1053 日本 機 械 学 会 論 文 集(A編)
74巻744号(2008‑8)
論 文 No. 08‑0198
ヘ ッ ドボ ル トの 締 め 付 け に よ っ て 生 じる デ ィ ー ゼ ル エ ン ジ ン シ リン ダ ブ ロ ッ ク の トッ プ デ ッ キ 隅 部 に お け る 静 ひ ず み に
関 す る有 限 要 素 解 析*
井 口 克 之*1, 多 田 直 哉*2, 清 水 一 郎*2
Finite Element Analysis of Static Strain along the Fillet on
Upper Deck of Diesel Engine Cylinder Block Produced by Tightening of Cylinder Head Bolts
Katsuyuki IGUCHI*3,Naoya TADA and Ichiro SHIMIZU
*3 Mid‑size Engines Development Departrnent,Yanmar Co.,Ltd., 1‑1‑1 Nagasu Higashidori, Amagasaki, Hyogo, 660‑8585 Japan
The distribution of static strain along the fillet on an upper deck of cylinder block and its dependency on the depth of thread engagement for cylinder head bolts were evaluated for a diesel engine by the finite element method. Since the fillet on upper deck is one of the critical parts in the cylinder block that may be cracked by stress and strain concentration, the static strain along the fillet was focused on in this study. In the model, the static tightening force of cylinder head bolts balanced with the total force acting on the cylinder block. A uniform surface pressure calculated by the total force divided by the contact area was given to the upper deck. The following results were obtained.
The static strain along the fillet was dependent on the circumferential direction of cylinder and its value was varied with the depth of thread engagement for cylinder head bolts. The optimum depth of thread engagement was determined to be about 100 mm from the viewpoints of the overall magnitude of strain, the circumferential fluctuation of strain, the change rate of strain against the depth of thread engagement, and the length of cylinder head bolt. The calculated circumferential distribution of the static strain and the tightening force were compared with the measurement results under the optimum depth of thread engagement condition. Both results agreed well and this fact suggests that the present analysis is useful for optimizing the structural design of cylinder block for diesel engines.
Key Words : Stress Concentration, Internal Combustion Engine, Finite Element Method, Fixing, Optimum Design, Crack, Diesel Engine, Cylinder Block, Cylinder Head Bolt
1. 緒 言
近 年 の 地球 温 暖 化 へ の関 心 の 高 ま りの 中,熱 効 率 が 良 く,温 室効 果 ガ ス の ひ とつ で あ る二 酸 化炭 素 の出 力 あた りの 排 出量 が 少 な いデ ィー ゼ ルエ ンジ ンが脚 光 を 浴 び て いる(1)〜(4).この よ うな 特徴 を持 つ デ ィ ーゼ ル エ ン ジ ンは,自 動 車 や船 舶,自 家発 電 な どの 幅広 い用 途 に利 用 され て い る(5)〜(8)が,ガソ リンエ ンジ ンや ガス タ ー ビ ンな ど他 種 類 のパ ワー ユ ニ ッ トと同 様 に ,小形化, 高 出力 化,耐 久 性 の 向 上 を始 め と した さ らな る高 性 能 化 が 求 め られ て い る.こ のよ うな環 境 性 能 も含 めた 高 性 能 化 を具現 化 す るた め に,エ ンジ ン メー カ ーで は 設 計初 期 段 階や 商 品 化 試験 の中 で 出 力性 能 や耐 久 性 な ど,
商 品 と して の 信頼 性 の検 証 を行 って い る.一 般 に これ らの検 証 は,シ リン ダ ブ ロ ックや シ リ ンダヘ ッ ド,シ リ ンダ ライ ナ とい った 主 体 部 の他,主 要運 動 部 や 補機 類 も含 めた 内 燃機 関 の構 成 部 品す べて を対 象 に して実 施 さ れ る.
高 出 力化 を達成 させ る一 つ の方 法 に,筒 内爆 発圧 力 の 増加 が 挙 げ られ る.筒 内爆 発 圧 力 増 加 の際 には,筒 内 の燃 焼 ガ ス 漏 れ を防 ぐた め,シ リンダ ヘ ッ ドボ ル ト の締 め付 け力 を増 や して 対処 す るが,そ の結 果,応 力 集 中部 で ある シ リン ダブ ロ ック の トップ デ ッキ 隅 部 に き裂 が発 生 し,燃 焼 ガス 漏 れや 冷 知 水 漏れ な どの故 障 を 誘発 し,商 品 の信 頼 性を損 ね る とい う問題 が 顕在 化 して き た(9)〜(12).しか しな が ら,従 来 の 主 体 部 関 連 の 検 証 にお いて は,筒 内爆 発圧 力作 用 時 の シ リンダ ブ ロ ック 全体 の 変 形や ク ラ ンク シャ フ トを 支 え る主 軸 受部 周 辺 の ひ ず み を評 価 した例(13)〜(20)が報 告 され て い る も の の,き 裂 発 生 の原 因 とな る トッ プデ ッキ 隅部 の ひず
* 原 稿 受 付 2008年3月14日.
*1 正 員,ヤ ン マ ー(株)(〓660‑8585尼 崎 市 長 洲 東 通1‑1‑1).
*2 正 員,岡 山 大 学 大 学 院 自然 科 学 研 究 科(〓700‑8530岡 山 市 津 島 中3‑1‑1).
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ヘ ッ ドボル トの締 め付 け に よっ て 生 じ る デ ィ ー ゼ ル エ ン ジ ン シ リ ン ダ ブ ロ ッ ク の トッ プ デ ッキ 隅部 に お け る静 ひず み に関 す る 有 限 要 素 解 析
み を評 価 した 例 は ほ とん どな い.
以 上 の 背 景 に よ り著者 らは,内 燃機 関 の 高 性能 化 の 際 に予 測 され る この 危 険性 に対 し,き 裂 発 生 の危 ぶ ま れ る箇 所 を事 前 に把 握 し,主 体 部 の 最適 設 計 に反 映 さ せ る手 法 につ い て検 討 を行 って い る.本 報 で は,シ リ ンダ ボ ア直 径260mmの ディ ー ゼ ル ェ ンジ ン を対 象 に して,シ リンダ ブ ロ ッ ク内 の応 力集 中 部で あ る トップ デ ッキ 隅部 にお い て,シ リ ンダ ヘ ッ ドボル トの締 め 付 けに よ り発 生 す る静 ひず み の 分布 と,そ の静 ひず み に シ リ ンダ ヘ ッ ドボ ル トのね じは め あ い深 さ が及 ぼす 影 響 につ い て,有 限 要 素法 を用 い て解 析 す る と とも に, 実 測 結 果 との 比 較 を行 っ た.
2. トップ デ ッキ 隅 部 にお け る き 裂 発 生 と静 ひ ず み
本 研 究 で 着 目 した シ リ ンダ ブ ロ ック の他 に シ リン ダ ライ ナ,シ リ ンダ ヘ ッ ドな どで 構 成 さ れ る主 体 部 に は, 各 部 品 の 自重 に 加 えて,シ リンダ 内 で の燃 焼 によ る爆 発圧 力荷 重,部 品 同士 の 締結 や 固 定 あ る い は冷 却 水や 潤 滑 油 な どの 主体 部 の 中を流 れ る流 体 を シー ル す る た め に締 結 す る各 種 ボル トの 締 め付 け力 に よ る荷 重 が 作 用 す る.ま た,シ リン ダブ ロ ック には 主体 部 の組 み 立 て 時 に シ リン ダ ライ ナ の上 下 方 向 を位 置 決 めす るた め の棚 部 を トッ プデ ッキ面 近 傍 に設 けて お り,そ の棚 部 には 組 み 立 て時 に シ リン ダ ライ ナ と干 渉 しな い よ う に 隅部 が 設 け られ て い る 。
シ リ ンダ ヘ ッ ドボ ル トの締 め 付 け と シ リ ンダ ブ ロ ッ ク の トップ デ ッキ 隅 部 に 生 じ る変 形 の関 係 に つ いて, 図1を 用 い て 説明 す る.シ リ ンダ ヘ ッ ドボ ル トは シ リ ン ダヘ ッ ドとシ リンダ ヘ ッ ドパ ッキ ン,シ リ ンダ ライ ナ,シ リ ンダ ブ ロ ッ ク を一体 化 し,締 結 す るた め の ボ ル トで あ り,そ の締 め 付 け 力 は シ リ ンダ ライ ナ のつ ば 部 を介 して シ リン ダ ブ ロ ック に伝 達 さ れ る.そ の た め, トップデ ッキ 棚 部周 辺 の 変形 は大 き く,特 に シ リ ンダ ライ ナ と の干 渉 防止 のた め に設 けた トップデ ッキ 隅部 に は ひず み が 集 中す る.す な わ ち,位 置決 めの た め に 設 け た トッ プデ ッキ棚部 が応 力集 中の 主 因 とな っ て い るが,こ の構 造 は エ ン ジ ンの 小型 化 の た め には 必 要 で あ る.
実 際 に発 生 した トップデ ッキ 隅部 にお け る き裂 の例 を図2に 示 す.こ の き裂 は,エ ン ジ ンの 高性 能 化 に あ わ せ て,シ リンダ ヘ ッ ドボ ル トの締 め 付 け 力 を高 め た 試 験 機 に お いて 認 め られ た もの で あ る.こ の き裂 は 試 験 運 転 中 に発 生 した ことか ら,シ リン ダヘ ッ ドボル ト
の締 め 付 け に よ って 生 じる静 的 な応 力 と,往 復 動 機 関 に特 有 の 間 欠的 な 燃 焼 に よ って 変動 す る筒 内爆 発 圧 力
によ って 生 じる 動 的な 応 力 が,ト ップ デ ッキ 隅 部 に集 中 して作 用 した こ とに よ る疲 労 き裂 で あ る と考 え られ る.し たが って,エ ン ジ ンの 高性 能 化 に伴 い,こ の き 裂 が よ り早期 に顕 在化 す る と予想 され る.本研 究 で は, シ リ ンダ ブ ロ ッ クの トップデ ッキ 隅部 に発 生す るひ ず み の うち,シ リンダ ヘ ッ ドボ ル トの締 め 付 け に よ り発 生す る静 的 な ひず み お よ び応 力 を,そ れ ぞ れ 静 ひず み, 静応 力 と称 し,そ の 静 ひず み が 実測 値,計 算 値 と も に 大 き く,疲 労 き裂 発 生 に対 す る影 響 が大 きい と予想 さ れ るた め,ま ず は静 ひ ず み に着 目 して研 究 を行 っ た.
3. 解 析 方 法
3・1 解 析 対 象 と解析 モ デ ル 本 研 究 で は,シ リ ンダ ブ ロ ック の トップ デ ッキ 隅 部 に 生 じ る静 ひず み を 評価 す るた め に,有 限 要 素法 を用 いて3次 元 粥 生解 析 を実 施 し,得 られ た 結 果 を商 用 機 か ら転 用 した 試験 用 デ ィー ゼ ル エ ン ジ ンで の 実測 結 果 と比較 した.解 析 の Fig.1 Schematic showing mechanical balance between
tightening force of cylinder head bolts and downward force acting on thefillet of cylinder block.
Fig.2 An example of crack on the fillet of cylinder block.
ヘ ッ ドボ ル トの 締 め付 け に よ っ て 生 じ るデ ィー ゼ ル エ ン ジ ン シ リ ンダ ブ ロ ッ ク の
トッ プ デ ッ キ隅 部 に お け る静 ひ ず み に関 す る有 限 要 素 解 析 1055
対 象 と した 試 験 用 ディ ー ゼ ル エ ン ジ ンの 主要 諸 元 を表 1に 示 す.シ リン ダボ ア 直 径 は φ260mmで あ り,シ リ ンダ ヘ ッ ドボ ル トの締 め付 け に は,シ リ ンダ毎 にす べ て の シ リン ダヘ ッ ドボル トが 同時 に締 め 付 け可 能 な 油 圧 締 め の 専用 工 具 を用 いた.
図3に 数 値解 析 に用 いた シ リン ダブ ロ ック の3次 元 モ デ ル とそ の メ ッシ ュ分 割 を示 す.解 析 は1シ リ ンダ 分 に 関 して 実 施 した.シ リ ンダ ブ ロ ック は鋳 鉄(FC250 相 当 材)製 で あ り,縦 弾 性 係数 を実 測 結果 に基 づ い て E=98.1GPa,ボ ア ソ ン比 をv=0.26と した.要 素 数 お よ び 節 点数 はそ れぞ れ567235お よび127381で あ る.な お 本 数値 解 析 で は,解 析 モ デル とな る シ リン ダブ ロ ッ
クの3次 元 形 状 作 成 にPTC製 のPro/ENGINEER 2001 を,有 限 要 素 モ デル 化 お よ び数 値 解 析,ポ ス ト処 理 な どにUGS製 のI‑DEAS NXシ リー ズ(シ リー ズ10〜12) を用 い た.
(a) 3D‑solid model (b) FE meshing
3・2 シ リンダ ヘ ッ ドボル トの締 め付 け に 関す る力 学 的バ ラ ンス と解 析 に お け る境 界 条件 図4を 用 い て,シ リ ンダ ブ ロ ック か ら見 た シ リン ダヘ ッ ドボル ト の締 め付 け に 関す る力 学 的バ ラ ンス につ いて 説 明す る.
シ リン ダヘ ッ ドボル トを締 め付 け る と,シ リ ンダ ブ ロ ック にお け る シ リンダ ヘ ッ ドボ ル トと のね じは め あ い
位 置 には 上 向 き の 力FHB(HBは ヘ ッ ドボル トの意)が 作用 す る.一 方,こ の 締 め付 け力FHBは,シ リ ンダヘ
ッ ドと シ リ ンダヘ ッ ドパ ッキ ン,シ リン ダ ライ ナ を介 して伝 達 され,最 終 的 に は シ リンダ ブ ロ ッ クの トッ プ デ ッキ棚 部 を 下 向 き に押 す 力FF(Fは 隅 部(fillet)の 意)と な る.こ れ らの 力 は釣 り合 う ことか ら,次 式 が 成 立す る.
(1)
本 研 究 で は,互 い に釣 り合 い状 態 に あ る2つ の 力が 作 用 す る シ リ ンダ ブ ロ ック に関 して,シ リンダ ヘ ッ ドボ ル トのね じは め あ い位置 を変 位 の拘 束 点 と し,ト ップ デ ッキ 棚 部 に下 向 き の 力 を加 え る モデ ル を用 いて 数 値 解 析 を実 施 した.
有 限 要 素解 析 に お け る境 界 条件 を図5に 示 す.シ リ ンダ ヘ ッ ドボ ル ト4本 の 締 め 付 け力 の 合 計値 を,シ リ ンダ ライ ナの つ ば 接触 部 と トップデ ッキ棚 部 との 接触 面 積(10067mm2)で 除 して 算 出 され る平均 面 圧 を トッ プ デ ッキ棚 部 に付 与す る と同 時 に,シ リン ダヘ ッ ドボ ル トとのね じは め あ い位 置 を 全方 向 に拘束 した(21).今 回 の 数値 解 析 で は,設 計 基 準値 と して 設定 した1シ リ ンダ あ た りの シ リン ダヘ ッ ドボル ト締 め 付 け力 の 合 計 値 を2275kNと し,ト ッ プデ ッキ棚 部 に226MPaの 面 圧 を付与 した.ま た,シ リ ンダ ブ ロ ック の トップ デ ッ キ 棚部 か ら上 述 の変 位 拘 束 点 まで の 距離 で 定 義 す る シ リ ン ダ ヘ ッ ドボ ル トの ね じ は め あ い 位 置 を15〜
185mmと した.な お,本 研 究 で は,デ ィー ゼ ル エ ンジ ンを構 成 して い る 各部 品 の 自重 は,シ リン ダヘ ッ ドボ ル トの締 め付 け 力 に比 べ て 非常 に小 さい ので,考 慮 し な か っ た.
Table1 Specification of diesel engine arlalyzed.
Fig.3 Analysis model.
Fig.4 Balance of static force in the cylhlder block when the cylinder head bolts aretightened.
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ヘ ッ ドボ ル トの 締 め 付 け に よ っ て生 じる デ ィー ゼ ル エ ン ジ ン シ リ ンダ ブ ロ ッ クの トップ デ ッ キ隅 部 に お け る静 ひ ず み に関 す る有 限 要素 解 析
4 解 析 結 果 と 考 察
4・1 ね じは め あ い深 さの 影 響
4・1・1 隅 部 周 辺 の ひ ずみ 分 布 本研 究で は, 図6に 示 す よ うに シ リ ンダ の 中心 軸 か ら見 て 反 時 計 回
りに45。 ず つ の 方 向 に対 して1か ら8の 番 号 を付 け, ひ ず み分 布 等 の結 果 を説 明す る と きに適 宜 用 いた.こ こで,1番 は 反 フラ イホ イ ー ル側 の シ リン ダ間 の 方 向 と した.
図6に お け る1番 周 辺 の静 ひ ず み分 布 に関す る数 値 解 析 結 果 の 一例 を図7に 示 す.本 図 は,最 大 主 ひず み の分 布 を示 して い るが,ト ッ プデ ッキ隅 部 が ひず み 集 中部 位 で あ る ことが わ か る.ま た,縦 断面 内 で高 いひ ず み値 を示 す位 置 は,平 らな 棚 部 に近 い側 のR部 で あ
る こ とが読 み取 れ る.
1番 の断面における隅部表面上 の静ひずみ分布 を図 8に 示す.横 軸の原点は左 図に示す ように棚部の隅R 形状開始点 とした.ひ ずみはR形 状起点か ら表面 に沿 って約6mmの 位置で最大値 を示 して いる.他 の箇所 に関 して もほぼ同 じ位置で最大ひず み値 を示 している ことを確認 した.そ こで,以 降の静ひずみ分布に関す る結果は,縦 断面 における主 ひずみの最大値のみを示 す こととす る.
4・1・2 ね じは め あ い深 さ と静 ひず み の 関係 シ リン ダ ヘ ッ ドボ ル トと のね じ は め あ い 深 さ を変 化 さ せ た とき の シ リ ン ダ ブ ロ ック トップ デ ッキ 隅 部 の 各 位 置 にお け る最 大 主 ひ ず み の値 を図9に 示 す.図 か ら わ か る よ うに,シ リンダ ヘ ッ ドボ ル トの締 め 付 け荷 重 が 同 じで も,シ リン ダヘ ッ ドボル トとのね じは め あ い 位 置 を深 くす る こと によ り,ト ッ プデ ッキ隅 部 の 静 ひ ず み を低 減 させ た り,静 ひず み の場 所 に よ る違 い を小 さ く した り,さ らに は,ね じは め あ い深 さ の変 化 に対 す る 静 ひず み の 変化 割 合(図 中 のデ ー タ の勾 配)を 小 さ くす る こ とがで き る.
Fig. 5 Boundary condition inFE model.
Fig. 6 Numbering of direction in the cyhnder.
Fig. 7 Distribution of the maximum principal strainon the fillet of cylinder block at position 1.
Fig. 8 Distribution of the maximum principal strain around the fillet on the longitudinal cross‑section at position 1.
ヘ ッ ドボ ル トの締 め付 け に よ っ て 生 じ る デ ィ ー ゼ ル エ ンジ ン シ リ ン ダ ブ ロ ック の
トッ プ デ ッキ 隅部 に お け る静 ひず み に 関 す る 有 限 要 素 解 析 1057
こ こで,最 適 な ね じは め あい 深 さ につ いて検 討す る た め,
(1) 静 ひず み の 大 き さ が全 体 的 に小 さ い こ と.
(2) 隅 部 の 各 場 所 に お け る 静 ひ ず み に ば らつ き が 少 な い こ と.
(3) 製 造 誤 差 な ど に起 因 す るね じ は め あ い 深 さの 変 動 に対 して 静 ひず み 値 の変 動 が 少 な い ロ バ ス ト 性 を確 保 す る こと.
(4) シ リ ンダ ヘ ッ ドボ ル トの 長 さが で き る だ け 短 い こ と.
と い う4つ の条 件 を 設定 す る.図9に 示 した結 果 か ら 判 断 す る と,本 研 究 で供 試 した デ ィー ゼ ル エ ン ジ ンの 場 合,約100mmの ね じ はめ あ い深 さが 最適 で あ る と 考 え られ る.な お,他 の形 式 の エ ン ジ ンに お け るね じ は めあ い深 さの 最 適値 につ いて は未 だ検 討 して いな い が,こ の最 適 値 は シ リン ダボ ア 直径 の み な らず,シ リ ン ダヘ ッ ドボル ト穴や 冷 却 水連 絡 通 路 の 大 き さや 形 状, 配 置 な ど様 々な 要 素 と関 連 す る.し た が っ て,本 研 究 で 実 施 した よ う な数 値 解 析 が 有 効 で あ る と考 え る.
4・1・3 実 測結 果 との 比 較 試 験 用 デ ィ ーゼ ル エ ンジ ン と主 要諸 元 が 同 じで,ね じの は め あい 深 さ を 変 更 す る こ と が で き るプ ロ トタ イ プ エ ンジ ン を用 い て 静 ひず み の 実測 を行 った結 果 を図10に 示 す.ひ ず み の測 定 には(株)共 和電 業 製 ひ ず みゲ ー ジ(KFGシ リー ズ)を 用 い た.ま た,1シ リン ダあ た り4本 の シ リ ンダヘ ッ ドボル ト締 め 付 け 力の 合 計値 は2275kNで あ っ た.シ リ ンダヘ ッ ドボル トとのね じ のは め あ い深 さを48mmか ら100mmへ 深 くす る こと によ り,シ リ ンダ ヘ ッ ドボル ト用 のね じ穴 に 近 い位 置2,4,6,8 にお いて は,そ の他 の位 置1,3,5,7よ りもひず み の 減 少量 が 大 き くな り,図9で 示 した数 値 解 析 結果 と
同 様 の 傾 向 を示 して い る.図9と 図10の 結 果 の 問 で ひ ず み 値 に若 干 の 相違 が あ るが,こ れ は,計 測 に用 い た デ ィ ー ゼ ル エ ン ジ ン が 量産 用 とは トッ プデ ッキ 棚 部 の 位 置 が若 干 異 な る プ ロ トタ イ プで あ る こと,ひ ず み ゲ ー ジ の 接 着 位 置 に多 少 の 誤 差 が 存 在 す る こ と等 に起 因 す る と考 え られ る.
4・2 トップ デ ッキ 隅部 に お ける 静 ひ ず み分 布 4・2・1 静 ひ ずみ 分 布 本研 究 で は,図3に 示 し た ウ ェ ッ トライナ 構 造 を有 す る シ リン ダ ブ ロ ック を対 象 に検 討 して い るが,そ の トップ デ ッキ 棚 部 お よび 隅 部 は,シ リ ンダ の中 心軸 に対 して 軸対 称 に加工 され て い る もの の,ジ ャケ ッ ト部 は冷 却性 の向 上 や冷 却 水 通 路 の 確 保,シ リンダ ブ ロ ッ ク 自体 の軽 量 化 な どを 目的 と して 設 計 され て い る た め,シ リ ンダ の中 心軸 に対 し て 軸 対 称 に はな って い な い.こ の よ うな 構 造 的特 徴 を 持 つ シ リン ダ ブ ロ ック に加 工 され た トップ デ ッキ隅 部 にお いて,シ リンダ の 中心 軸 を基準 に した 周方 向 の静 ひ ず み 分布 を数 値 解 析 に よ り算 出 し,き 裂 が発 生 す る 可 能 性 の あ るポ イ ン トを事 前 に把握 す る こ とは重 要 で あ る,前 節で の検 討結 果 をふ まえ て シ リ ンダ ヘ ッ ドボ ル トとのね じはめ あ い深 さ を100mmと した と きの ト ップ デ ッキ 隅部 にお け る静 ひ ず み分 布 を図11に 示 す.
静 ひ ず み分 布 は シ リン ダの 中心 軸 に対 して 完 全な 同心 円 とは な らず,ト ップデ ッキ 棚 部 か ら下 部 の形 状,す な わ ち ジ ャ ケ ッ ト部 の形 状 が シ リン ダの 中 心軸 に対 し て 軸 対称 構 造 で な い ことの ほか,シ リンダ ヘ ッ ドボ ル ト用 のね じ穴 や 冷却 水 連 絡 用 の 穴 の形 状 や 配置 の 影 響 を受 け て,や や 複 雑 な形 状 とな っ て い る.本 結果 で は, 全 周 に わ た るひ ず み の平 均 値 を 基準 にす る と,最 大 値 と最 小値 の幅 は31.3%で あ った.ま た,大 き なひ ず み を示 す位 置 はポ ジ シ ョン7と8の 間 に あ る冷却 水 連 絡 Fig.9 Change in the maximum principal strain at the fillet with
the depth of thread engagement for cyhnder head bolts.
Fig.10 Expednnental result of strain at the fillet of cylinder block for two depths of thread engagement forcylinder head bolts.
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ヘ ッ ドボル トの締 め付 け に よっ て 生 じ る デ ィ ー ゼ ル エ ンジ ン シ リ ン ダ ブ ロ ック の トッ プ デ ッキ 隅 部 にお け る静 ひ ず み に 関 す る有 限 要 素 解 析
穴 近 傍 で あ った.な お,図2に 示 した 事例 にお け る隅 部 の き裂 発 生 場 所 も同様 に冷 卸 水連 絡 穴 近傍 で あ った.
4・2・2 実測 結 果 との比 較 図11に は,試 験 用 デ ィー ゼ ル エ ン ジ ンを 用 いて 測 定 した実 測 結 果 を合 わ せ て示 して お り,ポ ジ シ ョ ン1〜8に お いて 得 られ た実 測 結果 と 当該 箇所 の数 値解 析結 果 は ほ ぼ対 応 して い る こ とがわ か る.数 値 解 析 結 果 と実 測 結果 の差 は,実 測 結 果 を基 準 に して平 均 で4.9%,最 大 で12.7%で あ っ た.
次 に,シ リ ンダ ヘ ッ ドボ ル トの締 め 付 け 力 に関 して 検 討 す る た め,数 値 解 析 結 果 と して 得 られ る各 ね じは め あい位 置 の反 力 と試 験 用 デ ィ ーゼ ル エ ンジ ン にお い て 実 測 した 各 シ リ ンダヘ ッ ドボ ル トの 締 め付 け 力 を図 12に 示す.実 測 した シ リンダ ヘ ッ ドボ ル トの締 め 付 け 力 と数 値解 析 にお け る拘 束 点 の 反 力 はほ ぼ等 し い値 を 示 して お り,本 研 究 で実 施 した 数値 解 析 は,シ リンダ ヘ ッ ドボ ル トの締 め 付 け 力か ら見 て も妥 当 で あ る こ と が わ か る.
5. 結 言
本 研 究 で は,デ ィー ゼ ル エ ン ジ ンの 高性 能 化 に伴 い そ の信 頼 性 評価 が ます ます 重要 にな る と考 え られ る シ リ ンダ ブ ロ ッ クの トッ プデ ッキ 隅部 を対 象 と し,シ リ ンダ ヘ ッ ドボル トの締 め付 け に よ って 生 じる静 ひず み に関 して有 限 要 素解 析 を行 っ た.得 られ た 主 な結 果 を 以 下 に要 約 す る.
(1) トップ デ ッキ 隅 部 に生 じ る静 ひず み は,シ リン ダ ヘ ッ ドボ ル トとの ね じは め あ い深 さ の増 減 に よ り変 化 し,そ の 変化 率 も場 所 に よ り異 な っ て いた.ま た,静 ひず み の ね じは め あい深 さ に対 す る依 存 性 は,プ ロ ト タイ プの デ ィ ーゼ ル エ ンジ ン よ り得 られ た 実 測 結果 と 同様 の傾 向 を 示 した.さ らに,静 ひ ず み の大 き さ,場 所 に よ る ば らつ き,ひ ず み値 のね じは め あ い深 さに対 す る変 化 率,シ リン ダヘ ッ ドボル ト長 さ の4つ の 観 点 に基 づ いて 最 適 は め あ い深 さ を求 め た 結果,本 研 究 で 対 象 と した デ ィーゼ ル エ ンジ ンで は約100mmと わ か った.
(2) 最 適 は め あ い深 さ の条 件 で トッ プデ ッ キ 隅 部 に 生 じる 静 ひず み 分布 を有 限 要 素解 析 によ り求 めた と こ ろ,そ の分 布 はジ ャケ ッ ト部 の 形状 の ほか,シ リンダ ヘ ッ ドボ ル ト用 の ね じ穴 や 冷 却 水連 絡 用 穴 の配 置 等 の 影 響 を受 け,軸 対 称 で は な く平 均 値 に対 して 約30%の ば らつ き を有 して い た.ま た,得 られた 静 ひず み分 布 を試 験 用 デ ィー ゼ ル エ ンジ ンの 当 該部 に貼 付 した ひず みゲ ー ジ に よ り実 測 した結 果 と比 較 した と ころ,両 者 は よ く一 致 して いた.
(3) 有 限 要 素 解 析 に お いて シ リン ダ ヘ ッ ドボ ル トの ね じはめ あ い位 置 に相 当す る拘 束 点 の反 力 と実 測 した シ リン ダヘ ッ ドボル トの締 め付 け力 を 比較 す る と,両 者 は よ く一 致 してお り,用 いた 解 析 モ デル の妥 当 性 が 確 か め られ た.
参 考 文 献
(1) Matsumura, M., The Forefront of Bio-Diesel (in Japanese), (2006), pp.15-21, Kogyo Chosakai Publishing.
(2) Kurosawa, M., Diesel Engine (Elementary) (in Japanese), (1997), pp.1-2, Seizando.
(3) Suzuki, T., The Challenge of the Diesel Engine, (2003), pp.12-222, MIKI PRESS inc.
(4) Ogawa, H., Shimizu, K and Kanaya, T., The Diesel Saves the Earth (in Japanese), (2004), pp.36-148, Diamond Inc.
(5) Hatta, K and Asanuma, T., Handbook of Internal Combustion Engine (in Japanese), (1979), pp.579-633, Asakura Publishing.
Fig.11 Comparison of analysis and experimental results of distribution of strain.
Fig.12 Comparison of analyzed reaction force at the reaction point and measured tightening force of cylinder head bolts.
ヘ ッ ドボ ル トの締 め 付 け に よ っ て生 じる デ ィー ゼ ル エ ン ジ ン シ リン ダ ブ ロ ッ クの
ト ップ デ ッキ 隅 部 にお け る静 ひ ず み に 関 す る有 限 要 素 解 析 1059
