Geum.ru

Статье приведены результаты вычислительного эксперимента по исследованию деформации внешней обоймы эксцентриковых механизмов свободного хода нефрикционного типа

Вид материалаИсследование

Содержание


Исследование деформации внешней обоймы.
Список литературы
Подобный материал:




УДК 621.837


исследованиЕ ДЕФОРМАЦИИ эксцентриковых механизмов свободного хода МЕТОДОМ КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ


О.В. Шарков, И.А. Золотов


В статье приведены результаты вычислительного эксперимента по исследованию деформации внешней обоймы эксцентриковых механизмов свободного хода нефрикционного типа.


механизмы свободного хода, напряженно-деформированное состояние, метод конечных элементов


Современное состояние вопроса

Анализ машиностроительных конструкций с использованием метода конечных элементов (МКЭ) является в настоящее время фактически стандартом при проведении деформационных, прочностных и других видов расчётов. Основой этого служит универсальность МКЭ, позволяющая рассчитывать конструкции с учётом их различных геометрических параметров, силовых и кинематических характеристик [1-3].

Для этих целей к настоящему времени разработан целый ряд программ конечно-элементного анализа: ANSYS; MSC/NASTRAN; Cosmos/Works; Mechanical Desktop; WinMachine и др.

Все программы для реализации МКЭ можно разделить на две основные группы. Первая - программы конечно–элементного анализа, встраиваемые в известные пакеты САПР и имеющие возможность быстрого расчёта отдельных элементов и сборочных единиц непосредственно в среде их разработки. Вторая – это программы, предназначенные в первую очередь для создания конкретно конечно–элементной модели с максимальными возможностями (которые для ряда машиностроительных конструкций являются даже излишними) учёта геометрических, силовых и других параметров.

Выбор программ для инженерного анализа определяется сложностью конструкции исследуемой детали и особенностью её кинематического и силового взаимодействия с другими элементами в сборке.

По мнению авторов, для исследования напряжённо–деформированного состояния рабочих элементов эксцентриковых механизмов свободного хода (МСХ) наиболее рационально, с точки зрения уменьшения материально–временных затрат, применение одного из программных комплексов первой группы, а именно Mechanical Desktop, функционирующего в среде AutoCAD [4]. Возможности комплекса позволяют проводить инженерный анализ рабочих элементов эксцентриковых МСХ, находящихся как в плоско–напряжённом, так и объёмно–напряжённом состоянии.


Методика проведения ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОГО эксперимента

В работе представлены результаты исследования деформированного состояния одного из основных рабочих элементов эксцентрикового МСХ - внешней обоймы.

Внешняя обойма эксцентриковых МСХ представляет собой короткую тонкостенную цилиндрическую оболочку свободную на одном крае и сопряжённую с кольцевой пластиной, переходящей в цилиндрическую толстостенную оболочку (ступицу) на другом крае.

Передача нагрузки со ступицы на элементы механического привода происходит посредством шпоночного паза, зубчатого венца, или шлицевого соединения [5]. Представляет интерес исследование степени влияния конструктивного исполнения ступицы на возникающие во внешней обойме деформации.

Исследования проводились для внешней обоймы с геометрическими параметрами: внутренний диаметр обоймы =140 мм, толщина цилиндрической оболочки =14 мм, длина оболочки =50 мм, общая длина обоймы =114 мм, наружный и внутренний диаметры ступицы =90 мм и =60 мм. Угол, определяющий расположение мелкомодульных зубьев (область приложения нагрузки), принимался = 50, 70 и 90º. Материал расчетной модели сталь ШХ15.

На первом этапе исследования в рамках методологии САD-проектирования (Computer Aided Designer) создается трёхмерная твёрдотельная модель исследуемых деталей эксцентриковых МСХ с использованием средств программного комплекса AutoCAD 2004.

На втором этапе проводится анализ напряженно-деформированного состояния в рамках методологии CAE-проектирования (Computer Aided Engineering) с использованием программного комплекса Mechanical Desktop 2004, интегрированного в среду AutoCAD 2004. Созданная твёрдотельная модель разбивается на конечные элементы.

Граничные условия взаимодействия рабочих поверхностей внешней обоймы и эксцентриковых колец задавались в силах, так как они легко определимы на начальной стадии расчёта. В эксцентриковых МСХ нефрикционного типа для передачи нагрузки на внутренней цилиндрической поверхности внешней обоймы в пределах угла выполняют мелкомодульные храповые зубья с модулем = 0,4…0,7 мм. При работе механизма на внешнюю обойму со стороны эксцентриковых колец действуют касательная и нормальная нагрузки. Моделирование силового взаимодействия рабочих поверхностей мелкомодульных зубьев внешней обоймы и эксцентрикового кольца достигалось использованием комбинации силовых факторов: касательной нагрузки, распределенной по линии , и нормальной нагрузки, распределенной по поверхности (нормального давления) .

Величина передаваемой нагрузки задавалась из условия прочности мелкомодульных зубьев в зависимости от эквивалентного напряжения смятия σСМ, которое принималось равным 10…20 МПа. Это соответствует величине передаваемого вращающего момента =700 Н·м.

Граничные условия взаимодействия рабочих поверхностей внешней обоймы с элементами механического привода задавались в перемещениях. На внутренней цилиндрической поверхности ступицы задавалась распределённая подвижная опора, и на поверхностях шпоночного паза – распределённая неподвижная. Это полностью соответствует физической картине взаимодействия рабочих поверхностей внешней обоймы при работе эксцентриковых МСХ в приводах машин.

При исследовании деформации внешней обоймы в качестве исследуемого фактора принималась радиальная её деформация .


Результаты и дискуссия

Исследование деформации внешней обоймы. Как показали результаты исследований, максимальная деформация =0,082…0,090 мм возникает на свободном крае цилиндрической оболочки, затем постепенно уменьшается 2,21…2,86 раза по длине оболочки и в районе ступицы равняется нулю.

Наибольшая деформация возникает за счёт роста плеча действия приложенной нагрузки и как следствие увеличения изгибающего момента. Этому случаю соответствует расчётная схема – один край цилиндрической оболочки свободен, другой - закреплён (сопряжён с цилиндрической пластиной).

На рис. 1 представлена обобщенная картина распределения радиальной деформации в осевом сечении по длине цилиндрической оболочки при различном конструктивном исполнении её ступицы.

На рис. 2 представлена картина распределения деформации в радиальном сечении внешней обоймы на свободном краю цилиндрической оболочки.

А
нализ графиков показывает, что различные виды конструктивного исполнения ступицы мало влияют на изменение величины радиальной деформации, которое составляет в зоне максимальных величин не более 7,7…8,8% в осевом сечении и не более 1,3…6,7% в радиальном сечении внешней обоймы.

Рис.1. Распределение деформации внешней обоймы в осевом сечении


Р
ис. 2. Распределение деформации внешней обоймы в радиальном сечении


СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ


1. Расчет машиностроительных конструкций методом конечных элементов: справочник / под общ. ред. В.И. Мяченкова. - М.: Машиностроение, 1989. – 520 с.

2. Шимковский Д.Г. Расчет конструкций в MSC.visualNASTRAN for Windows. / Д.Г. Шимковский. - М.: ДМК Пресс, 2004. – 387 с.

3. Басов К.А. ANSYS. Справочник пользователя / К.А. Басов. - М.: ДМК Пресс, 2005. – 640 с.

4. Кудрявцев Е.М. Mechanical Desktop Power Pack. Основы работы в системе / Е.М. Кудрявцев. - М.: ДМК Пресс, 2001. – 278 с.

5. Горин М.П. Эксцентриковые механизмы свободного хода / М.П. Горин. – СПб.: Политехника, 2000. – 125 с.


DEFORMATION OF ECCENTRIC ONE-WAY CLUTCHES

RESEARCH BY MEANS OF final elements method


O.V. Sharkov, I.A. Zolotov


The article presents the calculation experimental results of eccentric one-way clutches of non-friction type outer shell deformation.