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스플라인 커플링에서 접촉 압력을 추정하기 위한 해석적 접근법

스플라인 커플링은 두 회전축을 연결하는 기계적 연결 장치입니다. 커플러와 커플링, 두 부분으로 구성되며, 두 부분 모두 맞물려 하중을 전달하는 톱니를 가지고 있습니다. 그러나 스플라인 커플링은 일반적으로 치수가 과도하게 설계되어 피로 및 정적 거동에 취약합니다. 마모 현상 또한 커플링의 고장 원인이 될 수 있습니다. 따라서 최적의 성능을 얻기 위해서는 적절한 스플라인 커플링 설계가 필수적입니다.

스플라인 결합 모델링

스플라인 커플링은 항공우주 산업에서 점점 더 널리 사용되고 있지만, 약간의 정렬 불량 상태로 작동하여 진동과 접촉면 손상을 유발합니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 본 논문에서는 스플라인 커플링의 접촉 압력을 추정하는 해석적 접근 방식을 제시합니다. 특히, 해석적 접근 방식과 순수 수치 해석 방식을 비교하여 해석적 접근 방식의 장점을 보여줍니다.
스플라인 결합을 모델링하려면 먼저 스플라인 결합에 대한 지식 베이스를 생성해야 합니다. 지식 베이스에는 서로 연관된 수많은 가능한 사양 값이 포함됩니다. 하나의 사양을 수정하면 다른 사양을 위반했다는 경고가 발생할 수 있습니다. 설계의 유효성을 확보하려면 지정된 사양 값을 충족하는 스플라인 결합 모델을 생성해야 합니다.
형상 모델링을 완료한 후에는 두 스플라인 커플링의 접촉 압력을 입력해야 합니다. 그런 다음 스플라인의 피치 원 위치를 결정해야 합니다. 그림 2에서 수형 커플링의 중심은 암형 스플라인의 중심과 겹쳐져 있습니다. 마지막으로 두 스플라인의 정렬 맞물림 거리가 동일한지 확인해야 합니다.
스플라인 커플링 모델을 생성하는 데 필요한 데이터를 확보했으면 인터페이스 설계 사양을 입력하는 것으로 시작할 수 있습니다. 이 데이터를 확보한 후에는 내부 스플라인 또는 외부 스플라인을 최적화할지 선택해야 합니다. 또한 스플라인 커플링 모델 20의 응력을 결정하는 데 사용되는 치 마찰 계수를 지정해야 합니다. 한 스플라인의 치 32의 끝단 186과 맞물리는 스플라인의 형상 사이의 간극인 파일럿 간극도 입력해야 합니다.
외부 스플라인에 대한 원하는 사양을 입력한 후에는 내부 스플라인에 대한 매개변수를 입력할 수 있습니다. 예를 들어, 내부 스플라인의 주 스냅 54의 외경 제한 154와 부 스냅 56을 입력할 수 있습니다. 이러한 매개변수 값은 스플라인 입력 및 구성 GUI 화면 80에서 색상으로 구분된 상자에 표시됩니다. 매개변수를 입력하면 스플라인 결합 모델 20의 기하학적 표현이 표시됩니다.

스플라인 결합 모델 생성 20

스플라인 커플링 모델 20은 제품 모델 소프트웨어 프로그램 10에 의해 생성됩니다. 이 소프트웨어는 구성에 따라 달라지는 사양 제약 조건 및 관계에 대한 지식 기반을 사용하여 스플라인 커플링 모델의 유효성을 검증합니다. 이 보고서는 ANSYS 응력 해석 프로그램에 입력됩니다. 보고서에는 스플라인 커플링 모델 20의 기하학적 구성과 각 형상에 대한 사양 값이 나열됩니다. 스플라인 커플링 모델 20의 구성 또는 성능 사양이 수정될 때마다 스플라인 커플링 모델 20이 자동으로 다시 생성됩니다.
스플라인 커플링 모델 20은 제품 모델 소프트웨어 프로그램 10을 사용하여 구성할 수 있습니다. 사용자는 스플라인 스택의 축 방향 길이를 지정하는데, 이 길이는 0이거나 고정된 길이일 수 있습니다. 또한 사용자는 필요한 경우 반경 방향 결합면 148을 입력하고 파일럿 간극 사양 값을 14.5도 또는 30도로 선택합니다.
사용자는 마우스 110을 사용하여 스플라인 커플링 모델 20을 수정할 수 있습니다. 스플라인 커플링 지식 베이스에는 다양한 사양 값과 스플라인 커플링 설계 규칙이 포함되어 있습니다. 사용자가 스플라인 커플링 모델을 변경하려고 하면, 모델은 다른 사양 위반에 대한 경고를 표시합니다. 경우에 따라 수정으로 인해 설계가 무효화될 수도 있습니다.
스플라인 커플링 모델 20에서 사용자는 추가적인 성능 요구 사양을 입력합니다. 사용자는 내부 및 외부 스플라인 38과 40에 대해 최대 토크가 전달되는 위치를 선택합니다. 최대 토크 전달 위치는 샤프트에 대한 하드웨어의 부착 구성에 따라 결정됩니다. 선택이 완료되면 "다음"을 클릭하여 모델을 저장할 수 있습니다. 스플라인 커플링 모델 20의 미리보기가 표시됩니다.
모델 20은 스플라인 커플링을 나타냅니다. 스플라인 사양은 스플라인 커플링 모델 20 GUI 화면에 지정된 순서와 배열대로 입력됩니다. 스플라인 커플링 사양이 입력되면 제품 모델 소프트웨어 프로그램 10이 이를 스플라인 커플링 모델 20에 통합합니다. 이것이 스플라인 커플링 모델 생성의 마지막 단계입니다.

스플라인 결합 모델 분석 20

스플라인 커플링 모델 분석은 구성 및 성능 사양을 입력하는 것으로 구성됩니다. 이러한 사양은 다른 컴퓨터 프로그램에서 생성될 수 있습니다. 제품 모델 소프트웨어 프로그램 10은 구성 종속 사양 관계 및 제약 조건에 대한 내부 지식 기반을 사용하여 유효한 3차원 매개변수 모델 20을 생성합니다. 이 모델에는 스플라인 톱니 32, 스냅 34 및 숄더 36의 수와 유형을 설명하는 정보가 포함되어 있습니다.
스플라인 커플링을 분석할 때, 소프트웨어 프로그램 10에는 다양한 사양에 대한 기본값이 포함됩니다. 스플라인 커플링 모델 20은 내부 스플라인 38과 외부 스플라인 40으로 구성됩니다. 각 스플라인은 깊이, 너비, 길이 및 반지름과 같은 자체 매개변수 세트를 포함합니다. 외부 스플라인 40은 또한 방향과 같은 자체 매개변수 세트를 포함합니다.
이러한 매개변수를 선택하면 소프트웨어 프로그램은 스플라인 커플링 모델 20에 대해 다양한 분석을 수행합니다. 소프트웨어 프로그램 10은 스플라인 커플링의 공칭 및 최대 치면 응력과 피로 수명을 계산합니다. 또한 내부 스플라인과 외부 스플라인 간의 비틀림 와인드업 차이를 계산합니다. 분석 결과 출력 파일은 모델 구성 및 사양 데이터가 포함된 보고서 파일입니다. 이 출력 파일은 다른 컴퓨터 프로그램에서 추가 분석을 위해 사용될 수도 있습니다.
이러한 매개변수가 설정되면 사용자는 스플라인 커플링 모델 20에 대한 설계 기준을 입력합니다. 이 단계에서 사용자는 외부 및 내부 스플라인 38 모두에 대한 최대 토크 전달 위치를 지정합니다. 최대 토크 전달 위치는 샤프트에 부착된 하드웨어의 구성에 따라 달라집니다. 사용자는 각 스플라인에 대해 최대 4개의 서로 다른 성능 요구 사항 사양을 입력할 수 있습니다.
분석 결과, 스플라인 결합에는 두 단계가 있는 것으로 나타났습니다. 첫 번째 단계에서는 응력과 진동이 크게 증가합니다. 두 번째 단계에서는 응력과 진동 수준이 모두 감소합니다. 세 번째 단계에서는 300N에서 320N 사이의 일정한 맞물림력이 유지됩니다. 이러한 거동은 최종 단계에서 표면과 맞물릴 때까지 장기간 지속됩니다.

스플라인 커플링의 정렬 불량

본 연구는 일정한 토크와 회전 정렬 불량 조건 하에서 맞물리는 스플라인 커플링의 접촉력 분포를 조사하는 것을 목표로 했습니다. 유한 요소법(FEM) 모델을 기반으로 한 수치 해석 방법을 사용했으며, 정상 조건과 평행 오프셋 정렬 불량 조건에 대한 수치 결과를 도출했습니다. 정렬 불량은 0.02mm와 0.08mm 두 가지 수준으로 설정하고, 각기 다른 하중 조건을 고려했습니다.
연구 결과에 따르면 스플라인과 로터 사이의 정렬 불량은 스플라인-로터 커플링 시스템의 맞물림력 변화를 야기하며, 이 시스템의 동역학은 스플라인의 맞물림력에 의해 좌우됩니다. 정렬 불량이 발생한 스플라인 커플링의 맞물림력은 로터-스플라인 커플링 시스템의 매개변수, 전달 토크 및 동적 진동 변위와 관련이 있습니다.
정확한 측정이 부족함에도 불구하고 스플라인의 정렬 불량은 흔히 발생하는 문제입니다. 스플라인에는 일반적으로 백래시가 존재하기 때문에 이 문제는 더욱 심화됩니다. 이 백래시는 스플라인의 정렬 불량으로 인해 발생합니다. 저자들은 피치 직경과 길이/직경 비율이 다양한 여러 스플라인을 분석했습니다.
스플라인 커플링은 양의 백래시를 갖는 2차원 기계 시스템입니다. 스플라인 커플링은 허브와 샤프트로 구성되며, 끝단과 뿌리 사이의 간극이 백래시보다 큽니다. 형상 간극은 끝단과 뿌리 사이의 필렛 접촉을 방지하기에 충분합니다. 스플라인에 작용하는 토크는 마찰을 통해 전달됩니다.
스플라인 커플링의 정렬 불량은 토크 편향 추력 발생으로 이어집니다. 이러한 상황에서 추력이 토크를 초과하면 부품의 정렬 불량이 발생할 수 있습니다. 본 연구에서는 토크와 추력의 양방향 전달을 해석적으로 모델링했습니다. 해석적 접근 방식은 설계 과정에 통합할 수 있는 해법을 제공합니다. 따라서 다음에 스플라인 커플링 정렬 불량 문제를 접하게 되면 해석적 접근 방식을 활용해 보십시오!
본 연구에서는 평행 오프셋 오차가 없는 정상 조건에서 스플라인 커플링을 분석했습니다. 얻어진 강성 값은 공칭 피치 직경과 하중 적용 직경 간의 백분율 차이입니다. 또한, 측정된 피치 직경의 최대 백분율 차이는 5000 N·m의 토크에서 1.60%입니다. 계산에는 피치 각도라는 다른 매개변수도 고려되었습니다.

editor by CX 2023-06-09