(活 動 報 告)
成 蹟 フ ォ ー ミ ュ ラ プ ロ ジ エ ク ト
ー2013年
度 活 動 報 告 書 一
太 田 雅 貴*1,蓮 沼 勇 人*1,堀 口 淳 司*2,小 方 博 之*3,小 川 隆 申*3, 酒 井 孝*3 弓 削 康 平*3 SeikeiFormulaProject -ActivityReportinFiscal2013一MasakiOTA*1,HayatoHASUNUMA*1,JunjiHORIGUCHI*2,HiroyukiOGATA*3,
TakanobuOGAWA*3,KoheiYUGE*3,TakashiSAKAI*3
1.は じ め に 2.大 会 概 要 全 日本 学 生 フ ォー ミュ ラ大 会 は,「 もの づ く りに よ る 実 践 的 な 学 生 教 育 プ ログ ラム 」で あ り,学 生 が 自 ら構 想 ・ 設 計 ・製 作 した車 両 に よ り,も の づ く りの 総 合 力 を競 い, 自動 車 技 術 な らび に産 業 の 発 展 ・振 興 に 資 す る人 材 を 育 成 す る こ とを 目的 と して,公 益 社 団 法 人 自動 車 技 術 科 会 主催 に よ り2003年 にス ター トした 。 大 会 に参 戦 す る学 生 達 は,毎 年9.月 に 開 催 され る大 会 に 向 け,約1年 間 を か け て フ ォ ー ミュ ラス タ イ ル の 小 型 レー シ ン グカ ー を開 発 ・製 作 を行 う。 これ に よ り,機 械 ・電 気 に限 らず 幅 広 い 実 践 的 な 知識 を 習 得 す る と と もに,コ ス ト管 理 ・マ ー ケ テ ィ ング 能 力 等 の もの づ く りに お け る総 合 能 力 を養 う こ とが で き,将 来 を 担 う優 秀 な 技 術 者 を育 成 す る こ とが 期 待 され て い る。 ま た,昨 今 の 若 手 技 術 者 や 学 生 に求 め られ て い る 『自 ら問題 を 発 見 し,解 決 して い く能 力 の 向 上 』 が 期待 で き る と と もに,も の づ く りの 素 晴 ら しさ ・ 厳 し さ ・喜 び を 実感 し,メ ンバ ー 間 の チ ー ム ワー クや リ ー ダ ー シ ップ を発 揮 して ,学 生たちが ものづ く りを通 し て 貴 重 な 経 験 を 得 る こ とが で き る。 本 プ ロジ ェ ク トは 可 能 な 限 り学 生 だ け の 力 で チ ー ム 運 営 す る こ とを 目的 に 活 動 して い る。 本稿 は 第ll回 大 会 に 参加 す る成 膜 フ ォ ー ミュ ラプ ロジ ェ ク トチ ー ム の201 3年 度 の活 動 を総 括 した も ので あ る。 表1に 示 す 競 技 内容 で9E3日 ∼7日 に 大 会 が 開催 さ れ た。 チ ー ム の総 合 力 は静 的競 技 と動 的 競 技 の 合 計 点 で 競 われ る。 書 類 審 査 にパ ス した チ ー ム が 大 会 へ の 参加 権 が得 られ,動 的競 技 へ進 む た め に は,す べ て の 車検 項 目 にパ ス しな けれ ば な らな い。 表1大 会 競 技 内 容 *1:シ ス テ ム デ ザ イ ン 学 科 学 部 生 *2:シ ス テ ム デ ザ イ ン 学 科 助 手 *3:シ ス テ ム デ ザ イ ン 学 科 教 授 競技種 目 競 技概要 配点 技術 検査 車 両 の 安 全 ・設 計 要 件 の 適 合 、全 ドライ バ ー が5秒 以 内 に 脱 出 す る 試 験 。 車検チ ル トテ ー ブル車 両45度傾 斜で燃料漏れ 無し。ドライバ ー乗車 し車両60度 傾斜 で転 覆しな 0 い こ と 。 騒音 試験 所 定 の 条 件 で排 気 音110db以 下 であ る こと。 ブレーキ試験指 定 され た コー スを 加 速 し、四 輪 ロックす ることを 確 認 す る 。 予 算とコストは生産活 動を行 うにあたって 考 慮しなけれ ばならない重 要な要 素であるこ とを参 加者 に学 ばせるのが狙いである。車 両を 静的競 技 コス ト 見 なが ら事 前 に 提 出 した コス トレポ ー トの コス ト 精 度 、チ ー ム に 合 等 を 確 認 し、レポ ー トの コス トと 100 車 両との適合性 を審査 する。一 般による製造度 購 買 品 目 とな る2項 目に つ い て 、部 品 製 造 プ ロセ スなどの ロ頭試 問を行いそれ らの 知識 ・理 解度 を 評 価 す る 。 学 生のプレゼンテーション能 力を評価 することが 狙 い であ る 。プ レゼ ンテ ー ション は 、『競 技 の コン プ レゼ ンテ ー シ ョン セプトに沿い、製造 会社の役 員に設計 上の優れ 75 て い ることを確 信 させ る 』という仮 想 の シチ ュエ ー シ ョンの もとで 行 う。 事 前に提出 した設計 資料と車両をもとに、 設 計 どのような技術を採 用し、どのような工 夫を またその設計が 市場性 のある妥 当なものか 150 を 評 価 して い るの か 、す る 。具 体 的 に は車 体 及 び構成部 品の設計 の適切 さ、革 新性加 工 性 、補 修 性 、組 立 性 など に つ い て ロ 頭 試 問す る。 アクセ ラ レー ション 0-75m加 速 をす る。各 チ ー ム2名 の ドラ イバ ー が そ れ ぞれ2回 、計4回 走 行 し、タイム を競 う。 75 スキ ッドパ ッド 8の 字 コー ス に よるコー ナ リング 性 能 評 価 を す る 。 各 チー ム2名 の ドライバ ー が それ ぞ れ2回 、計4回 50 走 行 し、タイム を競 う。 直 線 ・ター ン ・ス ラロー ム ・シケ イン な どに よる 動的競 技 オ ー トクロス 約800mの コー ス を2周 走 行 す る 。各 チ ー ム2名 の 150 ドライバ ー が それ ぞ れ2回 、計4回 走 行 し、タイム を 競 う。 一 工 ン丁 ユ ランス 直 線 ・ター ン ・ス ラロー ム ・シケ イン な どに よる 周 回 路 を約22km走 行 す る 。走 行 時 間 に よって 車 の 300 全 体性能 と信頼 性を評 価する。 燃 費 耐 久 レー ス 『エ ンデ ュラン ス』走 行 時 の 燃 料 消 費 100 量 で評 価 す る。 合 計 10003.2013年 度 大 会 結 果 図1に2013年 度 車 両,図2に 大 会 会 場 で の チ ー ム メ ンバ ー の集 合 写真 を 示 す。 表2に 成 膜 チ ー ム の 第11回 全 日本 学 生 フ ォ ー ミュ ラ大 会 の 結 果 を 示 す 。 },, ▼;T ,彊1-"己 了 、 覧 ゼ 薗 む
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.、'㍉ ＼"・ ' )、L亀 図12013年 度 車 両 為 一▽ ' 「 こ とで全 動 的競 技 を完 走 で き 総合27位 の結 果 が得 られ た。 しか しな が ら,エ ンデ ュ ラ ンス(耐 久 走行)の 走 行 順 番 を決 め る オ ー トク ロス(コ ー ス1周 の タイ ム を競 う) で は,ブ レー キ 系 の調 整 不 足 に よ りブ レー キ ン グ時 の 車 両 が安 定せ ず 思 うよ うに操 縦 が で き な か っ た。 この 競 技 結 果 は47位 に落 ち込 ん で しま った 。ま た,ア クセ ラ レー シ ョン で は,発 進 や 変 速 の タ イ ミ ン グが 悪 くな か っ た こ とか ら,よ り車 両 の軽 量化 や 燃 料 噴射 量 等 の エ ンジ ン ン の制 御 に も力 を入 れ る必 要 が あ る もの と思 わ れ る。 ス キ ッ ドパ ッ トは 車 両 の旋 回性 能 を示 す 競 技 で あ り,得 点 率 が39.5%と い う結果 か ら 当チ ー ム の 車 両 は 「ま だ ま だ 曲 が らな い 」 車 両 と言 え る。 次 年 度 は 高速 旋 回 が で き る よ う足 回 りの煮 詰 が 必 要 で あ る。 さ らに,静 的審 査 の低 得 点 率 が 示 す 通 り,静 的 審 査 資料 の作 成 とプ レゼ ンの 練 習 に も多 くの 時 間 を費 や す 必 要 が あ る。 4.2013年 度 車 両 の 設 計 と製 作㌃
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図2チ ー ム メ ン バ ー 表2大 会結 果 第判 回大会 獲 得 ポ イン ト[Pt] 満 点[Pt] 得 点 率[%] 大 会1頂位 コス ト 30.87 100 30.87 29 プレゼ ンテ ー シ ョン 26.25 75 35 55 デザイン 57 150 38 40 アクセ ラレー シ ョン 36.85 75 49.13 31 ス キ ッドパ ット 19.75 50 39.5 23 オ ー トクロス 72.12 150 48.08 47 エン デ ュラン ス 186.1 300 62.03 19 燃費 22.69 100 22.69 32 総合 411.63 1000 41」6 27 本 年 度 は 昨 年 度 の エ ンデ ュ ラ ンス 未 出 走 を受 けて,動 的 審 査 で 高 得 点 が 得 られ る よ う試 走 行 に 力 を入 れ た 。 大 会 前 に は 自動 車 技 術 会 主 催 等 の 試 走 会 参 加 や プ ライ ベ ー トの試 走行 な ど計6回 の 走 り込 み を行 っ た 。 試 走 会 参 加 で は 車 両 の 車 検 を 受 け る こ とに よ り、 車 検 員 か ら車 検 に 合 格 す るた め の ア ドバ イ ス 等 が 得 られ,ま た,実 践 的 な コー ス を 走行 す る こ とで ドライ バ ー の 訓 練 を積 む こ とが で き た。 プ ライ ベ ー トの試 走 行 で は,ド ライ バ ー の 育 成 と,車 両 の 耐 久 走 行 で 発 生 した 多 くの 問 題 点 を改 善 す る こ とが で た。 この よ うに,大 会 前 に 多 くの 試 走 を行 っ た 2013年 度 は 「基 本 性 能 の 追 及 」 を コ ン セ プ ト と し て 車 両 の 設 計 と製 作 を 行 っ た 。 自動 車 に お い て は,「 走 る,曲 が る,止 ま る 」 を 基 本 性 能 と い い,そ れ ぞ れ の パ ー ツ で 基 本 性 能 の 向 上 を 追 及 す る こ と で,車 両 全 体 の 走 行 性 能 の 向 上 を 図 っ た 。2013年 度 車 両 のCAD図 を 図3に 示 す 。 図32013年 度 車 両CAD図 、 ー ー ノ 4.1サ ス ペ ンシ ョ ン系 の設 計 4.1.1サ ス ペ ン シ ョン サ スペ ン シ ョ ン とは,路 面 の 凹 凸 を 車 体 に伝 えな い 緩 衝 装 置 と して の機 能,車 輪 の 上 下動 や 操 舵 に よ る車 両 の 姿勢 を 定 め,車 輪 の 路 面 に 対 す る接 地性 を維 持 す る こ と で乗 り心地 や 操 縦 安 定性 な どの 改 善 を 目的 とす る機 構 で あ る。 サ スペ ンシ ョ ン系 の設 計 次 第 で乗 り心 地,操 縦 安 定性,旋 回性 能 が 大 き く変化 す るの で 重 要 な セ クシ ョ ン で あ る。2012年 度 車 両 の 問題 点 は,ホ イ ール レー ト ・ロ ール 剛性 が低 い こ とで旋 回 時や 制 動 時及 び 駆 動 時 の 姿 勢 変 化 が大 き くな り,タ イ ヤ の接 地 面 積 が 減 少 して しまい, グ リ ップ が減 り限界 旋 回速 度 が低 下 して しま っ た。 さ らに,ス ピ ン を 引 き 起 こ す こ と が 多 か っ た 。 以 上 を 考 慮 し て サ ス ペ ン シ ョ ン の 設 計 をSusprog3Dと い うサ ス ペ ン シ ョ ン解 析 ソ フ トを 用 い て 行 っ た(図4)。 図4Susprog3Dを 用 い た フ ロ ン トサ ス の 設 計 (a)フ ロ ン トサ ス ペ ン シ ョ ン (b)リ ア サ ス ペ ン シ ョ ン 図52013年 車 両 の サ ス ペ ン シ ョ ン 2013年 度 車 両 は2012年 度 車 両 に 対 して ロ ー ル セ ン タ ー 高 を 低 く し た サ ス ペ ン シ ョ ン機 構 と した こ と か ら,旋 回 時 の キ ャ ン パ ー 角 変 化 量,旋 回 時 の 内 輪 の 浮 を 抑 え る ジ ャ ッ キ ア ッ プ カ を 低 減 す る こ と が で き た 。図5に2013 年 車 両 の リア サ ス ペ ン シ ョ ン のCAD図 を 示 す 。 4.1.2ス タ ビ ラ イ ザ ー 左 右 輪 が 逆 相 に ス ト ロ ー ク す る と き,ト ー シ ョ ンバ ー が ね じ られ て ロ ー ル 角 を 小 さ くす る方 向 の バ ネ 反 力 を 発 生 させ る 。 これ に よ り,乗 り 心 地 を 悪 化 させ ず に,旋 回 性 能 を 向 上 させ られ る。2013年 度 車 両 の ス タ ビ ラ イ ザ ー の 設 計 緒 元 を 表3に 示 す。 表3ス タ ビラ イ ザ ー の 設 計 緒 元 フ ロ ン ト リ ア ね じ り部 外 径d[mm] 8 8 材 料 の せ ん 断 弾 性 係 数 G[N/mm2] 80000 80000 腕 部 長 さR[mm] 65 35 ね じ り部 長 さ1[mm] 580 600 dベ ル ク ラ ン ク サ ス ア ー ム 長[mm] 67.72 65 ベ ル ク ラ ン ク ス タ ビ ラ イ ザ ー ア ー ム 長e[mm] 67.72 51.67 サ ス ス タ ビ ラ イ ザ ー 角 α[。] 40 70 ト レ ッ ドT[mm] 1220 1180 レバ ー 比 λ 日 S 0,587 0,158 ロー ル 剛 性 R、[N㎜/deg] 203713 200319 フ ロ ン ト,リ ア の ス タ ビ ラ イ ザ ー ロ ー ル 剛 性Rsは そ れ ぞ れ203713Nmm/deg,200319Nmm/degと 設 定 し た 。 サ ス ペ ン シ ョ ン の ロ ー ル 剛 性 と合 わ せ る と ,車 両 の ロー ル 剛 性 は481197Nmm/deg,463097Nmm/degと な る 。 南 千 葉 サ ー キ ッ トに 車 両 を 持 ち 込 み ス タ ビ ラ イ ザ ー 有 無 の 走 り を 検 証 し た 。 走 行 速 度 約50km/h,ハ ン ドル 切 り 角 一 定 時 装 着 な し の 場 合,旋 回 時 の 車 両 を 撮 影 し た ビ デ オ 画 像 か ら ロ ー ル 角3.3。,装 着 あ り は ロ ー ル 角2。 の 結 果 が 得 られ,ス タ ビ ラ イ ザ ー の 効 果 で1.3Qロ ー ル 角 が 減 少 す る こ と を 確 認 し た 。 こ の と き の3回 走 行 の 平 均 旋 回 速 度 は,装 着 な しが48.5km/h,装 着 あ りが51.lkm/hと な り 旋 回 速 度 が2.6㎞/h向 上 し た 。 4.2ス テ ア リ ン グ 系 の 設 計 エ ン デ ュ ラ ン ス 競 技 は コ ー ナ ー や ス ラ ロ ー ム が 多 く,
低 速 度 域 で の 走 行 の た め,両 前 輪 の 切 れ 角 が 同 じパ ラ レ ル ス テ ア リング よ りも,市 販 車 に 採 用 され て い るア ッカ ー マ ンス テ ア リング を採 用 した。2013年 度 設 計 で は 歴 代 で 初 め て ア ップ ライ ト側 の タイ ロ ッ ドの 取 付 け点 を変 え る こ とで,ア ッカ ー マ ン率 を 変 更 で き る設 計 を 行 っ た 。 50 40 O O O ロ を 珊 琶 ] 岨 # 罫 鰯 孟 O 一10 一← 十 枷 x 一 ' 耗 一一■'一 凸 .一一藍ロ ー一 一 .一' ' '
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1 1 1 栖 =〕 彊医 10 20 罰 冊 5 内輪切れ角[由』 図6内 外 輪 の 切 れ 角 の 設 定 (a)ア ッ カ ー マ ン 設 定 2ロ12年 度 車両 アッナ]一マ ン パ ラレ ル X2ロ11年 度 車両 20帽 年 度アツ カーマ ン設 計 2ロ栂 年 度 パラレ ル 設 計 (b)パ ラ レル 設 定 (c)ス テ ア リ ン グ ア セ ン ブ リ 図72013年 車 両 の ス テ ア リ ン グ 十 4.3排 気 系 の設 計 2013年 度 は 昨 年 度 の シ ャー シ ダ イ ナ モ の 試 験 結 果 か ら中 回転 域 の エ ンジ ン トル クを犠 牲 に して も高 回 転 域 の パ ワー を重 視 した。 エ ン ジ ン回 転 数 は,10000rpm付 近 で 排 気 の脈 動 慣 性 効 果 が得 られ る よ う吸 気 管 長 を900㎜ と した。 ま た,マ フ ラー の 内 部構 造 は 昨年 度 と同 じ く仕 切 り板 を1カ 所 に設 け,パ ンチ ン グパ イ プ とア ウ ター パ イ プ の 問 に グ ラス ウール を詰 め た構 造 と した。 図8に 排 気 系CAD図 を示 す。 (a)排 気 系 の レイ ア ウ ト (b)マ フ ラ ー の 内 部 構 造 図8排 気 系CAD図 こ れ に よ り,ド ラ イ バ ー,コ ー ス,天 候 に よ っ て ア ッ カ ー マ ン 率59%と16%で 選 択 す る こ と が で き る 設 定 と し た 。 図6に 内 外 輪 の 切 れ 角 の 設 定 の 設 計 値 を,図7に 各 設 定 時 に お け る ア ッ プ ラ イ トへ の タ イ ロ ッ ドの 取 り付 け 位 置 と ス テ ア リ ン グ ア セ ン ブ リ図 を 示 す 。 本 大 会 で は 初 回 騒 音 試 験(図9)に お い てll3dBAの 騒 音 レベ ル を 記 録 し て し ま い,llOdBA以 下 の レ ギ ュ レ ー シ ョ ン を ク リ ア す る こ と が で き な か っ た。 排 気 ガ ス の 抜 け を 良 くす る た め に,大 口径58mmの マ フ ラ ー 出 口 管 を 採 用 し た も の で あ る が 、 急 遽 例 年 サ イ ズ の35mmに 交 換 し,103dBAの 再 試 験 結 果 で 車 検 を ク リア した 。-} ノ . ・ ・ ^ 、
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、 ミき. 図9騒 音 試 験 の 様 子 4.4吸 気 系 の 設 計 排 気 系 の 設 計 と 同 様 に エ ン ジ ン 回 転 数10000rpm付 近 で 排 気 の 脈 動 ・慣 性 効 果 が 得 ら れ る よ う吸 気 管 長 を328 mmと し た 。実 質 の 吸 気 管 長 は,吸 気 バ ル ブ か ら の 吸 気 管 取 付 け 部 の 距 離 を 差 し 引 い た218mmで あ る 。 サ ー ジ タ ン ク の 内 容 積 は,昨 年 度 の シ ャ ー シ ダ イ ナ モ で 試 験 した 3100,2900,2600CC,と 容 量 の 少 な い 方 が 高 回 転 域 で エ ン ジ ン トル ク が 高 か っ た 結 果 を 得 て,2013年 度 は,よ り 少 な い2000CCと した 。図10に 吸 気 系 のCAD図 を 示 す 。 図10吸 気 系 4.5カ ウ ル の 製 作 通 常 の カ ウル のFRP製 作 手 順 はオ ス型,メ ス型,製 品 の 順 に進 め るが,2013年 度 で は オ ス 型 を製 作 しな い で メ ス型 か ら製 品 を 起 こす 製 法 に チ ャ レ ンジ した 。 この こ と に よ り,メ ス 型 の 凹 面 の 表 面 処 理 作 業 は 以 前 の 手 法 よ り 時 間 を 費 や す が,オ ス 型 の 製 作 時 間 が 省 け るの で 製 品 完 成 ま で の 全 体 時 間 が 大 幅 に 短 縮 で き る。 この 方 法 が 取 れ るの も学 科 で 所 有 して い る3次 元 加 工機 が 使 用 で き るか らで あ る。3次 元 加 工機 は ロー ラ ン ド社MDX-500を 使 用 す る。 仕 様 は エ ン ドミル に よ る切 削 加 工 機 で,ワ ー クス ペ ー ス は 長 さ500㎜ ×幅330mm× 高 さ105mmあ り,こ の範 囲 内 で の加 工 が 可 能 で あ る。 メ ス 型 に使 用 す る型 材 料 に は,建 築 材 料 で 使 用 され て い る ス タ イ ロ フ ォ ー ム 50mm厚 を使 用 す る。加 工手 順 と して は,不 必 要 な ボ リュ 一 ム を 切 削 す る こ と の な い よ う,図11の(a)の よ う に メ ス 型 を 数 十 の 立 方 体 に 分 割 し て,そ れ ぞ れ を加 工 し, 接 着 し て メ ス 型 を 完 成 させ る。 図llの(b)は 加 工 後 の 内 壁 面 の 状 況 で あ る。こ の よ う な メ ス 型 を 経 て2013年 モ デ ル の カ ウル は 製 作 され た 。 (a)メ ス型 の 分 割 状 況(外 観) (b)メ ス型 の 内壁 切 削加 工 状 況 図11ノ ー ズ 分 割 方 法 4.6ラ ジ エー タ性 能 予測 ラ ジエ ー タ を設 計す る上 で 考 慮 す べ き 点 は,エ ンジ ン か ら冷 却 水 へ 与 え られ る発 熱 量 に 対 し ラジ エ ー タの 放 熱 量 が 上 回 っ て い な けれ ば な らな い。 十 分 な 放熱 量 が 得 ら れ て い な けれ ば冷 却 水 が 上 限 温度 に 達 しエ ンジ ンの熱 を 奪 う こ とが で き な くな るた め,オ ー バ ー ヒー トに つ な が る 可能 性 が あ る。 熱 交換 器 に お け る基本 的 な性 能 は,熱 交換 器 の形 態 や 大 き さ,高 温 ・低 温流 体 の 物性 と流 量 な どに よっ て決 ま る。 しか し,実 際 の 車 両 に設 置 す る とな る と大 き さや 形 態 に は それ を設 置 す る場 所 に よっ て 制 約 が加 わ る 上 に必 要 以 上 に 大 き な ラジ エ ー タ を用 い る と重 量増 加 や 空 気 抵 抗 の増 加 に つ な が る。 そ こで,車 両 に 対 して最 適 な ラ ジ エ ー タ の選 定,設 計 す るた め,今 年 度使 用 した ラ ジ エ ー タ の放 熱 量 を評 価 し,次 年 度設 計 に 反 映 させ る。 ラ ジエ ー タ の放 熱 量評 価 を行 う上 で エ ンジ ンか ら冷 却 水 へ の発 熱 量 を 与 え る必 要 が あ る。 これ を,エ ンデ ュ ラ ン ス 走行 で の 内燃 機 関 に よっ て得 られ た燃 料 の燃 焼 に よる熱 量 か ら冷 却 装 置 に 放 出 され るエ ネ ル ギ ー の 割 合 か ら 求 め る。 燃 料 を燃 焼 させ る際 に燃 焼 ガ ス 中の 生 成 水 蒸 気 が凝 縮 した とき に 得 られ る凝 縮 潜 熱 を含 めた 発 熱 量 を高 位 発 熱 量 とい い,水 蒸 気 の ま ま で 凝 縮 潜 熱 を含 ま な い 発 熱 量 を 低位 発 熱 量 とい う。 エ ンジ ンで の燃 焼 は 低 位 発 熱 量 で 評価 す る。低位 発 熱 量 をHl,消 費 され た 燃 料 をFと す る とエ ンジ ン発 熱 量Uは 次 の式 で求 め られ る。 U=Hl・F 2013年 度 大 会 で の エ ンデ ュ ラ ン ス走 行 で 消 費 した ガ ソ リンの 量 は5L,ハ イ オ クの 低 位 発 熱 量 は33.3kJ/Lよ り U-166.5MJと な り,走 行 時 間1519sで 割 る とエ ン ジ ンの 仕 事 率 は110kWで あ る。こ の 内35%が 冷 却 側 に 送 られ る と す る と冷 却 系 に 必 要 と され る放熱 量 は38.4kWと な る。 次 に ラジ エ ー タ の 形 態 と流 体 の 条 件 か ら放 熱 量 を算 定 す る。 冷 却 水 が 流 れ る水 管 は ア ル ミニ ウム 製 扁 平 管 で あ る。 冷 却 水 の 平 均 流 量Uhは,水 の 体 積 流 量Uh,水 管 本 数 N,水 管 断 面 積 をAhと す る と。
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ん
ニ0.551m/s(1) ㍑ ん ニ Ah'N で あ り,水 管相 当 直径 を 代 表 長 さ とす る レイ ノル ズ 数 Rehは R・hニUh'dh-2.46・10・(2) γ九 で あ る。 こ の レ イ ノ ル ズ 数 か ら 流 れ は 乱 流 と 判 断 さ れ る た め,水 管 内 面 の 熱 伝 達 率 は デ ィ タ ス ・ベ ル タ ー の 式 よ り Nuh=0.023Reho'8Prhπ=16.1(3) 一 タ は 波 形 フ ィ ン で あ る た め,波 形 フ ィ ン を 空 気 流 路 中 央 ま で の 短 径 フ ィ ン と 見 な す 。 し た が っ て,空 気 側 の 相 当 表 面 積A、 は フ ィ ン 面 積Af,水 管 表 面 積Abと す る と。 Ac=(pAf+Ab=4.6m2(6) と な る 。 水 管 壁 面 内 の 熱 伝 導 率 を 平 行 板 厚 さ 方 向 で 近 似 す れ ば,高 温 流 体 側 伝 熱 面 積 基 準 の 熱 通 過 率 は 次 の よ う に 求 ま る 。ユ
Kニ 、 δ1Ah=2.95×103W/(m2・K)(7) 一 十一 十 hhk亡hc・4c こ こ で,δ は 水 管 壁 面 厚 さ,ktは 水 管 壁 面 の 熱 伝 導 率(ア ル ミ ニ ウ ム236W/(m・K))で あ る。 使 用 し た ラ ジ エ ー タ は 直 行 流 型 熱 交 換 器 で あ る た め,対 数 平 均 温 度 差 の 修 正 係 数 を 求 め る 必 要 が あ る。修 正 係 数 Ψは,様 々 な 条 件 の 熱 交 換 器 に 対 し て 高 温 ・低 温 流 体 の 温 度 条 件 を パ ラ メ ー タ と し て 線 図 の 形 で 提 供 され て い る。 ラ ジ エ ー タ に 必 要 と さ れ て い る 放 熱 量 は38.4kWで あ り,高 温 側 流 体 温 度TCl= llO℃,低 温 側 流 体 温 度Thi-30℃ と仮 定 す れ ば,そ れ ぞ れ の 出 口温 度 は 次 の よ う に 求 め られ る。 Tho=Thi-△Th=Thi一 Q -100℃ ρhChVh (8) T・・-Tc一 △Tc-Tc一 澁 一1・3℃(9) 対 数 平均 温 度 差 の修 正 係 数 は 図24よ りΨ一〇.90とす る。 以 上 の結 果 か ら,エ ンジ ンか ら冷 却 水 へ 放熱 量38.4kW与 え られ た 際 の ラジ エ ー タ の放 熱 量 を評 価 す る。 対数 平 均 温 度 差 △Tlmを 向流 熱 交 換 器 に対 す る も の を用 い る。 (流 体 を 加 熱 す る と きn-0.4,冷 却 す る と きn-0.3と す る) で あ る。 よ っ て,冷 却 水 側 熱 伝 達 率hhは, hh-Nu÷5・6・ ・1・3W/(m2・K)(4) と な る。 冷 却 水 側 と 同 様 に 空 気 側 の 熱 伝 達 率 の 算 定 を 行 う。 こ こ で,空 気 流 の 流 量 は 数 値 解 析 に よ っ て 得 ら れ た 値 を 利 用 す る 。 空 気 側 相 当 直 径 を 代 表 長 さ と した レ イ ノ ル ズ 数 はRe、=1.86×105で あ り,デ ィ タ ス ・ベ ル タ ー の 式 よ りNuc-3.22×102,熱 伝 達 率h、-19.9W/(m2・K)と な る 。ま た,水 管 に 附 与 さ れ た フ ィ ン の 総 面 積 が す べ て 熱 伝 達 促 進 に 寄 与 す る わ け で は な い 。 こ れ を 評 価 す る フ ィ ン 効 率 Φは 次 の 式 で 表 さ れ る 。 (P一 響b・u・ 一 囁 (5) △乃m「 。驚 藷 ・(1・) (Thi-△Th-Tci) ラ ジ エ ー タ の 放 熱 量 は 次 の 式 で 評 価 され る。 qニK'A'Ψ'△Tlm=59.4kW(ll) これ は,冷 却 水 に送 られ る放 熱 量 の1.6倍 で あ る。 フォ ー ミュ ラ カ ー に搭 載 す る ラジ エ ー タ と して は過 冷 却 気 味 で あ る た め,サ イ ズ ダ ウ ンに よ る軽 量化 の 余 地 が あ る と 言 え る。 ラ ジ エ ー タ の 再設 計 を行 う際 に は,コ ア厚 を薄 くす る こ とで ラジ エ ー タ に か か る圧 力損 失 の 低 下 に よ る 空気 流 速 の増 加 お よび 空気 抵 抗 を低 下 させ る こ とが で き る た め,使 用 した ラジ エ ー タの 前 面 面積 は 変 更せ ず に コ ア の厚 み を薄 く して い く と効 果 的 に軽 量化 が行 え る。 こ こ で,Wは 短 形 フ ィ ン の 高 さ で あ る 。 使 用 し た ラ ジ エ表4ラ ジ エー タ諸 元 記 号 値 冷 却 水 平 均 流 量Uh[m3/s] 0.980×10'3 空 気 平 均 流 量[m3/s] 0,523 水 管 断 面 積Ah[m2] 4.80×10'5 水 管 本数N[本] 37 ブ イ ン 面 積Af[m2] 3.91 水 管 表 面 積Ab[m2] 0,830 水 管 壁 面 厚 さδ[m2] 0.5×10'3 表5流 体 の 物性 値 物性 冷却水 空気 密 度 ρ[kg/m3] 980 1.0 比 熱c[J/(kg・ K)] 4200 1000 熱 伝 導 率 k[W/(m・K)] 0.66 0.03 動 粘 性係 数V[m2/S] 4.39×10-7 2.0×105 プ ラ ン トル 係 数Pr 2.70.7
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20784 侍essure(Po) -12J29叡 「738 「 4.7CAE解 析 を用 いた 車 両 設 計 各 パ ー ト担 当者 はCAEを 活 用 して 部 品 の 軽 量 化 や 構 造 強 度 お よび 剛性 等 を 調 べ て い る。 以 下 に,CAEの 活 用 状 況 を説 明 す る。 4.7.1車 両 周 りの 流 れ 解 析 流 体 解 析 ソ フ トSTAR-CCM+を 用 い て 車 両 周 りの 流 れ 解 析 を行 っ た 。 この解 析 で は,特 に ラジ エ ー タ を通 過 す る空 気 流 量 を 予 測 す る 目的 で 行 っ て い る。 ラジ エ ー タ を 詳 細 に モ デ リング す る こ とは,解 析 コス トが 掛 るた め ラ ジ エ ー タ は 多 孔 質 モ デ ル で 近 似 して い る。 図12に 走 行 速 度55km/h時 の車 体 周 りの流 速 と圧 力 分布 を 示 す 。 こ の よ うに,車 両 の左 側 に 配 置 した ラジ エ ー タ を通 過 す る 空気 流 れ を調 べ る こ とに よ り,ラ ジ エ ー タの 冷 却 性 能 を 予 測 す る こ とが で き る。 (b)圧 力 分 布 51'8'2 」 」 箇8㌔ 図12走 行 速 度55kmlh時 の 車体 周 りの 流れ 4.7.2イ ン パ ク トア ッ テ ネ ー タ の 圧 潰 解 析 イ ン パ ク トア ッ テ ネ ー タ と は,車 体 の 前 部 に 装 着 し(図 13),衝 突 事 故 時 に 自 ら が 圧 潰 し て 車 両 の 運 動 エ ネ ル ギ ー を 吸 収 し,ド ラ イ バ ー へ の 衝 撃 を 緩 和 す る装 置 で あ る。 インパ ク トア ッテ ネ ー A 図13イ ンパ ク トア ッテ ネー タ の取 付 け位 置 学 生 フ ォ ー ミュ ラ大会 で は,こ の 装 置 に300kgの 質 量 を速 度7m/sで 衝 突 させ た 時 の 最 大 加 速 度,平 均 加 速 度, エ ネ ル ギ ー 吸収 量 が規 定 され て い る。 成 瞑 チ ー ム で は, よ り軽 量化 す るた め 毎年 新 規 に アル ミ合 金 の板 材 構 造 で 設 計 製 作 して い る。 製 作 と圧 潰 実 験 を繰 り返 して 形 状 の 最 適 化 を行 うに は,多 大 な 時 間 と コス トが 掛 るの で,非 線 形 動 的汎 用 構 造 解 析 ソフ トLS-DYNAを 用 い て,形 状 の 最 適 値 を 見つ け製 作 を行 っ て い る。 図14に2013年 モ デ ル の圧 潰 の変 形 図 を示 す 。(a)解 析 モ デ ル (c)圧 潰 中 期 (b)圧 潰 初 期 (d)圧 潰 終 了 時 図14イ ンパ ク トア ッテ ネ ー タ の 圧 潰解 析 4.7.3ハ ブ の 強 度 解 析 ハ ブ と は タ イ ヤ ・ホ イ ー ル と ブ レ ー キ デ ィ ス ク を 固 定 し 共 に 回 転 す る 車 輪 部 品 で あ る 。 う VonMlses応 力基 準(節 」 M室も 、1 量艶 図15後 輪 ハ ブの 強 度 解 析 携 塊 §塁・4 愚 界上 ま た,後 輪 の ハ ブ は 駆 動 の ドライ ブ シ ャ フ トを介 して, エ ンジ ンの カ を タ イ ヤ に 伝 え るた め の 部 品 で あ る。 この 部 品 の 強 度 解 析 は,3D-CADと して 使 用 して い るCArIA に付 属 の構 造解 析機 能 を 用 い て 行 う。 解 析 で は 使 用 して い る材 料 の 降伏 応 力 に 対 して 安 全 率 が2.0程 度 を確 保 しつ つ,応 力集 中 が 発 生 しな い よ う形 状 を最 適 化 して, 部 品 の 軽 量化 を進 め て い く。 図15に2013年 モ デ ル の 後 輪 ハ ブ の応 力解 析 結 果 を 示 す。 4.8パ ッ ケ ー ジ ミ ー テ ィ ン グ パ ッ ケ ー ジ ミ ー テ ィ ン グ は,部 品 干 渉 の 不 具 合 が 発 生 し て い な い か,ま た 適 切 な ク リア ラ ン ス が 確 保 で き て い る か,重 量 配 分,外 観 の デ ザ イ ン 等CADデ ー タ を 基 に ミ ー テ ィ ン グ を 重 ね て 調 べ て い く 作 業 で あ る。 各 メ ン バ ー が 設 計 し た 全 部 品 を ア ッ セ ン ブ リ し た3面 図(CAD画 像) を 図16に 示 す 。 ■ 図162013年 度 車 両 パ ッ ケ ー ジ レ イ ア ウ ト 5.ま と め 昨年 度 はエ ンデ ュ ラ ンス の 出 走 目前 で 競 技 終 了 時刻 と な り全 競 技 完 走 を果 たす こ とが で き な か っ た。 本年 度 は 全 競 技 完 走す る こ とを 目標 に歴 代 の 中で 一番 走 り込 み を 行 い,車 両 の調 整 や ドラ イバ ー の 育成 に力 を入 れ た。 本 大 会 で は,ス キ ッ ドパ ッ ドを 終 えた 後 に ブ レー キ 系 統 の不 具 合 を 見 つ け た が,こ の 直 後 に控 えた ア クセ ラ レ ー シ ョン競 技 に参 加 す るた め,調 整 せ ず 不 具 合 を抱 えた ま ま競 技 に挑 ん だ。 次 の競 技 の オ ー トク ロス も車 両整 備 の 時 間 が確 保 で きず ス タ ー トとな っ て しま っ た。 本 来 で あれ ば,も う少 し車 両性 能 を発 揮 で き た もの と思 わ れ る が,数 回 の試 走行 を行 っ て き て も本 大 会 で 不 具 合 が発 生 す る とい う こ とは,ま だ ま だ 車 両 の 耐 久 性 が 低 く,設 計 ・ 製 作 に 見 直 しの必 要 が あ る と もの と思 われ る。 9月 の本 大 会 を終 えて,例 年 は来 年 度 大 会 に 向 け3年 生 主体 で活 動 を ス タ ー トして い た が,下 級 生 の2年 生 を
2年 越 しで 車 両 の 設 計 製 作 に 関 わ れ る よ う,各 パ ー トリ ー ダ ー の 下 に 配 置 した新 体 制 で 活 動 を ス タ ー トした。 6.謝 辞 本 プ ロジ ェ ク トの 実 施 に あ た りシ ス テ ム デ ザ イ ン学 科, 理 工 学 部 同 窓 会,活 動 面 で は 大 学 工 作 室 の 佐 藤 道 憲 技 術 員,ホ ンダ マ イ ス タ ー ク ラブ 並 び に 多 くの 企 業 や 個 人 の 方 々 か ら,活 動 費 ・部 品 提 供 ・技 術 指 導 を頂 い た 。 こ こ に 記 して感 謝 の 意 を 表 す 次 第 で あ る。 ) 6 ) 7 ) 8 本 田啓 介 ・安 居 麻 子 ・臼 田 翔 吾 ・関 根 慎 太 郎 ・篠 田 和 憲 ・鈴 木 浩 介 ・小 林 千 浩 ・大 菌 康 平 ・長 谷 川 涼 ・ 深 尾 昌 平 ・鴫 原 顕 英 ・野 口衛 全:学 生 フ ォ ー ミ ュ ラ カ ー の 設 計 と製 作:2012年 度 成 膜 大 学 エ レ ク ト ロ メ カ ニ ク ス 学 科 卒 業 論 文 日本 学 生 フ ォ ー ミ ュ ラ 大 会 日 産 サ ポ ー ト講 座 テ キ ス ト,日 産 自動 車,2012 DavidTremayne:ThescienceofFormula lDesign,HaynesPublishing,2009 7.研 究 室 所 属 メ ン バ ー の 担 当 ・役 割 チ ー ム は 後 輩 を 含 め25名 程 で 構 成 さ れ て い る が,卒 業 研 究 の 一 環 と し て 活 動 し て い る 学 生 の 担 当 ・役 割 を 以 下 に 示 す 。 弓 削 研 究 室 太 田 雅 貴(プ ロ ジ ェ ク ト リー ダ ー,サ ス ペ ン シ ョ ン,コ ス ト ・渉 外 担 当) 蓮 沼 勇 人(マ ネ ジ メ ン ト リー ダ ー,ス テ ア リ ン グ 担 当) 津 久 井 洋 平(マ ネ ジ メ ン ト リー ダ ー,ハ ブ コ ス ト ・渉 外 担 当) 手 嶋 真 孝(フ レー ム,安 全 ・衛 生 担 当) 西 遼 太(ブ レー キ,ペ ダ ル,コ ス ト ・渉 外 担 当) 小 川 研 究 室 浅 野 善 彦(吸 気 系,会 計 担 当) 座 光 寺 雄 大(カ ウル,安 全 ・衛 生 担 当) 白 鳥 翔 大(排 気 系,燃 料 系,会 計 担 当) 酒 井 研 究 室 石 井 將 太 郎(駆 動 系,WEB担 当) 根 岸 秀(車 両 統 括,サ ス ペ ン シ ョ ン,次 世 代 教 育 担 当) 小 方 研 究 室 目 時 啓(電 装,シ フ タ ー,次 世 代 教 育 担 当)
