Расчет элементов машин, таких как валы, подшипники, соединения вал-ступица, винты и шестерни, в настоящее время внедрен во многих отраслях промышленности и обеспечивает функциональность изделий, изготовленных из них. Кроме того, расчет их конкурентоспособности и как поддержка технической документации и обеспечения качества является обязательным.
Картинная галерея
Картинная галерея с 6 картинками
Программное обеспечение для расчета элементов машин было доступно с начала 1980-х годов. Одним из пионеров в этой области является программное обеспечение для расчета коробок передач TBK, которое было передано GWJ Technology GmbH в 2005 году и полностью пересмотрено несколько лет назад. В дополнение к этому классическому настольному приложению GWJ предлагает решение для расчетов Eassistant в качестве веб-решения с 2003 года. Сегодня оба вычислительных решения основаны на одной платформе разработки и примерно на 99% идентичны с точки зрения простоты использования и объема услуг.
Расчет на основе действующих стандартов
Расчеты отдельных типов элементов машин основаны почти исключительно на международно признанных методах расчета в соответствии со стандартами, такими как DIN, ISO, ANSI / AGMA или в соответствии с рекомендациями VDI. В основном это аналитические расчеты, которые быстро дают результаты. Поскольку надежная конструкция и оптимизация редукторов в целом предъявляют высокие требования к проектировщикам и расчетным инженерам, в последние годы возросла потребность в вычислительных решениях для отдельных элементов машин для расчета целостных систем. Многоступенчатые редукторы с силовыми делителями, в частности, образуют сложную систему с большим количеством валов, подшипников и зубчатых колес (рис. 1).
Системный расчет уменьшает ошибки
Усилия по расчету для всех отдельных компонентов, например коробки передач, относительно высоки и требуют структурированной процедуры для расчета во избежание ошибок. Если также необходимо учитывать дополнительные варианты нагрузки или спектр нагрузки, то вычислительные усилия снова возрастают. Поэтому системный расчет полезен для того, чтобы избежать или уменьшить ошибки, с одной стороны, и обеспечить дальнейшее повышение эффективности процесса разработки, с другой. Из-за различных областей применения и связанных с этим совершенно разных способов использования такого вычислительного решения, интуитивно понятный и удобный интерфейс играет решающую роль в его принятии. Кроме того, системный расчет также должен отвечать требованиям быстрой и простой предварительной настройки и в то же время обеспечивать возможность подробного расчета вплоть до оптимизации.
Встреча пользователей технологии мехатронного привода
Основное внимание на встрече пользователей Mechatronic Drive Technology уделяется механическим компонентам зубчатых колес, сцеплений и тормозов, а также их конструкции, размерам и взаимодействию в общей мехатронной системе.
Рассчитать системы одним нажатием кнопки
Чтобы удовлетворить этот спрос, в 2012 году GWJ запустила среду расчета системы «System Manager» в качестве дополнения к Eassistant и TBK. С помощью системного менеджера можно быстро и легко настроить полные системы элементов машины. Отдельные элементы системы, такие как валы или шестерни, связаны с соответствующими модулями расчета E-Assistant / TBK. Однако это не просто вычислительная среда для управления и связывания отдельных элементов, а скорее расчет реальной системы, то есть это комбинированный расчет КЭ для многоосных систем с зубчатыми колесами в качестве нелинейных элементов связи. С помощью системного менеджера в качестве настольного приложения можно настроить и рассчитать целые системы одним нажатием кнопки. Область применения варьируется от простых до сложных систем, таких как многоступенчатые коробки передач, механические коробки передач или любые виды эпициклических коробок передач и т. Д. (Рисунок 2).
Расчет многовальных систем
На первый взгляд, системный менеджер не замечает, что системный менеджер является многоосной системой FE. Тем не менее, это уже заметно в таких вопросах, как летающий подшипник солнечных шестерен в планетарной передаче. Если существует как минимум три планеты для достаточной поддержки Солнца, система может рассчитывать без дополнительных граничных условий. В противном случае это было бы невозможно (рисунок 3). Волны представлены в системе в виде элементов сдвига упругого пучка. Это дает преимущество короткого времени вычислений, и граничные условия могут быть приняты во внимание простым способом. Это дает вам прогибы, профили силы и крутящего момента, силы валов, нагрузки на подшипники и срок службы, а также обеспечение для передач всего за несколько секунд одним нажатием кнопки.
Оптимизация редуктора с помощью модификаций
Расчет с использованием спектров нагрузки также возможен. Они могут быть указаны вручную или импортированы. Возможен также экспорт грузовых коллективов. Кроме того, спектр нагрузки может использоваться для управления различными вариантами нагрузки, а не для расчета нагрузки. Кроме того, поддерживается расчет собственных частот всей системы. В дополнение к различным граничным условиям и общим подшипникам подшипники качения могут быть выбраны непосредственно из интегрированной базы данных и размещены на валах. Они также могут использоваться в качестве соединительных подшипников между коаксиальными или концентрическими валами. Кроме того, нелинейная жесткость подшипника автоматически учитывается. Подшипники скольжения также доступны, в том числе расчет радиальной жесткости.
Дизайн коробки передач
Как стали высокой чистоты помогают оптимизировать коробки передач
Просто примите во внимание матрицы жесткости
Кроме того, жесткости корпуса могут быть просто приняты во внимание в качестве матриц жесткости, которые связывают жесткости подшипников друг с другом. Это позволяет регистрировать и учитывать деформации и жесткость всех валов, подшипников и корпуса, а также их реакцию на отдельные зубчатые сетки при оптимизации зубьев с учетом распределения нагрузки по ширине зуба и, следовательно, с учетом необходимых модификаций боковых поверхностей.
Практический пример: оптимизированная модификация ребер
Например, в одном проекте можно было бы оптимизировать боковую модификацию подвесной шестерни и добиться достаточного срока службы зубьев. Исходя из неизмененного зубьев, максимальная линейная нагрузка 22 кНм привела к максимальной линейной нагрузке 5300 Н / мм. Перед расчетом оптимизации с использованием системного менеджера шестерня была выполнена с окончательным возвратом на основе опыта. Это привело к линейной нагрузке 4700 Н / мм для пересчета. Тем не менее, желаемый срок службы шестерни еще не может быть достигнут с этим. С помощью системного менеджера была разработана оптимизированная асимметричная коронка. Используя это, максимальная линейная нагрузка может быть уменьшена до значения 2500 Н / мм, и может быть достигнут достаточный срок службы.
Обзор 1-го совещания пользователей промышленного оборудования
С правильной коробкой передач для эффективной трансмиссии
Изменение параметра позволяет оптимизировать
Принимая во внимание различные деформации и жесткости, присутствующие в системе, любые двусторонние контакты, которые могут возникнуть, также распознаются. Затем они могут быть устранены путем изменения люфта или путем внесения соответствующих изменений в боковую линию. Менеджер системы также имеет интегрированное изменение параметров, которое позволяет проводить широкий спектр исследований, начиная с простого изменения силы атаки (положения и размера), путем изменения крутящего момента или колебаний зазора в подшипнике, до изменения модификаций фланга.
Несмотря на обширные возможности, скорость расчета все еще очень высока. Например, расчет нагрузки для сложной коробки передач с 28 парами передач, 30 валами (4 входных и 4 выходных вала) и 70 подшипниками (включая расчет распределения нагрузки элементов качения) занимает всего около 10 секунд.
Системный расчет с трехмерными упругими компонентами
Чтобы принять во внимание жесткость корпуса, соответствующие матрицы жесткости ранее должны были быть определены в отдельных расчетах FE, а затем могли быть импортированы в системный менеджер. Поскольку для этого требуется программное обеспечение FEM, а также дополнительные усилия и, с другой стороны, некоторые пользователи не обучены использованию программного обеспечения FEM, соответствующие функции были интегрированы в системный менеджер в 2016 году. 3D-корпуса можно импортировать непосредственно в диспетчер системы в формате 3D-шага, благодаря чему программное обеспечение автоматически объединяет в сеть компоненты и генерирует матрицы пониженной жесткости (рисунок 4). Эта опция называется трехмерными упругими компонентами, которая интегрируется в систему так же, как вычисления компонентов FEM. Это позволяет учитывать жесткость и деформацию сложных, не вращательно-симметричных геометрий в сочетании с другими компонентами непосредственно в одной системе.
Собственные частоты в трехмерных упругих корпусах
Однако трехмерные упругие корпуса могут учитываться не только при статическом расчете, но и при расчете собственных частот посредством модального уменьшения. Влияние упругих корпусов на собственные частоты значительно больше, чем на статические деформации. Например, для испытательного стенда L-образного шпинделя без задней опоры шпинделя и без жесткости корпуса первая собственная осевая частота составляет чуть менее 22 000 мин -1. Под влиянием жесткости корпуса первая собственная частота представляет собой естественную частоту изгиба чуть менее 15 200 мин -1, что соответствует предполагаемой рабочей скорости 15 000 мин -1.вызовет проблемы. При задней поддержке естественные изгибные частоты увеличиваются до 25 000 мин -1, первая осевая собственная частота уменьшается до 19 600 мин -1. Импортированная модель CAD была существующей моделью CAD для производства. Это не оптимально для различных отверстий, но все еще может быть использовано. Если бы дыры в модели САПР были устранены, требования к памяти и начальное время вычислений для расчета были бы соответственно уменьшены.
Также подходит для перевозчиков планет
В дополнение к корпусам, носители планет также могут использоваться в качестве трехмерных упругих компонентов. В отличие от корпусов, носители планет вращаются в системе, и поэтому расчет должен быть в состоянии справиться с большими вращениями, которые возникают. Упругие деформации водила планеты влияют на распределение нагрузки зубчатых колес и поэтому важны для проектирования модификаций зубчатых колес. Кроме того, наклон планет также влияет на нагрузки на подшипники и общую жесткость на кручение (рис. 5).
3D упругий расчет колесных тел
В версии системного менеджера версии 2018 функциональные возможности трехмерных упругих компонентов были расширены в сторону корпусов цилиндрических зубчатых колес (Рисунок 6). 3D-упругий корпус колеса позволяет еще лучше интегрировать жесткость корпуса колеса, особенно при проектировании боковых модификаций. Трехмерные геометрии могут быть определены с помощью полигонов или импортированы напрямую через 3D-Step / Iges. Также возможно определить силы и подшипники непосредственно на трехмерных упругих компонентах. Интеграция трехмерных упругих компонентов в диспетчер системы Eassistant / TBK позволяет учитывать дополнительные жесткости без необходимости использования внешних программ FE. Это исключает трудоемкое и подверженное ошибкам принятие матриц жесткости.
Рассчитать в секундах
Полные вычисления в программном обеспечении FEM предоставляют больше свободы в отношении выбора граничных условий и позволяют выполнять нелинейные вычисления с контактом. Системный менеджер как системный расчет, основанный на одномерных элементах, предлагает существенное преимущество быстрого вычисления времени в диапазоне секунд. Это делает возможным обширные вычисления спектра нагрузки и изменения параметров. Благодаря интеграции трехмерных эластичных компонентов эти преимущества сохраняются.
Коробка передач / сборник
Разрабатывать, оптимизировать и разбираться в коробках передач
* Дипл.-инж. Гюнтер Везер, управляющий директор GWJ Technology GmbH, Брауншвейг