Electric power steering is the most commonly used solution in passenger cars. It is a more economical and reliable solution than the hydraulic equivalent. Its main parts are usually the rack, pinion, and worm wheel, which are subject to wear during driving. A steering gear that works incorrectly poses a direct threat to the safety of the driver and other road users. The paper presents various types of electric power steering gears, with a particular emphasis on the problems that arise during the design of the pinion and rack. In this paper, a new electric power steering system consisting of a steering gear with two pinions working on a common toothing of the rack (TPEPS) is proposed. The benefits of placing two pinions on one tooth set of a steering rack are described, which eliminates many problems during production, and thus allows the reduction in production costs. As part of the analysis, design challenges for a new type of transmission are presented, taking into account key customer requirements, with a particular emphasis on durability and ensuring the desired noise level, which is important due to the replacement of cars with an internal combustion drive with an electric drive. This paper presents selected friction and noise test results for a new power steering system. A comparison is made with a system that has two pinions and different teeth on the rack (DPEPS). The results indicate that the new system could become an alternative solution due to its lower friction value and lower noise.
PL
Elektryczne wspomaganie kierownicy jest najczęściej stosowanym rozwiązaniem w samochodach osobowych. Jest to rozwiązanie bardziej ekonomiczne i niezawodne niż hydrauliczny odpowiednik. Jego głównymi częściami zazwyczaj są zębatka lub ślimak, które podczas jazdy ulegają zużyciu. Przekładnia kierownicy działająca nieprawidłowo stwarza bezpośrednie zagrożenie dla bezpieczeństwa kierującego pojazdem i innych uczestników ruchu drogowego. Wpływa to również na hałas. W pracy przedstawiono różne rodzaje przekładni kierowniczej ze wspomaganiem elektrycznym ze szczególnym uwzględnieniem problemów, które pojawiają się podczas projektowania zębnika i listwy zębatej. W pracy zaproponowano nowy układ elektrycznego wspomagania kierownicy składający się z przekładni kierowniczej z dwoma zębnikami pracującymi na wspólnym uzębieniu listwy zębatej (TPEPS). Opisano korzyści płynące z umieszczenia dwóch zębników na jednym uzębieniu listwy zębatej, które niwelują wiele problemów podczas produkcji, a tym samym pozwalają na obniżenie kosztów wytworzenia. W ramach analiz przedstawiono wyzwania konstrukcyjne dla nowego typu przekładni z uwzględnieniem kluczowych wymagań klienta. W pracy przedstawiono wybrane wyniki badań tarcia i hałasu dla nowego układu wspomagania kierownicy. Porównano jest z układem, który posiada dwa zębniki na różnym uzębieniu na listwie zębatej (DPEPS). Wyniki wskazują, że nowy układ może stać się alternatywnym rozwiązaniem ze względu na niższą wartość tarcia oraz mniejszy hałas.
Gearboxes are one of the most important and widely exposed to different types of faults in machines. Therefore, manufacturers and researchers have made significant efforts to develop different fault detection and diagnostic approaches for gearboxes. However, many research foundations, such as universities, are currently working on developing different gearbox test rigs to understand the failure mechanisms in gearboxes. As a result, in this article, a gearbox testing rig was proposed and fabricated to evaluate gear performance under lowspeed working conditions. It describes the primary mechanical apparatus and the measurement tools used during the experimental analysis of a multistage gearbox transmission system. The data-gathering equipment used to acquire the observed vibration data is also discussed. LabVIEW software was used to build a data acquisition platform using an accelerometer and a NI DAQ device. Then different vibration tests were conducted under different operating conditions, when the gearbox was healthy and then faulty, on this test rig, and the gathered vibration data were analyzed based on time domain signal analysis. The preliminary results are promising and open the horizon for simulating different gearbox test scenarios.
The integrated geometrical product specification (GPS) system for workpiece geometry specification and verification is an improved engineering tool for product development and production. The goal of the GPS system is to provide tools for cost-effective management of variability in products and processes. This can be achieved by using a more precise way of expressing the functional requirements of the workpiece, complete and well-defined specifications and integrated verification approaches. The intended function of the product is ensured by controlling the geometry and material properties of the workpiece parts, which make up the product. GPS is a language just for checking geometry, and further development is based on computational mathematics and correct, consistent logic using general sets of rules that can be applied to all types of specifications. This article deals with the application of GPS rules in the design of gearboxes.
A new test rig for tribological tests was developed and manufactured. It consists of a mobile device for measurement of the start-up friction torque of transmissions, in particular planetary gearboxes, and the friction torque in dynamically steady conditions, as well as a climatic chamber to stabilize the temperature of the tested gearbox in its extreme range: from -50 to +50°C. In the series of devices for tribological tests, developed and manufactured at the Institute, the new test rig is marked with the symbol T-34. The verification results correspond with the churning losses related to the viscosity characteristics of the lubricating oils. As the temperature increases, both the start-up friction torque and the friction torque under dynamically steady conditions decrease.
PL
Przedstawiono nowe stanowisko do badań tribologicznych. Składa się ono z mobilnego urządzenia do badania momentu rozruchowego przekładni zębatych, w szczególności planetarnych, oraz momentu tarcia w warunkach dynamicznie ustalonych, a także z komory klimatycznej do stabilizowania temperatury badanej przekładni w skrajnym jej zakresie: od -50 do +50°C. W typoszeregu urządzeń do badań tribologicznych, opracowanych i wytwarzanych w Instytucie, nowe stanowisko posiada symbol T-34. W ramach weryfikacji działania nowego stanowiska uzyskano wyniki badań momentu tarcia przekładni planetarnych, odpowiadające charakterystyce lepkościowej oleju smarowego. W miarę wzrostu temperatury zarówno moment rozruchowy, jak i moment tarcia w warunkach dynamicznie ustalonych spadają.
The paper deals with the design approach of a subdefinite mechatronic system and focuses on the sizing stage of a gearbox of a wind turbine based on the interval computation method. Indeed, gearbox design variables are expressed by intervals to take into account the uncertainty in the estimation of these parameters. The application of the interval computation method allows minimizing the number of simulations and enables obtaining a set of solutions instead of a single one. The dynamic behavior of the gearbox is obtained using the finite element method. The challenge here is to get convergent results with intervals that reflect the efficiency of the applied method. Thus, several mathematical formulations have been tested in static study and evaluated in the case of a truss. Then the interval computation method was used to simulate the behavior of the wind turbine gearbox.
Compound fault detection of gearboxes is an ambitious matter considering its interconnection and complication. An innovative means for compound fault detection based on time synchronous resample (TSR) and adaptive variational mode decomposition (AVMD) is put forward in this work. TSR used in the method can enhance fault signals of synchronous shaft gears by eliminating signal components independent of synchronous shaft. Therefore, the TSR is used to separate the synchronous shaft signal corresponding to the gear fault from the raw compound fault signal. Then a series of mode components are obtained by decomposing the synchronous shaft signals of all faults by AVMD. The variational mode decomposition (VMD) can overcome the mode aliasing problem of empirical mode decomposition (EMD), but the decomposition effect of VMD is affected by its parameter setting. Thus, the paper proposes an AVMD algorithm based on whale optimization algorithm (WOA). In the AVMD, the WOA is used to optimizes the parameters of the VMD. After AVMD decomposition, the correlated kurtosis of the mode components obtained by AVMD decomposition is calculated. Then the mode components with the maximum correlated kurtosis are selected to carry out envelope analysis. Finally, the compound fault feature can be found from the envelope spectrum to get the diagnosis results. In order to test the validity of the proposed method, a compound fault experiment is implemented in a gearbox. Through the analysis of the experimental data, it is proved that the method shows a good performance in the compound fault detection of gearbox.
PL
Wykrywanie złożonych błędów przekładni stanowi trudne zagadnienie ze względu na ich skomplikowany charakter i powiązania wewnętrzne. W pracy zaproponowano nowatorską metodę wykrywania błędów złożonych opartą na synchronicznym próbkowaniu wtórnym (TSR) oraz adaptacyjnej metodzie wariacyjnej dekompozycji modalnej (AVMD). TSR pozwala wzmacniać sygnały błędów występujących w synchronicznych przekładniach walcowych, dzięki eliminacji składowych sygnału niezwiązanych z działaniem wału synchronicznego. Dlatego też w przedstawionych badaniach, TSR wykorzystano do wyodrębnienia sygnału wału synchronicznego odpowiadającego błędowi przekładni, z surowego sygnału błędu złożonego. Następnie wszystkie sygnały błędu wału synchronicznego poddano dekompozycji za pomocą AVMD, dzięki czemu otrzymano szereg składowych modalnych. Wariacyjna dekompozycja modalna (VMD) pozwala uniknąć problemu aliasingu, który występuje w przypadku empirycznej dekompozycji modalnej (EMD), przy czym efekt dekompozycji zależy od ustawień parametrów. Dlatego w artykule zaproponowano adaptacyjny algorytm VMD oparty na algorytmie optymalizacji wielorybów (WOA), który optymalizuje parametry VMD. Następnym krokiem po dekompozycji AVMD, było obliczenie skorelowanej kurtozy składowych modalnych otrzymanych na drodze tej dekompozycji. Składniki modalne o najwyższych wartościach skorelowanej kurtozy wykorzystano do przeprowadzenia analizy obwiedni. Błąd złożony wykrywano na podstawie widma obwiedni. Skuteczność proponowanej metody sprawdzono przeprowadzając doświadczenie na przekładni, w której występował błąd złożony. Wyniki eksperymentu pokazują, że proponowane podejście stanowi skuteczną metodę wykrywania złożonych błędów.
The article presents theoretical research of a transmission system that allows examination of the dynamic processes evaluating different sizes of defects in gear tooth (0%, 20%, 50%, 80% of teeth width) and gaps between the connection of the gear teeth. The dynamics of the transmission is described using the finite element method and discreet elements. This paper presents and analyzes the results of mathematical experiments on this system.
This article presents results of the numerical analysis of cycloidal gearbox, which were obtained in MSC Adams engineering software. Multibody geometry for dynamical analysis was designed in Autodesk Inventor Professional 2017 and imported in MSC Adams. The results of analysis are forces acting on the internal and external sleeves, position, velocity and acceleration of the selected points on the cycloidal gearbox’s moving components. Indirect result is time course of the torque at output shaft which was calculated on the basis of forces acting on the internal sleeves, which are parts of the equilibrium mechanism and displacements of these sleeves. Knowledge about cycloidal gearbox’s loading conditions is important in its design process. Main advantage of a cycloidal gearbox is distribution of the forces on multiple external sleeves, while in majority of other gears only one tooth is in contact at a time.
The velocity profile of a passenger car in synthetic American and European driving ycles significantly deviates from the real one, resulting from temporary movement. Velocity profile has a substantial impact on drivetrain indicators in the form of mileage fuel consumpion, emissions, drivetrain efficiency and energy consumption. A comparison of different simulated velocity profiles was conducted regarding their effect on energy consumption. The effect of drivetrain design on analyzed parameters was also determined. Simulation results also allowed to compare different drivetrain management modes correspondent with different driving styles. Obtained results were presented both in synthetic form, as well as momentary drivetrain operating conditions.
PL
Realizowany profil prędkości ruchu samochodu osobowego w cyklach syntetycznych europejskich i amerykańskich znacząco odbiega od rzeczywistego, wynikającego z chwilowych warunków ruchu. Profil prędkości ma znaczący wpływ na wskaźniki pracy układu napędowego w postaci przebiegowego zużycia paliwa, emisji substancji szkodliwych, sprawności napędu czy energochłonności ruchu. W badaniach symulacyjnych dokonano porównania różnych profili prędkości, pod kątem ich wpływu na energochłonność ruchu. Określono również wpływ konstrukcji układu napędowego na analizowane parametry. Wyniki symulacji pozwoliły również na porównanie różnych trybów sterowania układem napędowym odpowiadającym różnym stylom jazdy. Otrzymane wyniki przedstawiono zarówno w postaci syntetycznej jak również chwilowych warunków pracy układu napędowego.
In this paper, we define a resolution method to study the effect of a porous material on vibro-acoustic behavior of a geared transmission. A porous plate is coupled with the gearbox housing cover. The developed model depends on the gearbox characteristic and poroelastic parameters of the porous material. To study the acoustic effect of the housing cover, the acoustic transmission loss is computed by simulating numerically the elastic-porous coupled plate model, and the numerical implementation is performed by directly programming the mixed displacement-pressure formulation. To study the vibration effect, the bearing displacement is computed using a two-stage gear system dynamical model and used as the gearbox cover excitation. Numerical implementation is performed by direct programming of the Leclaire formulation.
The article presents the results of a laboratory gear stage with regard to deepening its consumption. In addition, the study looked at the construction of the transmission gearbox of a military helicopter, according to the basic kinematic results of the analysis of vibroacoustic signals, in order to determine the diagnostic criteria for the assessment of the technical condition of a military helicopter’s transmission gearbox.
Dangerous vibrations of mechanical systems’ components are causes of failures and reduction in service life, as well lead to negative effects on the environment and the health of operators. In order to reduce these unwanted vibrations, it is necessary to pay attention to the proper design of components in mechanical systems. The aim of this article is based on the experimental measurements and demonstration of the effects of different types of flexible couplings on the size of vibration in a gearbox that forms part of a mechanical system.
W pracy przedstawiono wyniki pomiarów temperatury i drgań obudowy przekładni zębatej dla wariantu z ograniczeniem i bez ograniczenia wymiany ciepła. Na podstawie tych pomiarów stwierdzono wzrost temperatury korpusu przekładni z nałożoną izolacją, ale nie uzyskano jednoznacznego potwierdzenia wzrostu wartości drgań dla tego wariantu.
EN
The paper presents the results of measurements of temperature and vibration gear housing for variants of limitation and without limitation heat exchange. On the basis of these measurements showed an increase of temperature for the housing with the applied insulation, but not found growth of vibrations for this variant.
In this paper, the nonlinear dynamic response in a wind turbine system is considered and the quantification of uncertainty effects on the variability of this nonlinear response is investigated. Under dynamic conditions, a lumped model with 12 degrees of freedom is proposed taking into account the uncertainty associated to the power coefficient of the input aerodynamic torque. The dynamic response of the two-stage spur gear system is obtained using ODE45 solver of Matlab. The Polynomial Chaos (PC) method is used to introduce the uncertainties on the proposed model. A comparison between the two dynamic responses given by the proposed lumped dynamic model takes into account the uncertainty. It is performed on the existed model without uncertainty. Thus, the efficiency and robustness of the proposed new methodology is evaluated.
The article describes the mechanical system developed at our department. It examines shaft couplings and their impact of torsional oscillation and vibrations on noisiness of the mechanical system. The noisiness of the mechanical system is compared with the vibrations measured in a given mechanical system. The article also presents the apparatus used for measurements. Every device is described in detail and highlights its use in practice. These devices were used for measurements in the laboratory and the results of the measurements are shown in the graphs. From the results, we can evaluate that vibration and noisiness are closely related. A detailed evaluation of the changes of individual values using a variety of shaft couplings is summarized at the end of the article.
W artykule omówiony został wpływ zużycia zębów skrzyni biegów w samochodzie na generowany sygnał przyspieszenia drgań mierzony na obudowie tej skrzyni. Sygnał został przetworzony trzema metodami: analizy widmowej FFT, filtracji cyfrowej oraz analizy falkowej. Następnie opracowano miary różnicujące stan przekładni dla każdej metody, które porównano ze sobą. Miary te mogą zostać użyte do diagnozowania stanu przekładni skrzyni biegów w sposób automatyczny.
EN
Paper discussed the impact of tooth wear generated in the car gearbox on the acceleration vibration signal measured on the gearbox housing. The signal was processed by three methods: FFT spectral analysis, digital filtering and wavelet analysis. Then the measures to differentiate condition of gears for each method were developed. These measures can be used to diagnose the state of gears gearbox automatically.
18
Dostęp do pełnego tekstu na zewnętrznej witrynie WWW
W artykule opisano wybrane współczesne układy napędowe przeznaczone głównie do zastosowań w technice wojskowej. Omówiono najważniejsze cechy układów typu power-pack oraz ich budowę. Na bazie wybranych przykładów polskich aplikacji zostały zestawione najważniejsze parametry techniczne. Ponadto w tabelach podano znane przykłady wdrożonych zastosowań modułowych układów napędowych w pojazdach lądowych: bojowych wozach piechoty oraz czołgach.
EN
This article describes some of the modern drive systems are primarily designed for use in military technology. Discusses the main features of the type of system power-pack, and their construction. On the basis of selected examples of Polish applications are compiled from the most important technical parameters. In addition, the tables show known examples of applications implemented modular drive systems for land vehicles: cars combat infantry and tanks.
Artykuł przybliża ideę oraz przedstawia działanie specjalistycznego analizatora do badań wibrodiagnostycznych możliwego do zastosowania na stanowiskach badawczych do badań skrzyń biegów, a także przedstawia wyspecjalizowany system monitorujący. Przedstawione zostały najczęściej stosowane metody analiz, kwestie obliczenia numerów rzędów potrzebne do powiązania wibracji z ich fizycznym źródłem w skrzyni biegów. Opisano wymagane informacje i sygnały przesyłane między stanowiskiem, a systemem analizy wibrodiagnostycznej. Opisano w jaki sposób wykorzystać wykresy wodospadowe w celu analizy zużywania się skrzyni biegów.
EN
Article introduces the concept and illustrates the operation of the specialized vibro-diagnostics analyzer possible to apply in transmission testing stands and presents specialized monitoring system. Most commonly used methods of analysis, issues concerning the calculation of rows of numbers needed to relate to their physical vibration source in the gearbox we presented. Described the required information and signals transmitted between the testbed and vibro-diagnostic analysis system. Described how to use graphs to analyze the waterfalls in the gearbox wear.
W artykule przedstawiono metodę wyznaczania zarysów zębów przekładni zębatej specjalnego przeznaczenia. W przekładni tej zębnik (walcowe koło zębate o zębach prostych) odtacza się bez poślizgu po wewnętrznie uzębionej listwie zębatej. Kształt uzębienia listwy oraz prowadnic osi zębnika zapewnia żądane przemieszczenia osi zębnika względem listwy. Krzywa toczna listwy zębatej stanowi zamkniętą pętlę zawierającą odcinki proste, łuki okręgów oraz początkowe fragmenty klotoidy. Celem zastosowania fragmentów klotoidy w definicji krzywej tocznej listwy zębatej jest zmniejszenie obciążeń dynamicznych związanych ze zmianą kierunku ruchu osi zębnika. W artykule przedstawiono metodę wyznaczania zarysów zębów na fragmencie uzębienia, którego krzywą toczną jest klotoida. Podano opisy matematyczne krzywych definiujących zarysy boków tych zębów. Poprawność metody zweryfikowano poprzez wykonanie modelu komputerowego przekładni oraz komputerową, kinematyczną symulację jej działania.
EN
In the paper, a method of defining a teeth profile of gearbox designed for a special purpose is presented. In the gearbox, a pinion (cylindrical gear with straight teeth, a spur) rolls without slipping on a internally toothed curved rack. The shape of the teeth of the rack and the shape of the pinion’s slide provide the desired displacement of the pinion axle in relation to the rack. The pitch curve of the rack is a closed loop including straight segments, arcs of circles and initial fragments of the clothoid. The aim of using the clothoid as the fragments of the pitch curve of the rack is to reduce the dynamic loads associated with the change of direction of motion of the pinion axis. The article describes the method of determining the teeth profiles based on the clothoid pitch curve. A mathematical description of curves defining the profiles of these teeth is given. The validity of the method was verified with a computer model of the transmission and then virtual kinematic simulation of its operation.
JavaScript jest wyłączony w Twojej przeglądarce internetowej. Włącz go, a następnie odśwież stronę, aby móc w pełni z niej korzystać.