自動車工学

自動車工学は、航空宇宙工学や造船学とともに、オートバイ、自動車、トラックおよびそれぞれの工学サブシステムの設計、製造、操作に適用される機械、電気、電子、ソフトウェア、安全工学の要素を組み込んだ車両工学の分野です。また、車両の改造も含まれます。製造分野は、自動車の部品全体の作成と組み立ても扱います。自動車工学の分野は研究集約的で、数学モデルと公式を直接適用します。自動車工学の研究は、コンセプト段階から生産段階まで、車両または車両コンポーネントを設計、開発、製作、テストすることです。生産、開発、製造は、この分野の3つの主要な機能です。

自動車工学は、自動車の製造、設計、機械機構、および操作を教える工学の分野^{[要出典]です。オートバイ、車、バス、トラックなどを扱う車両工学の入門[要出典]}です。機械、電子、ソフトウェア、および安全要素の分野研究が含まれます。自動車エンジニアにとって重要なエンジニアリングの属性と分野には、次のものがあります。

安全工学:安全工学は、さまざまな衝突シナリオとそれが車両の乗員に与える影響を評価することです。これらは、非常に厳格な政府規制に照らしてテストされます。これらの要件には、シートベルトとエアバッグの機能テスト、前面および側面衝突テスト、および横転抵抗テストが含まれます。評価は、コンピューター 衝突シミュレーション(通常は有限要素解析)、衝突試験ダミー、部分システム スレッドおよび車両全体の衝突など、さまざまな方法とツールを使用して行われます。

燃費/排出量:燃費は、 1 ガロンあたりのマイル数または 1 リットルあたりのキロメートル数で測定された車両の燃料効率です。排出量テストには、炭化水素、窒素酸化物( NO _x )、一酸化炭素 (CO)、二酸化炭素 (CO ₂ )、蒸発ガス などの車両排出量の測定が含まれます。

NVH エンジニアリング (騒音、振動、ハーシュネス) : NVH には、車両に関する顧客からのフィードバック (触覚 [感じられる] と聴覚 [聞こえる] の両方) が含まれます。音はガラガラ音、キーキー音、熱さとして解釈できますが、触覚的な応答はシートの振動やハンドルのバズ音として解釈できます。このフィードバックは、コンポーネントの擦れ、振動、または回転によって生成されます。NVH 応答は、パワートレインの NVH、ロードノイズ、風切り音、コンポーネントノイズ、キーキー音とガラガラ音など、さまざまな方法で分類できます。NVH には良い特性と悪い特性の両方があることに注意してください。NVH エンジニアは、悪い NVH を排除するか、「悪い NVH」を良いもの (つまり、排気音) に変える作業を行います。

車両エレクトロニクス：自動車エレクトロニクスは、自動車工学においてますます重要な側面となっています。現代の自動車には、数十もの電子システムが採用されています。^[1]これらのシステムは、スロットル、ブレーキ、ステアリングなどの操作制御や、HVAC、インフォテインメント、照明システムなどの多くの快適性と利便性のシステムを担っています。電子制御なしでは、自動車が現代の安全性と燃費の要件を満たすことは不可能でしょう。

パフォーマンス: パフォーマンスとは、さまざまな状況で車両が機能する能力の測定およびテスト可能な値です。パフォーマンスはさまざまなタスクで考慮されますが、一般的には、車がどれだけ速く加速できるか (例: 発進から 1/4 マイルの経過時間、0 ～ 60 mph など)、最高速度、設定速度 (例: 70 ～ 0 mph) から車が完全に停止するまでの時間と時間、車がグリップを失うことなく生成できる重力加速度、記録されたラップ タイム、コーナリング速度、ブレーキ フェードなどが考慮されます。パフォーマンスは、悪天候 (雪、氷、雨) での制御の程度を反映することもあります。

シフト品質: シフト品質とは、自動変速機のシフトイベントに対するドライバーの車両に対する認識です。これは、パワートレイン (内燃エンジン、トランスミッション) と車両 (ドライブライン、サスペンション、エンジンとパワートレインのマウントなど) によって影響を受けます。シフト感覚は、車両の触覚的 (感じられる) かつ聴覚的 (聞こえる) な応答です。シフト品質はさまざまなイベントとして体験されます。トランスミッションのシフトは、加速時のアップシフト (1–2) または追い越し時のダウンシフト操作 (4–2) として感じられます。パーキングからリバースへのシフトなど、車両のシフトエンゲージメントも評価されます。

耐久性/腐食工学: 耐久性と腐食工学は、車両の耐用年数を評価するテストです。テストには、走行距離の累積、過酷な運転条件、腐食性塩浴が含まれます。

運転性: 運転性とは、一般的な運転条件に対する車両の反応です。冷間始動や失速、RPM の低下、アイドリング応答、発進のもたつきや失速、パフォーマンス レベルはすべて、特定の車両の全体的な運転性に影響します。

コスト: 車両プログラムのコストは、通常、車両の変動コストへ​​の影響と、車両の開発に関連する初期ツールと固定コストに分割されます。保証の削減とマーケティングに関連するコストもあります。

プログラムのタイミング: ある程度、プログラムは市場と組立工場の生産スケジュールに応じてタイミングが調整されます。設計における新しい部品はすべて、モデルの開発および製造スケジュールをサポートする必要があります。

組み立ての実現可能性: 組み立てが難しいモジュールを設計することはよくあり、その結果、ユニットが損傷したり、許容誤差が小さくなったりします。熟練した製品開発エンジニアは、組み立て/製造エンジニアと協力して、適切な機能と外観を実現するだけでなく、製造と組み立てが簡単で安価になる設計を実現します。

品質管理: 顧客の要件を満たし、高額なリコールを回避するには高品質が必要であるため、品質管理は製造プロセスにおける重要な要素です。製造プロセスに含まれるコンポーネントの複雑さにより、品質管理にはさまざまなツールとテクニックを組み合わせる必要があります。そのため、世界有数のメーカーと業界団体のグループである国際自動車タスクフォース(IATF) は、規格ISO/TS 16949を開発しました。この規格は、設計、開発、製造、および (該当する場合) 設置とサービスの要件を定義します。さらに、ISO 9001 の原則と、AVSQ (イタリア)、EAQF (フランス)、VDA6 (ドイツ)、QS-9000 (米国) などのさまざまな地域および国の自動車規格の側面を組み合わせています。自動車の電気および電子システムの製品故障や賠償請求に関連するリスクをさらに最小限に抑えるために、ISO/IEC 17025 に準拠した品質規律機能安全が適用されます。

1950 年代以降、包括的なビジネス アプローチである総合的品質管理(TQM) は、自動車製品および部品の生産プロセスを継続的に改善するために運用されてきました。TQM を実装した企業には、フォード モーター カンパニー、モトローラ、トヨタ自動車などがあります。^{[引用が必要]}

開発エンジニアは、自動車メーカー、政府規制、および製品を購入する顧客の指示に従って、完成した自動車(バス、乗用車、トラック、バン、SUV、オートバイなど) のエンジニアリング属性の提供を調整する責任を負います。

システム エンジニアと同様に、開発エンジニアは自動車全体のすべてのシステムの相互作用に関心を持っています。自動車には設計どおりに機能しなければならない複数のコンポーネントとシステムがありますが、それらは自動車全体と調和して機能する必要もあります。たとえば、ブレーキシステムの主な機能は、自動車にブレーキ機能を提供することです。これに加えて、ペダルの感触 (スポンジ状、硬い)、ブレーキ システムの「ノイズ」(キーキー音、震えなど)、ABS (アンチロック ブレーキ システム) との相互作用についても許容できるレベルを提供する必要があります。

開発エンジニアの仕事のもう 1 つの側面は、自動車のすべての特性を一定の許容レベルで実現するために必要なトレードオフプロセスです。その一例は、エンジン性能と燃費のトレードオフです。顧客の中にはエンジンから最大限のパワーを求める人もいますが、自動車は依然として許容レベルの燃費を実現する必要があります。エンジンの観点から見ると、これらは相反する要件です。エンジン性能は最大排気量(より大きく、より多くのパワー) を求めており、燃費はより小さな排気量のエンジンを求めています (例: 1.4 L 対 5.4 L)。ただし、エンジン サイズは燃費と自動車の性能に寄与する唯一の要因ではありません。さまざまな値が関係します。

トレードオフを伴うその他の属性には、自動車の重量、空気抵抗、トランスミッションのギア、排出ガス制御装置、ハンドリング/ロードホールディング、乗り心地、タイヤなどがあります。

開発エンジニアは、自動車レベルのテスト、検証、認証の組織化も担当します。コンポーネントとシステムは、製品エンジニアによって個別に設計およびテストされます。最終的な評価は、システム間の相互作用を評価するために自動車レベルで実施されます。たとえば、オーディオ システム (ラジオ) は自動車レベルで評価する必要があります。他の電子コンポーネントとの相互作用により干渉が発生する可能性があります。システムの放熱とコントロールの人間工学的な配置を評価する必要があります。すべての座席位置で許容できるレベルの音質を提供する必要があります。

製造エンジニアは、自動車部品や完成車の適切な生産を保証する責任があります。開発エンジニアが車両の機能に責任を持つのに対し、製造エンジニアは車両の安全で効率的な生産に責任を負います。このエンジニアグループは、プロセスエンジニア、ロジスティクスコーディネーター、ツールエンジニア、ロボットエンジニア、および組立計画者で構成されています。^[2]

自動車業界では、製造業者が自動車部品の開発段階でより大きな役割を果たし、製品の製造しやすさを確保しています。自動車の世界では、製造性を考慮した設計は、自動車設計の研究開発段階でどのような設計が開発されるかを確実にするために重要です。設計が確立されると、製造エンジニアが引き継ぎます。彼らは自動車部品や車両を製造するために必要な機械や工具を設計し、製品を大量生産する方法を確立します。自動車工場の効率を高め、シックスシグマやカイゼンなどのリーン製造技術を実装するのが製造エンジニアの仕事です。

その他の自動車エンジニアには、以下のものがあります。

• 空気力学エンジニアは、スタイリング スタジオに、デザインする形状が空気力学的であると同時に魅力的になるように指導することがよくあります。
• ボディエンジニアは、自分たちのデザインに合ったパネルを製作することが可能かどうかをスタジオに知らせます。
• 変更管理エンジニアは、発生するすべての設計および製造の変更が整理、管理、実装されていることを確認します...
• NVHエンジニアは、車内の大きな騒音や検知可能な振動を防ぎ、車両が走行中に音質を向上させるために、音響および振動テストを実行します。

研究によると、現代の自動車の価値の大部分はインテリジェントシステムから生まれており、これらが現在の自動車のイノベーションの大部分を占めています。^{[3] [4]これを促進するために、現代の自動車エンジニアリングプロセスは、}メカトロニクスの使用の増加に対応する必要があります。インテリジェントシステムの構成とパフォーマンスの最適化、システム統合、制御、コンポーネント、サブシステム、システムレベルの検証は、構造、振動音響、運動学設計の場合と同様に、標準的な車両エンジニアリングプロセスの本質的な部分になる必要があります。これには、通常、高度にシミュレーション主導の車両開発プロセスが必要です。^[5]

インテリジェント システムを組み込む際に必要となる固有のマルチフィジックスと制御システム開発に効果的に対処する 1 つの方法は、自動車業界で 20 年以上にわたって広く使用されているV モデルアプローチをシステム開発に採用することです。この V アプローチでは、システム レベルの要件がサブシステムを介して V に沿ってコンポーネント設計に伝わり、システム パフォーマンスは統合レベルが上がるにつれて検証されます。メカトロニクス システムのエンジニアリングには、相​​互接続された 2 つの「V サイクル」を適用する必要があります。1 つはマルチフィジックス システム エンジニアリング (センサーとアクチュエータを含む電動パワー ステアリング システムの機械および電気コンポーネントなど) に焦点を当てたもので、もう 1 つは制御エンジニアリング、制御ロジック、ソフトウェア、および制御ハードウェアと組み込みソフトウェアの実現に焦点を当てたものです。^{[6] [7]}

Wikiversityには自動車工学に関する学習リソースがあります