Cara Menghitung Kekakuan, Gaya Pemusatan, Keausan, dan Kegagalan Kelelahan pada Sambungan Spline

Terdapat berbagai jenis sambungan spline. Sambungan ini memiliki beberapa sifat penting. Sifat-sifat tersebut adalah: Kekakuan, Spline involute, Ketidaksejajaran, Keausan, dan kegagalan kelelahan. Untuk memahami bagaimana karakteristik ini berkaitan dengan sambungan spline, bacalah artikel ini. Artikel ini akan memberi Anda pengetahuan yang diperlukan untuk menentukan jenis sambungan mana yang paling sesuai dengan kebutuhan Anda. Perlu diingat bahwa sambungan spline biasanya berbentuk bulat, dan terbuat dari baja.

Spline involut

Kondisi interferensi samping yang efektif meminimalkan ketidaksejajaran roda gigi. Ketika dua spline dihubungkan tanpa ketidaksejajaran spline, tegangan tarik akar maksimum bergeser ke kiri sebesar lima mm. Variasi ulir linier, yang dihasilkan dari beberapa sambungan sepanjang kontak spline, meningkatkan jarak bebas atau interferensi efektif sebesar persentase tertentu. Jenis ketidaksejajaran ini tidak diinginkan untuk penyambungan peralatan berkecepatan tinggi.
Spline involut sering digunakan pada gearbox. Spline ini mentransmisikan torsi tinggi, dan lebih mampu mendistribusikan beban di antara banyak gigi di seluruh keliling kopling. Profil involut dan kesalahan ulir berkaitan dengan jarak antara gigi spline dan alur pasak. Untuk aplikasi kopling, praktik industri menggunakan spline dengan 25 hingga 50 persen gigi spline yang terhubung. Distribusi beban ini lebih seragam daripada kopling pasak tunggal konvensional.
Untuk menentukan keterlibatan gigi yang optimal untuk sambungan spline yang rumit, Xiangzhen Xue dan rekan-rekannya menggunakan model komputer untuk mensimulasikan tegangan yang diterapkan pada spline. Hasil dari penelitian ini menunjukkan bahwa parameter Ruiz yang "diperbolehkan" harus digunakan dalam penyambungan. Dengan memprediksi jumlah keausan pada spline yang diberi mahkota, para peneliti dapat secara akurat memprediksi seberapa besar kerusakan yang akan dialami komponen selama proses penyambungan.
Ada beberapa cara untuk menentukan sudut tekanan optimal untuk spline involute. Spline involute umumnya diukur menggunakan sudut tekanan 30 derajat. Mirip dengan roda gigi, spline involute biasanya diuji melalui pengukuran di atas pin. Ini melibatkan penyisipan kawat berukuran tertentu di antara gigi roda gigi dan mengukur jarak di antara keduanya. Metode ini dapat mengetahui apakah roda gigi memiliki profil gigi yang tepat.
Sistem spline yang ditunjukkan pada Gambar 1 mengilustrasikan model getaran. Simulasi ini memungkinkan pengguna untuk memahami bagaimana spline involute digunakan dalam kopling. Model getaran menunjukkan empat blok massa terkonsentrasi yang mewakili penggerak utama, spline internal, dan beban. Penting untuk dicatat bahwa fungsi deformasi meshing mewakili gaya yang bekerja pada ketiga komponen ini.

Kekakuan kopling

Perhitungan kekakuan sambungan spline melibatkan pengukuran keterlibatan giginya. Berikut ini, kita akan menganalisis kekakuan sambungan spline dengan berbagai jenis gigi menggunakan dua metode berbeda. Inversi langsung dan inversi blok sama-sama mengurangi waktu CPU untuk perhitungan kekakuan. Namun, keduanya membutuhkan submatriks evaluasi. Di sini, kita akan membahas perbedaan antara kedua metode ini.
Model analitik untuk sambungan spline diturunkan pada bagian kedua. Pada bagian ketiga, proses perhitungan dijelaskan secara detail. Kemudian, kami memvalidasi model ini terhadap metode FE. Terakhir, kami membahas pengaruh nonlinieritas kekakuan pada dinamika rotor. Akhirnya, kami membahas kelebihan dan kekurangan masing-masing metode. Kami menyajikan metode sederhana namun efektif untuk memperkirakan kekakuan lateral sambungan spline.
Perhitungan numerik kopling spline didasarkan pada model distribusi beban spline semi-analitik. Metode ini melibatkan grid kontak yang lebih halus dan pembaruan matriks kepatuhan pada setiap iterasi. Oleh karena itu, metode ini membutuhkan waktu komputasi yang signifikan. Lebih lanjut, metode ini sulit diterapkan pada analisis dinamis rotor. Metode ini memiliki keterbatasan tersendiri dan hanya boleh digunakan ketika kopling spline telah sepenuhnya diteliti.
Gaya gesekan adalah gaya yang dihasilkan oleh sambungan spline yang tidak sejajar. Gaya ini berkaitan dengan ketebalan spline dan torsi transmisi rotor. Gaya gesekan juga berkaitan dengan perpindahan getaran dinamis. Hasil yang diperoleh dari analisis gaya gesekan diberikan pada Gambar 7, 8, dan 9.
Analisis yang disajikan dalam makalah ini bertujuan untuk menyelidiki kekakuan sambungan spline dengan spline yang tidak sejajar. Meskipun hasil penelitian sebelumnya akurat, beberapa masalah masih tetap ada. Misalnya, ketidaksejajaran spline dapat menyebabkan kerusakan kontak. Tujuan artikel ini adalah untuk menyelidiki masalah yang terkait dengan sambungan spline yang tidak sejajar dan mengusulkan pendekatan analitis untuk memperkirakan tekanan kontak pada sambungan spline. Kami juga membandingkan hasil kami dengan hasil yang diperoleh melalui pendekatan numerik murni.

Ketidaksejajaran

Untuk menentukan gaya pemusatan, sudut tekanan efektif harus diketahui. Dengan menggunakan sudut tekanan efektif, gaya pemusatan dihitung berdasarkan beban aksial dan radial maksimum serta faktor ketidaksejajaran Dudley yang diperbarui. Gaya pemusatan adalah gaya aksial maksimum yang dapat ditransmisikan oleh gesekan. Beberapa faktor ketidaksejajaran yang telah dipublikasikan juga disertakan dalam perhitungan. Metode baru disajikan dalam makalah ini yang mempertimbangkan efek cam pada gaya normal.
Dalam metode baru ini, kekakuan sepanjang sambungan spline dapat diintegrasikan untuk mendapatkan kekakuan global yang dapat diterapkan pada analisis getaran torsi. Kekakuan bantalan juga dapat dihitung pada tingkat ketidaksejajaran tertentu, memungkinkan estimasi dimensi bantalan yang akurat. Disarankan untuk selalu memeriksa kekakuan bantalan untuk memastikan bahwa bantalan tersebut berukuran dan sejajar dengan benar.
Ketidaksejajaran pada sambungan spline dapat mengakibatkan keausan atau bahkan kegagalan. Hal ini disebabkan oleh profil pitch yang tidak sejajar dengan benar. Masalah ini seringkali diabaikan, karena gigi-gigi tersebut saling bersentuhan di seluruh profil involute. Hal ini menyebabkan beban tidak terdistribusi secara merata di sepanjang garis kontak. Oleh karena itu, penting untuk mempertimbangkan pengaruh ketidaksejajaran terhadap gaya kontak pada gigi sambungan spline.
Pusat spline jantan pada Gambar 2 ditumpangkan pada spline betina. Jarak penyelarasan jala juga identik. Oleh karena itu, kurva gaya jala akan berubah sesuai dengan perpindahan getaran dinamis. Penting untuk mengetahui parameter kopling spline sebelum mengimplementasikannya. Dalam makalah ini, model untuk ketidaksejajaran disajikan untuk kopling spline dan parameter terkaitnya.
Dengan menggunakan alat uji sambungan spline buatan sendiri, efek ketidaksejajaran pada sambungan spline dipelajari. Berbeda dengan sambungan spline biasa, ketidaksejajaran pada sambungan spline menyebabkan keausan gesekan pada posisi tertentu di permukaan gigi. Ini adalah penyebab utama kegagalan pada jenis sambungan ini.

Keausan dan kegagalan akibat kelelahan

Kegagalan sambungan spline akibat keausan dan kelelahan ditentukan oleh kemunculan pertama keausan gigi dan ketidaksejajaran poros. Metode desain standar tidak memperhitungkan kerusakan akibat keausan dan menilai umur kelelahan dengan perkiraan yang besar. Investigasi eksperimental telah dilakukan untuk menilai kerusakan akibat keausan dan kelelahan pada sambungan spline. Pengujian dilakukan pada alat uji khusus dan perangkat khusus yang terhubung ke mesin uji kelelahan standar. Parameter kerja seperti torsi, sudut ketidaksejajaran, dan jarak aksial telah divariasikan untuk mengukur kerusakan akibat kelelahan. Penilaian juga dilakukan terhadap kelebihan dimensi.
Selama kelelahan dan keausan, gesekan mekanis terjadi antara spline eksternal dan internal dan mengakibatkan kegagalan fatal. Kurangnya literatur tentang keausan dan kelelahan pada sambungan spline di mesin pesawat terbang mungkin disebabkan oleh kurangnya data tentang aplikasi sambungan tersebut. Kegagalan akibat keausan dan kelelahan pada spline bergantung pada sejumlah faktor, termasuk pasangan material, geometri, dan kondisi pelumasan.
Analisis sambungan spline menunjukkan bahwa pemberian dimensi berlebih sering terjadi dan menyebabkan berbagai kerusakan pada sistem. Beberapa kerusakan utama meliputi keausan, gesekan, korosi, dan kelelahan gigi. Masalah kebisingan juga telah diamati di lingkungan industri. Namun, sulit untuk mengevaluasi perilaku kontak sambungan spline, dan simulasi numerik sering terhambat oleh penggunaan kode khusus dan metode elemen batas.
Kegagalan pada sambungan roda gigi spline disebabkan oleh kelelahan material, dan retakan dimulai pada radius sudut bawah alur pasak. Alur pasak dan spline telah mengalami beban berlebih melebihi kekuatan luluhnya, dan luluh yang signifikan diamati pada gigi roda gigi spline. Cincin retakan dari baja paduan non-standar menunjukkan radius sudut yang tajam, yang merupakan pemicu tegangan yang signifikan.
Beberapa komponen dipelajari untuk menentukan masa pakainya. Komponen-komponen ini meliputi poros spline, baut penyegel, dan cincin grafit. Masing-masing komponen ini memiliki serangkaian parameter desainnya sendiri. Namun, terdapat kesamaan dalam distribusi komponen-komponen ini. Keausan dan kegagalan kelelahan pada sambungan spline dapat disebabkan oleh kombinasi dari tiga faktor tersebut. Mode kegagalan sering didefinisikan sebagai distribusi tegangan dan regangan yang tidak linier.

Diedit oleh CX 2023-10-23