設計工学

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第9章 機械システム設計
★機械設計では,常に「兼ね合い」が重要!
★機械を「システム」として組み立てる重要性
9.1 機械システム設計とは
9.1.1 システム設計の手順と必要性
★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!
9.1.2 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グ
エンジンの設計
スターリングエンジン
優れた特徴
高熱効率性
燃料の多様性
低公害性
問題点
製造コストが高い
比出力が小さい
★設計コンセプト
★簡略化した熱交換器の採用
★小型化のための工夫
実験用小型スターリングエンジン
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!
発電機を
内蔵!
空間の
有効利用!
高回転形
駆動機構!
9.2.4 構成要素の設計
(1) ヒータ
★ヒータの伝熱計算
★ヒータ管を
何℃まで上げ
ればいいの
か?
ヒータの設計計算例
(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
ロンビック機構
★加工・組立精度とピストンの運動を考える!
★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
★摩擦損失
を調べる!
9.2.5 実験用小型スターリングエンジン
の性能特性
出力および機械損失の実験結果
★目標性能には至っていない!!
★熱効率
各種効率の実験結果
★目標性能には至っていない!!
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
翼
翼
人力水中翼船の構造
★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?
200 mの直線距離を
水中翼なし
55秒
水中翼あり
1分14秒
水中翼なし
水中翼あり
9.3.3 まとめ
失敗の原因
★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
★各要素の個別の設計だけでは総合的な性
能向上は難しい!
9.4 旋回性能実験用魚ロボットの設計
★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
★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) 基本構造
★2つの関節
★サーボモータによる駆動
★簡単な設計計算
トルクの計算結果
★どの程度の周波数で運転できるのか?
(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
周波数up
今までに開発した魚ロボット
★手持ちのデータを有効に利用する!
高速化
★魚ロボットの基本構造
•直流モータによる高周波数運転
•旋回用と推進用の2つの関節
•細長い形状
細長い形状
高速化
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
簡易設計計算モデル
魚ロボットの寸法
関節位置
減速比
★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
北太平洋の風向・風速
★北大西洋を航行する!
★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。

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