※本ブログは、SIMULIA Blog （英語版）で既に発表されたブログの日本語参考訳です。
ダニエル・デ・ロス・ドローレス・パラディナスによる記事
SIMULIA R&Dロールポートフォリオエンジニアリングマネージャー ダッソー・システムズ
産業用ギアユニットに対する効率の向上、低騒音、長寿命という需要が増加しています。サプライヤーは、運用コストや設備投資を削減するために、機器の設計を求められています。
産業用ギアユニットのシステム効率は、パワーロスを評価することによって推定されます。このロスは、負荷依存のロスと無負荷依存のロスに分けることができます。負荷依存のギアパワーロスは、トルクが転送される際にギアやベアリングから生じますが、無負荷のロスは、ギアボックスの部品が潤滑油の中で抵抗を受けることによって生じます。
あらゆる動作条件において、潤滑油が重要な箇所に届くことを確保しつつ、すべての損失を削減することは、どのギアボックス設計者にとっても簡単に調整できるバランスではありません。ダッソー・システムズは、この課題に取り組むために統合されたモデリングおよびシミュレーションツール（MODSIM）を提供しており、設計者が効率的に解決策を見つけられるようサポートしています。
ギアボックス潤滑設計の課題 産業用ギアボックスの挙動を理論的に予測することは非常に複雑で、流体力学の問題は二相流に関係し、そのインターフェースと任意の数の回転部品との相互作用に関連しています。異なる動作条件における広範な実験的測定が必要ですが、それでも設計変更が小さくても大きな偏差を示す経験的または半経験的な式を導き出すことになります。
物理的なテストは、最終的な製造設計を達成するために正確な情報を提供できますが、そのコストは高くつきます。しかし、実験設計の誤りや仮定の誤り、または単に重要な性能指標（KPI）が測定できない場合、適切なデータが得られないこともあります。
シミュレーションの後処理により、動作条件に関係なく、どんなKPIでも測定できます。この場合、異なる回転速度によって油の気泡化が進行する状況で測定が可能です。
数値シミュレーションは、物理的なテストの回数を削減し、ウェッティング面積、攪拌損失、温度分布などのKPIの定量的予測を提供できます。これらは実験的に測定することが非常に難しいか、または不可能なことがあります。このアプローチは、開発時間とコストを削減し、設計変更が高価になる後の段階での失敗リスクを低減します。
ギアボックスにおける攪拌損失
攪拌損失は複雑な現象であり、ギアユニットのスプラッシュ潤滑を考慮すると、無負荷損失を大きく生成します。このタイプの潤滑では、部品がオイルバスに浸かり、その回転によってオイルを必要なチャンバーに「スプラッシュ」します。
攪拌損失の大きさは、オイルレベル、粘度、および回転速度に依存します。オイルレベルは、ギアの歯が動作条件下で完全にバスに浸からないように調整されます。そうでない場合、オイルバスを攪拌することによる過剰な損失が発生します。一方、潤滑油の粘度が異なる潤滑油を使用するか、温度を上げることで低下すると、攪拌損失は減少します。しかし、粘度は摩擦係数を安全な範囲内に保つために十分高い状態でなければなりません。最後に、明らかなスプラッシュパターンの変化に加え、中程度の回転速度ではオイル気泡化が進行し、オイルの有効粘度が変化し、液体の体積が増加し、したがってオイルレベルも増加します。
高速産業用ギアボックスの場合、スプラッシュ潤滑だけでは要求されるオイルレベルと回転速度のために非常に高い攪拌損失が生じます。そのため、接触面に向けてノズルからオイルを噴射するジェット潤滑も採用されます。これは遠心力によってオイルの流れが偏向するため、別の設計課題となります。
濡れた領域とスプラッシュパターン
潤滑方法における一般的なKPI（重要業績評価指標）の一つは、すべての動作条件におけるオイルの分布です。これはさまざまな理由で必要です。例えば、オイル浴のレベル調整、ノズルの質量流量と向きの最適化、熱対流の解析などです。
シミュレーションによる平均場の可視化は、任意の運転条件におけるギアボックス分析を支援します。中程度の回転速度でも、オイルの分布を実験で測定するには、高速カメラと画像処理が必要です。これはオイルの高速スプラッシュのためです。数値シミュレーションは、実験中の固定カメラ位置という制約を排除し、より柔軟な分析が可能になります。
ギアボックスのパワーロスは主に熱に変換されるため、適切な冷却システムの使用が不可欠です。そうでないと、オイル温度が上昇し、オイルの理想的な特性を失い、システムの故障につながります。
制御された条件下で正確なデータを得るために、潤滑実験ではオイルクーラーシステムを使用してオイルを一定温度に保ちます。
数値シミュレーションにおいても同様のアプローチを使用することで、流れと回転する固体および固定ジオメトリ両方の温度が一定であるという仮定のもとで複雑な流れ場を解くことができます。流れが数秒で収束すると、対流熱伝達係数（HTC）を使用してコンポーネントの加熱を解析できます。
温度の遅い進展を解決する必要がなく、流れの収束が速いため、高速かつ正確な熱解析が可能です。
ギアボックスとその潤滑システムの設計の複雑さを考慮すると、多くの設計反復が必要であることは理解できます。物理的なテストは投資が必要で、限られた情報しか提供できませんが、コンピュータ支援工学（CAE）ツールを使用することで、運用コストや設備投資を削減する可能性があります。
多くのモデルや離散化手法がありますが、これらのアプリケーションで主に使用されるものは、ナビエ–ストークス（NS）方程式を使用した有限体積法（FVM）やスムース粒子流体力学（SPH）離散化法、そしてラティス・ボルツマン方程式/法（LBM）です。
有限体積法（FVM）を用いたナビエ–ストークス方程式は、ジオメトリの曲率に応じて離散化を適応させることで、流れの分離を正確にキャプチャできる可能性をユーザーに提供します。しかし、計算領域のトポロジー変更や大きな要素変形（例えば、ギア歯間で流体が圧縮される場合）には、問題の簡略化と逐次的なシミュレーションが必要です。
スムース粒子流体力学（SPH）は、特にインタラクティブなアプリケーションや大きな動きが伴う過渡的なアプリケーションに適しています。潤滑アプリケーションには良い選択肢かもしれませんが、競争力のある計算コストと精度で単一相しか解決できないという制約があります。
SIMULIA XFlowは、ラティス・ボルツマン法（LBM）を使用しており、計算領域の自動直交離散化による低い前処理労力で任意の動く部品を追跡する能力に優れています。SPHとは異なり、LBMはパフォーマンスや精度の低下なしで多相ソリューションを得ることができます。XFlowを使用すると、任意の速度で空気とオイルの挙動をシミュレーションして視覚化することができ、速度によって目で見ることができない影響を明らかにします。
結論
ギアボックス内の潤滑油の精密な分布は、効率的な性能と長期的な信頼性を確保するために不可欠です。オイルの流れは複雑な挙動を示し、物理的なテストだけでは分析が難しいものです。統一されたモデリングとシミュレーション（MODSIM）は、ギアボックスの潤滑特性を明らかにし、エンジニアが性能を分析し最適化するのを支援します。
ロスは、チャーニングと安全な操作との間で最適な粘度のトレードオフを見つけることによって最小化できます。シミュレーションにより迅速に計算された重要な潤滑KPI（主要業績評価指標）は、オイルバスのレベルとノズル配置、さらには熱性能を確保します。SIMULIA XFlowは、強力かつ正確な潤滑シミュレーションワークフローを提供します。ラティス・ボルツマン法（LBM）によって駆動され、ギア間の狭い隙間でも効率的にオイルの流れをモデル化でき、ギアボックスの効率に対する現実的な分析を行います。
XFlowシミュレーションは、ギアボックス効率分析を加速させ、テストや使用中に問題が遅れて発見されるリスクを低減させます。MODSIMは開発コストと市場投入までの時間を削減し、製造業者が競争市場で先を行くための助けとなります。
Daniel de los Dolores
Dolores はT&M（テスト＆計測）およびM&O（メンテナンス＆オペレーション）業界において、モデリングとシミュレーションの分野で8年以上の経験を有しています。OpenSOURCEおよび商用ソフトウェアの両方での広範なCFD（計算流体力学）の経験により、現在はダッソー・システムズでXFlow製品マネージャーを務めています。
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3Dソフトウェア市場におけるパイオニアであり、3DとPLMソリューションのワールド・リーダーであるDassault Systèmes（仏）の日本法人です。