小型電気自動車用フレームの設計と応力解析高知工科大学
知能機械システム工学科
横山 應祥

概要
○我々はグループ研究で、小型電気自動車を製作した。
これは、２年次に普通軽自動車を電気自動車に改造した実績を元に計画された。

○報告者は今回の計画において、図面製作とフレームの応力解析を担当した。

○主要部品であるフレームに関して応力解析を行うことにより、耐久性の評価を行うこととした。

○解析は実際の走行を意識して条件設定をした。
有限要素法により解析を行い、主応力の平均応力については比較的良好な結果を得た。

○最大応力が非常に大きな値となったが、モデルの不備が大きく影響しているものと予想された。

○上記の結果より、応力集中部の精密解析が必要であるものの、平均応力の評価からはフレームに改良の余地があるものと思われる。

○今回のグループ研究では、設計・製図・解析と、もの作りの基本的な流れを体験でき、それだけでも十分貴重な体験ではあった。
その中でも、設計意図を伝える図面が描けず苦労した事は、特に貴重な体験だった。

目次
１． 緒言
２． 研究の背景
３． 計画の流れ
４． 図面製作
５．

小型電気自動車のフレーム

６．

解析
６．１

解析条件及び解析モデル

６．２ 解析結果
６．３

結論

７． 今後の課題
８． 結言
９． 謝辞
１０．

学会発表

１１．

文献

付録
付録Ａ

：

図面集

付録Ｂ

：

学会発表資料小型電気自動車用フレームの設計と応力解析
１０１０２３０

横山

應祥

１．緒言
我々はグループ研究として、個人での短距離移動を実現するための新たな手段となる、Fig.１に示すような一人乗りの小型電気自動車を製作した。
この電気自動車の想定される使用用途としては、通勤通学、買い物、高齢者の移動、などが挙げられる。
として挙げたものは、多くの場合一人で行われるものである。
人が乗車可能なものであり、不経済であると言える。
言えない。

例

しかし、そこで使用される現状の自動車は複数

また、最近の大気汚染問題から見ても好ましい状況とは

このような状況もふまえて、一人乗りの小型電気自動車を企画・製作した。

電気自動車は文字どうり電気で動く自動車である。
り、どうしても全体重量が重くなってしまう。

このため、電気自動車はバッテリーを搭載する必要があ

この点も考慮しつつ、十分な耐久性を持つように構造を考え製作したが、自動車製作に関する知識や経験が十分になかったので、実際にどれくらいまでの力に耐えられるかは分かっていなかった。

そこで、製作した小型電気自動車の主要部品であるフレームについて応力解析を行いその耐久性について評価を行う事とした。
本報告では、報告者が担当した設計と応力解析について述べる。

Fig.１

製作した小型電気自動車

２．研究の背景
小型電気自動車に先駆け、２年次に普通軽自動車を改造した電気自動車をグループで製作した（Fig.２）。 この改造電気自動車は、四国で行われる「四国ＥＶラリーフェスティバル」に向けて製作されたもので、公道も走行可能であった。

これを一歩進めて、基礎となる車体から製作しようとしたのが今回の計画である。

一方、坂本研究室では、ものつくりの一環として３Ｄ−ＣＡＤを重要視している。

研究室配属の３年次よりＣＡＤを本格的に学び始め、ローカルクリーンエネルギ研究の一環として発電機の３Ｄ−ＣＡＤ図面の作成を担当した。
（Fig.３・Fig.４：作成例）

Fig.２

その関連から、今計画で図面製作を担当することとなった。

改造した電気自動車

Fig.４
Fig.３

練習で描いた３Ｄ−ＣＡＤモデル

発電機の３Ｄ−ＣＡＤモデル

３．計画の流れ
以下に今計画の流れ図を示す。

この内、下線の引かれたものに報告者は関与しており、また、○の付けられたものは報告者が担当した。

４．図面製作
図面製作には３Ｄ−ＣＡＤソフト（ＳｏｌｉｄＥｄｇｅ−ＵｎｉｇｒａｐｈｉｃｓＳｏｌｕｔｉｏｎｓ製）を使用した。
図面製作は、前段階で製作された３ＤＣＧ（３．参照）を元に、新たに３Ｄ−ＣＡＤ図面を作成し、それを使用して２Ｄ−ＣＡＤ図面を作成する流れで行った。
作成したのは、フレーム、モータマウント、サスアーム、その他細々とした部品など、小型電気自動車製作に必要な部品の殆ど全ての図面とその組立図などである。

付録Ａに図面集を示す。

この図面を元にして加工メーカーに製作依頼をしたが、読みにくい・分かり難いという評価であった。

製作

者に設計意図を伝える難しさを痛感した。

５．小型電気自動車のフレーム

応力解析の対象である小型電気自動車用フレームの形状を、
Fig.5 の３Ｄ−ＣＡＤ図面、Fig.6 の２Ｄ−ＣＡＤ図面に示す。
φ２７．２×ｔ２．８のパイプ（材料：ＳＧＰ）と、断面６０mm×３０mm の角材（材料：ＳＳ４００）を組み合わせて作られており、その接合は全て溶接で行われている。
フレーム前方に前輪及びステアリング機構、フレーム後方に後輪及び駆動モータ、フレーム中央付近にバッテリー及びシートを設けてあり、総重量は約３５０ｋｇである。
Fig.５

３Ｄ−ＣＡＤ図面

Fig.６

２Ｄ−ＣＡＤ図面

６．解析
６．１

解析条件及び解析モデル

解析は実際の走行を意識して、バッテリー４個を搭載した上でシートに人が乗っているとして行った。 また、材質は鋼であるので弾性係数を２１０００ｋｇｆ／mm＾2、ポアソン比を０．３とした。
Fig.７に示すように、フレームはサスアーム接続部計１２点で拘束するものとし、荷重については、シート取り付け部４点と、バッテリーを乗せている板とフレームが触れ合う面２ヶ所に作用するとした。

Fig.７

フレームモデル

荷重の決定には以下の式（１）（２）を用いた。

安全性を確保するために、荷重に安全率として５をかけた値を使用することとした。

安全率に関しては、走行時の荷重変動や荷重バランスの変化、また、フレームの耐久性を検証するという観点から高めに設定した。
今後、この安全率の妥当な値を検討していきたい。

６．２

解析結果

解析モデルを作成し、有限要素法ソフト（ＳｔｒｅｓｓＣｈｅｃｋ−アプライドデザイン製）による解析を行った。

Table１に解析結果の内、主応力の最小値・最大値・平均値を示す。
（単位：ｋｇｆ／mm＾２）

Table１

計算結果

解析に平行して、結果を評価するためにフレームの一部分（フレーム後端上部のはり：Fig.８）を抜き出して手計算で応力を求めた。

Fig.８

はりの略図

解析結果と手計算の値を比較すると、平均値は比較的合っているが最大応力が大きく違っていることが分かる。
そこで、特に大きな応力が出ている場所を調べてみたところ、材料同士が繋がっている場所、具体的にはフレーム後端下部の角材と前後方向に渡してあるパイプの付け根などで大きな応力が出ている。

このモデルは角部にＲを付けるなどの応力集中対策を施さず作成したので、この事からモデル作成時の不備による応力集中が大きく影響していると考えられる。

なお、計算結果のファイルが保存処理時の手違いで消失したため、応力分布図

は今回図示できなかった。

６．３

結論

主応力の平均値だけを見た場合、その数値は材料の降伏点及び引張り強さよりかなり小さい。
のフレームには改良の余地があると言える。

したがってこ最大値については、降伏点及び引張り強さを大幅に上回ってしまったが、応力集中を考慮していないモデルなので、現時点では評価できない。

今後、精密な部分モデルを製作して再度解析を行う必要がある。
以上の結果より、平均応力の評価からはフレーム形状の改良、材料・材質の変更の余地があると言える。
らに、応力集中部の精密解析も必要である。

さ７．今後の課題
今回は、ひずみゲージによる実働応力の測定までできなかった。
い解析結果との比較が可能となる予定である。

現在、解析ができつつあるので、実測を行

また、解析時の荷重決定の観点から、加速度センサを取付けて上下方向の加速度を計測し、稼動時荷重を求めて安全率を実際に近づける必要がある。

これにより、より実際に即したフレーム設計が可能となる。
これらとは別に、モータマウントの応力解析を行うことも今後の課題の１つであると言える。

８．結言
今回のグループ研究で、報告者は設計・製図・解析と、もの作りの基本的な流れを体験したが、知識・経験の不足を強く感じた。

その中でも、製作者サイドの知識・経験の不足は特に大きなものだった。

例えば、溶接による歪みを過小評価した設計をした為、後に設計を変更した事などがそれに当たる。
図面は設計意図を伝えることができて、初めて意味を持つものである。

製図法は独学できるが、設計意図を伝えられる図面を引くには、独学だけでは対処しきれないところがある。

この事が分かっただけでも、今回のグループ研究に参加した意義があった。

９．謝辞
部品の製作をして下さり、また、製作の相談にのって下さった福留工業殿、坂本鉄工所殿に謝辞を述べたいと思います。

１０．学会発表
１)東男、松岡順一、伊藤淳、内野喬誌、横山應祥、製品分解による小型風力発電機、小型水力発電機の設計
思想、エコデザイン 2000 ジャパンシンポジウム、2000 年 12 月、p90-93
２)澤田達郎、坂本東男、戒能徹、横山應祥、小型電気自動車の設計･製作、日本機械学会中国四国支部講演会、
2001 年３月、発表予定
３)Haruo Sakamoto,Takashi Uchino, Noriaki Onishi, Toru Kaino, Tatsuro Sawata, and MasaakiYokoyama,
Capstone Design and Manufacture of Hand-MadeSmall-Sized Electric Vehicle, ASME Conference, Sept.
2001, to be presented.
（付録Ｂに発表資料を示す）

１１．文献
ＪＩＳハンドブック１９９９年度版、鉄鋼Ⅱ
機械工学便覧改定第６版、材料力学
材料力学入門、高尾健一

付録Ａ

図面集

○ステアリング
ロアアーム
アッパーアーム
ステアリング用パーツ
○フレーム
フレーム
ステ−取付図ステ−各種
ハンドル取付部
ハンドル取付部用プレート○モータマウント
モータマウント
モータ取付用プレート（１）
モータ取付用プレート（２）モータマウント組立図
モータ軸カップリングロアアーム３Ｄ

ロアアーム２Ｄ

アッパーアーム３Ｄ

アッパーアーム２Ｄ

ステアリング用パーツ 3Ｄ

ステアリング用パーツ２Ｄ

フレーム３Ｄ

フレーム２Ｄステ−取付図３Ｄ

ステ−取付図２Ｄ

ステ−取付図２Ｄ（続き）

ステー（1）

ステ−（２）ステ−（３）ステ−（４）ステ−（５）

ハンドル取付部３Ｄ

ハンドル取付部２Ｄ

ハンドル取付部用プレート３Ｄ

ハンドル取付部用プレート２Ｄ

モータマウント３Ｄ

モータマウント２Ｄ

モータマウント２Ｄ（続き）

モータ取付用プレート（１）

モータ取付用プレート（２）モータマウント３Ｄ

モータマウント２Ｄ

モータ軸カップリング３Ｄ

モータ軸カップリング２Ｄ

付録Ｂ

学会発表資料製品分解による小型風力発電機、小型水力発電機の設計思想○ 坂本東男（高知工科大学）、松岡順一、伊藤淳、内野高誌、横山應祥

Design Idea of Small-Size Wind and Water Power Generators Obtained by
Product Dissection
Haruo Sakamoto (Kochi University of Technology), Junichi Matsuoka,
Jun Ito, Takashi Uchino, Masaaki Yokoyama
1 . 緒言:近年、地球温暖化の防止や地球環境の保全化の観点から、新エネルギー確保の開発研究が盛んとなってい る 。 通 産 省 で は 2010 年 に 太 陽 光 発 電 を 5 0 0 万 kW 、風力発電を 3 0 万 k W の目標で普及を目指している。
風力発電機には従来誘導型電磁石が使用されているが、最近特に中小型風力発電機に永久磁石が使われるようになっている。従来の風力発電機はプロペラ（ 翼 型 ）タ イ プ が 主 流 で あ り 、定 格 発 電 能 力 は 1 2 . 5 m / sなど強風時に確保されるのが一般的である。小型風力発 電 機 は 集 会 所 や 個 人 住 宅 に 普 及 さ れ るこ と を 目 指 しており、このような強風状態での発電能力では十分な発電が得られないのが通常である。そこで、市販されている小型風力発電機を分解して、設計された思想をまとめ、今後の風力発電機の効率向上策に関して考察した。
製品分解は市販されている製品を分解して、中に含まれる創意工夫を学習出来る。また複数の製品を対象とすることにより、比較により、より良い設計の指針を得ることが可能となる。以下、市販の小型風
力発電機、小型水力発電機を分解して、得られた指針を報告する。
２．製品分解によるエコデザイン学習事例 1 )工学系大学、特に機械工学分野では製品分解によるデザインの学習を行う大学がある 2 )。高知工科大学では１年生へ機械工学への導入学習として製品分解を実施した 1)。米国製、日本製の製品を分解して両者の設計思想を比較した。ここでは電池式室内クリーナーの例を説明する。
比較したのは図１に示す米国製ブランドＡと日本製ブランドＢの２つのクリーナーである。価格に関しては日本製が米国製の３倍以上であるが、外観、性能には大差が認められない。図２は１年生クラスでの分解作業風景であり、図３は分解した結果の比較である。さらに表１に２つのクリーナーの比較を数値で示す。米国製の方がエコデザインとなっている。日本
製は消費者の意向である効率化、利便性の追求からね
じ、部品点数が多くなっている。最終的には充電時間の違いが設計に大きく影響している。この例から言えることは、エコデザインを目指すには、日本では消費者の要求事項から考え直す必要がある。

図１ 電池式室内クリーナ（左日本製、右米国製）
図２ １年生のセミナー（製品分解）風景図３ 分解結果比較（左米国製、右日本製）
表１ 分解結果比較
３．市販小型風力発電機の分解
3.1 米 国 Sou thwest 製 エ ア ラ ン ド
403(400W)
S outhwest 製エアランド小型風力発電機は米国、日本で最も多く販売されていると言われている。図４に外観を、図５ に 概 略 分 解 の 状 態 を 示 す 。 本 体 は 6 2 0 m m の長さ、胴 回 り （ 最 大 ） が 1 4 2 m m 、重量は 6 . 0 k g である。長さ
5 6 c m の 羽 ３ 枚 で 回 転 し 、 発 電 開 始 風 速 は 3 . 0 m / s 、定格 400W は風速 12.5m/s で 出 力 さ れ る 。 図 ６ に 磁 石 が着いたローターとコイルの着いたステータを示す。ロー タ ー は 1 2 個 の N d -F e- B 系 永 久 磁 石 が エ ポ キ シ で 接
着 さ れ 、幅 8 m m の ス テ ン レ ス 鋼 バン ド で 補 強 さ れ て いる。コイルは分布巻であり、コアの電磁鋼板の内径部は 磁 石 の ３ 倍 の 数 で あ る 3 6 個の突起を有している。３相での電力出力となっている。羽根はサーモプラステ
ィック系カーボンファイバ強化材料で、効率的に電力を取り出す形状を検討されたと記述されている。強風時にはブレードの先が風によってねじられ、余分な力を逃がす働きをしている。
図６ 同上発電機のロータ、ステーター
図７ 新日本技研の 1 k W 風
力 発 電 機（ 左 羽 根 を は ず し た
外 観 、右 フ ー ド を は ず し た 外観）
図８ 同上ローターをはずした外観
図４ 米国製エアランド 4 0 3 小型風力発電機

図５ 同上発電機の小分解
3.2

日本、新日本技研製 S N K - 1 0 0 0 ( 1 k W )日本では風力発電機のメーカーが少なく、大型では三菱重工製が有名である。小型の風力発電機メーカーであった新日本技研が製作した定格 1 k W 発
電の風力発電機を入手して分解した。図７に外観を示す。図７左のフランジ部分に３枚の羽根（1 . 3 m ）をセットする。プロペラ（羽根）は木製である。本体は縦7 1 c m 、横 3 8 c m 、奥行 3 2 c m

図９ ローター（内径に８個の磁石）

3.3

英国製ウインドチャージャー3 0 0 W
英国式ウインドチャージャを図 1 0 に示す。
図 面 か ら 3 D -C A D で 描 い て み た 。 真 ん 中 が コ イ ル を セットしたステーターであり、その両サイドに磁石が配置されたローターが２つある。コイルはコアがなく、樹脂で固められている。コイルは８個で磁石も片側８
個である。

5.

図 1 0 英国式ウインドチャージャの 3 D - C A D
４ 小型水力発電機の分解
4 . 1 米国製 A Q U A I R 小型水力発電機

図 11

小型水力発電機（米国 AQUAIR）

図 12

同上磁石を付けたロータ（２段）

結言：省略

小型電気自動車の設計･製作※澤田達郎（高知工科大）正◎坂本東男（高知工科大）あ戒能徹

あ◎横山應祥（高知工科大）（高知工科大）1.緒言
環境面や騒音などに対する観点から電気自動車が注目され､自動車メーカーから電気自動車や､内燃機関とのハイブ
リッド自動車などが発表･発売されている。しかしながら､電気自動車の技術的・環境的課題として､航続距離の短さ､充電時間の長さ､バッテリーの重量､専用バッテリ−の価格､充電場所の不足などが挙げられ、内燃機関を搭載した自動車の代替にはなっていないように思われる。
我々は上記の課題を考え､公道を走行でき、短距離移動用として使用する小型の電気自動車の設計･製作を検討した。
規格は原動機付四輪自転車のそれに適用でき､バッテリーも比較的安価な普通乗用車（ＲＶ車用密閉型）のものを使用した。
短距離移動用としたのは、①長距離走行を行い、深放電を繰り返し行うと寿命が短くなる、②走行中一定の電圧で最後まで使用することが出来ない、などの特性を持つ普通自動車
用バッテリーを使用することや、前述した電気自動車の課題などを踏まえて決定した。
2.小型電気自動車設計概念(1)車体サイズ目標値の設定
短距離移動用という性格上、移動先で電気自動車が走行不能になる場合や、遠距離を運搬しなければいけないことも考えられる。そのような事態にも対応するため､車体の全長･全幅･全高の目標値を軽トラックの荷台に余裕をもって乗るよ
うに､それぞれ､1.6ｍ･1ｍ･1.6ｍとした。
(2)サスペンション形式･フレーム形状の決定
サスペンション形式はフロントにダブルウィッシュボー
ン式の、リアにフルトレーリングアーム式の４輪独立懸架を採用した。その形式に対応するため、フレームの幅は、前部がアームを長く確保するために狭く､後部が剛性を高めるた
めに広い台形形状となった。またメインフレームは､剛性向上とバッテリー等重量物の搭載スペース確保のため２重フレームとなっている。
(3)3D‑CG によるフレーム及びサスペンションの原案作成
イメージを表わすため､3D‑CG ソフトを使用してモデルを作成した。画像として表示させることにより､チーム内でのより具体的な形状把握ができ､設計相談や製作が円滑に行えた。図.1 に CG モデルを示す。

図.1 3D‑CG により作成されたフレームのモデル(4)3D‑CAD によるモデルと図面の作成
3D‑CG によるモデルを参考に 3D‑CAD で正確なモデルを製作した。このデータを２D‑CAD データに変換し､製作の発注に使用する製図とした。
3.小型電気自動車の特徴(1)モーター及びモーター取り付け部
内部で減速されたインホイールモーターを後部サスペン
ションのアーム上に１基ずつ搭載した。モーター軸と車軸はカップリングを介し直結されている。
(2)ブレーキ機構
前輪は油圧式ドラムブレーキ､後輪はモーターによる回生ブレーキにより制動される。前輪ブレーキはワイヤーによるサイドブレーキも兼ねている。ペダル等のユニットは軽自動車のものを使用し､真空ポンプによって倍力装置も作動する。
(3)ステアリング機構
ラックアンドピニオン式を用いた。また､ステアリングホ
イールには普通乗用車のそれを使用している。
(4)制御
マイクロコンピュータを使用し､後輪に取り付けた２基のモーターの回転数を､ハンドルの切れ角に応じて差をつけている。（現在は２段階）
4.小型電気自動車に関しての今後の課題
図.2 の写真が現在までに出来ている小型電気自動車である。我々の機械製図に対する知識の足りない部分や、納期の関係から､最初の設計から何箇所か変更された部分がある。

図.2 小型電気自動車
現在モーターの出力が足りないためモーター内臓のギアで減速を行っているが､そのギア比は 1：3.985 と大きい。これはこのギア比しか選択肢が無かったためである。この状態
ではスピードが 15ｋｍ/ｈ未満しか出ないと考えられ､実用化していくためには不充分である。そのため今後はモーター取りつけ部のユニットを現在のモーター軸−車軸の直結方式をやめ、ギアやプーリーを用いて外部で減速できるユニッ
トに設計変更し、再制作する必要がある。また､各部の駆動ロスも大きく、それらも改善が求められる。
今後は実走行を行い､各部の技術課題の解決、及び実用性の向上を行っていきたい。
5.結言
今後、制作した小型電気自動車の性能向上や自動運転技術を意識した勉強していきたい。

Capstone Design and Manufacture of Hand-Made Small-Sized Electric Vehicle
Haruo Sakamoto, Takashi Uchino, Noriaki Onishi, Toru Kaino, Tatsuro Sawada, and Masaaki Yokoyama
Dept. of Intelligent Mech. Sys. Engr.
Kochi University of Technology
Tosayamada-cho, Kochi 782-8502, Japan

ABSTRACTThis paper describes an engineering education attempt in asynthesis class during the 4th year. Since the Kochi University ofTechnology was inaugurated in April, 1997, four years of engineering
education trials have passed. In 1997, 3 student teams participated inan eco-power race held in Kochi, Japan, with hand-made ecologicalvehicles. In the summer, 1998, three teams participated in the Shikoku
Electric Vehicle Rally using light weight vehicles converted into
electric cars. The synthesis class was performed based on such pastengineering activities. In order to provide an active learning
opportunity, a synthetic learning environment is needed rather thanjust teaching in classes. Manufacturing is also considered to be ofgreat importance for mechanical engineering as well as the basic
sciences such as mathematics and physics. As a capstone learning
course, a team of five students in the laboratory tried to design andmanufacture a hand-made small-sized electric vehicle.
INTRODUCTION
The Kochi University of Technology, shown in Figure 1, wasopened in April, 1997. The university has been trying new engineering
education such as first year seminars using real products1), computerassisted English education2)3), and so on. In this report, an activity fora synthesis education class is described.
Two extracurricular (out of class and no credit) activities 4) wereconducted. The first one is the Eco-power Race. In November, 1997,
the Kochi Eco-power Race organized by Toyota Vista Kochi was heldin Kochi, and three teams from the Kochi University of Technology
entered the race. The second is the Electric Vehicle Rally. In August,
1998, the Shikoku Electric Vehicle Rally, organized by a committee ofhigh school teachers and university educators, was conducted in
Shikoku, the smallest main island of Japan. The rally is the first one inJapan for a car rally on public roads. Three teams from the Kochi
University of Technology joined the race. The synthesis education
class was performed in the 4th year based on the experiences fromthese activities. The team of five students selected a design theme andmanufactured a hand-made small-size electric vehicle.
Electric or hybrid vehicles are being developed and sold.
However, electric vehicles at the present are not perfect. They can not
run very far, they need to charge which requires a long time, batteries
are heavy and expensive, and so on. However, in the near future, fuelcell vehicles will become commercialized. This will makegasoline-powered vehicles less common. Under such a circumstance,
five students from the Kochi University of Technology started todesign and manufacture a hand–made small-sized electric vehicle as acapstone project course in the 4th year. They selected a small-sized one
instead of a conventional one, and aimed to produce a hand-madevehicle for short-range running..

Figure 1 Kochi University of Technology Opened in 1997
DESIGN CONCEPTThe first of the main design concepts is a small-sized
vehicle, whose vehicle category is equivalent to the one for theengine-powered three or four wheel bicycles in Japan. The size wasdetermined as being able to carry the vehicle in a light weight truck fora long drive. The length, height, and width were 1.6m x1.0m x1.6m.
The second main design concept is the frame design.
Applying a double wishbone type suspension for the front and fulltrailing-arm type suspension for the rear, the frame configuration wes
studied. Using 3-dimensional computer graphics (3D-CG), the frame
configuration was determined. Figure 2 shows the graphics for themounting suspensions and two motors. The team recognized that the
3D-CG image was effective for the group to determine the target theteam will aim.

Figure 2 Frame Model by 3D-CG (Computer Graphics)
The third main design concept is to determine the motor. The
in-wheel motor made by Honda for electric vehicles was applied,because the motor has a controller inside, and output data can be usedfor control. Although rather high power motors of 14kW for electricvehicles are in the laboratory, the team decided to use two Honda
motors of 600W, which seemed not to be enough for the vehicle. They
used these motors, because they can make some devices to control thevehicle. Figure 3 shows the motor.

Figure 3 Honda In-wheel Motor
DETAIL DESIGN AND MANUFACTURE
Frame Design and Manufacture
Based on the image developed by the computer graphics,
the frame design was performed by 3-dimensional computer aided
design (3D-CAD). Figures 4 and 5 show the 3D-CAD graphics of themain frame and mount frame for the motors. The front part of themain frame was determined to have a width smaller then the rear one,because the wishbone arms are desired to be long enough within theplanned vehicle width. The width of the rear part in the frame is set to
be longer within the planned vehicle width in order to obtain a hightwist rigidity.
About 30 two-dimensional drawings were made for the
manufacturing.

Figure 5 3D-CAD Drawing of Motor Mount Frame
Figure 6 2D Drawing of Main Frame

Figure 4 3D-CAD Drawing of Main Frame

Since the university is not ready to manufacture by welding, theassembly by welding was conducted at a shop near the university. The
drawings were not sufficient for manufacturing due to the time
constrain from design to manufacture and due to the inexperienced
students’ ability for drawing. Figure 6 is a drawing example. The teammade 30 drawings and discussed them with people in the shop.

Front Suspension and Steering Construction
The front suspension was determined to be a double
wishbone type one, because of its high rigidity, stable camber angle,
and is common in conventional automobiles. Figures 7 and 8 show thesuspension system.
As for the steering construction, it consists of a steering
wheel (handle), shaft, gear box of the rack and pinion type, and rod.
The gear box for a light weight vehicle has been commercialized, andis used for this project. Between the handle and shaft, and between theshaft and gear box, universal joints are applied for flexible angle
control. At this moment, the vehicle is driven by a handle forcornering. In the future, sensor control will be studied for auto vehicle
steering. In order to obtain an auto steering function, the gear box ofthe rack and pinion type will be controlled by a servo-motor. Figure 9shows the gear box.

Figure 9 Gear Box of Rack and P inion Type

Figure 7 Front Suspension System (With a Tire)

Rear Suspension and Motor Mount
The rear suspension is the full trailing arm type as shownin Figures 10 and 11. The motor is mounted on the mount frame,
which can move vertically by the trailing arms. From the designconcept of the rear susp ension, the motor shaft and the wheel shaft
was determined to be directly connected. The shafts are connected by
the coupling shown in figure 12. The center of the motor shaft was
intended to coincide with that of the wheel shaft. However, due to thedeformation caused by welding, the center to center is not straight
enough for driving. This should be modified.

Figure 10 Rear Suspension and Motor Mount

Figure 8 Front Suspension System (Closer View)

Figure 11 Rear Suspension and Motor Mount (Closer View)
Motor and Drive Control
The vehicle is powered by the two motors, which control
the two rear wheels. The motor is the Honda in-wheel type,DDW-4060 Type A , and the microprocessor from Akizuki Electric
Co. AKI-H8 is used for the drive control. The four signal electric
wires of speed, brake, clock-wise rotation and anti-clockwise rotation,and compensated current are used for monitor and control.
The curving control is conducted by obtaining therotational speed difference between two wheels running on the curve.
Figure 12 shows the rotational speed ratio of the outer wheel and inner
wheel. A simple control is planned for the first stage of vehicle control.
100% and 90% of the speed difference was decided for drive control.
The speed difference control should be continuously conductedaccording to each curve radius. However, this project is the very firststage for control, and the simple control was used in order to initiallystudy and then modify. Figure 13 shows the microprocessor board,and Figure 14 shows the rotational speed difference between the outerand inner wheels depending on the curve radius. The display for thedrive control is then produced, and Figure 15 shows the display.

Figure 12 Coupling between Motor and Wheel Shafts

Figure 13 Micro Processor Board for Drive Control
Figure 14 Rotational Speed Difference on Curves
Brake System
The brake system consists of a brake pedal, master cylinder,and drum brake on a wheel. Because the brake pedal and mastercylinder for three or four wheel bicycles is not sufficient to the vehicle,
a setFigure 15 Display for Drive Control
consisting of a brake pedal and master cylinder for light weight vehicles
was used. Figure 16 shows the cylinder for the pressure amplifier. In the
future, the auto brake system using some sensors will be planned.

Figure 18 Hand-Made Small-Sized Electr ic Vehicle (Back View)

Figure 16 Brake Cylinder for Pressure Amplifier
Assembling
After the manufacture of the main and motor mount frames,
the vehicle was assembled. Figures 17 and 18 show its appearance.
The vehicle was originally planned to be designed and manufactureed
in order for the team to participate in the 2000 Electric Vehicle Rally
in Shikoku, which was held in August, 2000, in Kochi. However, theassembling was not finished by the time the rally started. The work
was again started in the autumn semester, and finished by the end ofJan., 2001. However, technical matters are still to be solve, which will
be studied in the next year.

Figure 17 Hand-Made Small-Sized Electric Vehicle (Side View)

DISCUSSION
Hand-Made Small-Sized Electric Vehicle
There are a variety of technical matters to be solved. The
weight, speed, and control are the main items to be further studied. The
original target of the weight was not clarified, and the weight after
manufacture is about 350kg. The weight reduction should be studied bymaking a parts list with individual weights and then by seeking lighter
ones. The speed depends on the motor. Since the team selected the
motor by considering the ability of control and data acquisition, theselected motor was not the one which has enough power for the vehicle.
If the team selects a 14kW motor, which was used for the 1998 Shikoku
Electric Vehicle Rally, the power will be sufficient, unless the team careabout the ability of data acquisition. The motor selection is a matter tobe studied. The control of the two wheels rotational speed on curves is
not complete. The team was able to make a two-stage control of 100%and 90% for the two-wheel speed difference. The control of driving andbraking should also be further considered.
Capstone Design and Manufacture ProjectAs a project for 4th year students, the project requires
manufacturing as well as design. The theme and target of the project are
in students’ hands. In other word, they need to consider the theme andtarget by themselves. The instructor thinks that the project should not be
restrained by those in the research field, since the faculty’ discipline isnormally in a small area of the academic research field. The project
should be aimed at the real world, and manufacturing is of great
importance in mechanical engineering.
The team selected the project of a hand-made small-sized
electric vehicle, which needs design and manufacturing as well as
knowledge of automobile technology and how to make the vehicle. The
faculty played the role of supporter, and is not able to teach theautomobile technology. The team needed to find the related parts and to
study how to design and manufacturing by themselves. The teamneeded to negotiate with the people from the welding shop and parts
makers.
Although the completed vehicle was not the one that theteam originally wanted, since the weight, power, and control need to bemodified, the team succeeded in producing a real product. The project
theme was considered to be appropriate in a sense for the study for 4thyear students in mechanical engineering.
CONCLUDING REMARKSAs a capstone design and manufacturing project, the teamof five 4th year students were challenged to design and manufacture ahand-made small-sized electric vehicle. The obtained results are as
follows.
1. The hand-made small-sized electric vehicle was completed,
although many technical matters still need to be solved. The weight,
speed, and control are the main items to be further studied.
2. As a project, the team considered their theme and target. The faculty
was a supporter for this project from the viewpoints of funding andsuggestions. The team completed the vehicle by themselves.
3. The project theme aimed at manufacturing as well as design. In a
design process, computer graphics were effective for the group
discussion. Although the design detail was not sufficient for
manufacturing due to students’ inexperience in design ability, theteam obtained experience on how to produce a product with theirown drawings.
ACKNOWLEDGEMENT
The authors greatly acknowledge the people who performed
the welding work in the shop (Fukutome Kogyo). The authors would
also like to express their sincere thanks to Professor Hiroshi Nomura forhis kind guidance on electric vehicles.
The team also expresses sincere thanks for the support fromthe Kochi Prefecture budget of the related ‘Karakuri Project’.
REFERENCES
1) Haruo Sakamoto, Kazuhiro
Kusukawa, Jens Jorgensen,
M echanical Engineering Education for 1st Year Seminar Using Real
Products, ASME, DE-Vol.102, (1999), p13-17.
2) David Greene. "LATCH: a syllabus design for EFL instruction in
CALL" in Computer Assisted Language Learning (Lisse, The
Netherlands), 11, 4, 381-96.
3)Lawrie Hunter. "Text nouveau: visible structure in text presentation"in Computer Assisted Language Learning (Lisse, The Netherlands), 11,4, 363-79.
4) Haruo Sakamoto, Extracurricular Education and Experimental
Course Using Electric Vehicles, ASEE 2001, to be presented.