第 9 章　機械システム設計

第 9 章　機械システム設計

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9.1 　機械システム設計とは

★ 広範囲！

★ 機械全体を適切なバランス（兼ね合い）に保つことが 重要！

9.1.1 システム設計の手順と必要性

9.1.2 システム設計に必要な知識

★ 材料力学

★ 熱力学

★ 流体力学

★ 機械力学（振 動）★ 機構学

★ 計測・制御工 学★ 機械材料学

★ 機械加工学

・・・

9.2 　実験用小型スターリン エンジンの設計 グ

高熱効率性 燃料の多様性 低公害性

製造コストが高 い比出力が小さい

スターリングエンジ

ン 優れた特徴 問題点

★ 設計コンセプト

実験用小型スターリングエンジ ン

★

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9.2.1 　エネルギーの流れ

★ 最初にエネルギーの流れを把握しておく。

スターリングエンジンのエネルギーの流れ

9.2.2 　出力試算

★ 目標とする出力を 決める。

★ 圧力，温度，容積 および作動ガスの種 類などの影響を整理 した実験式を利用。

計算結果

★ エンジン仕様と目標性能

9.2.3 　基本設計

★ 各要素の性 能特性の試算

★ エンジン全 体の構造を検 討

実験用小型スターリングエンジンの構 造

★ エンジンの特徴

簡単な構造の 熱交換器！

有効利用！空間の

駆動機構！高回転形 発電機を内蔵！

9.2.4 構成要素の設計 (1) ヒータ

★ ヒータの伝熱計算

ヒータの設計計算例

★ ヒータ管 を何℃まで 上げればい いのか？

(2) クーラ

★ 冷却水の流量は？

★ 作動ガスを十分に冷やせるのか？

(3) 再生器

★ 圧力損失と伝熱性能の兼ね合いが重要！

(4) ピストン駆動機構

★ 加工・組立精度とピストンの運動を考える！

ロンビック機構

★ ピストンの運動

★ パワーピストンの構造

★ 加工・組立精度に対する「逃げ」をつける！

(5) シール機構 ^★_失を調べ^摩擦損

る！

9.2.5 　実験用小型スターリングエン ジン

　　　　の性能特性

★ 目標性能には至っていない！！

出力および機械損失の実験結果

★ 熱効率

★ 目標性能には至っていない！！

各種効率の実験結果

9.2.6 　まとめ

★ 「機械」を完成させるためには多くの検討事項がある

。

★ 多くの設計計算が必要である。

★ 設計計算の結果が実際に一致するとは限らない。

★ 機械設計を成功させるためには，詳細な解析や性能評 価が必要である。

9.3 　人力水中翼船の設計

人力水中翼船

★ 船体と水との間の摩擦抵抗が大幅に低減できる！

9.3.1 　人力水中翼船の構造

人力水中翼船の構造

翼 翼

★ 翼について

★ 揚力を利用す る！

9.3.2 　人力水中翼船の設計と性能

MOVIE

★ 船体が浮いている状態？

★ 水中翼の効果？

水中翼なし 水中翼あり

55 秒 1 分 14 秒

200 m の直線距離を

水中翼なし 水中翼あり

9.3.3 　まとめ

★ 船体が重く，大きい翼を必要としたこと

★ 翼の抗力が人間の脚力と比べて大きかったこと

★ 適切な加速ができるプロペラが開発できなかったこと 失敗の原因

★

9.4

設計

★ 魚ロボットの旋回性能を調べ る！

9.4.1 　魚ロボットの旋回方法

★ 魚ロボットはどのような方法で旋回できるのか？

実際の魚のひれ

★ 尾ひれを利用した旋回方法

9.4.2 　実験用魚ロボットの設計

(1) 設計コンセプト

(2) 基本構造

★ 体高が高い体形（側扁形）→タイをモデルとす る。

★ 魚ロボットの小型化を目指す。

★2 つの関節

★ サーボモータによる駆 動

★ 簡単な設計計算

★ どの程度の周波数で運転できるのか？

トルクの計算結果

(3) 形式の検討

★ 適切な形式 はどれか？

サーボモータとバッテリの配 置

(4) 詳細構造

実験用魚ロボットの構造

★ 魚ロボットの外観

MOVIE

9.4.3 　実験用魚ロボットの旋回性能

(1) 旋回モード A

旋回モード A の実験結果

★ 振幅の影響

実験結果

(2) 旋回モード B

旋回モード B の実験結果

(3) 旋回モード C

旋回モード C の実験結果

9.4.4 　まとめ

★ 機械システム設計では，問題に対する解決手段を考え ることが重要である。

本魚ロボットの設計例で言えば，

★ 魚ロボットの旋回方法を考えたこと

★ サーボモータやバッテリの配置を考えたこと

★ 基本構造を決定する際にも，工学的に説明できるよう な考えを持つことが重要である。

9.5 高速化を目指した魚ロボットの 設計

魚ロボットを高速化するに は？

9.5.1 　魚ロボットを高速化する方法

★ 手持ちのデータを有効に利用する！

今までに開発した魚ロボット

周波数 up 高速化

★ 魚ロボットの基本構造 ^{細長い形状}

•直流モータによる高周波数運転 高速化

•旋回用と推進用の 2 つの関節

•細長い形状

9.5.2 　実験用魚ロボットの設計

尾部の最高速度 尾部の最大荷重

関節の最大トル ク

モータの最大出 力

魚ロボットの寸 法関節位置

減速比

簡易設計計算モデル

★ 計算結果

9.5.3 　実験用魚ロボットの構造

実験用ロボットの構造

★ 実験用魚ロボットの外観

MOVIE

★ 胴体内部の部品

★ 尾ひれの駆動機構

9.5.4 　実験用魚ロボットの性能

(1) 遊泳速度

周波数と速度の関係

(2) 消費電力

周波数と消費電力，平均出力の関係

9.5.5 　まとめ

★ 機械システム設計では，問題に対する解決手段を考え ることが重要である。

本魚ロボットの設計例で言えば，

★ 魚ロボットを高速化する方法について検討している。

★ 簡易的な計算であっても機械設計に役立つ。

★ システム設計においては，必要に応じた計算を行いた い。★ ただし，実機における魚ロボット周りの水の流れと計 算における仮定とは大きく異なっているのは明らか！

★ 魚ロボットの詳細な特性を見積もるためには，水の流 れを考慮した解析が必要！

9.6 風力エネルギー利用船の概念設 計

エネルギー問題や環境問題を考える！

9.6.1 　風力エネルギーの利用方法

① 船上に風車を利用した発電システムを搭載する。

★ 風力とエンジンを利用した帆船

② 風力エネルギーを直接推進力として利用する。

9.6.2 　風力エネルギー利用船の性能試 算

★ 北大西洋を航行する！

北太平洋の風向・風速

★ 想定する帆船

★ 計算結果

★ 速度が高いほど「得」をす る？

9.6.3 　まとめ

★ このような大規模な機械を作り上げるためには・・・

より詳細な性能試算 多くの実験的検討 装置のメンテナンス

装置を動かすためのエネルギー試算 船の操作性や安全性など

・・・多くの総合的な設計を進める必要がある。

★ 自然エネルギーを有効に利用したい！

本日の課題

① 自然エネルギー（太陽熱，風力，地熱，川の流 れ，波など）を利用した新しい機械（技術）につ いて考えなさい。

② 本日の講義で印象に残ったことを書きなさい。