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。
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この記事について
サマリー
要約
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。
概要
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、さまざまな形の溝があります。これらの溝の存在により、動圧油膜の形成と良好な放熱性能が保証されます。ただし、溝付き摩擦板によって形成される油膜は、理論上の粘性せん断トルクに影響を与えます。さらに、溝構造は、形成された油膜の均一性に影響を与えるだけでなく、油膜せん断によって生成される温度にも関連し、その後、摩擦板の冷却効果に影響を与えます。温度が高すぎると、摩擦板の反りや変形が発生し、恒久的な故障につながる可能性があります6。したがって、ハイドロビスカスクラッチの構造設計は、主に摩擦プレートの設計に焦点を当てており、伝達トルク、油膜負荷容量、油膜均一性、油膜温度、摩擦板温度、摩擦板強度7,8のパラメータを最適化することが重要な課題となっています。
ハイドロビスカスクラッチフリクションプレートのオイル溝構造の設計には、主に円周方向の溝、放射状の溝、円弧状の溝9,10,11などのさまざまな配置が含まれています。これまでの研究から、配置形態の違いに加え、油溝の断面設計も矩形、台形、円弧状など様々であることが分かっています。油溝の構造上の違いは、油膜特性12,13,14,15,16に様々な影響を与える。特定の条件下では、異なる溝構造によって形成された油膜は、クラッチの性能にさまざまな影響を与える可能性があります。さまざまな機械装置で使用されるクラッチの寸法は一意ではありません。したがって、同じ構造のフリクションプレートでも、サイズや動作条件の異なるクラッチで使用すると、性能が大きく異なる可能性があります。したがって、さまざまな機械やさまざまな運転条件に対応するハイドロビスカスクラッチフリクションプレートの設計には、コストと時間効率の高い設計と評価スキームが必要です。
ハイドロビスカスクラッチフリクションプレートの設計アプローチは、理論解析、実験的研究、数値シミュレーションなど、さまざまな側面を網羅しており、油膜の圧力場、温度場、速度場が性能にどのように影響するかに焦点を当てています8,17,18,19,20,21 .さらに、多くの学者が、摩擦板表面の微細な質感と摩擦板に使用されている材料に基づいて研究を行い、ハイドロビスカスクラッチ22,23の性能を向上させています。多くの学者は、水粘性クラッチ内の回転流場のキャビテーション特性と石油貯留層の断面形状との関係を研究してきました。彼らは、油膜せん断キャビテーション24,25の開始を予測するための理論的基礎と技術サポートを提供し、さまざまな溝構造パラメータの下で油膜せん断キャビテーションの開始位置を分析しました。その中でも数値シミュレーションは研究の鍵となるツールとなり、シミュレーションソフトウェアの開発により、研究はますます洗練されていきました。Fluentモジュールは、主に、溝構造26,27,28の変化を通じて油膜特性を最適化するという特定の目標とともに、流れ場性能に対するさまざまな油溝構造の影響をシミュレートおよび分析するために使用されます。しかし、特定の要件に対して得られたシミュレーション解析と実験結果は、一貫して期待に応えてきましたが、さまざまなサイズのハイドロビスカスクラッチの摩擦板設計への適用性については検証されていません。
本研究では、既存の研究手法を組み合わせ、FluentシミュレーションソフトウェアとRSM応答曲面法(RSM)パラメータ最適化を活用し、様々なサイズの摩擦板の油溝構造に適した設計スキームを提案します。これには、Fluentを使用してさまざまな溝パラメータの下での油膜の特性を分析し、これらの特性に大きく影響する主要な要因について議論し、さまざまな溝パラメータによって形成される油膜のトルクと温度変化を計算し、Box-Behnken法を使用して摩擦板の構造パラメータを統計的に最適化することが含まれます。
本研究では、矩形断面の円周方向の溝と円弧状の放射状溝を組み合わせた複合溝構造を持つ摩擦板の最適化解析について述べる。高トルク伝達と低油膜温度を同時に実現できるフリクションプレートの設計を目指しています。今後、さまざまなサイズのフリクションプレートを設計する際には、モデルの初期寸法を変更するだけで、同じ研究計画と手順を維持する必要があります。
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プロトコル
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
- 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。
- 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。
- 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。
- YZ平面上にスケッチ3を作成し、円周方向の油溝によって形成された油膜に接する円弧長3 mmの半円弧を描き、それを油膜の外面に放射状に押し出し、内側のループの円周に沿って固体を配列して14個のコンポーネントを形成します。
- XY平面上にスケッチ4を作成し、半径110 mmの円を描き、スケッチを使用して余分なモデルを切り取り、14個の放射状半円形油溝油膜の確立を完了します。
- 確立されたモデルを、元のオイル溝パラメータによって形成されたオイルフィルムのジオメトリックモデルとして保存します。
- スケッチ 2 を修正して、幅 3 mm の 3 〜 7 個の円周方向の油溝を一様に分布させ、円周方向の油溝のみが異なる 5 つの油膜モデルを生成します。これらのモデルをSTEP形式で保存します。
- スケッチ 3 を修正して、半円弧の円弧の長さを 3 〜 6 mm に調整し、円弧の長さを毎回 0.5 mm ずつ増やし、放射状の半円構造のみが異なる 7 つの油膜モデルを生成します。これらのモデルをSTEP形式で保存します。
- スケッチ 2 を修正して、押し出しの厚さを 0.1 から 0.4 mm に調整し、その都度厚さを 0.05 mm ずつ増やし、油溝の深さのみが異なる 7 つの油膜モデルを生成します。これらのモデルをSTEP形式で保存します。
- スケッチ 3 の円周方向の配列の数量を調整して、半径方向の油溝の数を 10-16 に変更し、半径方向の溝の数のみが異なる 7 つの油膜モデルを生成します。これらのモデルをSTEP形式で保存します。
2. シミュレーション解析
注: シミュレーション解析には、モデルの前処理、メッシュ分割、およびシミュレーション計算が含まれます。すべての手順はANSYS Workbenchで完了します。
- モデルの前処理
- Workbench ワークステーションを開き、 Toolbox > Component Systems > Geometry ] からジオメトリをプロジェクトのスケマティック領域にドラッグします。
- ジオメトリを右クリックし、[Import Geometry Model] を選択して完成したモデルをインポートし、Space Claim でジオメトリ モデルをクリックして編集します。
- スペース要求ツールバーで、[修復] をクリックし、[追加のエッジ] と [エッジの分割] を選択して修復を完了し、影響を受ける分割線をマージします。
- ツールバー>「デザイン」>「選択」で「選択」を順番にクリックし、モデルの内側サーフェスを選択して、グループ内で「NSを作成」をクリックし、Inletという名前を付けます。
- 同じプロセスを使用して、 外側の表面 をクリックし、 その出口に名前を付けます。滑らかな下部壁面をクリックし、油膜がパッシブフリクションパッドに接触する壁面として B に名前を付けます。名前のないサーフェスをすべて選択し、油膜がアクティブ摩擦パッドに接触する回転ウォールサーフェスとして Z という名前を付けます。
- Space Claim を終了し、ファイルを保存してモデルの前処理を完了します。
注: シミュレーション前のジオメトリック モデルのすべての前処理は、上記の手順に従って完了します。唯一の違いは、アクティブな壁モデルに一貫性がないことですが、操作には影響しません。
- メッシュ パーティショニング
- Workbench ワークステーションで、[Toolbox] > [Component Systems] > [Fluent] から [Fluent] を、ジオメトリが追加されたプロジェクトのスケマティック領域にドラッグします。
- [ジオメトリ]をクリックし、マウスをFluentプロジェクトのメッシュにドラッグして、そのメッシュモジュールをジオメトリのアップストリームデータにリンクします。
- ダブルクリックしてメッシュを開き、メッシュの分割に [Watertight Geometry ]を選択します。ワークフローのステップバイステップに従って、ジオメトリモデルをインポートし、 ローカルサイズを追加します。
- [Generate Surface Mesh] をクリックし、[Minimum Size] を 0.3 mm、[Maximum Size] を 8 mm、[Curvature Norm Angle] を 10 に設定します。これらのパラメータを設定したら、[サーフェス メッシュの生成]をクリックします。
- 生成されたサーフェス メッシュを右クリックし、[ 改善されたサーフェス メッシュ品質を挿入]を選択して、サーフェス メッシュの品質を確認します。 [最小メッシュ品質 ]を 0.7 に設定し、[ OK ]をクリックしてサーフェス メッシュの改善を完了します。
- 「ジオメトリモデルの記述」(Describe Geometry Model) をクリックし、ギャップのない流体領域のみで構成されるジオメトリモデルを選択し、他のオプションはデフォルト設定のままにします。
- 「 ジオメトリ構造を記述 」と「 領域タイプ設定を更新」を順次クリックし、デフォルト設定を維持してプロセスを完了します。
- [ 境界レイヤーの追加] をクリックし、レイヤー数として 3 を選択し、他の設定は既定値のままにします。
- [Generate Volume Mesh] をクリックし、[Improved Volume Mesh Quality] を挿入して、品質が 0.12 を超えることを確認します。
注: 完成したメッシュ分割を 補足図 1 に示します。 - メッシュを生成したら、[ ソルバ モードに切り替える]をクリックします。メッシュの分割を待ち、解析モジュールへのインポートが完了するのを待ちます。
注: メッシュ要素の量と品質は、計算結果の精度にとって重要です。ウォータータイトジオメトリは、セルサイズを変更することにより、メッシュの数と品質を制御するために使用されます。 図 2 に示すように、指定された最小メッシュ要素サイズを 0.8 mm から 0.1 mm に減らすと、要素数が 534,595 から 2,649,371 に増加します。要素数が変化しても、油膜の平均温度と伝達トルクの結果は安定しており、メッシュ品質のさらなる向上が結果に与える影響が最小限であることを示しています。したがって、メッシュ作成には0.3 mmの最小要素サイズが選択されます。
- シミュレーション解析
- メッシュ分割モードからソルバーモードに切り替えます。メッシュの読み込みが完了したら、[一般]メニューの[ケースを確認]をクリックして、有限要素モデルの有効性を検証し、メッシュに負の体積があるかどうかを確認します。
- モデル設定で エネルギー方程式 を開きます。粘性モデル設定インターフェースに入り、 層流モデルを選択して、 粘性加熱 オプションを有効にします。
注:粘性モデルの選択は、油膜の流れ場の流れ状態によって決定され、通常はレイノルズ数を使用して評価されます。レイノルズ数が低い場合、流体粒子は影響を受けず、層流が発生します。逆に、レイノルズ数が高い場合は、流体間の擾乱が増幅され、層流が乱流に変換されることを示します。回転する円盤の周りの流れ理論に基づいて、外側半径の接線速度に関連するレイノルズ数は、式Re = R2ω/vを使用して計算されます。ここで、Reはレイノルズ数、Rは摩擦ディスクの外径、 ω は摩擦板の回転速度、vは動粘度です。Re < 1 × 105 の場合、流れは層流です。2 × 105 < Re < 3 × 105の場合、流れは乱流です。この論文で検討した流体について、v = 30 mm2/s、R = 160 mmの場合、次のように導き出すことができます。摩擦板の回転数が ω =1000rpmのとき、油膜流れ場Reのレイノルズ数<1×105となり、油膜が層流状態にあることを示しています。 - 設定の材料パラメータを 、表1にリストされている2つの材料の特性に従って変更します。システム内の "Air" という名前の液体材料パラメータを修正し、固体材料の場合は "Aluminum" という名前のパラメータを修正します。
注:液体は油膜材料用の作動 油#8 として選択され、固体は摩擦パッド材料に 銅ベースの材料 を使用します。 - [境界条件]をクリックし、「Z」という名前のアクティブな摩擦パッドの壁面を選択し、[運動量設定]をクリックして、Y軸を中心に100 rad/s回転する回転壁面として設定し、せん断条件を[滑り止め]に設定します。
- [境界条件]をクリックし、"B"という名前のパッシブ摩擦パッド壁面を選択し、[Momentum Settings]をクリックして、せん断条件が[滑りなし]の静止壁面として設定します。
- システム連成を通じて、エネルギー伝達に関連する境界条件を設定します。
- 入口と出口の境界条件を設定するには、 出口 をクリックして 圧力出口に設定し、 ゲージ圧力 を標準大気圧に対応する 0に設定します。
- 入口をクリックして入口の境界条件を設定し、流速が1 m/s、入口温度が30 °Cの Velocity Inlet として設定します。
- [ソリューション設定]をクリックし、ソリューション方法モデルの[SIMPLE]アルゴリズムを選択します。[Momentum] と [Energy] の [1 次 Upwind] 形式を選択し、残差値はデフォルト設定のままにします。
- 上記の手順を完了した後、初期温度を 26 °C、圧力を 0 Pa、XYZ 方向の速度を 0 に設定するなど、初期モーメントにおける計算領域の状態を設定します。
- [ イテレーション数] を 300 ステップに設定し、[ 計算 ] ボタンをクリックして計算を開始し、結果を待ちます。
- 反復計算が完了したら、[Results] > [Reports (レポート)] > [Fluxes] をクリックします。[フラックス]で[質量流量]を選択し、[入口]と[出口]の質量流量を確認し、2 つの間の誤差が 0.1% 未満であることを確認して、計算結果の精度を検証します。
- 上記の手順を完了し、シミュレーションの結果を分析します。 「結果」(Results ) > 「フォースレポート」(Reports > Forces) をクリックし、ウォールサーフェス B の Y 軸周りのトルクを選択し、結果の粘性値をオイル膜によって伝達されるせん断トルクとして解釈します。
- 流体流量計算モジュールを終了し、ワークベンチ ワークステーションで、Toolbox から [Result] > [Component Systems > Results] を、流体シミュレーションの計算が完了したプロジェクトのスケマティック領域にドラッグします。流体モジュール内の解をクリックし、マウスを結果にドラッグします。
- 結果を入力し、[ 電卓]をクリックし、[ 関数電卓 ]を選択して、油膜全体の 平均温度 を解きます。 [計算 ]をクリックして、油膜の全体的な平均温度を取得します。
3. パラメータの最適化
注: パラメータの最適化は、モデリングと解析のための応答曲面法を使用して完了します。応答曲面法では、油膜の伝達トルクと温度に大きく影響する3つの因子を選択し、それらの高レベル値と低レベル値を指定する必要があります。次に、選択した影響因子と変数から生成された新しい組み合わせに対してモデリングと解析が実行され、続いて、取得したデータを使用して最適化計算が行われます。
- Design-Expertソフトウェアで、[ 新しいデザイン ]をクリックして新しいデザインを作成します。
- 新しい設計で、Response SurfaceからBOX-Behnkenを選択し、3因子、2水準の最適化モデルを確立します。
- 「数値係数」をクリックして、摩擦パッドの放射状オイル溝の数、溝の深さ、オイル溝の円弧長の3つの要素を選択し、対応する表に入力します。
- 3つの影響因子の分析から得られた 高水準と 低水準の値を対応する表に入力します。
- [Center points per block] を 5 に設定し、次のステップをクリックして [Response Variables] を 2 に変更します。これは、油膜によって伝達されるトルクと油膜の平均温度です。[完了] をクリックして、17 セットのランダム サンプル ポイントを生成します。
- 17 セットのランダム サンプル ポイントから 3 つの影響因子を再結合してモデル データを確立し、セクション 1 を繰り返してモデルの構築を完了します。
- シミュレーション解析のためにセクション2を繰り返して、再結合後の油膜の伝達トルクと平均温度を求めます。3 つの影響の組み合わせの予測変数 A、B、C を、伝達トルクと平均温度のシミュレーション結果と統合して、新しい変数テーブルを形成します。
- 次に、モデルの[プロセス次数]で[2次]を選択し、[モデルタイプ]で[多項式]を選択し、他の設定をデフォルトのままにします。
- 応答曲面モデルの設定が完了したら、トルクと平均温度の両方を計算します。
- 解析が完了したら、モデルのエラー解析を実行します。 分散分析(ANOVA)をクリックし、フィット統計量のR²とAdeq精度の値を分析して、モデルが基準を満たしているかどうかを確認します。
- 「最適化」>「数値>基準」をクリックし、3つの影響因子の範囲を変更せずに維持します。[ソリューション]をクリックして、おおよその値の最大トルクと最小平均温度を見つけます。
- 配列のさまざまな結果を計算し、1 とラベル付けされた組み合わせがモデルにとって最適な解です。
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結果
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...
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ディスカッション
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
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開示事項
著者は、相反する金銭的利益またはその他の利益相反がないことを宣言します。
謝辞
本研究は、中国湖南省教育局研究財団(23A0620)、中国湖南省自然科学財団プロジェクト地域共同基金(2025JJ70310)、江蘇理工大学の大学院実践イノベーションプログラム(XSJCX24_44)の支援を受けました。
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材料
| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 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 |
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再版と許可
