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スプラインカップリングにおける接触圧力を推定するための解析的手法

スプラインカップリングは、2つの回転軸を機械的に接続する部品の一種です。カプラとカップリングの2つの部品から構成され、どちらの部品にも歯が付いており、これが噛み合って荷重を伝達します。しかし、スプラインカップリングは一般的に寸法が大きすぎるため、疲労や静的挙動の影響を受けやすくなっています。また、摩耗現象によってカップリングが破損することもあります。そのため、最適な性能を発揮するには、適切なスプラインカップリングの設計が不可欠です。

スプラインカップリングのモデリング

航空宇宙産業においてスプラインカップリングはますます普及しているが、わずかに位置ずれした状態で動作するため、振動や接触面の損傷を引き起こす。本稿では、この問題を解決するために、スプラインカップリングの接触圧力を推定する解析的手法を提案する。具体的には、解析的手法と純粋な数値的手法を比較し、解析的手法の利点を明らかにする。
スプラインカップリングをモデル化するには、まずスプラインカップリングの知識ベースを作成します。知識ベースには、相互に関連する多数の仕様値が含まれています。いずれかの仕様を変更すると、他の仕様に違反したとして警告が表示される場合があります。設計を有効にするには、指定された仕様値を満たすスプラインカップリングモデルを作成する必要があります。
形状をモデル化したら、2つのスプラインカップリングの接触圧力を入力する必要があります。次に、スプ​​ラインのピッチ円の位置を決定する必要があります。図2では、オスカップリングの中心がメススプラインの中心に重ねて表示されています。その後、2つのスプラインのアライメントメッシュ距離が同じであることを確認する必要があります。
スプラインカップリングモデルを作成するために必要なデータが揃ったら、まずインターフェース設計の仕様を入力することから始めます。このデータが揃ったら、内側スプラインと外側スプラインのどちらを最適化するかを選択する必要があります。また、スプラインカップリングモデル20の応力を決定するために使用される歯面摩擦係数も指定する必要があります。さらに、一方のスプラインの歯32の先端186と相手側スプラインの突起部との間のクリアランスであるパイロットクリアランスも入力する必要があります。
外側スプラインの希望する仕様を入力したら、内側スプラインのパラメータを入力できます。例えば、内側スプラインの主スナップ54と副スナップ56の外径制限154を入力できます。これらのパラメータの値は、スプライン入力および構成GUI画面80上の色分けされたボックスに表示されます。パラメータを入力すると、スプラインカップリングモデル20の幾何学的表現が表示されます。

スプラインカップリングモデルの作成20

スプラインカップリングモデル20は、製品モデルソフトウェアプログラム10によって作成されます。このソフトウェアは、構成依存の仕様制約と関係に関する知識ベースに基づいて、スプラインカップリングモデルを検証します。この検証結果は、ANSYS応力解析プログラムに入力されます。このレポートには、スプラインカップリングモデル20の幾何学的構成と、各フィーチャの仕様値が一覧表示されます。スプラインカップリングモデル20の構成または性能仕様が変更されるたびに、スプラインカップリングモデル20は自動的に再作成されます。
スプラインカップリングモデル20は、製品モデルソフトウェアプログラム10を使用して構成できます。ユーザーは、スプラインスタックの軸方向長さを指定します。この長さは、ゼロまたは固定長のいずれかです。また、必要に応じて、ラジアル嵌合面148を入力し、パイロットクリアランスの仕様値を14.5度または30度から選択します。
ユーザーはマウス110を使用してスプラインカップリングモデル20を修正できます。スプラインカップリングの知識ベースには、多数の可能な仕様値とスプラインカップリングの設計ルールが含まれています。ユーザーがスプラインカップリングモデルを変更しようとすると、モデルは別の仕様違反に関する警告を表示します。場合によっては、変更によって設計が無効になることがあります。
スプラインカップリングモデル20では、ユーザーは追加の性能要件仕様を入力します。ユーザーは、内側および外側のスプライン38と40について、最大トルクが伝達される位置を選択します。最大トルク伝達位置は、ハードウェアのシャフトへの取り付け構成によって決まります。これを選択すると、ユーザーは「次へ」をクリックしてモデルを保存できます。スプラインカップリングモデル20のプレビューが表示されます。
モデル20はスプラインカップリングの模型です。スプラインの仕様は、スプラインカップリングモデル20のGUI画面に指定された順序と配置で入力されます。スプラインカップリングの仕様が入力されると、製品モデルソフトウェアプログラム10がそれらをスプラインカップリングモデル20に組み込みます。これがスプラインカップリングモデル作成の最終ステップです。

スプライン結合モデルの解析 20

スプラインカップリングモデルの解析は、その構成仕様と性能仕様を入力することから構成される。これらの仕様は、別のコンピュータプログラムから生成することができる。製品モデルソフトウェアプログラム10は、構成に依存する仕様関係と制約に関する内部知識ベースを使用して、有効な3次元パラメトリックモデル20を作成する。このモデルには、スプライン歯32、スナップ34、およびショルダー36の数と種類を記述する情報が含まれている。
スプラインカップリングを解析する際、ソフトウェアプログラム10には、さまざまな仕様に対するデフォルト値が含まれています。スプラインカップリングモデル20は、内部スプライン38と外部スプライン40から構成されます。各スプラインには、深さ、幅、長さ、半径などの独自のパラメータセットが含まれています。外部スプライン40には、向きなどの独自のパラメータセットも含まれています。
これらのパラメータを選択すると、ソフトウェアプログラムはスプラインカップリングモデル20に対して様々な解析を実行します。ソフトウェアプログラム10は、スプラインカップリングの公称および最大歯面軸受応力と疲労寿命を計算します。また、内歯スプラインと外歯スプラインのねじりねじれの差も判定します。解析結果の出力ファイルは、モデル構成と仕様データを含むレポートファイルとなります。この出力ファイルは、他のコンピュータプログラムによるさらなる解析にも使用できます。
これらのパラメータが設定されると、ユーザーはスプラインカップリングモデル20の設計基準を入力します。このステップでは、ユーザーは外側スプライン38と内側スプライン38の両方について、最大トルク伝達位置を指定します。最大トルク伝達位置は、シャフトに取り付けられたハードウェアの構成によって異なります。ユーザーは、各スプラインに対して最大4つの異なる性能要件仕様を入力できます。
解析結果によると、スプライン結合には2つの段階がある。第1段階では、応力と振動が大きく増加する。第2段階では、応力と振動レベルの両方が低下する。第3段階では、300Nから320Nの間で一定の噛み合い力が得られる。この挙動は、最終段階が表面と噛み合うまで、より長い期間継続する。

スプラインカップリングのずれ

本研究は、一定のトルクと回転ミスアライメント下で歯が噛み合うスプラインカップリングにおける合成接触力の位置を調査することを目的とした。本研究では、有限要素法（FEM）モデルに基づく数値解析手法を用いた。その結果、標準状態および平行オフセットミスアライメントにおける数値解析結果が得られた。また、異なる荷重レベルにおける2つのミスアライメントレベル（0.02 mmと0.08 mm）を検討した。
解析結果から、スプラインとローターのずれがスプライン・ローター結合システムの噛み合い力に変化をもたらすことが明らかになった。そのダイナミクスはスプラインの噛み合い力によって支配される。ずれのあるスプライン結合の噛み合い力は、ローター・スプライン結合システムのパラメータ、伝達トルク、および動的振動変位と関連している。
正確な測定ができないにもかかわらず、スプラインのずれはよくある問題である。この問題は、スプラインに通常バックラッシュが存在するという事実によってさらに複雑化する。このバックラッシュは、スプラインのずれによって生じる。著者らは、ピッチ径と長さ／直径比が異なる複数のスプラインを分析した。
スプラインカップリングは、正のバックラッシュを持つ二次元機械システムです。スプラインカップリングはハブとシャフトで構成され、先端と根元のクリアランスはバックラッシュよりも大きくなっています。形状クリアランスは、先端と根元のフィレットが接触するのを防ぐのに十分です。スプラインにかかるトルクは摩擦によって伝達されます。
スプラインカップリングがずれると、トルク偏向推力が発生します。このような状況では、推力がトルクを上回り、部品のアライメントが失われる可能性があります。本研究では、トルクと推力の双方向伝達を解析的にモデル化しました。この解析的手法は、設計プロセスに組み込むことができるソリューションを提供します。したがって、次回スプラインカップリングのずれの問題に直面した際には、必ず解析的手法を用いるようにしてください。
本研究では、平行オフセットミスアライメントのない公称条件下でスプラインカップリングを解析した。得られた剛性値は、公称ピッチ径と荷重印加径の差をパーセントで表したものである。さらに、測定されたピッチ径の最大差は、5000 N・mのトルク下で1.60%であった。計算には、もう1つのパラメータであるピッチ角も考慮されている。

編集者：CX 2023-05-11