洗濯機のブレーキ設計

Speed Queen Company

FEAを用いて安全な回転を確認

Speed Queen社はFEAソフトウェアANSYSを用いて、洗濯機のブレーキパーツなどのパフォーマンスを研究しています。

頂部装填式洗濯機のブレーキ機構を設計するにあたり、Speed Queen社の技術者たちは、ブレーキの動作の研究にプロトタイプではなくFEAを用いることにより、開発周期を2週間以上短縮しました。ウィスコンシン州Riponを拠点にするSpeed Queen社の製品技師Scott Smieja氏は次のように述べています。「ソフトウェアにより、3週間で4つの異なる設計案を解析しました。同数の試作品の実験には、3か月はかかります。」

この方法により、同社は初期の試作コストも節約できました。しかし、Smieja氏によれば時間の節約のほうがもっと大きな利点でした。「私たちは家電機器を扱っていますから、常に納期に追われているような状態です。ですから最初から解析を使用します。なぜなら初期設計段階が最も自由が利く工程であり、そこでの解析が開発時間に最も大きな影響を与える時期だからです。」

Smieja氏はブレーキ機構の評価に際し、有限要素法解析 (FEA) ソフトウェアANSYSを使用しました。同氏が社内で用意できるツールの中で他の解析ソフトウェアではなくANSYSを選択したのは、ブレーキの問題は大変形解析(非線形解析を必要とする幾何学的非線形性)を伴うからです。

ユーザーの保護

家庭用および商業用洗濯設備の製造業者としてのSpeed Queen社の最大の関心事は、製品の安全性です。たとえば、同社の洗濯機は、ふたが開けられると、非常に迅速に回転を停止するように設計されています。同社の頂部装填式洗濯機にはブレーキが装備されており、ふたが開けられるか、またはユーザーが停止ボタンを押すと、バスケットは数秒以内に回転を停止します。

ブレーキ機構は、入り組んだ切欠きを持つ皿ばねを使用しています。機械の回転中には、ばねは圧縮されており、したがって、ブレーキは入っていません。ふたが開くかまたは機械が停止すると、ばねがもとの位置に戻り、ブレーキが作動します。

ブレーキ設計における難題の1つは、ばね荷重の決定に係わるものでした。たわみとばね形状が荷重を決定し、荷重がブレーキのパフォーマンスに影響を及ぼします。迅速でありながらスムーズに停止するには、適当な範囲のブレーキ力が必要です。さらに面倒なのは、ばね荷重のたわみ曲線が非線形であることです。

切欠き部の形状が入り組んでいるため、ブレーキのたわみをモデル化する際に、古典的な方程式は使用できませんでした。1つの選択肢としては試作実験が考えられますが、当然時間と費用がかかります。設計検討の繰り返しを行うための準備には2か月を費やしました。

大変形のためのFEA

別の選択肢としては、ANSYSを用いてブレーキのたわみを研究することであり、この方法を採用すれば様々な設計検討の評価にかける時間をかなり短縮できます。Speed Queen社が行ったのは、まず既存のブレーキ設計を解析し、解析結果と実験結果の相関関係を調べたのち、この選択肢に決定することでした。「これで、試作実験の代わりに、ANSYSによって様々な筋書きを検討する確信が得られました」とSmieja氏は述べます。

ばねをCADシステムによって3次元でモデル化したことはなかったので、まずANSYSでモデル化し、続いて境界条件を定義した有限要素モデルに変換しました。これには、実験的な相関関係の検査と合わせて、約2週間かかりました。次に、ばねに一連の変位を与え、それらの変位を生ずるのに必要な力を調べました。ばねの変位は、0.01〜0.34インチ (0.25〜8.64mm) まで 0.01インチ (0.25mm) 間隔で与えました。

以上のことを、ばね材料の厚さ、高さ、および切欠き部分の数などの要因を変化させて、4つの異なる設計反復に関して行いました。これらの4反復の評価には1週間かかりました。したがって、3週間という短い合計解析時間のうちに、ブレーキ設計を仕上げるのに必要なデータを示す荷重‐たわみ曲線の集合を得られました。

「教科書的な方程式を使用することはできないし、4つの設計案を試作実験する時間もなかったですから、FEAが無ければ決してあの情報は得られなかったでしょう。」とSmieja氏は付け加えます。「私たちの選んだ設計案では、いぜんとして実験室や現場での試作実験が必要ですが、"もし...だったらどうなるだろうか" という自問に基づいて3週間で十分な調査を行い、ブレーキが何によってどの程度影響されるか学ぶことができました。ANSYSのおかげで、設計に関する洞察が得られ、最良の設計を見極めることができました。」

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