วิธีคำนวณค่าความแข็ง ความแรงในการเข้าศูนย์กลาง การสึกหรอ และความล้มเหลวจากความล้าของข้อต่อแบบสไปลน์

ข้อต่อแบบสไปลน์มีหลายประเภท ข้อต่อเหล่านี้มีคุณสมบัติสำคัญหลายประการ ได้แก่ ความแข็งแรง รูปทรงสไปลน์แบบอินโวลูต การเยื้องศูนย์ การสึกหรอ และความล้มเหลวจากความล้า เพื่อทำความเข้าใจว่าคุณลักษณะเหล่านี้เกี่ยวข้องกับข้อต่อแบบสไปลน์อย่างไร โปรดอ่านบทความนี้ บทความนี้จะให้ความรู้ที่จำเป็นแก่คุณในการพิจารณาว่าข้อต่อประเภทใดเหมาะสมกับความต้องการของคุณมากที่สุด โปรดจำไว้ว่าข้อต่อแบบสไปลน์มักมีรูปทรงกลมและทำจากเหล็ก

เส้นโค้งอินโวลูต

สภาวะการรบกวนด้านข้างที่มีประสิทธิภาพจะช่วยลดการเยื้องศูนย์ของเฟืองให้น้อยที่สุด เมื่อร่องฟันสองร่องเชื่อมต่อกันโดยไม่มีการเยื้องศูนย์ของร่องฟัน ความเค้นดึงสูงสุดที่โคนร่องฟันจะเลื่อนไปทางซ้ายห้ามิลลิเมตร การเปลี่ยนแปลงระยะนำเชิงเส้น ซึ่งเกิดจากการเชื่อมต่อหลายจุดตามความยาวของการสัมผัสร่องฟัน จะเพิ่มระยะห่างหรือการรบกวนที่มีประสิทธิภาพขึ้นเป็นเปอร์เซ็นต์ที่กำหนด การเยื้องศูนย์ประเภทนี้ไม่เป็นที่พึงประสงค์สำหรับการเชื่อมต่ออุปกรณ์ความเร็วสูง
ร่องฟันแบบอินโวลูตมักใช้ในเกียร์บ็อกซ์ ร่องฟันเหล่านี้ส่งแรงบิดสูงได้ดีกว่า และกระจายแรงได้ดีกว่าระหว่างฟันหลายซี่ตลอดเส้นรอบวงของข้อต่อ รูปทรงอินโวลูตและความคลาดเคลื่อนของระยะนำนั้นเกี่ยวข้องกับระยะห่างระหว่างฟันร่องฟันและร่องลิ่ม สำหรับการใช้งานในข้อต่อ แนวปฏิบัติในอุตสาหกรรมมักใช้ร่องฟันที่มีฟันร่องฟันเกี่ยวกันประมาณ 25 ถึง 50 เปอร์เซ็นต์ การกระจายแรงแบบนี้สม่ำเสมอกว่าข้อต่อแบบลิ่มเดี่ยวทั่วไป
เพื่อกำหนดตำแหน่งการยึดฟันที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการเชื่อมต่อสไปลน์ที่ซับซ้อน เซียงเจิ้น ซู และเพื่อนร่วมงานได้ใช้แบบจำลองคอมพิวเตอร์เพื่อจำลองแรงกดที่กระทำต่อสไปลน์ ผลการศึกษาแสดงให้เห็นว่าควรใช้ค่าพารามิเตอร์ Ruiz ที่ "ยอมรับได้" ในการเชื่อมต่อ โดยการคาดการณ์ปริมาณการสึกหรอของสไปลน์ที่ครอบฟัน นักวิจัยสามารถคาดการณ์ได้อย่างแม่นยำว่าชิ้นส่วนต่างๆ จะได้รับความเสียหายมากน้อยเพียงใดในระหว่างกระบวนการเชื่อมต่อ
มีหลายวิธีในการกำหนดมุมแรงดันที่เหมาะสมที่สุดสำหรับฟันเฟืองแบบอินโวลูต โดยทั่วไปแล้ว ฟันเฟืองแบบอินโวลูตจะวัดโดยใช้มุมแรงดัน 30 องศา คล้ายกับเฟืองทั่วไป ฟันเฟืองแบบอินโวลูตมักจะทดสอบโดยการวัดผ่านหมุด ซึ่งเกี่ยวข้องกับการสอดลวดขนาดเฉพาะระหว่างฟันเฟืองและวัดระยะห่างระหว่างลวด วิธีนี้สามารถบอกได้ว่าเฟืองมีรูปทรงฟันที่เหมาะสมหรือไม่
ระบบสปลายที่แสดงในรูปที่ 1 แสดงแบบจำลองการสั่นสะเทือน การจำลองนี้ช่วยให้ผู้ใช้เข้าใจวิธีการใช้สปลายแบบอินโวลูตในการเชื่อมต่อ แบบจำลองการสั่นสะเทือนแสดงบล็อกมวลรวมสี่บล็อกที่แสดงถึงตัวขับเคลื่อนหลัก สปลายภายใน และภาระ สิ่งสำคัญที่ควรทราบคือ ฟังก์ชันการเปลี่ยนรูปของการจับคู่แสดงถึงแรงที่กระทำต่อส่วนประกอบทั้งสามนี้

ความแข็งแกร่งของการเชื่อมต่อ

การคำนวณค่าความแข็งของข้อต่อสปลายน์เกี่ยวข้องกับการวัดการยึดเกาะของฟัน ในส่วนต่อไปนี้ เราจะวิเคราะห์ค่าความแข็งของข้อต่อสปลายน์ที่มีฟันหลายประเภทโดยใช้วิธีการสองวิธีที่แตกต่างกัน การผกผันโดยตรงและการผกผันแบบบล็อก ทั้งสองวิธีช่วยลดเวลาการประมวลผลของ CPU สำหรับการคำนวณค่าความแข็ง อย่างไรก็ตาม ทั้งสองวิธีจำเป็นต้องใช้เมทริกซ์ย่อยสำหรับการประเมินผล ในที่นี้ เราจะกล่าวถึงความแตกต่างระหว่างสองวิธีนี้
ในส่วนที่สอง เราจะนำเสนอแบบจำลองเชิงวิเคราะห์สำหรับข้อต่อแบบสปลายน์ ในส่วนที่สาม เราจะอธิบายกระบวนการคำนวณโดยละเอียด จากนั้นเราจะตรวจสอบความถูกต้องของแบบจำลองนี้โดยเปรียบเทียบกับวิธีไฟไนต์เอเลเมนต์ (FE) สุดท้าย เราจะอภิปรายถึงอิทธิพลของความไม่เป็นเชิงเส้นของความแข็งต่อพลศาสตร์ของโรเตอร์ และสุดท้าย เราจะอภิปรายถึงข้อดีและข้อเสียของแต่ละวิธี เราได้นำเสนอวิธีการที่เรียบง่ายแต่มีประสิทธิภาพสำหรับการประมาณค่าความแข็งด้านข้างของข้อต่อแบบสปลายน์
การคำนวณเชิงตัวเลขของการเชื่อมต่อแบบสปลายน์นั้นอิงตามแบบจำลองการกระจายแรงแบบสปลายน์กึ่งวิเคราะห์ วิธีนี้เกี่ยวข้องกับกริดสัมผัสที่ละเอียดขึ้นและการปรับปรุงเมทริกซ์ความสอดคล้องในแต่ละรอบการคำนวณ ดังนั้นจึงใช้เวลาในการคำนวณมาก นอกจากนี้ยังยากที่จะนำวิธีการนี้ไปใช้ในการวิเคราะห์พลวัตของโรเตอร์ วิธีนี้มีข้อจำกัดของตัวเองและควรใช้เฉพาะเมื่อได้ทำการศึกษาการเชื่อมต่อแบบสปลายน์อย่างละเอียดแล้วเท่านั้น
แรงเสียดทานระหว่างฟันเฟืองคือแรงที่เกิดขึ้นจากการเชื่อมต่อแบบสไปลน์ที่ไม่ตรงแนว แรงนี้มีความสัมพันธ์กับความหนาของสไปลน์และแรงบิดที่ส่งผ่านของโรเตอร์ นอกจากนี้ แรงเสียดทานระหว่างฟันเฟืองยังมีความสัมพันธ์กับการกระจัดของการสั่นสะเทือนแบบไดนามิก ผลลัพธ์ที่ได้จากการวิเคราะห์แรงเสียดทานระหว่างฟันเฟืองแสดงในรูปที่ 7, 8 และ 9
การวิเคราะห์ที่นำเสนอในบทความนี้มีจุดมุ่งหมายเพื่อตรวจสอบความแข็งแกร่งของข้อต่อสปลายน์ที่มีการวางแนวสปลายน์ไม่ตรงกัน แม้ว่าผลการศึกษาในอดีตจะมีความแม่นยำ แต่ก็ยังมีปัญหาบางประการอยู่ ตัวอย่างเช่น การวางแนวสปลายน์ที่ไม่ตรงกันอาจทำให้เกิดความเสียหายจากการสัมผัส บทความนี้มีจุดมุ่งหมายเพื่อตรวจสอบปัญหาที่เกี่ยวข้องกับข้อต่อสปลายน์ที่มีการวางแนวสปลายน์ไม่ตรงกัน และเสนอแนวทางเชิงวิเคราะห์สำหรับการประมาณแรงดันสัมผัสในข้อต่อสปลายน์ นอกจากนี้เรายังเปรียบเทียบผลลัพธ์ของเรากับผลลัพธ์ที่ได้จากวิธีการเชิงตัวเลขล้วนๆ

การไม่ตรงกัน

ในการกำหนดแรงศูนย์กลาง จำเป็นต้องทราบมุมแรงดันที่มีประสิทธิภาพ โดยใช้มุมแรงดันที่มีประสิทธิภาพ แรงศูนย์กลางจะถูกคำนวณโดยอิงจากภาระตามแนวแกนและแนวรัศมีสูงสุด และปัจจัยการเยื้องศูนย์ของ Dudley ที่ปรับปรุงแล้ว แรงศูนย์กลางคือแรงตามแนวแกนสูงสุดที่สามารถส่งผ่านได้โดยแรงเสียดทาน ปัจจัยการเยื้องศูนย์ที่เผยแพร่หลายรายการก็ถูกนำมาพิจารณาในการคำนวณด้วย บทความนี้นำเสนอวิธีการใหม่ที่พิจารณาผลของลูกเบี้ยวในแรงปกติ
ในวิธีการใหม่นี้ ความแข็งแกร่งตามแนวข้อต่อสไปลน์สามารถนำมาคำนวณรวมกันเพื่อให้ได้ความแข็งแกร่งโดยรวมที่สามารถนำไปใช้ในการวิเคราะห์การสั่นสะเทือนแบบบิดได้ นอกจากนี้ยังสามารถคำนวณความแข็งแกร่งของแบริ่งได้ที่ระดับการเยื้องศูนย์ที่กำหนด ทำให้สามารถประมาณขนาดของแบริ่งได้อย่างแม่นยำ ขอแนะนำให้ตรวจสอบความแข็งแกร่งของแบริ่งอยู่เสมอเพื่อให้แน่ใจว่ามีขนาดและการจัดวางที่เหมาะสม
การเยื้องศูนย์ในข้อต่อแบบสไปลน์อาจส่งผลให้เกิดการสึกหรอหรือแม้กระทั่งความเสียหายได้ สาเหตุเกิดจากโปรไฟล์ระยะห่างของฟันที่ไม่ตรงกัน ปัญหานี้มักถูกมองข้าม เนื่องจากฟันสัมผัสกันตลอดโปรไฟล์แบบอินโวลูต ทำให้ภาระไม่กระจายอย่างสม่ำเสมอตามแนวสัมผัส ดังนั้นจึงเป็นสิ่งสำคัญที่จะต้องพิจารณาผลกระทบของการเยื้องศูนย์ต่อแรงสัมผัสบนฟันของข้อต่อแบบสไปลน์
จุดศูนย์กลางของเส้นโค้งตัวผู้ในรูปที่ 2 ซ้อนทับอยู่บนเส้นโค้งตัวเมีย ระยะห่างของการจับคู่ก็เหมือนกันด้วย ดังนั้น เส้นโค้งแรงจับคู่จะเปลี่ยนแปลงไปตามการกระจัดของการสั่นสะเทือนแบบไดนามิก จำเป็นต้องทราบพารามิเตอร์ของข้อต่อเส้นโค้งก่อนที่จะนำไปใช้งาน ในบทความนี้ จะนำเสนอแบบจำลองสำหรับการเยื้องศูนย์สำหรับข้อต่อเส้นโค้งและพารามิเตอร์ที่เกี่ยวข้อง
โดยใช้เครื่องทดสอบข้อต่อสไปลน์ที่สร้างขึ้นเอง ได้มีการศึกษาผลกระทบของการเยื้องศูนย์ต่อข้อต่อสไปลน์ ซึ่งแตกต่างจากข้อต่อสไปลน์ทั่วไป การเยื้องศูนย์ในข้อต่อสไปลน์ทำให้เกิดการสึกหรอแบบเสียดสีที่ตำแหน่งเฉพาะบนผิวฟัน นี่เป็นสาเหตุหลักของความเสียหายในข้อต่อประเภทนี้

การสึกหรอและความล้มเหลวจากความล้า

ความเสียหายของข้อต่อแบบสไปลน์เนื่องจากการสึกหรอและความล้าจะถูกกำหนดโดยการสึกหรอของฟันและการเยื้องศูนย์ของเพลาที่เกิดขึ้นเป็นครั้งแรก วิธีการออกแบบมาตรฐานไม่ได้คำนึงถึงความเสียหายจากการสึกหรอและประเมินอายุการใช้งานจากความล้าด้วยการประมาณค่าที่มากเกินไป การตรวจสอบเชิงทดลองได้ดำเนินการเพื่อประเมินความเสียหายจากการสึกหรอและความล้าในข้อต่อแบบสไปลน์ การทดสอบดำเนินการบนแท่นทดสอบเฉพาะและอุปกรณ์พิเศษที่เชื่อมต่อกับเครื่องทดสอบความล้ามาตรฐาน พารามิเตอร์การทำงาน เช่น แรงบิด มุมการเยื้องศูนย์ และระยะทางตามแนวแกน ได้ถูกปรับเปลี่ยนเพื่อวัดความเสียหายจากความล้า นอกจากนี้ยังได้ประเมินการออกแบบที่ใหญ่เกินไปอีกด้วย
ในระหว่างการเกิดความล้าและการสึกหรอ การเลื่อนทางกลจะเกิดขึ้นระหว่างร่องฟันด้านนอกและด้านใน ส่งผลให้เกิดความเสียหายร้ายแรง การขาดแคลนเอกสารเกี่ยวกับการสึกหรอและความล้าของข้อต่อร่องฟันในเครื่องยนต์อากาศยานอาจเกิดจากการขาดข้อมูลเกี่ยวกับการใช้งานของข้อต่อดังกล่าว การสึกหรอและความล้มเหลวจากความล้าในร่องฟันขึ้นอยู่กับปัจจัยหลายประการ รวมถึงวัสดุคู่ รูปทรง และสภาวะการหล่อลื่น
การวิเคราะห์ข้อต่อแบบสปลายน์แสดงให้เห็นว่า การออกแบบขนาดเกินความจำเป็นเป็นเรื่องปกติและนำไปสู่ความเสียหายต่างๆ ในระบบ ความเสียหายที่สำคัญบางประการ ได้แก่ การสึกหรอ การเสียดสี การกัดกร่อน และความล้าของฟันเฟือง นอกจากนี้ยังพบปัญหาเสียงดังในสภาพแวดล้อมทางอุตสาหกรรม อย่างไรก็ตาม การประเมินพฤติกรรมการสัมผัสของข้อต่อแบบสปลายน์นั้นทำได้ยาก และการจำลองเชิงตัวเลขมักถูกจำกัดด้วยการใช้รหัสเฉพาะและวิธีการองค์ประกอบขอบเขต
ความเสียหายของข้อต่อเฟืองร่องฟันเกิดจากความล้า และการแตกหักเริ่มต้นที่รัศมีมุมด้านล่างของร่องลิ่ม ร่องลิ่มและร่องฟันรับภาระเกินกำลังรับแรงดัด และพบการยืดตัวอย่างมากในฟันเฟืองร่องฟัน วงแหวนแตกหักของเหล็กอัลลอยที่ไม่เป็นไปตามมาตรฐานแสดงให้เห็นรัศมีมุมที่แหลมคม ซึ่งเป็นจุดรวมความเค้นที่สำคัญ
มีการศึกษาส่วนประกอบหลายอย่างเพื่อกำหนดอายุการใช้งาน ส่วนประกอบเหล่านี้ได้แก่ เพลาเฟือง สลักซีล และแหวนกราไฟต์ ส่วนประกอบแต่ละชิ้นมีชุดพารามิเตอร์การออกแบบของตนเอง อย่างไรก็ตาม มีความคล้ายคลึงกันในการกระจายตัวของส่วนประกอบเหล่านี้ การสึกหรอและความล้มเหลวจากความล้าของข้อต่อเฟืองสามารถเกิดจากปัจจัยทั้งสามประการรวมกันได้ โดยทั่วไปแล้ว รูปแบบความล้มเหลวจะถูกกำหนดให้เป็นการกระจายตัวของความเค้นและความเครียดที่ไม่เป็นเชิงเส้น

แก้ไขโดย CX 2023-10-23