新規駆動系実用化展開のための超大偏心許容形等速軸継手の研究開発

2020 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 19K04158
• Research Institution: Shizuoka Institute of Science and Technology
• Principal Investigator: 野崎 孝志 静岡理工科大学, 理工学部, 教授 (20548888)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: 軸継手 / 機素 / 潤滑 / 微小すべり / 寿命 / 混合潤滑 / Hertz接触 / 転がり疲労

Outline of Annual Research Achievements

本研究開発の目的は，差動滑りのような微小すべりが内在する転がり接触部で構成されている超大偏心量許容形等速軸継手（以下軸継手）の寿命を，転がり疲労の観点から定量的に明確にすることにより，実用化適用範囲の拡大を図ることである．更に，軸継手の摩擦特性を，表面粗さを考慮したGREENWOOD-WILLIAMSONモデルで代表されるような，ストライベック曲線で現れる混合潤滑領域での潤滑理論（混合潤滑理論）により明確にし，機構安定性や寿命向上を図ることである．
2年目（令和2年度）の研究実績としては，以下の通り着手し遂行中である．
①軸継手内部に作用する力の測定装置による力測定：　この測定装置により，軸継手内部に作用する力の測定を実施している．内部に作用する力を実験的に解明していく．
②ボール運動を明確にするための運動学的解析（複素ベクトルを用いた定式化）：　軸継手の運動学的解析について，複素ベクトルを用いた基本式を立て，それらをMATLAB/Simulinkを用いてプログラム化した．さらに基本式の実行結果とCADとの位置関係に齟齬が無いことを確認済みである．
③軸継手寿命試験機の設計：　寿命試験機の具体的な設計に着手し，一部の機材は導入済である．寿命試験機の基本構想は，当初上記①で使用している特性試験機を改造して実施する予定であった．しかしながら，①の試験機で使用するピエゾ圧電素子を埋め込んだ力測定専用の軸継手の脱着に時間を要することから，別途試験機台座を調達し，寿命試験機は別途製作することとする．現在，取付テストピース（寿命試験専用軸継手）の寸法決定及び試験機構成の設計が完了し，試験機治具等を検討している段階である．
これらの研究実績の特に②については，この解析プログラムを用いて，パラメータスタディを実施し，近々にもその成果を論文投稿する原稿作成を行っている．

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

初年度～2年度（令和元年～2年度）に着手し遂行した項目は次の2項目である．1項目は『接触部のHertz接触面圧，及び転がりと微小滑りが混在する運動を理論的に解明し，寿命試験を行うことで実験的に寿命を把握し，計算寿命式を確立する．』であり，2項目は『混合潤滑理論（GREENWOOD-WILLIAMSONモデル等）や転がり軸受のスピン・滑り機構の理論を適用し，摩擦特性を定量的に明確にする．』である．
1項目では，本軸継手の動力学解析（特にボールの運動）を，摩擦係数変化を考慮して行う必要がある．令和2年度は，実証実験のための軸継手内部に作用する力の測定を実施した．さらには，ボール運動を明確にするため軸継手の運動学的解析を行うため，ボール運動を，複素ベクトルを用いて定式化し，MATLAB/Simulinkを用いてプログラム化した．さらに解析プログラムの実行結果とCADとの位置関係に齟齬が無いことを確認済みである．
2項目では，混合潤滑理論を適用した動力学解析（理論解析）モデルの開発を実施している．軸継手のボールは，案内溝や保持器に対して往復運動をするため，潤滑領域が変化することにより摩擦係数が大きく変化する．摩擦特性の把握には，混合潤滑理論を適用する．令和元年度は混合潤滑理論から推定される二面間の相対速度に対する摩擦係数変化を近似曲線にて解析モデルに適用し，理論解（継手に作用する力及び接触部におけるHertz接触面圧等）を得ている．令和2年度は，上記のボール運動を明確にするための運動学的解析を行うため，ボール運動を，複素ベクトルを用いて定式化し，それらを解析することで，ボールの運動をさらに明確化することが可能となる．これらの解析プログラムにより，パラメータスタディを行うことで，実験との整合性が図りやすくなり，力学的解析との整合性も容易に取れことが期待される．

Strategy for Future Research Activity

今後の研究の推進方策は，次のような3項目を考えている．1及び2項目は，【現在までの進捗状況】において示した．3項目目は，『摩擦特性や寿命を把握した上で，機構の安定性や寿命の向上を図る．』ことである．3項目目は，最終年度に実施予定であるが，なるべく前倒しで実施したいと考えている．
令和3年度は，1及び2項目のまとめと，3項目について以下の通り研究開発を進めていく．
3項目では，軸継手の特性試験機（基盤研究(C)H28～H30）は，内部に作用する力測定の詳細を実施し，新たな寿命試験機を製作し，寿命試験を実施することである．軸継手の内部の運動は，転がり軸受内部の運動と類似するため，基本的には転がり疲労の考え方を適用することとする．転がり軸受の寿命は，残存確率90％に対応する寿命を基本定格寿命と呼び，JIS B 1518の定義では通常使用条件において，信頼度が90％のときの定格寿命としている．その後「疲労限応力」，「汚染係数」及び「粘度比」の概念が取り入れられ，最新のJISでも規格化されている．この考え方を取り入れ，計算寿命式を確立するための寿命試験を実施する．
1及び2項目の『接触部のHertz接触面圧，及び転がりと微小滑りが混在する運動を理論的に解明し，寿命試験を行うことで実験的に寿命を把握し，計算寿命式を確立する．』や『混合潤滑理論（GREENWOOD-WILLIAMSONモデル等）や転がり軸受のスピン・滑り機構の理論を適用し，摩擦特性を定量的に明確にする．』については，ボール運動を明確にするため軸継手の運動学的解析を行い，ボールの運動を明確にすることで，摩擦特性をより明確にしていく．さらには3項目目で得られた寿命試験結果により，計算寿命式を確立していく．

Causes of Carryover

（理由）
寿命試験機製作を新規に行うための一部の試験機治具及びテストピース等を次年度（令和3年度）に購入することとした．試験機製作完了時期に合わせて納入することでも，円滑に寿命試験が実施できることから，寿命試験機製作進捗と合わせて次年度（令和3年度）に購入していくこととした．
（使用計画）
次年度使用額は，令和3年度の寿命試験機製作のための試験機治具及びテストピース等の製作及び購入に使用する．

Remarks

静岡理工科大学ヴィークル工学研究室
https://www.sist.ac.jp/lab/me/nozaki/
静岡理工科大学ヴィークル工学研究室（野﨑研究室）のホームページ内に，科研費研究のページを別途作成した．内容については，随時更新していく予定である．