CC BY
14
The article compares the error in measuring the torque of an asynchronous electric motor by direct and indirect methods. The direct method of torque measurement refers to the measurement with a torque strain gauge. The indirect measurement method is understood as the measurement of torque based on the preliminary determination of the moment of inertia of the rotor of an asynchronous electric motor using a body of revolution with a reference moment of inertia, and the subsequent determination of the angular acceleration of the rotor in the free acceleration mode. The product of the moment of inertia of the rotor and its angular acceleration is the torque of an asynchronous electric motor.
Key words: torque, asynchronous electric motor, moment of inertia, rotor, angular acceleration.
Egorov Aleksey Vasilyevich, doctor of technical sciences, professor, egorovav@,volgatech.net, Russia, Yoshkar-Ola, Volga State Technological University, Institute of Mechanics and Engineering,
Veselov Evgeniy Aleksandrovich, postgraduate, veselays@gmail.com, Russia, Yoshkar-Ola, Volga State Technological University, Institute of Mechanics and Engineering,
Kaiser Yuri Filippovich, candidate of technical sciences, head of the department, kaiser170174@mail.ru, Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University, Institute of Oil and Gas,
Shram Vyacheslav Gennadievich, candidate of technical sciences, docent, shram18rus@mail.ru, Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University, Institute of Oil and Gas
УДК 629.111
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-8-382-386
АНАЛИЗ ДЕЙСТВИЯ ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ СИЛ НА РАМУ ГОРНОГО ВЕЛОСИПЕДА
Р.И. Сираев
Проведен анализ напряжений рамы в условиях критического нагружения, возникающего в течение эксплуатации рамы горного велосипеда. Система испытания модели была воссоздана в CAD NX Siemens, методами конечного-элементного проектирования. Рама была построена 1D коллекторами, и помещена в условия задачи. Результаты анализа показали особо нагруженные узлы, перемещения и напряжения в разных точках рамы для каждого расчетного случая. Особо опасным узлом рамы является верхний стык на вертикальной трубе.
Ключевые слова: рама, горный велосипед, конечно-элементное проектирование, прочность, напряжения, критические нагрузки.
1. Вступление. Один из важнейших этапов проектирования рамы горного велосипеда -определение и анализ напряжений, возникающих при определенных нагрузках в процессе эксплуатации разрабатываемой продукции. Информация о наиболее нагруженных и опасных участках рамы позволяет определить меры по их усилению. При проектировании следует добиваться постепенного распределения линий напряженности по раме, не допуская скоплений. Не менее важно осуществлять контроль отсутствия самих концентраторов напряжений.
В условиях горного велоспорта наиболее значимыми среди нагрузок являются реакции опор при ударах и при наездах на кочки, неровности. Отдельного внимания заслуживает взаимодействие гонщика с велосипедом: рассматриваются взаимодействия сил при положении гонщика сидя и стоя на педалях.
Тормозные силы, действующие по третьему закону Ньютона на раму, также заслуживают внимания, так как при определенных условиях оказывают большое влияние на раму.
382
2. Основные экстремальные нагрузки. Ниже приведена основная расчетная схема
Таким образом, по аналогичной схеме следующие ситуации рассмотрены:
1) Движение в позиции стоя. Еще один распространенный сценарий. Условия определяются главными векторами сил тяги, реакцией опор, силой тяжести гонщика.
2) Удар по переднему колесу. Частый сценарий. Условия определяются реакциями опор, силой тяжести гонщика.
3) Удар по заднему колесу. Частый сценарий. Условия определяются реакциями опор, силой тяжести гонщика.
4) Удар о землю после прыжка. Сценарий ниже частого. Условия определяются реакциями опор и силой тяжести и давления гонщика на кареточный узел.
5) Критическое торможение. Сценарий ниже частого. Определяется главным вектором сил торможения, реакциями опор и силой тяжести гонщика.
3. Метод исследования. На ранних этапах проектирования и прочностного анализа рамы необходимо иметь упрощенную расчетную элементную модель. Это позволяет легко изменять параметры модели: сечения, геометрию, углы и т.п. в поисках наиболее прочной и выносливой конструкции рамы. Для этого в данной работе предлагается построение рамы линейными Ш элементами с возможностью изменять геометрию сечений. Позже, в зависимости от рассматриваемых условий, формируются условия расчета: векторы сил, нагрузки, шарнирные ограничения степеней свободы.
4. Построение экспериментов. Для формирования элементной модели, в первую очередь, необходимо было воссоздать конфигурацию рамы с помощью линий в пространстве. Данная конфигурация повторяет геометрию реальных моделей горных велосипедов.
Далее, с помощью Ш коллекторов, для каждой из линий было сформировано определенное сечение, а для всей модели был выбран материал.
Окончательная расчетная модель рамы показана на рис. 4.
В табл. 1 указаны основные геометрические характеристики исследуемой рамы. Данная модель не предусматривает наличие кареточного узла, стакана и других конструктивных деталей, так как их наличие требует отдельного расчета в дальнейших приближениях проектирования.
Таблица 1
Основные геометрические характеристики рамы_
Сегмент рамы Осн. Размеры, мм Толщина, мм Сечение
Верхняя труба D = 32 2 Круглое
Нижняя труба 40x25 2 Прямоугольное
Вертикальная труба D = 32 2 Круглое
Верхние перья D = 20 4 Круглое
Нижние перья 23x15 2 Прямоугольное
Рис. 2. Схема рамы в пространстве
Рис. 3. Элементная модель рамы велосипеда
5. Результаты. В соответствии с данными, полученными в численном и графическом виде, можно сделать несколько выводов. Основными показателями являются напряжения по Вон Мизесу, перемещения и графические изо поля, показанные на рис. 5.
I
120.99 110.91 100.83 90,74 80.66 70.58 60,50 50.41 40.33 30.25 20-17 10.08 0.00
п 1.732
■ 1.587
1.443
1.299
1.154
1.010
П ЯКА
0.722
0.577
0.433
0.289
0.144
■ 0 000
Рис. 4. Напряжения и перемещения рамы велосипеда в опыте 4
384
По результатам опытов, описанным в табл. 2, было установлено, что самым нагруженным узлом рамы является стык верхних перьев и вертикальной трубы. Логично, это является результатом конструктивной особенности данного узла. Для снижения напряжений в данном узле рекомендуется проводить шлифование сварных узлов, контроль его качества. При проектировании модели необходимо максимально «сгладить» поверхностные переходы и все острые углы.
Таблица 2
Результаты единичных опытов__
№ Нагрузка, КН о, МПа Опасный узел Ax, мм КЗ
1 2.5 160 Верхний стык 4.95 1.94
2 2.5 104 Верхний стык 1.12 3
3 0.8 15 Верхний стык 0.216 20.66
4 6.4 120 Верхний стык 1.732 2.59
5 3 94 Левый дропаут - 3.29
Следующим по ответственности узлом является стык нижних перьев с вертикальной и нижней трубами. Для контроля качества предлагаются вышеупомянутые методы. Важным замечанием является то, что перья, вследствие своих геометрических характеристик, особо подвержены деформации - необходимо контролировать предельные перемещения во избежание критических случаев. Интересным является также тот факт, что верхняя и нижние трубы подвергаются наименьшим напряжениям. Однако, стоит учитывать реакции опор, возникающие в основных точках рамы.
Список литературы
1. Sharp R.S., Crolla D.A. Road Vehicle Suspension System Design—A review // Vehicle System Dynamics, 1987, 16. P. 167-192.
2. Vehicle Suspension System Technology and Design / Amir Khajepour and Avesta Goodarzi, edited by Amir Khajepour // Morgan & Claypool publishers, Waterloo, 2017. P. 1-3.
3. Morsb0l G., Svendsen W., Damgaard B.F., Bloch N.C., Nielsen R.B., Kann J. Modelling and Dimensioning the Rear Suspension of a Mountain Bike // Bachelor project, Aalborg University, Aalborg, 2009. P. 14-16.
Сираев Роберт Игоревич, студент, savorr9@gmail.com, Россия, Казань, Казанский Национальный Технический Исследовательский Университет - Казанский Авиационный Институт им А.Н. Туполева
STRENGTH ANALYSIS OF 1D MOUNTAIN BIKE FRAME UNDER CRITICAL LOADS
R.I. Siraev
A mountain bike frame's exposure on varying critical loads is considered. The task has been made with the use of 1D mesh finite model and strength analysis premises, using CAD software in order to perform the fastest way to design and test the frame. The results of implemented method show clearly all the dangerous parts offrame mostly in upper steam. The use of the given method allows practically simplify the process of designing in order to find the best possible solution for a frame.
Key words: frame, mountain bike, finite-element modelling, strength, stresses, critical loads.
Siraev Robert Igorevich, student, savorr9@gmail.com, Russia, Kazan, Kazan National Research University- Kazan Aviation Institute named after A.N. Tupolev (KNRTU-KAI)
