Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Машиностроение @vestnik-susu-engineering
Статьи журнала - Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Машиностроение
Все статьи: 681
Статья научная
Предложена универсальная методика оценки граничных условий при определении теплового состояния поршня бензинового двигателя 4Ч 8,2/7,56 методом конечных элементов, позволяющая учесть все составляющие теплового баланса и особенности газодинамического нагружения в ходе рабочего цикла.
Бесплатно
Статья научная
В ремонтном производстве для изготовления модульных колес применяется зубофрезерование дисковыми фрезами на универсальных горизонтально-фрезерных станках. В случае производства прямозубых колес в зависимости от числа их зубьев используются фрезы заданного в ОСТ2 И 41-14-87 номера из выбранного стандартного набора фрез. В случае фрезерования косозубых колес требуются фрезы со специальным профилем, расчет которого выполняется в два этапа. На первом этапе реализуется решение прямой задачи расчета данного профиля аналитическим методом или с применением современных CAD-программ. На втором этапе выполняется решение проверочной задачи, связанной с нахождением профиля зубчатого колеса, который будет сформирован спроектированной фрезой. Поскольку профиль фрезы относится к классу выпукло-вогнутых профилей, решение такой задачи с использованием современных CAD-программ все еще является проблематичным. Одним из способов решения этой задачи остается традиционный аналитический подход, при этом его реализация на практике легко осуществима для фрез с профилем, аппроксимированным отрезками прямых линий. Именно такой подход был реализован в настоящем исследовании, которое показало, что при решении прямой задачи в программе Solidworks получаемый профиль колеса практически полностью совпадает с его исходным профилем. Вторым этапом данного исследования было изучение возможности применения стандартных модульных фрез с отличающимися от требуемых по указанному стандарту номерами. Практическая целесообразность такого подхода заключается в использовании дешевых стандартных фрез, предназначенных для описанных в указанном стандарте случаев обработки прямозубых колес применительно к случаям фрезерования косозубых колес. Выполненный пример расчета для случая колеса с 34 зубьями, модулем 4,5 мм, углом наклона зубьев 29 градусов показал, что применение фрезы с номером 8 дает на вершине зуба максимальное отклонение вышеуказанных профилей в пределах 117 мкм. Подточка в ремонтном производстве стандартной фрезы на указанную величину обычно не вызывает трудностей, что позволит получить колесо требуемой точности с практически отвечающим чертежу профилем зуба или заготовку под последующую чистовую операцию.
Бесплатно
Методика поиска оптимального управления процессом разгона автомобилей
Статья научная
Описано поведение разгоняющегося автомобиля как динамической системы. В среде MATLAB реализована математическая модель и разработан алгоритм, позволяющий найти оптимальное управление процессом разгона для достижения наилучшей экономичности.
Бесплатно
Статья научная
Способ плоского шлифования с применением кругов с аксиально-смещенным режущим слоем (АРС) и осцилляции заготовки позволяет повысить производительность процесса обработки по сравнению с маятниковым шлифованием и получить на обработанной поверхности детали ненаправленный микрорельеф, что повышает ее износостойкость, маслоемкость и другие эксплуатационные характеристики. В работе приведена методика экспериментальных исследований процесса обработки. Цель экспериментальных исследований состоит в проверке основных положений и результатов проведенных теоретических исследований и данных, полученных при помощи разработанной программы имитационного моделирования. Исследуется влияние глубины шлифования, числа проходов инструмента, скорости осцилляции и угла наклона шлифовального круга с АРС на шероховатость получаемой поверхности детали, а также на производительность обработки. Обработка производится на плоскошлифовальном станке с применением пары шлифовальных кругов одной марки, из которых один круг прямого профиля, второй имеет аксиальное смещение. Заготовки для экспериментов проходили предварительную технологическую обработку с получением на рабочих поверхностях заданной шероховатости и соответствующей твердости. В процессе проведения исследований СОТС не используется в связи с отсутствием необходимости применения по результатам теоретических исследований, а также с целью устранения сбоев или снижения точности показаний применяемого датчика осцилляций. Для сообщения осцилляций заготовке применяется оригинальная конструкция установки, имеющая инерционный источник колебаний. Привод осуществляется от коллекторного электродвигателя с возможностью бесступенчатой регулировки скорости вращения. Для контроля скорости вращения двигателя и амплитуды осцилляций применяется биполярный датчик Холла, устанавливаемый в паре с магнитом на подвижную и неподвижную плиты установки соответственно. При помощи индикатора часового типа контролируется амплитуда колебаний магнитной плиты в вертикальном направлении. Шероховатость детали измеряется на профилографе-профилометре. Экспериментальные данные обрабатываются на ПЭВМ с применением многофакторного регрессионного анализа методом наименьших квадратов. Приведенная методика позволяет с достаточной степенью точности получить экспериментальные данные процесса плоского шлифования с применением кругов с АРС и осцилляции заготовки и сопоставить их с результатами проведенных теоретических исследований процесса и установить адекватность полученных математических моделей и разработанной программы имитационного моделирования.
Бесплатно
Статья научная
Представлены математические модели, позволяющие определять выходные характеристики и параметры рабочего процесса ракетных двигателей малой тяги на компонентах топлива «газ + газ», «газ + жидкость». Предложена методика проектирования ракетных двигателей малой тяги на основе численного моделирования внутрикамерных процессов.
Бесплатно
Методика расчета адсорбционных процессов в малых зазорах проточной части приводов высокого давления
Статья научная
В статье предлагается метод количественного описания адсорбционного процесса на поверхностях малых зазоров проточной части гидравлических аппаратов. Анализируется вклад адсорбции в трибологические характеристики пар трения и зависимость процесса от высоких давлений. Авторами рассматриваются механизмы образования адсорбционных пленок. Приводятся способы проведения при помощи ротационного вискозиметра высокого давления замеров параметров рабочей среды, необходимых для расчета по ним требуемых входных величин. Указываются преимущества использования в расчетах линейных величин молекулярной цепи, рассчитанных из соотношений Ван-дер-Вальсовых объемов и площадей Ван-дер-Вальсовых поверхностей. Описаны алгоритмы расчета влияния высоких давлений на значения Ван-дер-Вальсовых объемов, площадей Ван-дер-Вальсовых поверхностей и связанных с ними параметров. Приведены примеры расчета зависимости адсорбции поверхностно-активного вещества от рабочего давления. Показана численная зависимость толщены адсорбционного слоя от изменения давления для ряда значений давления. Описан метод определения течения физико-химических превращений по значениям времени диэлектрической релаксации. Данный метод позволяет определять значения давлений соответствующих появлению реологических эффектов в рабочей среде. Приведен пример реологического эффекта, возникающего в малых зазорах под действием образующихся адсорбционных слоев. Экспериментально подтверждено наличие фазовых и структурных превращений в малых зазорах гидравлических приводов высокого давления. Также экспериментально доказано наличие описываемых реологических эффектов в зазорах меньше 10 мк для жидкостей углеводородного состава и их отсутствие подобных эффектов в объеме идентичной углеводородной среды при таких же давлениях. Произведен анализ полученных результатов.
Бесплатно
Методика расчета системы охлаждения электрических двигателей в составе трансмиссии колесной машины
Статья научная
Приведены результаты моделирования системы охлаждения электрического двигателя с различной организацией циркуляции жидкости в рубашке охлаждения, уточнена классическая методика расчета.
Бесплатно
Методика расчетно-экспериментального исследования трансмиссии автомобиля
Статья научная
Представлена методика расчетно-экспериментального исследования, математическая модель и ходовая лаборатория на базе автомобиля УАЗ-31512, предназначенные для дорожных испытаний трансмиссии.
Бесплатно
Статья научная
Представлены основные положения методики расчёта, позволяющей учитывать влияние неньютоновских свойств моторных масел на работу сложнонагруженных подшипников скольжения; а также область её возможного применения и результаты оценки влияния указанных свойств на работу подшипников скольжения коленчатого вала двигателя 4ЧН 13/15.
Бесплатно
Статья научная
Обеспечение требуемого уровня надёжности машин и механизмов на этапе проектирования всегда было актуальным. Для этого на разных этапах проектирования применяется широкий спектр специализированного программного обеспечения, основу которого составляют математические модели, методы и методики расчёта отдельных сопряжений деталей машин. Подшипники скольжения, как правило, являются сопряжениями, лимитирующими надёжность и ресурс машин, поскольку отказы подшипников приводят к остановке машин и производственных процессов. Всё большую актуальность проблема прогнозирования и обеспечения технического ресурса машин приобретает в связи с ростом их нагруженности (в частности, ДВС). Данная статья описывает методику расчёта ресурса гидродинамических подшипников скольжения, основанную на совместном решении гидродинамической и контактной задач. Основу методики и её отличительную особенность составляет математическая модель вязкости смазочного материала, которая отражает явление образования и разрушения адсорбционного граничного слоя на поверхностях трения подшипника. Результатом решения гидродинамической задачи для подшипника скольжения является набор взаимосвязанных гидромеханических характеристик. Минимальная толщина смазочного слоя и её распределение по угловой координате или за цикл нагружения, параметры шероховатости поверхностей подшипника являются ключевыми для расчёта скорости изнашивания и ресурса подшипника. Представлен пример практического применения методики для оценки влияния индивидуальных противоизносных свойств моторного масла на скорость изнашивания шатунного подшипника коленчатого вала двигателя КамАЗ-740, а также влияние величины шероховатости поверхности вкладыша на нагрузочную способность подшипника. В качестве дальнейших направлений развития методики отмечены: оценка абразивного изнашивания подшипника, оценка усталостной долговечности поверхности вкладыша, а также разработка алгоритмов построения кривой износа подшипника.
Бесплатно
Статья научная
Рассмотрены особенности методики решения связанной задачи гидродинамической теории смазки и нелинейной динамики для механической системы «коленчатый вал на подшипниках скольжения». Цель исследования состоит в разработке комплексной расчетной методики оценки работоспособности коренных подшипников коленчатого вала для учета краевых эффектов, обусловленных перекосами осей подвижных и опорных элементов подшипников скольжения. Рассмотрена система коренных подшипников, взаимосвязанных посредством коленчатого вала и картера. Методика основана на совместном численном решении уравнений движения шеек коленчатого вала на смазочных слоях, дифференциального уравнения Рейнольдса для неньютоновской жидкости и теплового баланса для определения гидромеханических характеристик подшипников, а также уравнений пяти моментов для определения нагрузок, действующих на все коренные подшипники с учетом упругих свойств картера, многоопорного коленчатого вала, а также нелинейных свойств смазочных слоев, возможных смещений центров опор и шеек из-за технологических, тепловых и других факторов. При моделировании течения смазочного материала в зазоре каждого подшипника использована модель структурированного смазочного слоя, учитывающая образование на поверхностях трения высоковязких граничных слоев. Для определения упругих свойств блок-картера двигателя и коленчатого вала использованы трехмерные конечноэлементные модели конструкций. Методика позволяет оценивать одновременное влияние ряда конструктивных, технологических и эксплуатационных факторов на работоспособность системы коренных подшипников. Выполнена расчетная оценка гидромеханических характеристик коренных подшипников дизеля типа ЧН 13/15. Показано влияние газовых сил на упругие перемещения опор коленчатого вала.
Бесплатно
Методические аспекты применения численного прочностного анализа силового каркаса квадроцикла
Статья научная
Проектирование конструкции квадроцикла является сложной комплексной инженерной задачей, где разработка силовой несущей рамы является одной из приоритетных, что требует системной методологии. Сугубо аналитические подходы к расчетам, результаты которых могут использоваться при разработке объемной трубчатой рамной структуры, в настоящее время уходят в прошлое, поскольку применяемые в аналитических методах допущения дают существенную расчетную погрешность, что позволяет получить лишь очень приближенную картину распределения напряжений и возникающих деформаций конструкции. Также необходимо учесть, что современные технологии проектирования предусматривают одновременное применение разнообразных профилей не только круглого, но и более сложного сечения, что должно обеспечивать необходимую функциональность разных участков рамы (при обеспечении достаточно большого количества конструкционных требований, предъявляемых к ней), но существенно усложняет расчетные процедуры. При таких вводных данных предварительное виртуальное электронное моделирование реальных изделий в сочетании с последующим численным инженерным анализом является оптимальным и позволяет учесть различные конструктивные и технологические нюансы. Такие программные комплексы, как CATIA, относящиеся к PLM-системам (PLM - англ. product lifecycle management system), дают возможность в рамках единой интерактивной среды производить как моделирование изделий, так и, собственно, серию численных экспериментов. В условиях реального проектирования на производственных мощностях такие работы являются методологически не освоенными и новаторскими. Целью статьи является рассмотрение подходов к оптимизации конструкции силовой рамы квадроцикла с использованием программных компьютерных средств инженерного анализа и предварительно созданной электронной геометрической модели квадроцикла. В частности, затрагиваются вопросы подготовки модели для последующего конечно-элементного разбиения, оценки результатов численного исследования применительно к оценке работоспособности проектируемого силового каркаса квадроцикла в условиях использования компонентной базы ранее разработанных силовых рам мотоциклов и багги.
Бесплатно
Методологические принципы оптимизации распределения мощности между движителями колесных машин
Статья обзорная
Приведены методологические принципы и результаты определения оптимального характера распределения мощности между движителями колесной машины согласно сформулированной целевой функции и системе ограничений.
Бесплатно
Статья научная
Рассмотрены основные типы бесконтактных опор высокоскоростных роторных систем: принцип работы, их преимущества и недостатки, применение. В настоящее время наиболее распространены следующие типы бесконтактных опор: электромагнитные опоры, опоры на постоянных магнитах, газостатические, газодинамические и гибридные. Рассмотрены теоретические и практические методы их исследования. Отмечена высокая сложность классического теоретического расчета, основанного на совместном решении уравнений газовой динамики и механики, что приводит к невозможности аналитического решения и, соответственно, требует использования численных методов. Это, в свою очередь, вводит дополнительную погрешность уже на этапе расчета в дополнение к неизбежным допущениям в исходных уравнениях. В конечном итоге такой расчет можно использовать как оценочный и требующий обязательной экспериментальной проверки, в результате чего процесс проектирования бесконтактной опоры становится итерационным и, соответственно, дорогостоящим. Стоит отметить, что даже при незначительной разнице в характеристиках высокоскоростных роторных систем, такой проектировочный цикл требуется для каждой. На основании анализа публикаций предложен способ упрощения данной проблемы и намечены пути дальнейших исследований.
Бесплатно
Метрологическое обеспечение компьютерного моделирования точности обработки деталей
Статья научная
В статье рассмотрены проблемы применения стандартных определений параметров точности для различных поверхностей. Приведены примеры невозможности применения стандартных характеристик для оценки точности некоторых поверхностей. Показано, что аналогичные проблемы возникают при компьютерном моделировании процессов формообразования отверстий и расчете параметров точности. Приведены методики оценки параметров точности обработки отверстий.
Бесплатно
Статья научная
С каждым годом все сильнее расширяется область применения изделий из волоконно-армированных композитов (ВК). Несмотря на то, что зачастую подобные изделия изготавливаются готовой формы, полностью избежать обработки резанием в настоящее время не удается. Особенности структуры ВК и их компонентов обуславливают необходимость поиска специализированных решений для их механической обработки. Помимо традиционных операций, к которым относятся фрезерование и сверление, в настоящее время возникла потребность в резьбонарезании непосредственно в самих композитных заготовках, однако стандартный резьбонарезной инструмент не обеспечивает требуемое качество обрабатываемой резьбы. Инструменты для обработки заготовок из ВК должны обладать существенными конструктивными отличиями от традиционных с целью формирования рациональных условий резания на режущих клиньях. Таким образом, авторами данной статьи была разработана конструкция специального метчика с четным количеством встречно-направленных винтовых стружечных канавок. К особенностям данного метчика также относится и то, что при шлифовании резьбы на таком метчике дополнительно срезаются участки зубьев с четных и нечетных перьев в шахматном порядке, что позволяет исключить из работы неблагоприятные с точки зрения условий резания участки режущих кромок. Однако такая конструктивная особенность обуславливает необходимость разработки специализированных технологических решений, которые позволят эффективно изготовить подобный метчик. Одной из наиболее проблемных операций в изготовлении данного метчика становится затылование по профилю резьбы. Таким образом, в данной работе помимо определения основных конструктивных параметров таких метчиков проведен расчет максимального радиуса абразивного инструмента для их затылования по профилю резьбы.
Бесплатно
Механизм свободного хода релейного типа
Статья научная
Описываются новые перспективные конструкции механизмов свободного хода. В этих конструкциях через заклинивающие элементы механизмов передается только часть вращающего момента, а основная его часть передается через фрикционные поверхности, что позволяет разгрузить заклинивающие элементы и значительно повысить надежность и долговечность механизмов свободного хода по сравнению с известными схемами. Проведено исследование перераспределения величины крутящего момента, передаваемого через заклинивающие элементы и фрикционные дисковые поверхности. Показана принципиальная возможность снижения величины передаваемого момента через заклинивающие элементы в десятки и сотни раз.
Бесплатно
Многоспицевая безвоздушная шина из композита: прочность и жесткость
Статья научная
Представлена многоспицевая модель безвоздушного колеса, обладающая характеристиками прочности и жесткости, сравнимыми с традиционными пневматическими шинами. В качестве начальной схемы была выбрана конструкция колеса с наклонными спицами, отличающаяся надёжностью и универсальностью за счет возможности изменения формы и угла наклона спиц. Для обоснования конструкции безвоздушного колеса были выполнены предварительные аналитические исследования. Начальные параметры конструкции колеса и действующие нагрузки выбраны на основе аналога - пневматической шины 7,50-20. Были определены зависимости жесткости и прочности гибких спиц от их геометрических параметров и физико-механических свойств конструкционного материала методом сопротивления материалов. Работоспособность полученной конструкции была проверена с помощью анализа напряженно-деформированного состояния методом конечных элементов (МКЭ), при двух основных режимах нагружения транспортного средства: максимальная сила тяги и максимальная статическая нагрузка. МКЭ позволил уточнить параметры спиц, принимая во внимание неравномерность нагружения спиц по окружности колеса, получить нелинейную нагрузочную характеристику безвоздушного колеса (аналогично пневматическому колесу) учитывая возможность контакта спиц между собой при превышении определенного уровня нагрузки. Таким образом, обеспечены размеры необходимого пятна контакта колеса с опорной поверхностью и высокая жесткость при повышенных нагрузках. Полученные результаты позволяют считать предложенную многоспицевую конструкцию безвоздушной шины вполне работоспособной, обладающей повышенной надежностью и возможностью применения в гражданских и военных транспортных средствах.
Бесплатно
Многоспицевая безвоздушная шина из композита: тепловое состояние
Статья научная
В работе представлен анализ установившегося теплового состояния композитных спиц безвоздушного колеса (шины) при движении. Нагрев спиц на высоких скоростях движения - один из основных недостатков безвоздушных колес, проявляемый вследствие наличия внутреннего трения в материалах, поглощающего часть энергии деформации. Повышенная температура материалов колеса оказывает существенное влияние на его работоспособность, так как снижает механические свойства материалов, создает дополнительное термонапряженное состояние и ведет к деградации материала. Рациональным решением данного вопроса является использование современных расчетных методов вместе с применением композитных материалов, обладающих малым внутренним гистерезисным демпфированием. Рассеянная энергия деформирования, представляющая собой площадь петли гистерезиса, определяется вязкоупругими свойствами материала и деформациями при нагружении. Необходимые для расчета теплового состояния вязкоупругие свойства стеклопластика были определены экспериментальным путем на динамическом механическом анализаторе DMA 242 C (NETZSCH). Деформации спиц колеса определены из расчета на статическую прочность, с учетом нюансов предложенной конструкции. Полученные данные были использованы для расчета внутреннего нагрева спиц колеса при движении на двух скоростях: 5 и 90 км/ч. Результаты проведенной работы позволяют считать предложенную многоспицевую конструкцию безвоздушной шины вполне работоспособной, обладающей низким тепловыделением и возможностью применения в гражданских и военных транспортных средствах, в целях повышения надежности и снижения инфракрасной заметности.
Бесплатно
Многоступенчатая электромеханическая трансмиссия промышленного дизель-электрического трактора
Статья научная
Предлагается принципиальная схема многоступенчатой электромеханической трансмиссии промышленного дизель-электрического трактора, обеспечивающей автоматическое регулирование тяговых усилий и скоростей движения трактора в широком диапазоне при относительной стабилизации нагрузки приводного теплового двигателя за счет его работы в режимах с наиболее высокой эффективностью.
Бесплатно
