トウモロコシ収穫機のギアボックス設計を変更して疲労寿命を向上

Dec 15, 2023

Scientific Reports volume 12、記事番号: 15576 (2022) この記事を引用

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メトリクスの詳細

増速機は、歯車比に応じてトルクや回転数を変化させることができ、歯車の噛み合わせを介して動力を伝達するため、動力伝達効率が高いという利点があります。 ギアボックスの強度や疲労寿命を設計荷重または等価荷重で評価する場合、実際の結果と大きく異なる結果が生じる可能性があります。 そこで本研究では、実際の仕事量に基づいて構築された負荷期間分布（LDD）を用いて、ギアボックスの強度と疲労寿命を確実に評価しました。 LDDを用いて変速機の強度と疲労寿命を評価した結果、既存の変速機では使用環境において目標寿命を満たしていないことが確認されました。 そこで、この結果が得られた原因を分析し、その結果に基づいて設計変更を行った。 設計変更により、軸受をオーバーハング形からストラドル形に変更することで軸のたわみが減少し、ギヤや軸受の疲労寿命が向上しました。 最後に、ギアの微細形状変更により、ギア歯面に作用する荷重分布が改善されました。

歯車は、さまざまな分野で広く使用されている動力伝達の機械要素です1。 ギアボックスは、ギア、シャフト、ベアリング、ハウジングで構成される動力伝達システムです。 そして、シャフトに入力された動力は、駆動歯車（ここではピニオン）を介して従動歯車（ここでは歯車）に伝達される。 また、歯車対を用いて動力を伝達する場合、歯車比によって回転速度やトルクが変化するため、歯車比を変えることで回転速度やトルクを制御できる利点もある。 ギアボックスの性能は、疲労寿命、騒音、振動、動力伝達効率などのパラメータによって評価できます。 疲労寿命の場合、ギアボックスが動作するかどうかを決定するため、ギアボックスの寿命を確実に予測して評価する必要があります2。

ギアボックスの性能を確実に予測および評価するには、ギアボックスに作用する負荷を正確に定義する必要があります。 増速機に作用する負荷の大きさ、負荷がかかっている時間、負荷の変動範囲は、増速機の使用目的や使用環境に応じて決定されます。 ただし、ギアボックスに作用する負荷を数値的に定義することは困難です。 したがって、多くの研究者は、パルムグレン・マイナー則に基づく累積疲労損傷理論を使用し、平均の概念を使用して等価負荷条件下でのギアボックスの性能を予測および評価しました。 変速機の性能評価に等価荷重を用いると計算時間は短縮できますが、変速機にかかる負荷変動やピーク荷重の影響が考慮できないというデメリットがあります。 また、等価荷重を求める際に使用される疲労損傷指数は、変速機を構成する各要素の故障モードによって異なる値です。 設計段階では、ギアボックスの主要な故障モードが事前に入手できないため、疲労損傷指数を正確に決定することはできません5、6、7。

Dong ら 8 は、風力タービンのギアボックスのギア接触疲労に対する風速の変動の影響に関する研究を実施しました。 ギアの接触疲労は、風速の変動を実現するために、文献から入手可能な合計 11 の異なる風速を使用して解析されました。 しかし、この解析は実際に風力発電用増速機が使用される環境を反映していないため、解析結果の信頼性に限界がありました。 Patel と Joshi9 は、ギアボックス キャリアの設計と疲労解析を実施し、その疲労寿命がその材質と形状によって変化することを確認しました。 ただし、この解析には以前の研究と同じ制限があり、さらに 1 つの負荷条件下でのみ実行されるという追加の制限もありました。 Du ら 10 は、走行シミュレーション テストを使用して無限軌道車両のギアボックスの疲労寿命を予測する研究を実施しました。 変速機が動作する環境をシミュレーションし、シミュレーション結果を用いて変速機に作用する負荷を導出した。 さらに、導出された荷重を使用してギアボックスの疲労寿命を評価しました。 ただし、導出された荷重は検証されていないため、シミュレーション結果の信頼性には限界がありました。 Kim et al.11 は、商用ソフトウェアを使用してトラクターのトランスミッション シミュレーション モデルを構築し、スパイラル ベベル ギアの疲労寿命を評価できるモデルを開発しました。 また、使用環境で発生する荷重を測定し、測定データに基づいて荷重スペクトルを構築することでスパイラルギヤの疲労寿命を予測しました。 負荷期間分布 (LDD) 法は、ギアとベアリングの性能を予測することを目的としています12。 この研究では、レインフロー計数アルゴリズムを使用して、負荷スペクトルでのパフォーマンスを誤って予測しました。 同様に、ギアボックスの性能を予測および評価するさまざまな分野で実施されたほとんどの研究では、動作環境の定義が不十分でした。 Wang ら 13 は、洋上風力タービンのドライブトレインの設計、モデリング、解析に関する研究を実施しました。 風力タービンのドライブトレインを設計する際に重量と体積を最小限に抑えるための反復設計手順が提示され、設計されたマルチボディ シミュレーション モデルと以前に開発されたモデルを比較することでモデルが検証されました。 ただし、風力タービンのドライブトレインを設計および検証する際には、実際の環境負荷ではなく設計負荷が使用されるという制限があります。 Yoo et al.14 は、柔軟なピンが適用された遊星歯車セットの性能を確認するために、風力タービンの歯車装置のシミュレーション モデルを開発しました。 シミュレーションは市販のソフトウェアを使用して実行されました。 研究の結果、遊星歯車セットにフレキシブルピンを適用すると、遊星歯車間の荷重分担と荷重分散が改善されることが確認された。 しかしながら、遊星歯車装置の性能を発揮する際には、風力発電用増速機が動作する環境を想定しているため、限界がある。