high quality

Styvhet och torsionsvibrationer hos splinekopplingar

I den här artikeln beskriver vi några grundläggande egenskaper hos splinekopplingar och undersöker dess vridningsvibrationsbeteende. Vi utforskar också effekten av splinesfeljustering på rotor-spline-koppling. Dessa resultat kommer att bidra till utformningen av förbättrade splinekopplingssystem för olika tillämpningar. Resultaten presenteras i tabell 1.

Styvhet hos splinekopplingen

Styvheten hos en splinekoppling är en funktion av ingreppskraften mellan splines i ett rotor-spline-kopplingssystem och den statiska vibrationsförskjutningen. Ingreppskraften beror på kopplingsparametrar såsom överfört vridmoment och splinetjockleken. Den ökar ickelinjärt med splinetjockleken.
En förenklad splinekopplingsmodell kan användas för att utvärdera lastfördelningen av splines under vibrationer och transienta belastningar. Axelns splinehylsa förskjuts i z-riktning och ett motståndsmoment T appliceras på hylsans ytteryta. Denna enkla modell kan uppfylla en mängd olika tekniska krav men kan drabbas av komplexa belastningsförhållanden. Dess asymmetriska glapp kan påverka dess ingreppsbeteende och spänningsfördelningsmönster.
The results of the simulations show that the maximum vibration acceleration in both Figures 10 and 22 was 3.03 g/s. This results indicate that a misalignment in the circumferential direction increases the instantaneous impact. Asymmetry in the coupling geometry is also found in the meshing. The right-side spline’s teeth mesh tightly while those on the left side are misaligned.
Med tanke på spline-kopplingens geometri används en semianalytisk modell för att beräkna styvheten. Denna modell är en förenklad form av en klassisk spline-kopplingsmodell, med delmatriser som definierar förbandets form och styvhet. Eftersom det dimensionerande spelet är ett känt värde kan styvheten hos ett spline-kopplingssystem analyseras med samma formel.
Resultaten av simuleringarna visar också att spline-kopplingssystemet kan modelleras med hjälp av MASTA, ett kommersiellt CAE-verktyg på hög nivå för transmissionsanalys. I detta fall modellerades splinesegmenten som en serie splinesegment med variabel styvhet, vilket beräknades baserat på det initiala gapet mellan splinekuggarna. Därefter modellerades splinesegmenten som en serie splines med ökande styvhet, med hänsyn till olika tillverkningsvariationer. Den resulterande analysen av spline-kopplingsgeometrin jämförs med den finita elementmetoden.
Trots den höga styvheten hos ett spline-kopplingssystem förändras ofta kontaktytornas kontaktstatus. Dessutom påverkar spline-kopplingen rotorns laterala vibration och deformation. Emellertid är styvhetens icke-linjäritet inte väl studerad i splinesförsedda rotorer på grund av avsaknaden av en helt analytisk modell.

Egenskaper hos splinekoppling

Studiet av splinekopplingar involverar ett antal designfaktorer. Dessa inkluderar vikt, material och prestandakrav. Vikt är särskilt viktigt inom flygteknikområdet. Vikt är ofta en fråga för konstruktörer eftersom material har varierande dimensionsstabilitet, vikt och hållbarhet. Dessutom kan utrymmesbegränsningar och andra konfigurationsrestriktioner kräva användning av splinekopplingar i vissa tillämpningar.
De viktigaste parametrarna att beakta för alla spline-kopplingskonstruktioner är den maximala huvudspänningen, felfördelningsfaktorn och den maximala kuggbärande spänningen. Storleken på var och en av dessa parametrar måste vara mindre än eller lika med splines ytterdiameter för att ge stabilitet. Splines ytterdiameter måste vara minst 10 cm större än splines innerdiameter.
När den fysiska designen har validerats skapas kunskapsbasen för splinekoppling. Denna modell är förprogrammerad och lagrar designparametersignalerna, inklusive prestanda- och tillverkningsbegränsningar. Den jämför sedan parametervärdena med designregelsignalerna och konstruerar en geometrisk representation av splinekopplingen. En visuell modell skapas från insignalerna och kan manipuleras genom att ändra olika parametrar och specifikationer.
The stiffness of a spline joint is another important parameter for determining the spline-coupling stiffness. The stiffness distribution of the spline joint affects the rotor’s lateral vibration and deformation. A finite element method is a useful technique for obtaining lateral stiffness of spline joints. This method involves many mesh refinements and requires a high computational cost.
Splinekopplingens diameter måste vara tillräckligt stor för att överföra vridmomentet. En spline med större diameter kan ha större vridmomentöverföringskapacitet eftersom den har en mindre omkrets. Emellertid är den större diametern på en spline tunnare än axeln, och den senare kan vara mer lämplig om vridmomentet fördelas över ett större antal tänder.
Spline-couplings are classified according to their tooth profile along the axial and radial directions. The radial and axial tooth profiles affect the component’s behavior and wear damage. Splines with a crowned tooth profile are prone to angular misalignment. Typically, these spline-couplings are oversized to ensure durability and safety.

Styvhet hos splinekoppling vid torsionsvibrationsanalys

Denna artikel presenterar ett generellt ramverk för studier av torsionsvibrationer orsakade av styvheten hos splinekopplingar i flygmotorer. Den är baserad på en tidigare studie om splinekopplingar. Den kännetecknas av följande tre faktorer: böjstyvhet, total flexibilitet och tangentiell styvhet. Det första kriteriet är den ekvivalenta diametern för yttre och inre splines. Både splinekopplingens styvhet och splinesförskjutningen utvärderas med hjälp av derivatan av den totala flexibiliteten.
Styvheten hos en splineförbindning kan variera beroende på lastfördelningen längs splinen. Variabler som påverkar styvheten hos splineförband inkluderar momentnivå, kuggindexeringsfel och snedställning. För att undersöka effekterna av dessa variabler utvecklas en analytisk formel. Metoden är tillämpbar för olika typer av splineförband, såsom splines med flera komponenter.
Trots svårigheten att beräkna splinekopplingens styvhet är det möjligt att modellera kontakten mellan axelns och navets tänder med hjälp av en analytisk metod. Denna metod hjälper till att bestämma viktiga storheter för kopplingens funktion, såsom kontakttopptryck, reaktionsmoment och vinkelmoment. Denna metod möjliggör noggranna resultat för splinekopplingar och är lämplig för både torsionsvibrations- och strukturvibrationsanalys.
Styvheten hos splinekopplingar antas vanligtvis vara stel i dynamiska modeller. Emellertid måste olika dynamiska fenomen associerade med splinekopplingar fångas upp i högpresterande drivlinemodeller. För att åstadkomma detta föreslås en generell analytisk styvhetsformulering baserad på en semianalytisk splinelastfördelningsmodell. Den resulterande styvhetsmatrisen innehåller radiella och lutande styvhetsvärden samt vridstyvhet. Analysen förenklas ytterligare med blockvis inversionsmetod.
Det är viktigt att beakta torsionsvibrationerna i ett kraftöverföringssystem innan man väljer koppling. En noggrann analys av torsionsvibrationer är avgörande för kopplingens säkerhet. Denna artikel diskuterar även fallstudier av splinesaxlars slitage och vridningsinducerade fel. Diskussionen kommer att avslutas med utvecklingen av en robust och effektiv metod för att simulera dessa problem i verkliga scenarier.

Effekt av splinesfeljustering på rotor-spline-koppling

I denna studie undersöks effekten av splinesfeljustering vid rotor-spline-koppling. Stabilitetsgränsen och mekanismen för rotorinstabilitet analyseras. Vi finner att ingreppskraften hos en feljusterad spline-koppling ökar icke-linjärt med splinetjockleken. Resultaten visar att feljusteringen är ansvarig för instabiliteten i rotor-spline-kopplingssystemet.
En avsiktlig splinesfeljustering introduceras för att uppnå en presspassning och noll glapp. Detta leder till ojämn lastfördelning mellan splinekuggarna. En ytterligare splinesfeljustering på 50 µm kan resultera i rotor-spline-kopplingsfel. Den maximala dragrotspänningen förskjuts åt vänster under detta tillstånd.
Positiv splinesfeljustering ökar kugghjulsingreppets feljustering. Omvänt har negativ splinesfeljustering ingen effekt. Den högra splinesfeljusteringen är motsatt spiralformad. Den höga kontaktytan flyttas från mitten till vänster sida. I båda fallen är kugghjulsingreppet feljusterat på grund av nedböjning och lutning av kugghjulet under belastning.
Denna variation av tandytan mäts som förändringen i glapp i den tvärgående planytan. Värdena för radiellt och axiellt glapp är desamma, medan skillnaden mellan de två är mindre. Förutom friktionskraften är det axiella glappet för splines detsamma, vilket ökar kugghjulsingreppets snedställning. Därför kan samma procedur användas för att bestämma friktionskraften för en rotor-spline-koppling.
Feljustering av kugghjulsingreppet påverkar spline-rotorkopplingens prestanda. Denna feljustering förändrar fördelningen av kugghjulsingreppet och förändrar kontakt- och böjspänningar. Därför är det viktigt att förstå effekterna av feljustering i splinekopplingar. Med hjälp av ett förenklat system med spiralformade kugghjulspar undersökte Hong et al. lastfördelningen längs splines kugggränssnitt. Denna feljustering orsakade att flankkontaktmönstret förändrades. De feljusterade kuggarna uppvisade nedböjning under belastning och utvecklade ett lutande moment på kugghjulet.
Effekten av splinesfeljustering i rotor-spline-kopplingar minimeras genom att använda en mekanism som minskar glapp. Mekanismen består av samverkande splinesförsedda han- och honelement. En del bildas av två koaxiellt inriktade splinessegment med ändytor formade för att ingå i ett glidande förhållande. Kopplingsanordningen applicerar axiella belastningar på dessa segment, vilket får dem att rotera i förhållande till varandra.