CC BY
27
УДК 629.3.015.4
DOI: 10.24412/2071-6168-2021-9-407-411
ДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ДЕТАЛЕЙ ДВУХСТУПЕНЧАТОГО РЕДУКТОРА
В SOLIDWORKS
Я.Г. Карячкин, С.А. Ефанов, Е.И. Дуданов
В статье описывается процесс моделирования работы горизонтального двухступенчатого редуктора. 3D модель рассматриваемого редуктора построена в среде SolidWorks. Для анализа динамики исследуемого редуктора был использован штатный функционал SolidWorks Motion. Система SolidWorks Motion позволяет выполнять точное моделирование и анализ эффектов движения элементов в сборках. В результате исследования были внесены изменения в конструкцию детали Вал быстроходный позволяющие увеличить производительность горизонтального двухступенчатого редуктора.
Ключевые слова: 3D моделирование, редуктор, динамический анализ, SOLIDWORKS
Motion.
Целью исследования было увеличение производительности горизонтального двухступенчатого редуктора в 2 - 2,5 раза за счет увеличения передаваемой мощности. С внесение минимальных изменений в конструкцию деталей входящих в исследуемый редуктор.
Средой для проведения анализа был выбран программный комплекс SolidWorks. Построенная трехмерная модель редуктора представлена на рис. 1.
Рис. 1. Построенная трехмерная модель горизонтального двухступенчатого редуктора
Для проведения динамического анализа исследуемого редуктора применялся штатный функционал SolidWorks Motion. Который позволяет учитывать в расчетах свойства материалов, массы, силы инерции, трения, силы тяжести деталей, входящих в состав исследуемого редуктора [1,2].
Модель для выполнения динамического анализа должна быть максимально экономичной в плане вычислительных затрат и при этом обеспечивать адекватность получаемых результатов. Поэтому в 3 D модель анализируемого редуктора были включены следующие детали: корпус - для обеспечения взаимного расположения валов редуктора, Вал быстроходный, Вал шестерня, Вал тихоходный, два зубчатых колеса, шкив и деталь которую мы условно назвали «Элемент рабочей машины», элемент шкива был добавлен для имитации шпоночного соединения. Деталь «Элемент рабочей машины» вводилась для создания сопротивления вращению тихоходного вала. Анализируемая модель представлена на рис. 2.
Рис. 2. Анализируемая 3Б модель редуктора 1 - Вал быстроходный; 2 - Вал тихоходный; 3 - Вал шестерня; 4 - Зубчатое колесо большое; 5 - Зубчатое колесо малое; 6 - Корпус; 7 - Элемент рабочей машины;
8 - Элемент шкива
Для проведения расчета была смоделирована ситуация когда в начальный момент времени все находится в покое. Затем на быстроходный вал через ременную передачу от электродвигателя передается вращательное движение с частотой 750 оборотов в минуту. Первые полторы секунды редуктор работает в холостом режиме. На второй секунде в контакт с Валом тихоходным входит деталь Элемент рабочей машины. Которая препятствует вращению тихоходного вала. Редуктор начинает испытывать нагрузку, увеличивающуюся с течением времени.
Наряду с геометрическими сопряжениями в сборке в модель движения включены контактные пары Вал быстроходный - зубчатое колесо малое, Вал шестерня - зубчатое колесо большое и Вал тихоходный - Элемент рабочей машины. Более подробно динамический анализ исследуемого редуктора был описан в статье [3].
Из полученных результатов анализа следовало, что Вал быстроходный способен передавать наименьшие усилия. Причем зубчатая поверхность имеет достаточный запас прочности для увеличения передаваемой мощности, а слабым местом оказался шпоночный паз. Напряженно деформированное состояние детали Вал быстроходный представлено на рис. 3.
Рис. 3. Напряженно деформированное состояние детали Вал быстроходный
408
Остальные детали исследуемого редуктора имеют достаточно большой запас прочности и не нуждаются во внесении изменений в их конструкцию. Поэтому было принято решение вносить изменения в деталь Вал быстроходный.
В качестве вариантов вносимых изменений можно рекомендовать увеличить количество шпоночных пазов до 2 и 4 штук, либо удаление шпоночного паза и добавление шлицевой поверхности. Шлицевые поверхности бывают легкой, средней и тяжелой серии. Легкая и тяжелая серии не рассматриваются по причине необходимого увеличения диаметра, что в свою очередь, повлечет изменение деталей редуктора (подшипников, посадочных отверстий корпуса). Поэтому было решено рассмотреть три случая: два шпоночных паза, четыре шпоночных паза и шлицевое соединение средней серии.
Расчет напряженно деформированного состояния всех трех вариантов детали производили в SolidWorks Simulation.
На модель прикладывались ограничения по местам посадки подшипников и на боковые поверхности шпоночных пазов либо шлицев в зависимости от варианта исследования.
В качестве внешних нагрузок прикладываем силы, действующие на зуб в зацеплении и силу от ременной передачи [4].
Задача решалась методом конечных элементов [5-7].
Увеличение количества шпоночных пазов до двух штук позволило увеличить передаваемую мощность в 3 раза. Полученные результаты расчета вала быстроходного с двумя шпоночными пазами представлены на рис. 4.
Узел: 35251
Местоположение X, Y, Z: 122,-2,49,10 mm
Значение: 72.486 N/mrmA2 (МРа)
Рис. 4. Напряженно деформированное состояние детали Вал быстроходный с двумя
шпоночными пазами
В результате расчета наибольшие напряжения равные 106МПа возникают на зубе, но это является допустимым. Потому как напряжения на зубе не должны превышать 285,7МПа. А вот напряжения на шпоночном пазу составили 72,48МПа при допустимых 80МПа. Следовательно, увеличивать мощность двигателя дальше нельзя.
Увеличение количества шпоночных пазов до 4 штук позволяет увеличить передаваемую мощность в 5 раз. Полученные результаты представлены на рис. 5.
В результате расчета наибольшие напряжения равные 145МПа возникают на зубе, но это является допустимым. А напряжения на шпоночном пазу составили 72,12МПа при допустимых 80МПа. Следовательно, увеличивать мощность двигателя дальше нельзя.
Рис.5. Напряженно деформированное состояние детали Вал быстроходный с четырьмя
шпоночными пазами
Замена шпоночного паза на шлицевую поверхность средней серии позволили увеличить передаваемую мощность в 5 раз. Полученные результаты представлены на рис. 6.
Рис.6. Напряженно деформированное состояние детали Вал быстроходный со шлицевой
поверхностью
В результате расчета наибольшие напряжения равные 137,68МПа возникают на зубе, но это является допустимым. А напряжения на шлицевой поверхности составили 62,65МПа при допустимых 70МПа.
Из результатов проведенных исследований делаем вывод, что все три варианта вносимых изменений в конструкцию детали позволяют увеличить производительность редуктора в 2,5 раза. Но увеличение количества шпоночных пазов до четырех штук усложнит собираемость редуктора, а замена шпоночного паза на шлицевую поверхность вызовет изменения в технологии изготовления детали. Поэтому рекомендуется использовать деталь Вал быстроходный с двумя шпоночными пазами.
Список литературы
1. Чугунов М.В. Проектирование электромобиля-трайка на базе параметрических CAD/CAE-моделей / М. В. Чугунов, И. Н. Полунина, А. М. Пьянзин. - DOI 10.15507/26584123.030.202003.464-479 // Инженерные технологии и системы. - 2020. - Т. 30, № 3. - С. 464479.
2. Ефанов С.А. Анализ динамики передней подвески электротрайка / С.А. Ефанов, М.В. Чугунов, А.М. Пьянзин // Эпоха науки. 2019. № 20. С. 150-154.
3. Карячкин Я.Г. Анализ двухступенчатого редуктора в SOLIDWORKS / Карячкин Я.Г., Кеняйкин Д.С., Никатина И.Н., Скитев А.В., Ефанов С.А. В сборнике: XLIX Огарёвские чтения. материалы научной конференции: в 3 частях. Саранск, 2021. С. 547-552.
4. Карячкин Я.Г. Анализ напряженно деформированного состояния детали "Вал быстроходный" / Карячкин Я.Г., Кеняйкин Д.С., Ефанов С.А. Тенденции развития науки и образования. 2021. № 69-2. С. 57-59.
5. Алямовский А.А. COSMOSWorks. Основы расчета конструкций на прочность в среде Solid Works. -М.: ДМК Пресс, 2010, -784 с., ил. (Серия «Проектирование»).
6. Алямовский А.А. Инженерные расчеты в Solid Works Simulation. -М.: ДМК Пресс, 2010, -464 с., ил. (Серия «Проектирование»).
7. Ефанов С.А. Сингулярность при решении задач методом конечных элементов / Ефанов С.А. // Тенденции развития науки и образования. 2019. № 55-1. С. 31-35.
Карячкин Ярослав Геннадьевич, магистр, efanovsa1@mail.ru, Россия, Республика Мордовия, Рузаевка, Рузаевский институт машиностроения «МГУ им. Н.П. Огарёва»,
Ефанов Сергей Александрович, канд. техн. наук, efanovsa1@mail.ru, Россия, Республика Мордовия, Рузаевка, Рузаевский институт машиностроения МГУ им. Н.П. Огарёва,
Евгений Игоревич Дуданов, канд. соц. наук, dudan79@mail.ru, Россия, Республика Мордовия, Рузаевка, Рузаевский институт машиностроения МГУ им. Н.П. Огарёва
DYNAMIC ANALYSIS OF TWO STAGE GEAR PARTS IN SOLIDWORKS Y.G. Karjachkin, S.A. Efanov, E.I. Dudanov
The article describes the process of modeling the operation of a horizontal two-stage gearbox. The 3D model of the gearbox under consideration was built in the SolidWorks environment. To analyze the dynamics of the gearbox under study, the standard SolidWorks Motion functionality was used. SolidWorks Motion allows you to accurately model and analyze the effects of motion in assemblies. As a result of the research, changes were made to the design of the high-speed shaft part, allowing to increase the productivity of the horizontal two-stage gearbox.
Key words: 3D modeling, gearbox, dynamic analysis, SOLIDWORKS Motion.
Karjachkin Yaroslav Gennadievich, master, Russia, Ruzayevka, Ruzayevka Institute of Engineering, National Research Mordovia State University of N. P. Ogaryov,
Efanov Sergey Alexandrovich, candidate of technical sciences, efanovsa1@mail.ru, Russia, Ruzayevka, Ruzayevka Institute of Engineering, National Research Mordovia State University of N. P. Ogaryov,
Dudanov Evgeny Igorevich, сandidate of sociological sciences, dudan79@mail.ru, Russia, Ruzayevka, Ruzayevka Institute of Engineering, National Research Mordovia State University of N. P. Ogaryov
