論文

クラッチピストンシールの有限要素解析
應矢敏明

笠原文明

Finite Element Analysis of Clutch Piston Seal
T. OYAF. KASAHARA

Three dimensional finite element analysis was tried to simulate deformation of the Clutch Piston Seal toestablish design criteria.
The analytical results showed pressure resistance of the seal was affected by the position of corner withradius and the thickness of the seal metal. It was especially found out that there exists a most suitabledimension in position of corner. The effectiveness of the results was confirmed with experimental results.

1．はじめに
2．解析手法

3．シミュレーションの結果

2.1

有限要素法によるシミュレーション

2.2

解析条件

2.3

実験検証

3.1
3.2

板厚の影響
曲げ位置の影響

3.3

曲げ寸法の影響

4．おわりに1．はじめに自動車のオートマチックトランスミッション（図 1（b））が，近年コンパクト化，高応答性，組（図 1（a）
）ではギヤの制御を行うために，クラッみ付け簡素化を実現するために，金属環にゴムチ機構が使用されている．クラッチピストンは，リップを加硫接着したクラッチピストンシール

この中で油圧を受けてクラッチ板を締め付けて（図 1（c））が注目されるようになった．
このクラッチピストンに要求される主な性能変速を行うための重要な機械要素である．
従来，クラッチピストンにはアルミニウム切は，耐圧性（剛性），密封性，摩擦特性の 3 点に優削品にDリングを装着したものを使用してきたれていることが挙げられ設計上最重要視される．

,,
,,
,,
,,
従来品

Ｄリングドラム

アルミニウムピストン

代表例
（a）

,,
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,,

クラッチピストンシールＤリングリップ

従来品（アルミニウム切削品＋Dリング）（b）

クラッチピストンシール（金属環＋ゴムリップ）（c）

図 1 トランスミッション断面とクラッチピストン形状
Cross section of transmission and shape of clutch piston

KOYO Engineering Journal No.155 (1999)9

−クラッチピストンシールの有限要素解析−

レス加工型やゴム成形型を作製する必要があるとは言い難い．
ところで，昨今のコンピュータ性能の急速な発達は，金属のような線形材料のみならず，ゴム材のような複雑な非線形材料の挙動シミュレーションにも対応可能な速度と容量を持つに至っている．

文

表 1 解析モデル形状
Dimension of analysis model

しかし，試作段階で，検討形状ごとに金属環プため，設計検討の効率は時間的･コスト的に良い

論

No.
板厚
曲げ位置
11.0
1.020.81.031.2
1.04
1.00.851.0
1.261.01.071.01.0＊ 数値はNo. 1に対する寸法比

曲げ寸法
1.01.01.01.01.0
2.03.0また，ゴムリップの接触のような非線形的要因にも汎用の有限要素解析ソフトでの解析が可板厚能となってきた．
そこで，クラッチピストンシール金属環の耐曲げ寸法

圧性を，試作することなく机上で理論的検討を行うために， 3 次元モデルの有限要素法による固定変形シミュレーションを試みた．

曲げ位置

その結果，有限要素法によるクラッチピストンシールの解析が有効であること．また耐圧性におよぼす形状パラメータの影響を明らかにしたので報告する．

2 ．解析手法
2.1

有限要素法によるシミュレーション

今回，シミュレーションに使用した有限要素解析
ソフトウェアはHibbitt, Karlsson & Sorensen, Inc.のABAQUS/Standardである．

図 2 解析形状
Shape of analysis model

今回の解析では 3 次元モデルを使用し，要素解析した有限要素モデルを図 3 に，境界条件はゴム部に固体要素，金属環に節点数の軽減がを図 4 〜 6 に示すように，以下の４点を考慮し可能なシェル要素を用いて，高精度化，低リソた．また材料定数は，金属環を線形の鋼材，ゴース化を図っている．

ム材を非線形の超弾性体として扱った．

材料物性は，金属環を弾性体，ゴム部を超弾①クラッチ板接触部の軸方向変位を拘束②作動油がかかる面に油圧を負荷性体（３次多項式）として扱っている．
なお，今回用いたシェル要素は，板曲げを１次のせん断変形理論（Mindlin/Reissnerの方法）にも③ばねの作用する位置の中心にばね荷重を負荷④シールリップにしめしろによる接触１）とづいて定式化したものを採用している．

この理論は，せん断変形の効果が考慮されており法線方向の仮定が不要で，厚い板に対しても理論的に許容できるという利点がある．

2.2

解析条件

解析形状は，表 1 および図 2に示す板厚，曲げ位置，曲げ寸法をパラメータとして変化させたもので合計７種類について実施した．

10

KOYO Engineering Journal No.155 (1999)

論

文−クラッチピストンシールの有限要素解析−（周方向断面：周方向変位，径方向・軸方向モーメント拘束；（緑：金属環；オレンジ：ゴム）

クショニング部：軸方向変位拘束）

図 3 有限要素モデル
Finite element model

図 4 変位拘束設定箇所
Position of constraint（赤：ばね荷重負荷箇所）（青：圧力負荷箇所）

図 5 ばね荷重負荷箇所
Position of spring load

図 6 油圧負荷箇所
Hydraulic condition

KOYO Engineering Journal No.155 (1999)

11



2.3

実験検証

解析形状のサンプルを作製し，油圧負荷による変形量を測定した．

−クラッチピストンシールの有限要素解析−

論

文

油圧負荷時に最大応力が一時的に下がるのは，以下のように推定する．
まず，シール挿入により，無負荷時に内径側変形量測定に使用した装置の構造を図 7 に示す．

シールリップのしめしろに起因する負の変位に装置は，テストサンプルをクラッチ板接触部よる応力が発生する．

で固定し，手動制御で加えた油圧により生じる金属環内径側先端の軸方向変位を計測した．
測定は４等配で２回ずつ行い，平均を測定値

そして，油圧が負荷されると，しめしろによる応力と油圧負荷による発生応力が相殺されるため，最大応力が一時的に下がる．とした．

0.5
解析値 実測値

エアー抜き穴

0.3

変位，mm

試料

0.8
板厚 1.01.20.40.20.10.0−0.10246

油圧，MPa油圧供給穴

図 8 板厚による変位への影響
Effect of thickness on displacement

図 7 ピストンシール変位測定装置
Displacement measuring equipment of piston seal

3 ．シミュレーションの結果
3.1

板厚の影響

ミーゼスの最大応力，MPa

変形量測定

600

解析値
0.8
板厚 1.01.2400

200

板厚の異なるピストンシールにおける，負荷0油圧と変位の関係を図 8 に，負荷油圧と最大応246油圧，MPa力の関係を図 9 に示す．

図 9 板厚による応力への影響
Effect of thickness on stress

図 8 より，今回解析したモデルでは，計算値と実測値はほぼ一致しており，シミュレーション精度が十分高いことが分かる．また，板厚が大きいほど，変位量は小さいことが確認できた．
各負荷油圧時の変位量は，負荷油圧とほぼ線形

3.2

曲げ位置の影響

曲げ位置の異なるピストンシールにおける，負荷油圧と変位の関係を図 10 に示す．の傾向があり，板厚とほぼ比例関係にあることがこれより，計算値と実測値はほぼ一致してお分かる．ここで，無負荷時の変位量が負（シールり，シミュレーション精度が十分高いことが分を作動油圧側へ押し上げようとする方向）になっかる．ているのは，内径側シールリップのしめしろに

各負荷油圧時の変位量は，負荷油圧とほぼ線より生じる接触反力に起因すると推察される．

形の傾向がある．また，曲げ位置の距離が小さ

一方，最大応力は，無負荷時でも，シールリップの接触による応力が発生している．

いほど，変位量は小さくなることが確認できた．
次に，負荷油圧と最大応力の関係を図 11 に示

その後， 油圧の上昇とともに，最大応力は一す．これより，最大応力におよぼす曲げ位置の時的に若干下がった後，ほぼ線形的に上昇して距離の影響は，変位への影響と同様，曲げ位置いる．の距離が小さいほど最大応力も小さくなり，応板厚の影響としては，板厚が大きいほど最大力低下割合は減少する．

応力は小さくなる．

12KOYO Engineering Journal No.155 (1999)

論

文−クラッチピストンシールの有限要素解析−

この時の応力分布の例を図 15 に示す．最大応ている．そこで，各曲げ位置の距離で発生する応力を，部位A，Bの２か所に分離して整理したものを図 12 に示している．
各部位の最大応力は曲げ位置の距離と線形関係であるが，逆の傾向を示す．これは，油圧に700
ミーゼスの最大応力，MPa

力発生位置は常に図 15 中の部位AかBで発生し部位 A
部位 B

600
500400よる発生応力が２か所の曲げ部位に集中し，曲3000.8

げ位置により集中度合いが変化するためと考えられる．したがって，シールに発生する最大応

1.0
曲げ位置

1.2

図 12 曲げ位置と応力の関係
Relarion between position of corner and stress

力を極小にするには，２か所に発生する最大応力を均等にするのが理想である．
そこで，図 12 より２か所の曲げ部位に発生する最大応力が等しくなる曲げ位置の距離を求め，このモデルについて変形解析した結果，推定最大応力（479MPa）と近似の応力値（484MPa）が得られることが確認された．これは初期設計形状に対して９%の低減に相当する．

曲げ寸法の影響

曲げ寸法の異なるピストンシールにおける，負荷油圧と変位の関係を図 13 に示す．
これより，計算値と実測値はほぼ一致しており，シミュレーション精度が十分高いことが分かる．
変位におよぼす曲げ寸法の影響はほとんど認

すなわち，各応力集中位置の最大応力を均等にすることにより，シール全体に発生する最大応力を低減することができるため，最適な曲げ位置が存在する．

められない．また，各負荷油圧時の変位量は，負荷油圧とほぼ線形の傾向がある．
次に，負荷油圧と最大応力の関係を図 14 に示す．これより，最大応力におよぼす曲げ寸法の影響は認められ，曲げ寸法が大きいほど最大応0.5

力は小さくなる．

解析値 実測値

0.30.20.10.0−0.10246

ミーゼスの最大応力，MPa0.8
曲げ位置
1.01.20.4
変位，mm3.3

解析値

600

曲げ寸法

1.02.03.0400200

油圧，MPa0

図 10 曲げ位置による変位への影響
Effect of position of corner on displacement

6図 13 曲げ寸法による変位への影響
Effect of dimension of corner radius on displacement0.8
曲げ位置 1.01.20.5解析値 実測値
0.4400変位，mm

ミーゼスの最大応力，MPa4油圧，MPa

解析値
6002200

曲げ寸法

0.31.02.03.00.20.102460.0油圧，MPa

図 11 曲げ位置による応力への影響
Effect of position of corner on stress−0.10246油圧，MPa

図 14 曲げ寸法による応力への影響
Effect of dimension of corner radius on stress

KOYO Engineering Journal No.155 (1999)13

−クラッチピストンシールの有限要素解析−

600

Contour: Plate Bot VonMises Stress

文

変位量と最大応力で曲げ寸法の影響が異なるの

Output Set: Step 9, Inc 1Deformed(0.422) : Total Translation

論は，図 16 に示すように，応力発生状態の相違による．すなわち，曲げ寸法が大きい時は広い領域に，低い応力が発生するが，曲げ寸法が小さい時は，狭い領域に高い応力が発生するためである．
一方，変位はひずみの積分値であるため，最300大変位量に差が生じなかったものと考えられる．

部位A
部位B

4 ．おわりにYX

Z

クラッチピストンシールの耐圧性における形

01分布

図 15 応力分布解析例
Example of stress analysis(6MPa)状パラメータの影響を有限要素法で解析と検証を行った結果，以下のことが明らかになった．
aクラッチピストンシール（軸対称形状）の高精度なFEM変形解析が可能である．

曲げ寸法1.0sクラッチピストンシールの耐圧性は，曲げ位置，板厚の影響が大きい．

600

またここで報告した他に，周方向に複雑な波形形状を持つクラッチピストンシールについての解析にも取り組んでおり，今後の設計検討に300役立てて行く予定である．
最後に本報に関し，ご協力頂いた光洋シカゴ
ローハイド株式会社の関係者の方々に深く感謝致します．

YZX0参考文献
曲げ寸法3.0１）HKS日本支社：ABAQUSの要素に関するセミナー･テキスト，11（1996）

YZX

図 16 応力発生状態
Distribution of stress著

者

應矢敏明*T. OYA

笠原文明*
F. KASAHARA* 総合技術研究所 基礎技術開発センター
トライボロジー研究部

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KOYO Engineering Journal No.155 (1999)