大変な災害になりました。被災された方々には、心よりお見舞い申し上げます
2020年7月14日火曜日
2020年7月9日木曜日
7月9日 <3D CAD> チェーンホィール静荷重解析 ルネルスパターン板厚4.4mm追加検討
先日Upしたチェーンホィール(以下CW)の静荷重解析では、TAパターン(以下TA)とルネルスパターン(以下RH3.5)を同じ板厚で比較いたしましたが、WSDさんからRHの実際の板厚を教えていただきましたので、その板厚4.4mm(以下RH4.4)で検討比較してみます。
モデルRH4.4
なお、断面形状は、RH3.5はTAと同様に、片面にのみ段差がある形状としましたが、RH4.4については、裏表で対称の形状としました。
材質は、実際にはもっと低強度のものと思われますが、とりあえず、TA、RH3.5と同様にアルミ7075で計算しました。
結果
安全率
30deg
変位
30deg
結果まとめ
数値ベースの比較です
| 単位 | TA | RH 3.5 ave | RH 4.4 Ave | 差(TA vs RH4.4) | |
| min安全率 | 1.828 | 1.818 | 1.807 | -1.2% | |
| max変位 | mm | 0.1393 | 0.1412 | 0.10865 | -28.2% |
| 板厚方向変位 | mm | 0.007271 | 0.005056 | 0 | |
| 質量(参考) | g | 129.8 | 117.6 | 144.9 | 10.4% |
RH3.5とRH4.4では、歪み自体はかなり小さくなりますが、歪み方は同じで、真円が崩れる歪み方です。
最大変位自体は、TAより28.2%少なくなります。
RH4.4は、表裏で対称な形状としましたので板厚方向の変位は0です。ただし、実際の駆動では、チェーンがCWに対して真っ直ぐに掛かるわけではありませんので、横方向の荷重も発生します。
p.s.
今回の解析は、面取りを0で計算しました。実際のRHにはかなり大きなフィレットが付いています。どの位軽量化になっているのか、ちょっと調べてみました。
ギヤ単体(フィレット無) ・・・・125.5g
ギヤ単体(裏表フィレットR1.5) ・・・・122.6g
3g弱の軽量化でした。
2020年7月7日火曜日
7月7日 <3D CAD>チェーンホィールの TAパターンとルネルスパターンの比較
自転車の顔となるチェーンホィール(以下CW)には、いろいろなパターン(形状)がありますが、応力的な優劣?という疑問がありましたので、簡単に解析してみました。
TA
RH 30deg

RH
全体的には大きな差はありません。
モデル
今回は、TAパターン(以下TA)とルネルスパターン(以下RH)の比較です。TA
RH
RHは実物を持っていないので、写真から寸法を取りました。板厚は解りませんので、とりあえずTAと同じで計算しました。
仕様&解析条件
両方とも
48T 板厚3.5mm、ギヤ部板厚2.2mm
材質 アルミ7075(実際の材質が不明なので、7075と仮定)
拘束は、クランクとの固定ネジ部をピン拘束(半径方向&軸方向)
中央部の穴は、同じ厚さの別部品を追加して解析しました(無しでは変形がかなり違います)
荷重は、3枚の連続する歯の円周方向に各200N
実際には、もう少し荷重分担がされているかもしれません。5枚くらい?
結果
降伏安全率
TA
RH
RH 30deg (30°ずらして荷重してみました)
変位
TA
RH
RH 30deg
面のゆがみ
TA

RH
結果まとめ
数値ベースの比較です。
| 単位 | TA | RH ave | 差 | |
| min安全率 | 1.828 | 1.818 | 0.5% | |
| max変位 | mm | 0.1393 | 0.1412 | -1.4% |
| 板厚方向変位 | mm | 0.007271 | 0.005056 | 30.5% |
| 質量(参考) | g | 129.8 | 117.6 | 9.4% |
全体的には大きな差はありません。
気になったのは、変位の大きさというよりも、歪み方です。
TAの変位は、円周方向で大きな差はなく、比較的丸い形を保ったまま変形していますが、RHは、半径方向の歪みの違いが大きく、円の形が崩れています。
板厚方向の歪みも大きいのではと、数値を取ってみましたが、予想に反し、TAの方が大きな値でした。
質量は、中央の穴を埋めた状態で、TA 129.8g、RH 117.6gと、RHの方が軽いので、実際にはRHは板厚を大きくして剛性を確保しているのではと思います。
2020年7月5日日曜日
7月5日 <キャンピングカー>TPMS 右前の表示が変化しない
キャンピングカーにつけているTPMS(タイヤ空気圧モニター)の表示が何か変です。
右前タイヤの表示が変わりません。いつからなのか定かではありませんが、たぶん1か月以上前から34℃ 6.5Barのままです。冷えれば、温度は下がりますし、圧も下がるはずなのですが、そのままです。

原因は何なのか? タイヤについているセンサーを外し、左前に付けてみると、

やはり、表示が変わりません。
本体は、センサーからの信号が無いと最後のデータを表示続けるようです。
右前のセンサーからデータが送られていない???
電池が無くなっているのであれば、事前に電池交換の表示が出るはず(と勝手に思い込み)・・
そうなると、センサーがダメになったのか?
もう寿命か・・・しょうがない当面は3輪の表示で行くか・・・・
などと色々と考えていましたが、とりあえず分解してみることにしました。

取説を見てみましたが、取説と実物の構造が違います。困った!!!!

何とか一番上(下?)にあるキャップのようなものを外しました。これは取説にありません。 (そうか、これは緩み止めか、不具合対策だな・・・)
そうすると、六角部が現れ、ここからはほぼ取説通り。六角部は13mmでしたので、付属のスパナで回せます。
何故かもの凄く固くて、大丈夫なのかと思いながら外すと・・・

防水のためのOリングを引きちぎりながら、外れました。
センサーの故障は解らないな・・・などと考えながら、念のため電池(1623)を購入して交換してみると、
ピーピーとアラームが鳴り、0.0Barの表示になりました。

良かった。センサーの故障ではなく電池の消耗でした。 最初からテスターで測
っていれば、モヤモヤせずに済んだのに・・・
でも、これからが大変です。切れてしまったOリングを入手しなければなりません。
サイズを計ってみると内径19mmで太さ1.0でした。
近くのホームセンターに行ってみましたが、適合するサイズはありません。
とくに太さは問題で、1.5mmより細いサイズがありません。
とりあえず内径の近いサイズを購入してみました。

が、やはり太さ1.5mmでは入りません。いくら押し込もうとしても無理です。
少し小さいサイズで、引き伸ばしながら装着すれば線径も少し細くなるかも・・・
と、さらに2サイズ小さいものを購入してきました。

Oリングにもケースにも、シリコングリスをたっぷり塗って、

何度も何度もトライして、諦めかけた時、何とか押し込むことに成功。

無事に装着できました。

ほっと胸を撫で下ろしました。めでたしめでたし。
<注意>
バルブキャップ型のTPMSを装着している方、これから装着しようとしている方に注意事項です。自分の備忘録も兼ねて。
(1) 電池交換などでセンサー分解するときは、シリコンオイルをたっぷりかけて、Oリングを引きちぎらないように。
(2) バルブコアを回すドライバー(通称ムシ回し)は必須です。

バルブキャップ型のセンサーを緩める時、それに接触しているバルブコアも緩める方向に回すので、センサーが外れた時にシューシューとエア漏れが止まらないことがあります。
今まで、2度ほどあり、大変慌てました。
シューシュー漏れ続けているので、このまま動けなくなってしまう・・と焦りました。
急いでセンサーを付け直すしか方法がありません。
タイヤ交換が出来なくなります。
このような事態を避けるために、このムシ回しを車に積んでおくべきだと思います。
以上
p.s.
あれっ、本体の表示の写真を見直してみると、左後の表示が29℃ 6.5Barで全部同じですね。 左後も電池交換が必要のようです。
この際、4輪すべて交換しておきますか。
7月7日 追記
後左も電池交換をしました。 古い電池の電圧を測ってみたのですが3.0Vありました。
電池ではないのか? しかし、電池交換をして、しばらくしたら0.0Barでアラームがなりましたので、回復はしたようです。
交換時には、シリコンスプレーを噴霧したのですが、それでもOリングはちぎれました。
残念。 もうOリングの在庫はないので、また買ってこないと後の2輪は電池交換できません。
右前タイヤの表示が変わりません。いつからなのか定かではありませんが、たぶん1か月以上前から34℃ 6.5Barのままです。冷えれば、温度は下がりますし、圧も下がるはずなのですが、そのままです。

原因は何なのか? タイヤについているセンサーを外し、左前に付けてみると、

やはり、表示が変わりません。
本体は、センサーからの信号が無いと最後のデータを表示続けるようです。
右前のセンサーからデータが送られていない???
電池が無くなっているのであれば、事前に電池交換の表示が出るはず(と勝手に思い込み)・・
そうなると、センサーがダメになったのか?
もう寿命か・・・しょうがない当面は3輪の表示で行くか・・・・
などと色々と考えていましたが、とりあえず分解してみることにしました。

取説を見てみましたが、取説と実物の構造が違います。困った!!!!

何とか一番上(下?)にあるキャップのようなものを外しました。これは取説にありません。 (そうか、これは緩み止めか、不具合対策だな・・・)
そうすると、六角部が現れ、ここからはほぼ取説通り。六角部は13mmでしたので、付属のスパナで回せます。
何故かもの凄く固くて、大丈夫なのかと思いながら外すと・・・

防水のためのOリングを引きちぎりながら、外れました。
センサーの故障は解らないな・・・などと考えながら、念のため電池(1623)を購入して交換してみると、
ピーピーとアラームが鳴り、0.0Barの表示になりました。

良かった。センサーの故障ではなく電池の消耗でした。 最初からテスターで測
っていれば、モヤモヤせずに済んだのに・・・
でも、これからが大変です。切れてしまったOリングを入手しなければなりません。
サイズを計ってみると内径19mmで太さ1.0でした。
近くのホームセンターに行ってみましたが、適合するサイズはありません。
とくに太さは問題で、1.5mmより細いサイズがありません。
とりあえず内径の近いサイズを購入してみました。

が、やはり太さ1.5mmでは入りません。いくら押し込もうとしても無理です。
少し小さいサイズで、引き伸ばしながら装着すれば線径も少し細くなるかも・・・
と、さらに2サイズ小さいものを購入してきました。

Oリングにもケースにも、シリコングリスをたっぷり塗って、

何度も何度もトライして、諦めかけた時、何とか押し込むことに成功。

無事に装着できました。

ほっと胸を撫で下ろしました。めでたしめでたし。
<注意>
バルブキャップ型のTPMSを装着している方、これから装着しようとしている方に注意事項です。自分の備忘録も兼ねて。
(1) 電池交換などでセンサー分解するときは、シリコンオイルをたっぷりかけて、Oリングを引きちぎらないように。
(2) バルブコアを回すドライバー(通称ムシ回し)は必須です。

バルブキャップ型のセンサーを緩める時、それに接触しているバルブコアも緩める方向に回すので、センサーが外れた時にシューシューとエア漏れが止まらないことがあります。
今まで、2度ほどあり、大変慌てました。
シューシュー漏れ続けているので、このまま動けなくなってしまう・・と焦りました。
急いでセンサーを付け直すしか方法がありません。
タイヤ交換が出来なくなります。
このような事態を避けるために、このムシ回しを車に積んでおくべきだと思います。
以上
p.s.
あれっ、本体の表示の写真を見直してみると、左後の表示が29℃ 6.5Barで全部同じですね。 左後も電池交換が必要のようです。
この際、4輪すべて交換しておきますか。
7月7日 追記
後左も電池交換をしました。 古い電池の電圧を測ってみたのですが3.0Vありました。
電池ではないのか? しかし、電池交換をして、しばらくしたら0.0Barでアラームがなりましたので、回復はしたようです。
交換時には、シリコンスプレーを噴霧したのですが、それでもOリングはちぎれました。
残念。 もうOリングの在庫はないので、また買ってこないと後の2輪は電池交換できません。
2020年7月3日金曜日
7月3日 <3D CAD>正面衝突でフレームはどうなるのか?
最近3D CAD、 Fusion360での応力解析にはまっています。
なかなか面白い。
40年ほど前にちょっとだけ齧ったことのあるFEM解析が、こんなに簡単に出来るなんて・・・という感じです。
机上の解析が一般的になった現在では、ほんのお遊びのような解析なんでしょうけどね。
今回は、正面衝突時に発生するフレームの応力を解析してみました。
(1) 最初に、適当に作ったダブルバテッド管のモデルで解析してみたのですが、実際のパイプとは違い板厚がいきなり1.0から0.5に変化するので、その部分に応力集中してしまったので、没。
(2) 次に板厚1.0のプレーン管で解析したら、ヘッドチューブとトップチューブ、ダウンチューブの接合部にフィレットを付けていなかったので、そこに応力集中してしまい、没。
(3) 3ケース目として計算したのが、以下に紹介する、板厚1.0のプレーン管でヘッドチューブとトップ、ダウンチューブの接合部にR3のフィレットを付けたモデルです。
<拘束条件>
<材料>
Fusion360に用意されていた鋼 AISI 4130 259QTを使用
降伏点応力 778 MPa
実際に正面衝突をした自転車のフレームをみると、フォークが後ろに折れ曲がり、トップチューブとダウンチューブに皺が入って変形するという破壊様相ですので、この解析結果と合っていると思います。
その時の負荷は1800N、つまり、自転車を縦にし、61.2kgの体重の人が3人前輪にぶら下がった状態です。 実際の材料の降伏点応力が778MPaの場合です。
なかなか興味深い結果です。
なかなか面白い。
40年ほど前にちょっとだけ齧ったことのあるFEM解析が、こんなに簡単に出来るなんて・・・という感じです。
机上の解析が一般的になった現在では、ほんのお遊びのような解析なんでしょうけどね。
今回は、正面衝突時に発生するフレームの応力を解析してみました。
(1) 最初に、適当に作ったダブルバテッド管のモデルで解析してみたのですが、実際のパイプとは違い板厚がいきなり1.0から0.5に変化するので、その部分に応力集中してしまったので、没。
(2) 次に板厚1.0のプレーン管で解析したら、ヘッドチューブとトップチューブ、ダウンチューブの接合部にフィレットを付けていなかったので、そこに応力集中してしまい、没。
(3) 3ケース目として計算したのが、以下に紹介する、板厚1.0のプレーン管でヘッドチューブとトップ、ダウンチューブの接合部にR3のフィレットを付けたモデルです。
<拘束条件>
2分割モデルのため、切断面は切断面方向に変位しない。(X軸固定)
シートチューブの後側のエッジを固定。(X,Y,Z軸固定)←どこを固定したら実際に近いのか良く解らないので、とりあえず質量の重い人間の一番近くにあるシートチューブ後端のエッジを固定してみました。
シートチューブの後側のエッジを固定。(X,Y,Z軸固定)←どこを固定したら実際に近いのか良く解らないので、とりあえず質量の重い人間の一番近くにあるシートチューブ後端のエッジを固定してみました。
<荷重条件>
前ハブに前方(Y軸)から3000Nの負荷
前ハブに前方(Y軸)から3000Nの負荷
<材料>
Fusion360に用意されていた鋼 AISI 4130 259QTを使用
降伏点応力 778 MPa
結果
負荷を0~1500N(全体で3000N)に変化させた時のアニメーションです。
入力3000Nの時には、ダウンチューブやトップチューブの前端上下、それにフォークにも降伏点応力以上の応力が発生しています。
ヘッド周辺のアップです。
まとめ
降伏安全率の変化
| Step | 負荷 | 降伏安全率 |
| 1 | 300 | 4.391 |
| 2 | 600 | 2.195 |
| 3 | 900 | 1.464 |
| 4 | 1200 | 1.098 |
| 5 | 1500 | 0.8782 |
| 6 | 1800 | 0.7318 |
| 7 | 2100 | 0.6273 |
| 8 | 2400 | 0.5489 |
| 9 | 2700 | 0.4879 |
| 10 | 3000 | 0.4391 |
この結果を見ると、1500Nでダウンチューブ先端の下側に降伏点以上の応力が発生し、
さらに、1800N時には、ダウンチューブに加え、フォークの前後にも降伏点以上の応力が発生しています。
入力3000Nの時には、ダウンチューブやトップチューブの前端上下、それにフォークにも降伏点応力以上の応力が発生しています。
実際に正面衝突をした自転車のフレームをみると、フォークが後ろに折れ曲がり、トップチューブとダウンチューブに皺が入って変形するという破壊様相ですので、この解析結果と合っていると思います。
その時の負荷は1800N、つまり、自転車を縦にし、61.2kgの体重の人が3人前輪にぶら下がった状態です。 実際の材料の降伏点応力が778MPaの場合です。
なかなか興味深い結果です。
2020年7月1日水曜日
7月1日 <3D CAD>スレートフォークはどの位乗り心地が悪化するのか?
ストレートフォークはどの位乗り心地が悪化するのか?
という素朴な疑問がありましたので、ちょっと解析してみました。
条件として、
フォークの上端は、ベントフォークと同じ28*17の楕円、下端はΦ12の真円で、板厚は1mmとしました。
という素朴な疑問がありましたので、ちょっと解析してみました。
条件として、
フォークの上端は、ベントフォークと同じ28*17の楕円、下端はΦ12の真円で、板厚は1mmとしました。
前三角は、板厚1.0mmとしました。 この前の記事のt=1.0との比較になります。
以下はすべてストレートフォークのデータです。
最大応力(最小安全率)は、やはりフォーク前端の下側です。
BB部です。
<修正>クロモリの降伏応力685MPaで再計算。
応力的には20-30%改善し、降伏安全率も1.4まで改善。でもまだまだ良くない数値。
以下はすべてストレートフォークのデータです。
安全率
かなり応力が低くなりました。
最大応力(最小安全率)は、やはりフォーク前端の下側です。

変位

まとめ
ベントフォークとストレートフォークを数値ベースで比較してみます。| 単位 | ベントフォーク | ストレートフォーク | 向上率 | |
| min安全率 | 3.619 |
4.705 |
30.1% | |
| max応力 | MPa | 189.3 | 145.6 | 23.1% |
| max変位 | mm | 1.829 | 1.83 | -0.1% |
| BB変位 | mm | 0.4312 | 0.4121 | 4.4% |
応力的には20-30%改善し、
BBの変位は4.4%少なくなった。
自転車乗車時の人間への入力は、ハンドルとペダルからなので、ペダルの変位≒BBの変位であり、4.4%固く感じると理解して良いのではと思う。
あくまでも、この条件での計算上では。
7月1日 <3D CAD>フレームのパイプ板厚による違い(修正版)
あっという間に7月ですね。
3D CADで行っているフレームの静荷重解析ですが、前回Upしたものは、拘束条件が間違っていました。
車軸の回転を固定していたため、フォークに余計な力が作用していました。
今回それを取り除いて、少し現実に近づくよう、修正しました。
これが解析のモデルです。


全体としては、フォークの先端の応力の高さが気になりますね。
3D CADで行っているフレームの静荷重解析ですが、前回Upしたものは、拘束条件が間違っていました。
車軸の回転を固定していたため、フォークに余計な力が作用していました。
今回それを取り除いて、少し現実に近づくよう、修正しました。
モデル
これが解析のモデルです。
車軸の部分にハブ相当の部品を追加し、本体とハブの接触セットをスライドにしました。
ピン拘束(半径、軸、接線)という拘束もあるのですが、それでは車輪のように前後には移動しないということがわかり、最終的にこの形になりました。
それから、いままでメッシュ分割でエラーが出ていたのは、パイプの端部(フォーク、シートステイ、チェーンステイ)にオープンの部分があるためらしいということが解り、それを修正したらエラーが出なくなり、分割の時間もぐっと短縮されました。
このエラーには本当に悩まされました。ここまで来るのが長かった・・・
BB部のメッシュの状況は、こんな感じです。
メッシュの粗さは標準にしましたが、BB部はちょっと粗い感じがします。
初めはメッシュを粗く、全体を大きく見て、次ステップで応力の高い所を細かく切って精度を高めるのが良いようですので、とりあえず大きく見てみましょう。
<拘束条件>
2分割モデルのため、切断面は切断面方向に変位しない。(X軸固定)
車軸(ハブ相当パーツ)は、上下方向に変位しない。(Z軸固定)
BBは、前後方向に変位しない。(Y軸固定)
<荷重条件>
BBの下方向(-Z軸方向)に2G(60kgの体重の2倍)を負荷。
段差降りを想定。
前回は4Gにしましたが、人間の足のサスペンションを考慮。
モデルと拘束条件が決まりましたので、前三角の板厚違いを比較してみます。
降伏安全率
t=1.0 プレーン管
最小安全率は、フォークの先端下部です。

降伏率を一般鋼のものを使用し、形状を簡略化(エンド無)しているとはいえ、一般的には3以上が推奨されていますので、これは問題のある値です。
<追記>
クロムモリブデン鋼の材料特性を調べました。
SCM430でも降伏点は685N/mm2(MPa)でした。
この場合、安全率は3を超えます。
t=0.5 ダブルバテット管
ダブルバテット管の場合、安全率は少し悪化します。

最弱部は、フォーク先端の下部で変わりません。
変位
t=1.0(プレーン管)
BB部
最大変位はフォーク先端ですが、BBの変位がフレーム剛性を表す指標になるかも。
t=0.5(ダブルバテッド管)
結果まとめ
数値をまとめてみます。
| 単位 | T=1.0 | T=0.5 | 悪化率 | |
| min安全率 | 3.618 |
3.498 |
3.3% | |
| max応力 | MPa | 189.3 | 195.8 | 3.4% |
| max変位 | mm | 1.829 | 2.038 | 11.4% |
| BB変位 | mm | 0.4312 | 0.4701 | 9.0% |
板厚1.0のプレーン管と、中央部が0.5のダブルバテッド管(017相当?)を比較してみると、応力は+3%強、変位は9-11%悪化するという結果でした。
前回の間違った拘束条件より差が縮まりました。
プレーン管とダブルバテッド管の剛性差は10%強と読めるのですが、体感との比較はどうなのでしょう?
クロモリの諸元では、安全率は3を超えますが、それにしても2Gで3.5という数値はちょっと高いと思います。
本物の材質諸元、本物により近い形状板厚で計算する必要があるかもしれません。
所詮、お遊びですので、精度を上げてもどうということはないのですが・・・
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