ハイドロビスカスクラッチの摩擦板のパラメトリック最適化設計法

Summary

この研究では、数値解析ソフトウェアと応答曲面法(RSM)を組み合わせて、流体粘性クラッチの摩擦板の最適化設計法を体系的に検討します。

Abstract

ハイドロビスカスクラッチ(HVC)は、液体粘性伝達の理論に基づいて動作し、粘性流体を作動媒体として使用して、摩擦プレート間の油膜のせん断力を通じて動力を伝達します。摩擦板の溝構造は、トルク伝達能力と油膜のせん断誘起温度の上昇に直接影響します。そのため、効率的なトルク伝達と低い温度上昇を両立するフリクションプレート構造を設計することは大きな意義があります。この問題に対処するために、本研究では、溝構造が油膜特性に与える影響を分析し、主要な影響要因を特定します。その後、シミュレーションソフトウェアを使用して、さまざまな溝構造の下での油膜のトルクと温度上昇を計算しました。次に、摩擦板の構造パラメータは、応答曲面法(RSM)のBox-Behnken設計を使用して最適化されました。その結果、溝深さ0.214mm、円弧長5mm、放射状円弧溝16本、円周方向5本という最適化されたフリクションプレート設計により、高トルク伝達を確保しながら油膜温度を大幅に低減できることがわかりました。この設計アプローチは、さまざまなサイズのハイドロビスカスクラッチの摩擦ペアの最適化された設計の参考となります。

Introduction

社会生産性の急速な発展に伴い、建設・製造工程で利用される大型重量物機械はますます増えています。これらの機械は、低エネルギー消費を考慮しながら、高出力の動的速度調整を必要とします。

近年、新しいタイプの速度制御装置が提案され、重機、特にハイドロビスカスクラッチで使用されています。この装置は、機械、電子制御、および油圧技術を統合し、流体せん断伝達と機械的摩擦伝達の両方を組み込んでいます。そのエネルギー効率の高い特性は、ますます広範なアプリケーションをもたらしています^1,2,3。

ハイドロビスカスクラッチの動作原理は、ニュートンの内部摩擦則に基づいており、油膜をせん断することによって発生するトルクを利用して、動力伝達とスムーズな速度調整を実現します。したがって、ハイドロビスカスクラッチは安定した動力伝達と制御を実現できます^4,5。油膜に影響を与える主な要因は、摩擦板の表面構造です。ハイドロビスカスクラッチのフリクションプレートの表面は滑らかではなく、さまざまな....

Protocol

注:設計スキームの技術的なルートを 図1に示します。これには、主にモデルの構築、シミュレーション解析、およびパラメータの最適化が含まれます。モデルの構築には、単一因子分析に必要なモデルと、影響因子を決定した後に応答曲面法(RSM)によって与えられた実験計画から導出されたモデルの2つの主要なカテゴリが含まれます。モデルの構築はSolidWorksで完了し、シミュレーション解析はFluentで実行され、パラメータの最適化はDesign-Expertで実行されます。

1. モデル構築

1. フリクションパッドの基本寸法を決定し、フリクションパッドの内径を110mm、外径を160mm、油膜の厚さを0.3mmに設定します。
2. XY 平面上に内径 110 mm、外径 160 mm の円形スケッチを作成し、円を 0.3 mm まで押し出して基本モデルを作成します。結果として得られる環状形状が油溝のない油膜モデルを形成することを確認して、基本モデルを作成します。
3. 環状モデルの 1 つの側面にスケッチ 2 を作成し、分布が均一で幅が 3 mm の 5 つの円形面を描画し、それらを 0.3 mm まで押し出します。円周方向の油溝によって作られた長方形の断面で油膜を形成します。

Results

このスキームのモデリングおよびシミュレーション解析ステップは、摩擦プレートの溝のどのパラメータが油膜温度と伝達トルクに大きく影響するかを決定することを目的としています。サンプリングデータのパラメータ最適化により、油膜性能に影響を与えるパラメータの組み合わせを調整し、モデリングとシミュレーションを繰り返してデータを生成し、最終的に応答曲面の最適化により摩擦板溝の最適なパラメータを取得します。

図3、図4、図5、および図6は、油膜の伝達トルクと平均温度に対するさまざまな溝パラメータの影響を示しています。溝構造にばらつきがあるため、形成される油膜の形状が異なり、伝達トルクと温度の両方に変化をもたらします。

円周方向の溝の数、円弧の長さ、深さを一定に保つことで、半径.......

Discussion

本研究では、ハイドロビスカスクラッチ摩擦板の油溝構造の最適化設計法を提案する。具体的には、溝¹⁰の数、配置、幾何学的寸法などのパラメータを変更することにより、油膜の性能を向上させることを目指す。Fluentソフトウェアを使用した数値シミュレーションと応答曲面法(RSM)の組み合わせを使用して、半径方向の溝の数、溝の深さ、半径方向の溝の円弧長などのパラメータを解析し、最適化します。目標は、油膜温度を最小限に抑え、十分なトルク伝達を維持しながら、時間とコストを節約する設計アプローチを実装することであり、最終的にはクラッチの寿命を延ばすことです。

シミュレーションおよび最適化プロセスでは、収束不良や期待される結果からの逸脱などの問題が発生する可能性があります。これらの問題を解決するために、我々は、次のアプローチを提案する:シミュレーションが収束に失敗した場合、まずメッシュ品質をチェックし、セルの歪度が0.7未満で、アスペクト比が5未満であることを確認し、溝壁

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
アルダリー	該当なし	該当なし	合金材料
Ansys-ワークベンチ	アンシス	ANSYS 2023R1 (英語)	多目的有限要素法コンピュータ設計プログラムソフトウェア
デザインエキスパート	スタットイージー	デザインエキスパート 13	実験データ解析ツール
No.8 作動油	該当なし	該当なし	液体
PC	該当なし	該当なし	コンピュータ機器
ソリッドワークス	ダッソー・システムズ	ソリッドワークス 2023	エンジニアリングソフトウェア製図ツール
鋼鉄	該当なし	該当なし	合金材料