IMPROVEMENT OF THE METHOD OF CALCULATING THE UNIVERSAL JOINTS TRANSMISSION ANGLE WITH THE USE OF THEORETICAL AND EXPERIMENTAL STUDIES


Cite item

Full Text

Abstract

A technique for improving the calculation of the angle of twisting of a universal joint shaft. The design of the stand for testing universal joint gears is proposed, which includes an electric motor whose output shaft is connected to the input shaft by a mechanical gearbox connected by an output shaft to an input shaft tested by cardan gear mounted on the frame. The output shaft of the universal joint gear is connected to the input shaft of the gear reducer mounted on the additional frame together with a loading device which is hydraulic and is a hydraulic pump whose shaft is connected to the output shaft of the dispensing gear. The input channel of the hydraulic pump is connected to the hydraulic tank with the working fluid, and its output channel is connected to the input channel of the throttle, which regulates the load. Be- tween the throttle and the hydraulic pump is installed a pressure gauge calibrated in units of braking torque and a safety valve for discharging excess pressure into the hydraulic tank. The output channel of the throttle is connected to the hydraulic tank through the heat exchanger. The safety valve is electrically connected to an electrocontact manome- ter that is connected to the electrical network and is a DC solenoid valve. The results of the tests of universal joints gears in four modes of operation, characterized by varying values of the torque and braking moment and changing the design parameters of the universal joints transmission in each experiment. The equation of linear regression depend- ence of the twist angle of the universal joints shaft on the factors: the length of the universal joints gear; angle of kink in universal joints transmission; electric motor power; engine speed; braking force from the hydraulic fluid pressure. The boundaries of the confidence intervals of the angles of twisting of the universal joints transmission are found. The reli- ability and adequacy of the results of theoretical studies is confirmed by experimental studies carried out at the stand with similar theoretical data.

Full Text

Введение. Исследования по работе карданных пе- редач разделяются на два направления: динамика и кинематика карданных передач. Основополагающими работами по кинематике и динамике карданных пере- дач являются работы Е. А. Чудакова [1], М. И. Лысова [2; 3], Я. Э. Малаховского [4], И. С. Цитовича [5; 6], С. А. Лапшина [7-9], С. Н. Иванова [10-13] и других авторов [14; 15]. Исследования кинематики кардан- ных передач позволили установить, что в одношар- нирной передаче при вращении ведущего вала с постоянной угловой скоростью ведомый вал будет вращаться неравномерно с переменной угловой скоростью, при этом коэффициент неравномерности вращения является функцией угла наклона трубы кардана. Трудами Е. А. Чудакова, И. С. Цито- вича и др. было показано, что карданные передачи требуют как кинематических, так и динамических расчетов. Наиболее перспективными направлениями повы- шения надежности карданных передач транспортно- технологических машин является совершенствование и модернизация элементов конструкции с целью по- вышения долговечности, безотказности и ремонто- пригодности элементов, разработка прогрессивных технологий, основанных на рациональных способах технического обслуживания и ремонта, разработка технических средств и методик испытаний [16]. Постановка задачи. Задача исследований заклю- чается в совершенствовании методики расчета угла закручивания карданной передачи с использованием теоретических и экспериментальных исследований, а для этого необходимо провести испытания карданных передач на четырех режимах работы, характеризуе- мых переменными значениями крутящего и тормоз- ного моментов и изменением конструктивных пара- метров карданной передачи в каждом опыте, провести расчет погрешностей эксперимента. Описание оборудования. Для испытания кардан- ных передач был разработан и изготовлен испыта- тельный стенд [17; 18] для испытаний карданных передач на игольчатых подшипниках (рис. 1), вклю- чающий в себя электродвигатель 1, выходной вал которого соединен с входным валом механической коробкой переключения передач 2, соединенной выходным валом с входным валом испытываемой карданной передачи 3, установленными на раме 4. Выходной вал карданной передачи 3 соединен с входным валом раздаточного редуктора 5, установ- ленного на дополнительной раме 6 вместе с устройст- вом нагружения, которое выполнено гидравлическим и представляет собой гидравлический насос 7, вал которого присоединен к выходному валу раздаточно- го редуктора 5. Входной канал гидравлического насо- са 7 соединен с гидравлическим баком 8 с рабочей жидкостью, а его выходной канал присоединен к входному каналу дросселя 9, регулирующему на- грузку. Между дросселем и гидравлическим насосом установлен манометр 10, отградуированный в едини- цах тормозного момента, и предохранительный клапан 11 для выпуска избыточного давления в гид- равлический бак 8. Выходной канал дросселя подсое- динен к гидравлическому баку через теплообмен- ник 12. Предохранительный клапан 11 подключен электрически к электроконтактному манометру, ко- торый включен в электрическую сеть и представляет собой электромагнитный клапан постоянного тока. Согласно поставленной задачи исследований была разработана система измерения [19; 20] контролируе- мых параметров, которая включает в себя настройку угла излома карданного вала и длину карданной пере- дачи [21], настройку и тарирование манометра гид- равлического устройства нагружения [22] и измери- тельную систему цифрового типа с передачей данных измерений на ПК. Щит электроуправления подключен к сети пита- ния кабелем 15, система охлаждения подключена шлангами 16 к водопроводу и канализации, гидравли- ческая система подключена к гидронасосу рукавами высоко давления 17. Система автоматизированного управления стенда работает следующим образом: (рис. 2, 3) вращающий момент от электродвигателя передается на испытываемую карданную передачу, гидронасос при этом передает испытываемой кардан- ной передаче тормозной момент, создаваемый дрос- селем с регулирующим элементом, соединенным с приводом управления положением регулирующего элемента дросселя. Если происходит нагрев рабочей жидкости, которая при этом расширяется, включается привод управления положением регулирующего элемента дросселя с помощью поступившего в эле- мент сравнения 14 электрического сигнала с датчика давления 17 и в автоматическом режиме регулирует дроссель, уравновешивая давление рабочей жидкости до заданного параметра. В случае перегрева рабочей жидкости включается привод управления положением регулирующего элемента термоклапана 19 с помощью электрического сигнала, поступающего в элемент сравнения 14 с датчика температуры 18, который направляет поток рабочей жидкости через теплообмен- ник. При избытке рабочего давления включается пре- дохранительный клапан для предупреждения скачка заданного давления рабочей жидкости в гидравличе- ской системе, который выпускает избыточное давле- ние в гидравлический бак. Рис. 1. Стенд для испытания карданных шарниров на игольчатых подшипниках Fig. 1. Stand for testing universal joints on needle bearings Рис. 2. Система автоматизированного управления гидравлического устройства Fig. 2. Hydraulic device automated control system Рис. 3. Схема автоматизированного управления стенда Fig. 3. Scheme of automated control of the stand Регулирование давления обеспечивается следую- щим образом: с датчика давления 17 поступает элек- трический сигнал на элемент сравнения 14, который сравнивает электрические сигналы с задатчика алго- ритма функционирования 13 и датчика положения регулирующего элемента дросселя 20, далее выраба- тывается электрический сигнал рассогласования, поступающий на автоматическое управляющее уст- ройство 15, после которого электрический сигнал усиливается усилителем сигналов 16 и отправляется на исполнительный механизм дросселя: шаговый дви- гатель 22 и редуктор 24, которые в зависимости от полярности сигнала рассогласования приводят в движение объект управления - дроссель, связанный с датчиком положения регулирующего элемента дрос- селя 20, сигнал с которого возвращается на элемент сравнения 14. При достижении равенства сигналов с задатчика алгоритма функционирования 13, датчика давления 17 и датчика положения регулирующего элемента дросселя 20, исполнительный механизм дросселя - шаговый двигатель 22 и редуктор 24 оста- навливаются. Регулирование температуры рабочей жидкости обеспечивается следующим образом: с датчика тем- пературы 18 поступает электрический сигнал на эле- мент сравнения 14, который сравнивает электриче- ские сигналы с задатчика алгоритма функционирова- ния 13 и датчика положения регулирующего элемента термоклапана 21, далее вырабатывается электриче- ский сигнал рассогласования, поступающий на авто- матическое управляющее устройство 15, после которого электрический сигнал усиливается усилителем сигна- лов 16 и отправляется на исполнительный механизм термоклапана 19: шаговый двигатель 23 и редуктор 25, которые в зависимости от полярности сигнала рассогласования приводят в движение объект управ- ления - термоклапан 19, связанный с датчиком положения регулирующего элемента термоклапана 21, сигнал с которого возвращается на элемент сравнения 14. При достижении равенства сигналов с задатчика алгоритма функционирования 13, датчика температу- ры 18 и датчика положения регулирующего элемента термоклапана 21, исполнительный механизм термо- клапана 19 - шаговый двигатель 23 и редуктор 25 ос- танавливаются [22-27]. Основная часть. При постановке экспери- мента [28] использовался план факторного экспери- мента N = 45-2, факторами которого являются длина карданной передачи (L, мм), угол излома карданной передачи (γ, град), мощность электродвигателя (N, Вт), частота вращения двигателя (n, мин-1), усилие торможения от давления гидравлической жидкости (Р, Нм). В качестве параметра оптимизации Y выбира- ем величину закручивания карданного вала (Y, Нм). Под действием тормозного момента в карданной передаче возникает упругая деформация кручения, способствующая возникновению и росту деформации кручения, выраженной суммарным углом закручива- ния карданной передачи Y. На вычисления и измере- ние данного угла влияют погрешности изготовления отдельных деталей конструкции карданной передачи, температура, различная жесткость отдельных элемен- тов конструкции карданной передачи, а также люфты и зазоры в соединениях. Испытания карданных передач выполняли на че- тырех режимах работы, характеризуемых перемен- ными значениями крутящего и тормозного моментов и изменением конструктивных параметров карданной передачи в каждом опыте. Обработку полученных экспериментальных данных производили с помощью программного продукта для ЭВМ EREGRE [29]. Для обработки результатов испытаний применена методи- ка статистической обработки результатов испытаний с применением правила «трёх сигм». Правило «трёх сигм», или эмпирическое правило, утверждает, что для нормального распределения есть вероятность то- Определим вращающий момент, передаваемый карданной передаче (Нм): го, что σ принимает значения, отличающиеся от ма- тематического ожидания не более чем на три средне- квадратических отклонения. T = Tдв где i - передаточное число. × i, (4) Результаты исследования. В результате проведе- ния эксперимента получим уравнение линейной ма- тематической модели: Угол закручивания карданного вала определим для каждого участка карданного вала по формуле T × L ×180 × k y = -4,1548 - 0,1151x1 + 0, 0018x2 + q= i d , (5) J p × G ×p + 0, 9862x3 - 0, 0003x4 + 2, 3444x5. (1) Для обработки полученных значений необходимо выполнить расчет нагрузок. Определим крутящий момент электродвигателя (Нм) по формуле [30; 31] где Li - длина карданного вала, мм; kd - поправочный коэффициент, равен 0,96 по результатам эксплуата- ции; Jp - полярный момент инерции карданного вала, мм4; G - модуль упругости при кручении, рав- ный 8,5·104 МПа. Tдв = 9550 × N , (2) n Получаем график значений углов закручивания карданного вала (рис. 4). где N - мощность двигателя, кВт; n - частота враще- ния двигателя, мин-1. Угловую скорость карданной передачи определим по формуле (сек-1) w= 2 ×p× n . (3) 60 При всех значениях величины закручивания карданного вала, для которых проводилось измерение параметров, проводим статистическую обработку по оценке средних значений параметров mq(Dj) и их среднеквадратических отклонений σq(Dj). Результаты статистической обработки результатов испытаний представлены на рис. 5. Рис. 4. График значений углов закручивания карданного вала Fig. 4. Graph of the values of the angles of shaft tightening Рис. 5. График результатов статистической обработки параметра углов закручивания карданного вала Fig. 5. Graph of the results of static processing of the parameters of the angles of spiral shaft Заключение. Приведены результаты испытания карданных передач на четырех режимах работы, ха- рактеризуемых переменными значениями крутящего и тормозного моментов и изменением конструктив- ных параметров карданной передачи в каждом опыте. Получено уравнение линейной регрессионной зави- симости угла закручивания карданного вала от сле- дующих факторов: длина карданной передачи; угол излома карданной передачи; мощность электродвига- теля; частота вращения двигателя; усилие торможения от давления гидравлической жидкости. В результате выполненных расчетов и проведенных исследований усовершенствована методика расчета карданных передач на игольчатых подшипниках, введен попра- вочный коэффициент в расчет угла закручивания карданного вала, значение которого получено по ре- зультатам экспериментальных исследований. Достоверность и адекватность полученных теоре- тических результатов [32-36] подтверждается экспе- риментальными исследованиями, проведенными на стенде при аналогичных данных теоретических ис- следований.
×

About the authors

S. P. Eresko

Reshetnev Siberian State University of Science and Technology

31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation

T. T. Eresko

Reshetnev Siberian State University of Science and Technology

31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation

E. V. Kukushkin

Reshetnev Siberian State University of Science and Technology

Email: ironjeck@mail.ru
31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation

V. A. Menovshikov

Reshetnev Siberian State University of Science and Technology

31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation

References

  1. Чудаков Е. А. Расчет автомобиля. М. : Машгиз, 1947. 450 с.
  2. Лысов М. И. Карданные механизмы. М. : ОНТИ, 1945. 280 с.
  3. Лысов М. И. Карданные передачи автомобиля. М. : Машгиз, 1961. 320 с.
  4. Малаховский Н. Э. Карданные передачи. М. : Машгиз, 1952. 220 с.
  5. Цитович И. С. Исследование кинематики и ди- намики карданной передачи автомобиля : дис канд. техн. наук. М., 1948. 147 с.
  6. Цитович И. С., Альгин В. Б. Динамика автомо- биля. Минск : Наука и техника, 1981. 107 с.
  7. Лапшин С. А. Некоторые нагрузки в трансмис- сии автомобиля, вызванные работой карданной пере- дачи // Труды НАМИ. 1965. Вып. 72. 60 с.
  8. Лапшин С. А. Основные направления повыше- ния долговечности карданных передач тракторов : автореф. дис д-ра техн. наук. М., 1976. 33 с.
  9. Лапшин С. А., Борисов С. Г. Пути повышения долговечности карданных передач тракторов // Трак- торы и сельхозмашины. 1971. № 4. С. 15-17.
  10. Пути совершенствования конструкции кардан- ной передачи / Ю. К. Есеновский-Лашков [и др.] // Автомобильная промышленность. 1974. № 7. С. 17-19.
  11. Зельцер Е. А., Иванов С. Н. К вопросу сниже- ния динамической нагруженности трансмиссии авто- мобиля // Автомобильная промышленность. 1981. № 4. С. 17-18.
  12. Иванов С. Н. Некоторые результаты исследо- вания крутильных колебаний в трансмиссии автомобиля «Запорожец» // Труды НАШ. 1965. № 1972. С. 78-80.
  13. Иванов С. Н. Влияние колебаний карданной передачи на крутильные колебания в трансмиссии // Труды НАШ. 1965. № 72. С. 116-119.
  14. Куликовская Н. М., Яковлев А. И. К расчету осевых сил карданного вала // Автомобильная про- мышленность. 1958. № 8. С. 10-12.
  15. Красников O. K. Исследование крутильных ко- лебаний систем с одношарнирными карданными пе- редачами // Газодинамика двигателей, динамика и прочность машин. Пермь, 1967. С. 10-12.
  16. Пастухов А. Г. Повышение надежности кар- данных передач трансмиссий сельскохозяйственной техники : дис д-ра техн. наук : 05.20.03. М., 2008. 399 с.
  17. Конструкция стенда для проведения испыта- ний карданных шарниров на игольчатых подшип- никах в широком диапазоне размеров с измене- нием угла излома карданной передачи / Е. В. Ку- кушкин [и др.] // Транспорт. Транспортные соору- жения. Экология. 2016. № 2. С. 58-73. doi: 10.15593/24111678/2016.02.05.
  18. Расчет гидравлической системы тормозного устройства стенда для испытания трансмиссий транспортно-технологических машин / А. С. Ереско [и др.] // Транспорт. Транспортные сооружения. Экология. 2016. № 4. С. 60-79. doi: 10.15593/24111678/2016.04.06.
  19. Ереско Т. Т., Кукушкин Е. В., Орлов А. А. Раз- работка измерительной системы стенда для испыта- ния карданных передач // Решетневские чтения : ма- териалы XXI Междунар. науч. конф. / СибГУ им. ак. М. Ф. Решетнева. Красноярск, 2017. С. 559-561.
  20. Разработка модуля измерения деформаций с помощью тензорезисторов с использованием arduino / А. С. Ереско [и др.] // Механики XXI веку. Братск : БрГУ, 2017. С. 82-85.
  21. Ереско Т. Т., Кукушкин Е. В., Орлов А. А. Тен- зометрические измерения деформаций карданных передач на испытательном стенде // Решетневские чтения : материалы XXI Междунар. науч. конф. / СибГУ им. ак. М. Ф. Решетнева. Красноярск, 2017. С. 562-564.
  22. Определение динамических параметров приво- да экспериментального стенда для исследования кар- данных передач / А. В. Стручков [и др.] // Вестник СибГАУ. 2016. Т. 17, № 3. С. 638-644.
  23. Пат. 2649601 Российская Федерация, МПК7 G 01 N 13/00. Стенд для испытания карданных передач / Ереско С. П., Ереско А. С., Ереско Т. Т., Ереско В. С., Кукушкин Е. В., Меновщиков В. А., Орлов А. А., Хоменко И. И. № 2016140015 ; заявл. 11.10.2016 ; опубл. 04.04.2018, Бюл. № 10. 10 с.
  24. Ереско С. П., Ереско Т. Т., Кукушкин Е. В. Система автоматического регулирования гидравличе- ского тормозного устройства стенда для испытания карданных передач // Решетневские чтения : материа- лы XXII Междунар. науч. конф. / СибГУ им. акад. М. Ф. Решетнева. Красноярск, 2018. С. 481-483.
  25. Gumarova A. A., Kukushkin E. V. Automated control system for hydraulic test loading unit // Journal of Advanced Research in Technical Science. 2018. No. 11. P. 5-9.
  26. Eresko S. P., Eresko T. T., Kukushkin E. V. Method of preparation of the experiment for investigation of universal joints on needle bearings // Сибирский журнал науки и технологий. 2018. Т. 19, № 1. С. 120-136.
  27. Сравнительный анализ конструкций испыта- тельных стендов для испытания карданных шарниров / С. П. Ереско [и др.] // Сибирский журнал науки и тех- нологий. 2017. Т. 18, № 4. С. 902-909.
  28. Планирование эксперимента по исследованию карданных передач на игольчатых подшипниках / С. П. Ереско [и др.] // Вестник СибГАУ. 2016. Т. 17, № 4. С. 1062-1071.
  29. Регрессионный анализ многофакторных экспе- риментальных исследований (EREGRE) : свид. об офиц. регистр. программы для ЭВМ № 2004610534 (РФ) / Ереско С. П. Заявл. 24.12.2003, № 2003612713 ; зарег. Роспатент 24.02.2004.
  30. Ереско С. П., Ереско Т. Т., Кукушкин Е. В. Со- вершенствование методики расчета угла закручива- ния карданной передачи // Решетневские чтения : ма- териалы XXI Междунар. науч. конф. / СибГУ им. акад. М. Ф. Решетнева. Красноярск, 2017. С. 564-567.
  31. Совершенствование методики расчета коэффи- циента полезного действия карданной передачи с це- лью оптимизации ее конструктивных и эксплуатаци- онных параметров / А. С. Ереско [и др.] // Транспорт. Транспортные сооружения. Экология. 2017. № 3 С. 25-45. doi: 10.15593/24111678/2017.03.02.
  32. Повышение долговечности карданной переда- чи за счет совершенствования конструкции карданно- го шарнира и способа его технического обслуживания / С. П. Ереско [и др.] // Строительные и дорожные ма- шины. 2018. № 1. С. 45-51.
  33. Влияние вибрационных нагрузок на процесс перекоса тел качения в игольчатом подшипнике кар- данного шарнира / С. П. Ереско [и др.] // Вестник ма- шиностроения. 2018. № 5. С. 10-15.
  34. Повышение долговечности подшипников кар- данного шарнира неравных угловых скоростей / С. П. Ереско [и др.] // Системы. Методы. Технологии. 2018. № 2. С. 19-24. doi: 10.18324/2077-5415-2018-2-19-24.
  35. Influence of Vibrational Loads on Needle Skew in Cardan-Joint Bearings / S. P. Eresko [et al.] // Russian Engineering Research. 2018. Vol. 38, No. 9. P. 651-655. doi: 10.3103/S1068798X18090125.
  36. Кукушкин Е. В. Совершенствование конструк- ции и методов проектирования карданных передач с шарнирами неравных угловых скоростей : автореф. дис. … канд. техн. наук : 05.02.13. Братск, 2018. 18 с.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2018 Eresko S.P., Eresko T.T., Kukushkin E.V., Menovshikov V.A.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies