CC BY
17УДК 621.825.6-192
ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ КРЕСТОВИНЫ КАРДАННОГО ШАРНИРА
Е. В. Кукушкин
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: ironjeck@mail.ru
Предложена методика оптимизации параметров конструкции крестовины карданного шарнира со сменными шипами. В результате проведенного регрессионного анализа получена регрессионная модель эквивалентных напряжений, табулированием которой получены значения конструктивно-режимных параметров, обеспечивающих минимальный уровень напряжений конструкции крестовины.
Ключевые слова: карданный шарнир, конечно-элементный анализ, напряженно-деформированное состояние.
INVESTIGATION OF THE STRESSED-DEFORMED CONDITION OF THE CROSSPIECES OF UNIVERSAL JOINTS
E. V. Kukushkin
Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: ironjeck@mail.ru
A technique for optimizing the design parameters of the crosspiece for the universal joint with replaceable spikes is proposed. As a result of the regression analysis, a regression model of equivalent stresses was obtained, tabulating of which the values of constructive-regime parameters providing the minimum stress level of the cross construction were obtained.
Keywords: universal joint, finite element analysis, stress-strain state.
Одним из недостаточно долговечных узлов, ограничивающих надежность механических трансмиссий транспортно-технологических машин, является карданная передача. [1] Разработана конструкция карданного шарнира [2; 3] по патенту [4], сравнительный анализ конструкций карданных шарниров представлен в работе [5]. Новая конструкция карданного шарнира со сменными шипами крестовины требует обоснованной конструкторской проработки и проведения прочностных расчетов, которые актуальнее всего выполнять с использованием САПР и пакетов конечно-элементного анализа. Подобная методика была выполнена авторами в работе [6], где исследовали конструкции составной унифицированной вилки карданной передачи. Авторами работы [7] были проведены исследования напряженного-деформированного состояния ремонтопригодной крестовины карданного шарнира. В работе [8] дана оценка напряженно-деформированного состояния карданной передачи привода сельскохозяйственных машин. В работе [9] выполнена оптимизация карданных передач автомобилей «БелАЗ» с использованием САПР. Поэтому исследования в области напряженно-деформированного состояния узлов и агрегатов транспортно-технологических машин является актуальными.
Методика оптимизации параметров конструкции крестовины карданного шарнира со сменными шипами включала в себя следующие этапы:
1. Оценка прочностных характеристик серийной крестовины карданного шарнира (рис. 1, а) и усовершенствованной крестовины карданного шарнира со сменными шипами (рис. 1, б) при нагружении номинальным вращающим моментом в 170 Нм (3,269 кН);
2. Оптимизация размеров соединения шипа и корпуса крестовины карданного шарнира со сменными шипами.
Для проведения расчётов применяли библиотеку конечно-элементного анализа FEM системы КОМПАС-3Б (компании «АСКОН», г. Санкт-Петербург), разработанную совместно с НТЦ «Автоматизированное проектирование машин» (г. Королёв).
Второй этап исследований основан на анализе карт напряжений моделей с указанием локаций максимальной концентрации напряжений. На всех картах максимальные напряжения наблюдаются в месте перехода шипа к корпусу крестовины. Предполагается, что форма и размеры элементов соединения влияют на прочностные характеристики конструкции крестовины карданного шарнира, поэтому схема соединения шипов и корпуса крестовины будет в виде шестигранника, для того, чтобы была возможность реализовать способ технического обслуживания карданных передач авторской разработки [10; 11] по патенту [12], повышение долговечности которого обосновано в работе [13].
Рис. 1. Конечно-элементный анализ крестовин карданных шарниров
Рис. 2. График поверхности отклика значений напряжений
Рис. 3. Контурная диаграмма поверхности отклика
Оптимизация параметров проводилась на основе методов регрессионного анализа, цель которого нахождение такого сочетания параметров размеров сечения шестигранника Х1 (размер под ключ) и Х2 (длина) сменного шипа крестовины, при котором обеспечивается минимальный уровень эквивалентных напряжений в опасном сечении шипа крестовины.
В результате проведенного регрессионного анализа получена регрессионная модель эквивалентных напряжений:
с = 544,695 - 6,367 ■ 103 ■ Х1 - 443,624 ■ X? -+ 6,951 ■ 103 ■ X ■ X? + 3,443 ■ 104 ■ X? +
+ 6,238 ■ 103 ■ Х22.
(1)
б
а
В результате табулирования функции (1) получены значения конструктивно-режимных параметров, обеспечивающих минимальный уровень напряжений конструкции крестовины: Х1 = 10, Х2 = 8,2 (см. рис. 2, 3). В результате выполненных расчетов и проведенных исследований средняя погрешность аппроксимации составила 9,62601 %.
Анализ серийной крестовины карданного шарнира позволил установить граничные значения параметров эквивалентных напряжений, перемещений, коэффициентов запаса усталостной прочности и текучести. На основе данных вычислительного эксперимента получена регрессионная модель эквивалентных напряжений, связывающая конструктивно-режимные параметры и результирующие эквивалентные напряжения в опасном сечении крестовины карданного шарнира. Найдены оптимальные размеры сменных шипов крестовины с наименьшими напряжениями.
Полученные результаты дают возможность изготовить опытный образец усовершенствованной карданной передачи и провести экспериментальные исследования на оборудовании авторской разработки, описанном в работах [14-17].
Библиографические ссылки
1. Пастухов А. Г., Тимашов Е. П. Экспертная оценка работоспособности сельскохозяйственной техники / Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2011. № 4. C. 25-27.
2. Ереско Т. Т., Кукушкин Е. В., Меновщиков В. А. Конструкция карданного шарнира со сменными шипами крестовины / Решетневские чтения: материалы XVI Междунар. науч. конф.; Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2014. С. 298-300.
3. Kukushkin E. V., Eresko T. T., Mednikov D. M. New construction of universal joints / Materials 14 International Scientific Conference «Youth. Society. Modern science, technologies & innovations», 2015. P. 232-234.
4. Пат. 141878 Российская Федерация, МПК7 F16 D 3/26. Карданный шарнир / Кукушкин Е. В., Меновщиков В. А., Ереско С. П., Ереско Т. Т. ; № 2014102339/11 ; заявл. 24.01.2014 ; опубл. 20.06.2014. Бюл. № 17. 2 с.
5. Сравнительный анализ конструкций карданных шарниров неравных угловых скоростей / С. П. Ереско, Т. Т. Ереско, Е. В. Кукушкин и др. // Вестник СибГАУ. 2015. Т. 16, № 3. С. 720-728.
6. Пастухов А. Г., Тимашов Е. П., Кравченко И. Н. Исследование напряжённо-деформированного состояния деталей модернизируемых узлов трансмиссий различных машин // Строительные и дорожные машины. 2015. № 8. С. 20-26.
7. Тимашов Е. П., Пастухов А. Г. Исследование напряженно-деформированного состояния ремонтопригодной крестовины карданного шарнира // Тр. всероссийского научно-исследовательского технологического института ремонта и эксплуатации машинно-тракторного парка. 2013. Т. 112. Ч. 2. С. 100-105.
8. Кухтов В. Г., Фесун А. А., Шевченко М. А. Оценка напряженно-деформированного состояния
карданной передачи привода сельскохозяйственных машин / Вестник ХНТУСГ. 2012. № 128. С. 219-225.
9. Кравченко В. И., Костюкович Г. А., Кипнис М. Е. Оптимизация карданных передач автомобилей «БелАЗ» с использованием регионального распределенного сегмента «СКИФ-UNICORE» / Вестник ГрГУ. 2011. № 1 (116). С. 68-77.
10. Способ технического обслуживания карданных передач / С. П. Ереско, Т. Т. Ереско, Е. В. Кукушкин и др. // Решетневские чтения : материалы XXI Меж-дунар. науч. конф. ; СибГУ им. ак. М. Ф. Решетнева. Красноярск, 2017. С. 568-570.
11. Method for service universal joints / M. E. Ivanov, E. V. Kukushkin, S. V. Kukushkin и др. // Journal of Advanced Research in Technical Science. No. 7, North Charleston, 2017. P. 37-41.
12. Пат. 2640157 Российская Федерация, МПК7 F16 D 3/26. Способ технического обслуживания карданных шарниров / Ереско С. П., Ереско Т. Т., Кукушкин Е. В. и др. ; № 2016117442 ; заявл. 04.05.2016; опубл. 26.12.2017. Бюлл. № 36 5 с.
13. Повышение долговечности карданной передачи за счет совершенствования конструкции карданного шарнира и способа его технического обслуживания / С. П. Ереско, Т. Т. Ереско, Е. В. Кукушкин и др. // Строительные и дорожные машины. 2018. № 1. С. 45-51.
14. Ереско С. П., Ереско Т. Т., Кукушкин Е. В. и др. Сравнительный анализ конструкций испытательных стендов для испытания карданных шарниров // Сибирский журнал науки и технологий. 2017. Т. 18, № 4. С. 902-909.
15. Расчет гидравлической системы тормозного устройства стенда для испытания трансмиссий транс-портно-технологических машин / А. С. Ереско, С. П. Ереско, Т. Т. Ереско и др. // Транспорт. Транспортные сооружения. Экология. 2016. № 4. С. 60-79. Doi: 10.15593/24111678/2016.04.06.
16. Определение динамических параметров привода экспериментального стенда для исследования карданных передач / А. В. Стручков, Е. В. Кукушкин, С. П. Ереско, Т. Т. Ереско // Вестник СибГАУ. 2016. Т. 17, № 3. С. 638-644.
17. Меновщиков В. А., Орлов А. А. Конструкция стенда для проведения испытаний карданных шарниров на игольчатых подшипниках в широком диапазоне размеров с изменением угла излома карданной передачи / Е. В. Кукушкин, С. П. Ереско, Т. Т. Ереско и др. // Транспорт. Транспортные сооружения. Экология. 2016. № 2. С. 58-73. Doi: 10.15593/24111 678/2016.02.05.
References
1. Pastukhov A. G., Timashov E. P. [Expert evaluation of the efficiency of agricultural machinery]. Mekhanizat-siya i elektrifikatsiya sel'skogo khozyaystva. 2011. No. 4. P. 25-27.
2. Eresko T. T., Kukushkin E. V., Menovshchikov V. A. [The design of the universal joint with replaceable spikes spider]. Materialy XVIII mezhdunarodnoy nauchnoy kon-ferentsii "Reshetnevskie chteniya" [Materials XV Intern.
Scientific. Conf "Reshetnev reading"]. Krasnoyarsk, 2014. P. 298-300. (In Russ.)
3. Kukushkin E. V., Eresko T. T., Mednikov D. M. New construction of universal joints. Materials 14-th International Scientific Conference "Youth. Society. Modern science, technologies & innovations", 2015. P. 232-234.
4. Kukushkin E. V., Menovshchikov V. A., Eresko S. P., Eresko T. T. Kardannyy sharnir [Joint]. Patent RF. No. 141878, 2014.
5. Eresko S. P., Eresko T. T., Kukushkin E. V. et al. [Comparative analysis of structures universal joints unequal angular velocity]. Vestnik SibGAU. 2015. No. 16. P. 720-728. (In Russ.)
6. Pastukhov А. G., Timashov E. P., Kravchenko I. N. [Investigation of the stressed-deformed state of the parts of the modernized transmission units of various machines]. Stroitel'nye i Dorozhnye mashiny. 2015. No. 8. P. 20-26. (In Russ.)
7. Timashov E. P., Pastukhov A. G. [Investigation of the stress-strain state of the repairable cross of the universal joint]. Trudy GOSNITI. 2013. No. 112. Vol. 2. P. 100-105.
8. Kukhtov V. G., Fesun A. A., Shevchenko M. A. [Estimation of the stress-strain state of the universal joint drive transmission of agricultural machines]. Vуеsnik KhNTUSG. 2012. No. 128. P. 219-225.
9. Kravchenko V. I., Kostyukovich G. A., Kipnis M. E. [Optimization of universal joint gears of BelAZ vehicles using the regional distributed segment SKIF-UNICORE]. Vestnik GrGU. 2011. No. 1. Vol. 116. P. 68-77.
10. Eresko S. P., Eresko T. T., Kukushkin E. V. et al. [Comparative analysis of structures test apparatus for universal joint]. Materialy XXI mezhdunarodnoy nauchnoy konferentsii "Reshetnevskie chteniya" [Materials XXI
Intern. Scientific. Conf "Reshetnev reading"]. Krasnoyarsk, 2017. P. 568-570. (In Russ.)
11. Ivanov M. E., Kukushkin E. V., Kukushkin S. V. et al. Method for service universal joints. Journal of Advanced Research in Technical Science. 2017. No. 7. P. 37-41.
12. Eresko S. P., Eresko T.T., Kukushkin E. V. et al. Sposob tekhnicheskogo obsluzhivaniya kardannyh sharni-rov. [Method of technical maintenance of universal joint]. Patent RF. No. 2640157, 2017.
13. Eresko S. P., Eresko T. T., Kukushkin E. V. et al. [Increasing the durability of the transmission for the account of improving the design of the and the method of its technical service]. Stroitel'nye i Dorozhnye mashiny. 2018. No. 1. P. 45-51. (In Russ.)
14. Eresko S. P., Eresko T. T., Kukushkin E. V. et al. [Comparative analysis of structures test apparatus for universal joint]. Sibirskiy zhurnal nauki i tekhnologiy. 2017. Vol. 18, No. 4. P. 902-909. (In Russ.)
15. Eresko A. S., Eresko S. P., Eresko T. T. et al. [Calculation of the hydraulic system of brake device of stand for the test of transmissions of transport-technological machines]. Transport. Transportnye sooruz-heniya. Ekologiya. 2016. No. 4. P. 60-79. Doi: 10.15593/24111678/2016.04.06. (In Russ.)
16. Struchkov A. V., Kukushkin E. V., Eresko S. P. et al. [Determination of dynamic parameters of drive of experimental stand for research of cardan transmissions]. Vestnik SibGAU. 2016. No. 17. P. 638-644. (In Russ.)
17. Kukushkin E. V., Eresko S. P., Eresko T. T. [Stand construction for testing the universal joint on needle bearings in wide range of sizes with the angle changing driveline]. Transport. Transportnye sooruzheniya. Ekologiya. 2016. No. 2. P. 58-73. Doi: 10.15593/2411 1678/2016.02.05. (In Russ.)
© Кукушкин Е. В., 2018
