気象や海水面が上昇するというような問題が発生する。そのため、クリーンエネルギー自動車の開発が様々なところで行われており、その代表的なものに電気自動車がある。
しかしながら、平成 12 年 3 月末の時点での電気自動車の普及台数は約 2600 台。現在ではさらに普及しているものと思われるが、内燃機関自動車と比較するとその台数は微々たるものである。その主な原因としては、電気自動車は内燃機関自動車と比較して価格やランニングコストが高く走行距離が短いことである。価格については、従来の電気自動車の半分以下の電気自動車も出てきているが、既存車と比較するとまだまだ高価格である。そのため、価格の低減が普及の第一であると考えられる。そして、ランニングコストが高いのは電池交換費用が高いためである。また、航続距離が短いのはバッテリーの性能によるものである。このためバッテリー開発の主なテーマはエネルギー密度と寿命の向上、価格の低減となっている。
このような中、一昨年我々の研究室では近距離移動を目的とした１人乗りの小型電気自動車を製作した。図１にその外観を示す。しかし、重量が重いなどの課題のため十分な性能が確保できなかった。そのため今回は、前回の電気自動車の問題点を改善し新しい小型電気自動車を製作することにした。また、小型電気自動車を作るだけではなく、高齢化社会となってきた近年の日本の問題を考え、山間部に住む高齢者でも安全かつ快適に運転できるような小型電気自動車の製作を目指し、3D-CAD ソフトを用いた小型電気自動車用フレーム設計に取り組んだ。

図１

一昨年製作された小型電気自動車

2

1.2

研究目的

我々の坂本研究室では、設計のできる技術者というスローガンの下 3D-CAD の勉強に取り組んでいる。本研究では実際にものづくりを行う上で自分たちが考え設計することに重点を置いて、前回製作した小型電気自動車の課題を改善し、高齢者の方でも安全かつ快適に乗れるような新しい小型電気自動車を製作する為に必要なフレームを設計することを目的とした。
1.3 前回製作した小型電気自動車の課題① 必要以上に丈夫であるため重量が重い。
② フレームの構造上乗り降りしにくい。
③ モータの出力が弱くスピードが出ない。
④ バッテリーが重い上にエネルギー密度が少ない。
⑤ ブレーキの改善。など以上の課題があげられる。
フレームを設計する上で改善する課題としては①,②の個所があげられる。このことよりフレームの設計は常に①,②の課題を頭におき、行っていくこととした。

3

第２章 3D-CAD ソフトの比較
2.1

ソフト比較の目的

まず初めに小型電気自動車用フレーム設計を行っていく上で、報告者が使用できるそれぞれの 3D-CAD ソフトの性能を調べた。そして、フレーム設計に適している 3D-CAD ソフトを使用してスムーズな設計を実施するために 3D-CAD ソフトの比較を行った。
2.2

比較内容

図 2.1 と図 2.2 の 2 つの異なった図形を用いて共同実験者(中山陽介君)と分担し、Unigraphics バージョン 16, SolidWorks2000, SolidEdge バージョ 02, SolidDesigner2000+
それぞれの 3D-CAD ソフトで図形を描いた。分担の内容は SolidEdge バージョン 02, SolidDesigner2000+は各々が、Unigraphics バージョン 16, SolidWorks2000 は分担して描いた。
報告者は SolidWorks2000, SolidEdge バージョン 02, SolidDesigner2000+の 3 つのソフトで図形を描いた。

図 2.1 図形例 12.3

図 2.2 図形例 2

比較結果

それぞれのソフトの特徴を調べ表 2 の結果を得た。その結果をもとに小型電気自動車用フレームをスムーズに設計できる 3D-CAD ソフトとして SolidDesigner2000+を使用することにした。表 2 の結果を見てみると Unigraphics バージョン 16 が優れている。しかしながら、小型電気自動車用フレームの設計をするのには Unigraphics バージョン 16 ほどの高度な機能は必要ないと考え SolidDesigner2000+を使用することとした。SolidDesigner2000+を使用する主な理由としては 2 次元で描いた図形を押し出す場合、同じ距離なら容易に複数の図形を押し出すことができる。また、基準面に下書き線を描き下書き線上に 2 次元の図形を作成していくため、他のソフトより図形を書くのに便利であるためである。

4表 2 3D-CAD ソフトの主な比較結果

Un igraph ics
項目

ソフト種類

バージョン
１６

Solid Works
200 0

Solid Edge

Solidバージョン

Designer

02

2000+

線の長さを指定して直線を描く

〇

△〇

〇

直線のオフセット〇〇×〇

円の中心･半径を指定して描く〇△〇〇

円弧の３点指示

〇

〇〇

〇

交点の選択

〇

〇

〇

△

開始点を指定しての押し出し〇

×××

軸での回転押し出し

〇

〇

〇

〇

２つ以上のパーツの同時押し出し〇××〇

表 2 に使われているそれぞれの記号の意味○････できる。
△････できるが手間がかかる。
×････できない。

5

第３章 小型電気自動車の設計までの流れ
3.1

設計の流れ

小型電気自動車の設計の流れは図 3.1 に示すとおりである。

図 3.1 設計の流れ
3.2

車体サイズの設定

車体サイズは前回製作した図１に示す小型電気自動車をもとに設定を行った。前回の小型電気自動車は原動機付四輪車として登録しナンバーを取得した。小型電気自動車を原動機付四輪車として登録しナンバーを取得するための車体サイズは全長 2500mm,全幅1200mm,全高 1600ｍｍを超えてはならない。このことより前回設定した車体サイズは全長1600mm,全 1000mm,全高 1600ｍｍである。このサイズに設定した理由としては、小型電気自動車などが故障した場合でも軽トラックなどの荷台に余裕を持って積載することができるようにと考えたためである。今回の小型電気自動車も前回の小型電気自動車と同様に車体サイズを設定した。
3.2

サスペンション形式の決定

サスペンションは車体重量を支持するとともに、路面不整などによる車輪の上下振動を6緩和、吸収して、振動が車体に直接伝達されることを防止する。これにより乗員の乗心地向上、車体各部の動的応力の低減を図っている。さらに車輪の振動を抑制して走行安定性を向上させるため必要不可欠である。
今回製作する小型電気自動車のサスペンション形式はフロント・リアともにダブルウィッシュボーン式を採用することにした。ダブルウィッシュボーン式とは図 3.2 に示すよう上下２本の横アームで車輪を案内する形状のサスペンションである。長所としてはジョイント部分が４箇所あることで、ジオメトリ変化・コンプライアンスチューニングなどの設計自由度が高いことが第一に上げられる。そして、ショックアブソーバに曲げモーメントが加わらないためフリクションが小さい。また、サブフレーム上にリンクをレイアウトするためサスペンションの合成と振動絶縁を両立させやすい点である。短所としては、部品点数が多く、位置決め精度も要求され、スペースを取り、コストおよび重量の面で多少不利になるという点である。ダブルウィッシュボーン式を採用した理由としては、構造が単純で製作しやすいという点である。

図 3.2 ダブルウィッシュボーン式
3.3

モータや駆動方式の決定

まずモータであるが、小型電気自動車を原付登録するためには定格 600W 以下でなければならない。リッセル社（三菱自動車の出資会社）のリチウムイオン２次電池を８個提供してもらい、定格 600W 以下でこのバッテリーに合うモータとしてツシマ製ソーラーカー用直流モータの BF9-160H を使用する。モータの特長としては高性能マグネット方式により,小型軽量･高トルク･高効率という点がある。また、DC スピードコントローラはモータの持っている高い性能を引き出すため同じツシマ製の ICFW-96-050 を使用することを決定した。表 3.1・表 3.2・表 3.3 はそれぞれの仕様を示したもので図 3.3・図 3.4・図 3.5 はそれぞれの写真である。駆動方式についでは、モータの出力を HOMCO シリーズの MC-1 デフ内臓ドライブユニットを用いて車輪に駆動力を伝える方式を検討した。特長としては減速比が広範囲のためモータの特性を十分に引き出せるという点がある。減速比の設定であ7

るが電気自動車の走行性能を調べ走行性能曲線で表した図 3.6 結果を参考に 1/12.7 と決定した。表 3.4 は MC-1 デフ内臓ドライブユニットの仕様である。また、タイヤやブレーキはアラコ製の小型電気自動車のものをそのまま流用するよう検討した。
表 3.1 リッセル製リチウムイオンバッテリーの仕様

形式

公称電圧

重量

公称容量

実容量

(V)

(kg)

（Ah）

(Ah)

(Wh/kg)(W/kg)

14.8

6.48

333375.4946

BP35

実エネルギー密度 実力出力密度

表 3.2 モータの仕様
形式
BF9-160H

出力

電圧

電流

回転数

トルク

効率

巻線抵抗

重量

（W）

（V）

(A)

(r/min)

(N/m)

（％）

(Ω)

(kg)

600

96

1851003.1

930.1210.8

表 3.3 DC スピードコントローラの仕様
定格電圧 定格電流 瞬間最大形式

ICFW-96-050

重量(V)

(A)

電流(A)

(kg)

9650

100

約 2.4

速度指令方式
可変抵抗

冷却方式

自然冷却方式

指令方式
表 3.4 MC-1 デフ内臓ドライブユニットの仕様

重量(kg)

潤滑方式

減速比

許容出力トルク(kg・f･m)

7

オイルパス潤滑方式

1/6〜1/3418

図 3.3 バッテリー

図 3.4 モータ8図 3.5 スピードコントローラ

1200.00%
3%
5%
10%
15%20%25%
30%
35%
40%
45%
50%
55%
60%
減速比6
減速比10減速比15減速比20
減速比25
減速比30
減速比34

1000.0

走行抵抗、駆動力（N）

800.0

600.0

400.0

200.0

0.0
0102030405060

速度（km/h）

図 3.6 走行性能曲線

9708090

3.4

フレーム形状の決定

フレーム形状は、図 3.5 に示す前回のメインフレームが２重フレームとしたため乗り降りが不自由になったことを考慮し、今回は乗り降りがしやすいよう足を乗せる部分はサイドの上フレーム（矢印に示す部分）をなくすよう考えた。
フレームのサイズは、足回りの寸法や小型電気自動車に搭載するモータやドライブユニットなどの大きさを考えると同時に、構想している車体サイズに収まるよう全長 1500mm,全幅 300mm,全高 300mm と決定した。

図 3.5 前回製作した小型電気自動車のフレーム

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第４章 小型電気自動車の設計の実施
4.1

メインフレームの設計

今回のメインフレームの設計においては、基本は前回のフレームと同じような考えで、前回のフレームの余分な個所を取り除くというシンプルな設計を目指した。前回のフレームと同様に中空の丸パイプを使いフレームを組むことにし、今回はパイプ径を前回のΦ27.2mm からΦ25.4mm に変更することにした。また、サスペンションのアームを取付ける
ステ−は前回のように板状のステー2 つでアームのそれぞれのもとをはさむようにして取付ける方法でなく、コの字型（図 4.2）のステー1 つでアームのもとをそれぞれ取付けるという方法にした。そして、サスペンションを取付けるためのフレーム側のステーもアームの取付けステーを流用し同じステーを使うこととした。

図 4.1 メインフレーム
4.2

図 4.2 アーム取付け用ステー

アームの設計

アームの設計においても軽量化を意識し必要以上に丈夫にならないよう設計を行った。
創意工夫点として 1 枚の板を切り抜き、曲げで図 4.3 のような部品を作る。それに角パイプを切断した図 4.4 に示す部品を溶接する。また、穴の位置は精度がほしいため溶接に伴うひずみで穴の位置がずれないよう溶接後に図 4.5 に示すよう穴あけを行うことを考えた。アームとフレームの取付けにはロッドエンドベアリングを使用しロッドエンドベアリングをアームに開けた穴に固定しフレーム側のステーに取付ける。サスペンションの取付けは、前のロアアームは図 4.6 のようにアームの中心にステーを溶接するようにした。後ろのロアアームは、アームの中心にステーを溶接しサスペンションを取付けると出力軸と干渉してしまうため、左右のロアアームとも後方へ少しずらし出力軸との干渉を防ぐよう考えた。図4.7 と図 4.8 は左右の後輪ロアアームである。

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図 4.3 アームの基本部品

図 4.5 溶接し穴あけしたアーム

図 4.4 切断した角パイプ

図 4.6 サス用ステー溶接後のアーム

図 4.7 右後ろロアアーム

図 4.8 左後ろロアアーム

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第５章 終章
5.1

結果

設計した部品のアセンブリ図を図 5.1 に示す。

図 5.1 アセンブリ図
5.2

結言

今回自分自身で最初から設計したことで設計することの難しさがわかった。工場に製作を依頼するため図面を最初に持って行った際、図面の寸法の入れ方がわかりにくくどの寸法が大切なのかと言う部分で注意を受け、指導していただき寸法などを入れなおすなどの作業をした。このことで図面を描く際にどこの寸法が大切なのかということを、現場の作業される方が図面を見るだけで全て理解できるように描かなくてはならないということがわかり、良い勉強になるとともに役立つ経験となった。
5.3

今後の課題

今回は設計を行いその設計図を元に部品の製作を依頼した。今後本研究室では２月末までに小型電気自動車の製作を終えその後走行実験を行う予定であり、それに際し不具合が生じた場合はそれに応じて対処し、実際に使えるものにしていかなくてはならない。

13

謝辞

本研究において 3D-CAD ソフトの比較の際ご指導頂いた高知県工業技術センターの保科殿、図面の製作において相談にのって頂いた MMS の前田社長殿に深く御礼申し上げます。
また、バッテリーを提供していただいたリッセル社につきましても、厚く御礼申し上げます。さらに高齢者にやさしい小型電気自動車の設計・製作には（財）高知県産業技術振興センターのシーズ技術開発支援基金、日本機械学会 RC179 研究会からの補助金を頂いた。

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参考文献

車両運動性能とシャーシメカニズム
著者

宇野 高明

サスペンションの仕組みと走行性能
著者

熊野 学

自動車のサスペンション
著者

カバヤ工業株式会社編ものづくりのための機械製図
著者

実践教育訓練研究協会編

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付録 1
フレーム表 前回と今回の小型電気自動車の比較表

前回の小型 EV

今回の小型 EV

全長1650mm

1600mm

全幅1200mm

1000mm

寸法・重量 全高1600mm

1600mm

ホイールベース1250mm

1220mm

車両重量約 350kg

約 150kg

形式

DC ブラシス

BF9-160H

定格出力0.3kw×20.6kw

最高出力

0.6kw×2

1.6kw

定格トルク

7.5N・m

3.1N・m定格回転数800rpm5100rpm

使用個数

２基

1基

重量11kg10.8kg

形式

SB-D26R

BP3518kg

6.48kg

使用個数

4 個直列

8 個直列

ステアリング形式

ラックアンドピニオン

ラックアンドピニオン

ブレーキ形式・前ドラム

ドラム

ブレーキ形式・後回生ブレーキ

ドラム

モータ

バッテリー 重量

サスペンション形式・前 ダブルウィッシュボーン ダブルウィッシュボーン
サスペンション形式・後 フルトレーリングアーム ダブルウィッシュボーン
タイヤ・前3.5-1090-12タイヤ・後3.0-1090-1216

付録 2（図面）・ ステー
・ ステー取付け図（正面）・ ステー取付け図（左側面）
・ サス用ステー取付け図（正面）・ サス用ステー取付け図（右側面）
・ アーム（部品１）・ 角パイプ取付け図（アーム）・ アーム穴あけ図・ 前ロアアーム用ステー
・ ステー取付け図（前ロアアーム）・ 右後ロアアーム用ステー
・ 右後ロアアームステー取付け図・ 左後ロアアーム用ステー
・ 左後ロアアームステー取付け図・ 前アーム用部品 1・ 前アーム用部品 2・ 右前アーム用部品 1,2（アセンブリ図）
・ 左前アーム用部品 1,2（アセンブリ図）
・ 後アーム用部品 1・ 後アーム用部品 2・ ステー（後アーム用部品）
・ モータマウント・ モータマウント用ステー1
・ モータマウント用ステー2
・ モータマウント用ステー取付け位置（左側面）
・ モータマウント用ステー取付け位置（正面）・ モータマウント取付け図（側面）・ モータマウント取付け図（正面）・ ラックアンドピニオン用ステー（部品１）・ ラックアンドピニオン用ステー（部品２）・ ラックアンドピニオン用ステー（部品 1,2 アセンブリ図）
・ ラックアンドピニオン用ステー取付け位置

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