Sådan beregner du stivhed, centreringskraft, slid og udmattelsesbrud på splinekoblinger

Der findes forskellige typer splinekoblinger. Disse koblinger har flere vigtige egenskaber. Disse egenskaber er: Stivhed, evolvente splinekoblinger, forkert justering, slid og udmattelsesbrud. For at forstå, hvordan disse egenskaber relaterer sig til splinekoblinger, kan du læse denne artikel. Den vil give dig den nødvendige viden til at bestemme, hvilken type kobling der bedst passer til dine behov. Husk på, at splinekoblinger normalt er sfæriske i form, og de er lavet af stål.

Involvente splines

En effektiv sideinterferenstilstand minimerer gearforskydning. Når to splines er koblet uden splineforskydning, forskydes den maksimale trækrodspænding til venstre med fem mm. En lineær variation i forspringet, som skyldes flere forbindelser langs splinekontaktens længde, øger den effektive frigang eller interferens med en given procentdel. Denne type forskydning er uønsket til kobling af højhastighedsudstyr.
Evolvente noter bruges ofte i gearkasser. Disse noter overfører et højt drejningsmoment og er bedre i stand til at fordele belastningen mellem flere tænder i hele koblingens omkreds. Evolventprofilen og stigningsfejlene er relateret til afstanden mellem nottænder og kilespor. Til koblingsapplikationer bruger industripraksis noter med 25 til halvtreds procent af nottænderne indgrebet. Denne belastningsfordeling er mere ensartet end for konventionelle enkeltkilekoblinger.
For at bestemme det optimale tandindgreb for en involveret splinekobling brugte Xiangzhen Xue og kolleger en computermodel til at simulere den belastning, der påføres splines. Resultaterne fra denne undersøgelse viste, at en "tilladelig" Ruiz-parameter bør anvendes ved kobling. Ved at forudsige mængden af ​​slid på en kronet spline kunne forskerne nøjagtigt forudsige, hvor meget skade komponenterne vil lide under koblingsprocessen.
Der er flere måder at bestemme den optimale trykvinkel for en evolvent spline. Evolvente splines måles almindeligvis ved hjælp af en trykvinkel på 30 grader. Ligesom tandhjul testes evolvente splines typisk ved at måle dem over stifter. Dette involverer at indsætte tråde i en specifik størrelse mellem tandhjulstænderne og måle afstanden mellem dem. Denne metode kan afgøre, om tandhjulet har en korrekt tandprofil.
Splinesystemet vist i figur 1 illustrerer en vibrationsmodel. Denne simulering giver brugeren mulighed for at forstå, hvordan evolvente splines bruges i kobling. Vibrationsmodellen viser fire koncentrerede masseblokke, der repræsenterer drivmotoren, den interne spline og lasten. Det er vigtigt at bemærke, at den indgribende deformationsfunktion repræsenterer de kræfter, der virker på disse tre komponenter.

Koblingens stivhed

Beregningen af ​​stivheden af ​​en splinekobling involverer måling af dens tandindgreb. I det følgende analyserer vi stivheden af ​​en splinekobling med forskellige typer tænder ved hjælp af to forskellige metoder. Direkte inversion og blokvis inversion reducerer begge CPU-tiden til stivhedsberegning. De kræver dog evalueringsundermatricer. Her diskuterer vi forskellene mellem disse to metoder.
Den analytiske model for splinekoblinger er udledt i andet afsnit. I tredje afsnit forklares beregningsprocessen i detaljer. Vi validerer derefter denne model i forhold til FE-metoden. Endelig diskuterer vi indflydelsen af ​​stivhedens ikke-linearitet på rotordynamikken. Endelig diskuterer vi fordele og ulemper ved hver metode. Vi præsenterer en simpel, men effektiv metode til at estimere den laterale stivhed af splinekoblinger.
Den numeriske beregning af splinekoblingen er baseret på den semi-analytiske spline-belastningsfordelingsmodel. Denne metode involverer raffinerede kontaktgitre og opdatering af compliance-matricen ved hver iteration. Derfor bruger den betydelig beregningstid. Desuden er det vanskeligt at anvende denne metode til dynamisk analyse af en rotor. Denne metode har sine egne begrænsninger og bør kun anvendes, når splinekoblingen er fuldt undersøgt.
Indgrebskraften er den kraft, der genereres af en forkert justeret splinekobling. Den er relateret til splinetykkelsen og rotorens transmitterende drejningsmoment. Indgrebskraften er også relateret til den dynamiske vibrationsforskydning. Resultatet fra indgrebskraftanalysen er vist i figur 7, 8 og 9.
Analysen præsenteret i denne artikel har til formål at undersøge stivheden af ​​spline-koblinger med en skævt justeret spline. Selvom resultaterne fra tidligere undersøgelser var nøjagtige, forblev nogle problemer uløste. For eksempel kan skæv justering af spline forårsage kontaktskader. Formålet med denne artikel er at undersøge de problemer, der er forbundet med skævt justerede spline-koblinger og foreslå en analytisk tilgang til estimering af kontakttrykket i en spline-forbindelse. Vi sammenligner også vores resultater med dem, der opnås ved rene numeriske tilgange.

Forskydning

For at bestemme centreringskraften skal den effektive trykvinkel være kendt. Ved hjælp af den effektive trykvinkel beregnes centreringskraften baseret på de maksimale aksiale og radiale belastninger og opdaterede Dudley-forskydningsfaktorer. Centreringskraften er den maksimale aksiale kraft, der kan overføres ved friktion. Adskillige publicerede fejljusteringsfaktorer er også inkluderet i beregningen. I denne artikel præsenteres en ny metode, der tager højde for kameffekten i normalkraften.
I denne nye metode kan stivheden langs splineforbindelsen integreres for at opnå en global stivhed, der kan anvendes til torsionsvibrationsanalyse. Lejernes stivhed kan også beregnes ved givne niveauer af forskydning, hvilket muliggør en nøjagtig estimering af lejernes dimensioner. Det tilrådes at kontrollere lejernes stivhed til enhver tid for at sikre, at de er korrekt dimensioneret og justeret.
En fejljustering i en splinekobling kan resultere i slid eller endda svigt. Dette skyldes en forkert justeret stigningsprofil. Dette problem overses ofte, da tænderne er i kontakt gennem hele den evolvente profil. Dette forårsager, at belastningen ikke fordeles jævnt langs kontaktlinjen. Derfor er det vigtigt at overveje effekten af ​​fejljustering på kontaktkraften på splinekoblingens tænder.
Centrum af han-spline i figur 2 er overlejret hun-spline. Indgrebsafstandene for justering er også identiske. Derfor vil indgrebskraftkurverne ændre sig i henhold til den dynamiske vibrationsforskydning. Det er nødvendigt at kende parametrene for en splinekobling, før den implementeres. I denne artikel præsenteres modellen for ujustering for splinekoblinger og de relaterede parametre.
Ved hjælp af en hjemmelavet testrigg til splinekoblinger undersøges virkningerne af forkert justering på en splinekobling. I modsætning til den typiske splinekobling forårsager forkert justering i en splinekobling gnavslid på en specifik position på tandoverfladen. Dette er en førende årsag til svigt i disse typer koblinger.

Slid- og udmattelsessvigt

Fejl i en splinekobling på grund af slid og udmattelse bestemmes af den første forekomst af tandslid og forskydning af akselen. Standarddesignmetoder tager ikke højde for slidskader og vurderer udmattelseslevetiden med store tilnærmelser. Eksperimentelle undersøgelser er blevet udført for at vurdere slid og udmattelsesskader i splinekoblinger. Testene blev udført på en dedikeret testrigg og en speciel enhed forbundet til en standard udmattelsesmaskine. Arbejdsparametre såsom moment, forskydningsvinkel og aksial afstand er blevet varieret for at måle udmattelsesskader. Overdimensionering er også blevet vurderet.
Under udmattelse og slitage finder mekanisk glidning sted mellem de udvendige og indvendige noter, hvilket resulterer i katastrofale svigt. Manglen på litteratur om slid og udmattelse af notkoblinger i flymotorer kan skyldes manglende data om koblingens anvendelse. Slid og udmattelsesbrud i noter afhænger af en række faktorer, herunder materialepar, geometri og smøreforhold.
Analysen af ​​splinekoblinger viser, at overdimensionering er almindeligt og fører til forskellige skader i systemet. Nogle af de største skader er slid, gnaven, korrosion og tandtræthed. Støjproblemer er også blevet observeret i industrielle miljøer. Det er dog vanskeligt at evaluere kontaktadfærden af ​​splinekoblinger, og numeriske simuleringer hæmmes ofte af brugen af ​​specifikke koder og grænseelementmetoden.
Fejlen i en splinegearkobling var forårsaget af udmattelse, og bruddet startede ved kilegangens nederste hjørneradius. Kilegangen og splines var blevet overbelastet ud over deres flydegrænse, og der blev observeret betydelig flydeevne i splinegearets tænder. En brudring af ikke-standard legeret stål udviste en skarp hjørneradius, hvilket var en betydelig spændingsforøger.
Adskillige komponenter blev undersøgt for at bestemme deres levetid. Disse komponenter omfatter splineakslen, tætningsbolten og grafitringen. Hver af disse komponenter har sit eget sæt designparametre. Der er dog ligheder i fordelingen af ​​disse komponenter. Slid- og udmattelsessvigt i splinekoblinger kan tilskrives en kombination af de tre faktorer. En fejltilstand defineres ofte som en ikke-lineær fordeling af spændinger og tøjninger.

redaktør af CX 2023-10-23