2015 Fiscal Year Research-status Report
超軽起動・大トルク伝達・高変速比型変速機の開発と低始動風波力発電蓄電系への搭載
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26420880
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| Research Institution | Iwate University |
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Principal Investigator |
湯川 俊浩 岩手大学, 工学部, 准教授 (10347205)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 機械要素 / 設計工学 / 再生可能エネルギー / トライボロジー / 無段変速機 / リンク / カム / 摩擦力 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は，無段変速機（CVT）の新方式として，四節リンク機構を用いた無段変速機（LCVT）を開発する．このLCVTの機構は，二つのてこクランク機構を対称または並列に配置し，てこの往復運動を回転部に伝えることにより，クランクを入力，回転部を出力とする変速機である．連結リンク等の要素部品の長さを連続的に変化させることで，無段階に変速比を変えることができる．LCVTは，従来のCVTのように，伝達原理が摩擦伝動方式ではないため，耐久性と伝達効率の向上が図られる．
平成27年度は，LCVTに発電機（ダイナモ，オルターネータ）を搭載した発電システムモデルLCVT-GENを設計した．また，立体カム搭載型CVT（LCVT6号機）を改良し，評価した後，発電システムLCVT-GEN搭載用の立体カム搭載型LCVT7の設計，製作と機構の評価をおこなった．
LCVT6の改良の際には，クランクの回転，連結リンクの伸縮，立体カムの回転，出力リンク（てこ）の往復運動が，完全機械式に平歯車とワンウェイクラッチを介して連動でき，変速伝達機構として機能しているかを確認した．つぎに，LCVT6のトルク伝達効率を算出した．理論解析には，数値計算ソフトウェアと3DCADの解析ツールを用いて検証した．実験の評価項目として，LCVT6/LCVT-GEN搭載用LCVT7の変速幅／伝達トルク／変速比変動を調査し，発電システム（LCVT-GEN）の発電量を調査した．LCVT-GENの測定系として，オペアンプやマイコンを用いて，ダイナモ発電量とシャント抵抗両端電圧の測定回路を製作し，シャント抵抗両端電圧と電流値からトルク伝達効率を求めた．
今後，LCVTの応用例としては，自動車の他に，タービン，原動機で発電する風力発電機等への応用が考えられる．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
平成26年度は，立体カム搭載型LCVT6号機を開発し，評価した．回転数，加速度，慣性モーメントが大きい場合を想定して，LCVTの動力学モデルを導出した．電力供給型無段変速機（LCVT7号機）搭載用の発電システムの制御理論を構築した．LCVTの機構解析は3DCADの解析ツールを用いて検証した．制御系の状態方程式を離散化し，安定余裕を導出した．平成26年度終了時で計画通りに進められた．
平成27年度は，発電システム（LCVT-GEN）を構築した．LCVT にダイナモを取り付け，発電システム搭載用の電力供給型無段変速機（LCVT7号機）に改良した後，減速比とトルク効率の測定回路を開発した．LCVT の入力側と出力側で同じモータを使用した．出力側DCモータはギヤを介してLCVTの出力歯車に接続した．出力側DCモータは電源に接続しない状態でも，出力歯車の駆動力によって回転し，このときの出力側DCモータの出力電流を電流検出回路によって算出した．電流検出回路は，オペアンプとマイコンを用いて，シャント抵抗にかかる電圧からＩ-Ｖ変換回路を介して測定する回路である．出力側DCモータのトルク定数と出力電流から，出力トルクが得られた．入力軸側DCモータに加えるトルクについても，入力側DCモータのトルク定数と出力電流から得られた．入出力軸側の双方のDCモータで発生するトルクを比較することで，伝達効率を測定した．入出力双方の電圧値からトルク伝達効率を求めるために，モータとダイナモの電流値をＩ-Ｖ変換回路からＡＤ変換器を介してコンピュータ内で算出するＣ言語プログラムを開発した．ダイナモの発電量やトルク伝達効率を測定するにあたり，ダイナモ，出力側DCモータ，およびエンコーダの位置を容易に交換可能にしたコンパチブル設計をし，様々な実験条件を選択できるようにした．平成27年度終了時で計画通りに進んでいる．
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| Strategy for Future Research Activity |
平成28年度は，LCVT機構の要素部品の配置法を検討する．要素部品には，クランク，スライド機構を含む連結リンク，てこからなるリンク鎖，入出力軸，ワンウェイクラッチ，立体カム，ギヤ列がある．各部品の配置法を検討し，種々の配置状態において，クランクの回転，連結リンクの伸縮，立体カムの回転，てこの往復運動が完全に機械的に歯車とワンウェイクラッチを介して駆動されて，変速伝達機構の役目を確実に果たすかを確認する．つぎに，機械式フライホイールと電気式二次電池を組み合わせた蓄電式発電システム(LCVT-GEN-FLYW)を構築する際，1/100模型のナセルを用いる．計算ソフトウェアOctaveを用いて，発電システムのモデルを解析する．3DCADの解析ツールを使って，ナセルと接続したLCVTの運動をシミュレートして検証する．LCVT-GEN-FLYWに搭載するLCVTの変速幅，伝達トルク，変速比の変動を調査し，LCVT-GEN-FLYWの発電量を調査する．開発における数値目標として，LCVTの伝達効率が従来のCVTを凌駕して95%以上，速度変動や脈動が1 % 以内，許容トルクが試作機で150 Nm以上，LCVT-GEN-FLYWの発電効率がLCVT非搭載システムと比較して5 % 向上することとする．その他に，蓄電用の機械式フライホイールを設計し，LCVT-GEN-FLYWへ搭載して，蓄電量を測定する．さらに，LCVTの変速比が0～∞であることを利用したブレーキ性能が，従来の電磁ブレーキと比較して優れていること，このブレーキによる発電効率のロスが少ないこと，また，四節リンク機構の最適な組数が二組以上で，かつコスト面や信頼性から八組以内で済むかどうかを見極める．設計開発，理論解析，評価を行う際には，文献を参考にして知見を広めた後，結果を整理し分析する．そして，論文作成や学会発表をおこなう．
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