Modifiziertes Design des Maiserntegetriebegetriebes für eine längere Lebensdauer

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 15576 (2022) Diesen Artikel zitieren

844 Zugriffe

1 Zitate

Details zu den Metriken

Das Getriebe hat den Vorteil, dass es das Drehmoment und die Drehzahl entsprechend dem Übersetzungsverhältnis ändern kann und eine hohe Kraftübertragungseffizienz aufweist, indem es die Kraft durch den Kontakt des Zahnradpaares überträgt. Bei der Bewertung der Festigkeit und Ermüdungslebensdauer eines Getriebes unter Verwendung einer Auslegungslast oder einer äquivalenten Last besteht die Möglichkeit, dass die Ergebnisse stark von den tatsächlichen abweichen. Daher wurde in dieser Studie die Lastdauerverteilung (LDD), die auf der Grundlage der tatsächlichen Arbeitsbelastung erstellt wurde, verwendet, um die Festigkeit und Ermüdungslebensdauer des Getriebes zuverlässig zu bewerten. Als Ergebnis der Bewertung der Festigkeit und Ermüdungslebensdauer des Getriebes mithilfe von LDD wurde bestätigt, dass das vorhandene Getriebe die angestrebte Lebensdauer in der Betriebsumgebung nicht erfüllte. Daher wurden die Gründe für diese Ergebnisse analysiert und auf der Grundlage der analysierten Ergebnisse wurden Designänderungen durchgeführt. Als Ergebnis der Konstruktionsänderung verringerte sich die Wellendurchbiegung durch die Neuanordnung der Lager, von einem freihängenden Typ zu einem Spreiztyp, wodurch die Ermüdungslebensdauer von Zahnrädern und Lagern verbessert wurde. Schließlich wurde die auf die Zahnoberfläche wirkende Lastverteilung durch Mikrogeometriemodifikation der Zahnräder verbessert.

Ein Getriebe ist ein Maschinenelement zur Kraftübertragung, das in verschiedenen Bereichen weit verbreitet ist1. Ein Getriebe ist ein Kraftübertragungssystem, das aus Zahnrädern, Wellen, Lagern und Gehäusen besteht. und die in die Welle eingegebene Leistung wird über das Antriebszahnrad (hier Ritzel) auf das angetriebene Zahnrad (hier Zahnrad) übertragen. Wenn die Leistung über ein Zahnradpaar übertragen wird, ergibt sich außerdem der Vorteil, dass die Drehzahl und das Drehmoment durch Ändern des Übersetzungsverhältnisses gesteuert werden können, da das Übersetzungsverhältnis die Drehzahl und das Drehmoment ändert. Die Leistung eines Getriebes kann anhand von Parametern wie Ermüdungslebensdauer, Geräusch, Vibration und Kraftübertragungseffizienz bewertet werden. Da die Ermüdungslebensdauer bestimmt, ob das Getriebe funktioniert oder nicht, muss die Lebensdauer des Getriebes zuverlässig vorhergesagt und bewertet werden2.

Um die Leistung des Getriebes zuverlässig vorhersagen und bewerten zu können, ist es notwendig, die auf das Getriebe wirkende Belastung genau zu definieren. Die Belastungsgröße der auf das Getriebe einwirkenden Last, die Dauer der Belastung und der Schwankungsbereich der Last werden je nach Zweck und Einsatzumgebung des Getriebes bestimmt. Allerdings ist es schwierig, die auf das Getriebe wirkende Belastung numerisch zu definieren. Daher verwendeten viele Forscher die Theorie des kumulativen Ermüdungsschadens auf der Grundlage der Palmgren-Miner-Regel und prognostizierten und bewerteten die Getriebeleistung unter äquivalenten Lastbedingungen mithilfe des Durchschnittskonzepts3,4. Die Verwendung der äquivalenten Last bei der Bewertung der Getriebeleistung kann zwar die Berechnungszeit verkürzen, hat jedoch den Nachteil, dass die Auswirkungen von Lastschwankungen und Spitzenlasten, die auf das Getriebe wirken, nicht berücksichtigt werden können. Darüber hinaus ist der Ermüdungsschadensexponent, der zur Ableitung der äquivalenten Belastung verwendet wird, ein Wert, der je nach Ausfallart jedes Elements, aus dem das Getriebe besteht, variiert. In der Konstruktionsphase kann der Exponent für Ermüdungsschäden nicht genau bestimmt werden, da die wichtigsten Ausfallarten des Getriebes nicht im Voraus verfügbar sind5,6,7.

Dong et al.8 führten eine Studie über die Auswirkung schwankender Windgeschwindigkeit auf die Ermüdung des Getriebekontakts eines Windkraftgetriebes durch. Zur Umsetzung der Windgeschwindigkeitsschwankungen wurde die Getriebekontaktermüdung anhand von insgesamt 11 verschiedenen, in der Literatur verfügbaren Windgeschwindigkeiten analysiert. Da diese Analyse jedoch nicht die praktische Umgebung widerspiegelte, in der das Getriebe einer Windkraftanlage tatsächlich verwendet wird, waren die Zuverlässigkeit der Analyseergebnisse begrenzt. Patel und Joshi9 führten eine Design- und Ermüdungsanalyse des Getriebeträgers durch und bestätigten, dass sich seine Ermüdungslebensdauer je nach Material und Form änderte. Die Analyse litt jedoch unter denselben Einschränkungen wie die vorherige Studie und zusätzlich unter der zusätzlichen Einschränkung, dass sie nur unter einer Lastbedingung durchgeführt werden konnte. Du et al.10 führten eine Studie durch, um die Ermüdungslebensdauer des Getriebes eines Kettenfahrzeugs mithilfe eines Fahrsimulationstests vorherzusagen. Die Umgebung, in der das Getriebe betrieben wurde, wurde simuliert und die auf das Getriebe wirkende Last wurde anhand der Simulationsergebnisse abgeleitet. Zusätzlich wurde die Ermüdungslebensdauer des Getriebes anhand der abgeleiteten Belastung bewertet. Da die abgeleitete Belastung jedoch nicht validiert wurde, war die Zuverlässigkeit der Simulationsergebnisse begrenzt. Kim et al.11 erstellten mit kommerzieller Software ein Getriebesimulationsmodell eines Traktors und entwickelten ein Modell, das die Ermüdungslebensdauer von Spiralkegelrädern bewerten konnte. Darüber hinaus wurde die in der Betriebsumgebung erzeugte Belastung gemessen und die Ermüdungslebensdauer des Spiralgetriebes vorhergesagt, indem auf der Grundlage der gemessenen Daten ein Belastungsspektrum erstellt wurde. Die Methode der Lastdauerverteilung (LDD) sollte die Leistung der Zahnräder und Lager vorhersagen12; Diese Studie hat ihre Leistung mit dem Lastspektrum unter Verwendung des Rainflow-Counting-Algorithmus falsch vorhergesagt. Ebenso war in den meisten Studien, die in verschiedenen Bereichen durchgeführt wurden und die Getriebeleistung vorhersagten und bewerteten, die Definition der Betriebsumgebung unzureichend. Wang et al.13 führten Untersuchungen zum Entwurf, zur Modellierung und zur Analyse von Antriebssträngen für Offshore-Windkraftanlagen durch. Zur Minimierung von Gewicht und Volumen beim Entwurf des Antriebsstrangs einer Windkraftanlage wurde ein iteratives Entwurfsverfahren vorgestellt und das Modell durch Vergleich des entworfenen Mehrkörpersimulationsmodells mit dem zuvor entwickelten Modell validiert. Es besteht jedoch eine Einschränkung darin, dass bei der Konstruktion und Validierung des Antriebsstrangs einer Windkraftanlage die Auslegungslast und nicht die tatsächliche Umgebungslast verwendet wurde. Yoo et al.14 entwickelten ein Simulationsmodell des Windkraftanlagengetriebes, um die Leistung des Planetenradsatzes zu bestätigen, an dem der flexible Stift angebracht war. Die Simulation wurde mit kommerzieller Software durchgeführt. Als Ergebnis der Studie wurde bestätigt, dass die Lastverteilung und Lastverteilung zwischen den Planetenrädern verbessert wurde, wenn flexible Stifte am Planetenradsatz angebracht wurden. Allerdings besteht eine Einschränkung darin, dass bei der Leistungserbringung des Planetenradsatzes von der Umgebung ausgegangen wurde, in der das Windkraftanlagengetriebe betrieben wird.

Um dieses Problem zu lösen, führten Kim et al.15 einen tatsächlichen Erntevorgang mit einer von Kang et al.16 entwickelten Maiserntemaschine durch. An der Zapfwelle (PTO) des Traktors wurde ein Sensor angebracht, der Drehmoment und Drehzahl messen konnte, und mit dem Sensor wurde die tatsächliche Arbeitsbelastung bei der Maisernte gemessen. Darüber hinaus wurde unter Verwendung der gemessenen realen Arbeitsbelastung eine Lastdauerverteilung erstellt, mit der Maschinenelemente bewertet werden konnten, die eine Last durch Kontakt übertragen oder tragen, wie z. B. Getriebekomponenten wie Zahnräder und Lager.

In dieser Studie wurde das von Kang et al.16 eingeführte Getriebesimulationsmodell der Maiserntemaschine mit der kommerziellen Software Romax Nexus17 entwickelt. Darüber hinaus wurden die Festigkeit und Ermüdungslebensdauer der Zahnräder und Lager im Getriebe mithilfe des Getriebemodells und des LDD von Kim et al.15 bewertet. Die Auswertung ergab, dass das Getriebe die angestrebte Lebensdauer der Maiserntemaschine nicht erfüllte; Die angestrebte Ermüdungslebensdauer wurde durch eine Änderung der Lageranordnung und der Wellenlänge, die Konstruktionsvariablen des Getriebes sind, erreicht. Schließlich wurde durch die Modifikation der Zahnradmikrogeometrie die auf die Zahnoberfläche des Zahnrads wirkende Lastverteilung verbessert.

Alle Methoden wurden in Übereinstimmung mit den einschlägigen Richtlinien und Vorschriften durchgeführt und die Genehmigung des Forschungsinstituts für Landwirtschaft und Biowissenschaften der Verwaltung für ländliche Entwicklung zum Sammeln von Mais eingeholt.

Ermüdungsversagen tritt auf, wenn Maschinenelemente über viele Zyklen hinweg schwankenden Belastungen unterschiedlicher Stärke ausgesetzt sind. Um die Sicherheit von Maschinenelementen gegen Ermüdungsversagen zu überprüfen, sollte die auf das Element wirkende äußere Belastung unter dem tatsächlichen Belastungszustand gemessen werden. Die Ladung sollte dann entsprechend den Ergebnissen der Sicherheitsbewertung verarbeitet werden. Unter den Getriebekomponenten können Maschinenelemente, die Lasten durch Kontakte übertragen oder tragen, wie z. B. Zahnräder und Lager, ein Lastspektrum mit der Lastgröße, Geschwindigkeit und Dauer unter der Last bilden18.

Abbildung 1 zeigt die Beispieldaten, die zur Erläuterung der LDD-Methode verwendet werden. Das Intervall wird in beliebige Lastklassen unterteilt, nachdem die minimalen und maximalen Werte in den gemessenen Drehmomentdaten überprüft wurden. In den Beispieldaten ist das Intervall zwischen dem minimalen und dem maximalen Drehmoment von 500 bzw. 670 Nm in zwei Abschnitte mit einem Intervall von 100 Nm unterteilt. Die Größe der Belastung im i-ten Abschnitt der Beispieldaten wird als Durchschnitt der Drehmomentwerte von 500 bis 600 Nm ermittelt. Die Zeitdaten des i-ten Abschnitts sind \({t}_{1}+{t}_{2}+{t}_{3}\), was die Gesamtzeit der Einwirkung des Drehmoments darstellt. Schließlich werden die Geschwindigkeitsdaten des i-ten Abschnitts als arithmetisches Mittel der Drehzahlen erhalten, die zu den dem Abschnitt entsprechenden Zeitdaten gehören. Bei LDD werden Größe, Dauer und Geschwindigkeit der Last durch die folgenden Gleichungen ausgedrückt:

Dabei ist \(i\) die Bin-Nummer, \({T}_{i}\) das i-te durchschnittliche Drehmoment im Bin, \({T}_{i,j}\) das i-te j-te Drehmoment im Bin , n ist der i-te Datenwert im Behälter, \(\Delta t\) ist das Zeitintervall der Messdaten, \({\omega }_{i}\) ist die i-te Durchschnittsgeschwindigkeit des Behälters und \( {\omega }_{i,j}\) ist die \(i\mathrm{th}\) ist die Geschwindigkeit des Behälters. Tabelle 1 zeigt die Details der LDD-Methode, die Kim et al.15 für die Maisernte verwendeten.

Beispieldaten zur Erläuterung der LDD-Methode.

Die Maiserntemaschine besteht aus einem Maiserntegetriebe, das zum Ernten verwendet wird, wobei Maisstängel überführt und geschält werden; das erste Multiplikatorgetriebe (Übersetzungsverhältnis: 0,645), das direkt von der Zapfwelle des Traktors angetrieben wird; und das zweite Multiplikatorgetriebe (Riemen-Riemenscheiben-Verhältnis: 0,714), das die Kraft des ersten Multiplikatorgetriebes (Übersetzungsverhältnis: 0,645) auf das Getriebe der Maiserntemaschine überträgt. Abbildung 2 zeigt die Kraftübertragung von der Zapfwelle des Traktors auf das Getriebe der Maiserntemaschine.

Konfiguration des Kraftübertragungssystems für Maiserntemaschine15.

Abbildung 3 zeigt das Simulationsmodell des Maiserntemaschinengetriebes, das mit Romax Nexus17 entwickelt wurde. S1, die Eingangswelle des Getriebes der Maiserntemaschine, überträgt die Kraft auf S2 und S3, die Ausgangswelle des Anbauteils, und S4, die Ausgangswelle des Transportteils. Ein Kegelradsatz (BGS), ein Maschinenelement, das Kraft vertikal übertragen kann, wird zwischen S1 und S2 verwendet, um Kraft auf S2 und S3 zu übertragen, die senkrecht zu S1 stehen. Darüber hinaus wird die über das BGS an S2 übertragene Leistung über den Stirnradsatz (SGS) 1, der ein Parallelwellen-Kraftübertragungselement ist, an S3 übertragen. Schließlich wird SGS 2 zwischen S1 und S4 verwendet, um Energie an die Übertragungseinheit zu übertragen.

Getriebesimulationsmodell einer Maiserntemaschine.

Im Getriebemodell werden die Stirn- und Kegelräder mit nichtlinearer Kontaktsteifigkeit definiert und durch makrogeometrische Parameter (Module, Zähnezahl, Achsabstand, Eingriffswinkel, Zahnbreite u. a.) dargestellt. Bei der Kontaktanalyse des Zahnrads wurden die Zahneingriffsfehlausrichtung und die nichtlineare Zahnsteifigkeit berücksichtigt. Da die Zahneingriffskraft von der Kontaktposition der Zahnflanke beeinflusst wird, haben wir bei der Modellierung alle Zahneingriffspunkte, Lastverteilungen und Randbedingungen berücksichtigt und analysiert. Um den Kontakt des Zahnrads zu analysieren, wurde das Scheibenmodell verwendet, bei dem angenommen wurde, dass jede Scheibe als Stirnrad und unabhängig arbeitet. Das nichtlineare Steifigkeitsmodell von Wälzlagern wurde als interne Detailparameter (Krümmung der Laufbahnen, Innenspiel, Rollenprofil usw.) definiert. Auch Schächte wurden als flexible 1D-Balkenelemente modelliert17. Die im Maiserntemaschinengetriebe verwendeten Getriebespezifikationen sind in den Tabellen 2 und 3 aufgeführt. Für alle Wälzlager wurde FAG 6207 verwendet.

In dieser Studie wurden die Getriebeleistung und die Lagerermüdungslebensdauer anhand des LDD bewertet, das auf der Grundlage des entwickelten Simulationsmodells des Getriebes der Maiserntemaschine und der tatsächlichen Arbeitsbelastung, die während der Maisernte gemessen wurde, erstellt wurde. Die Bewertungen für das Stirnradgetriebe und das Kegelradgetriebe wurden basierend auf ISO 63366 bzw. ISO 1030019 angegeben. Zusätzlich wurde die Ermüdungslebensdauer der Lager nach ISO 28120 bewertet. Tabelle 4 zeigt die Bewertungsergebnisse für die Zahnradsimulation.

Die Ergebnisse der Zahnradbewertung in Tabelle 4 zeigten, dass das Zahnrad die höchste Ausfallwahrscheinlichkeit aufwies und dass der Fehlermodus dafür Lochfraß auf der Zahnradoberfläche war, der durch die Kontaktspannung von SGS 1 (Ritzel und Zahnrad) verursacht wurde. Um zu bestätigen, dass die Flächenlastverteilung einen dominanten Einfluss auf den Sicherheitsfaktor für die Kontaktspannung hatte, wurde die Flächenlastverteilung mit dem Finite-Elemente-Modell und dem nichtlinearen Kontaktmodell von Romax Nexus17,19 analysiert. Das Finite-Elemente-Modell und das nichtlineare Kontaktmodell analysierten die Flächenlastverteilung mithilfe der folgenden vier Theorien und berechneten den Flächenlastfaktor (\({K}_{H\beta }\)) anhand der Analyseergebnisse17:

Biegen basierend auf der Mindlin-Plattentheorie;

Kompression basierend auf der Balkentheorie von Timoschenko;

Wurzelrotation basierend auf einer empirischen Theorie;

Wurzelscherung basierend auf einer empirischen Theorie.

Tabelle 5 zeigt die maximale Last pro Längeneinheit und den Flächenlastfaktor von SGS 1, und Abb. 4 zeigt die Flächenlastverteilung bei Laststufe 8 von SGS 1. Aus Abb. 4 wurde bestätigt, dass das Tragmuster von SGS 1 war extrem nach links geneigt. Dadurch wurde die Zahnoberfläche, die die Last übertrug, reduziert und es wurde bestätigt, dass der Sicherheitsfaktor für die Kontaktspannung aufgrund der induzierten hohen Kontaktspannung gering war.

Flächenlastverteilung von SGS 1 auf Laststufe 8: (a) Ritzelkontaktmuster und (b) Zahnradkontaktmuster.

Tabellen 6 und 7 zeigen die Ergebnisse der Ermüdungslebensdauerbewertung der Radial- und Axiallasten aller Lager, die auf jedes Lager bei Laststufe 8 wirken. Tabelle 6 bestätigt, dass die in S2 befindlichen Lager B3 und B4 die angestrebte Ermüdungslebensdauer von 4800 Stunden nicht erfüllten für das Getriebe der Maiserntemaschine, und Tabelle 7 bestätigt, dass die auf diese Lager wirkende Belastung sehr groß ist.

Aus den Ergebnissen der Getriebesimulation wurde bestätigt, dass die schwachen Teile des Getriebes der Maiserntemaschine B3 und B4 waren und sich jeweils bei SGS 1 und S2 befanden. In dieser Studie wurde festgestellt, dass die Ursache für das Auftreten des schwachen Teils des Getriebes folgende war.

Die Anordnung von B3 und B4 in S2 als überhängende Bauform war für die Momentenunterstützung ungünstig.

Das Moment wurde in S2 aufgrund der Zahneingriffskraft von BGS und SGS 1 erzeugt, was zur Auslenkung von S2 führte.

Aufgrund der Durchbiegung von S2 kam es bei SGS 1 zu einer Fehlausrichtung des Zahneingriffs.

Der erhöhte \({K}_{H\beta }\) und verringerte Sicherheitsfaktor für die Kontaktspannung war auf eine Fehlausrichtung des Zahneingriffs zurückzuführen.

Um das obige Problem zu lösen, wurde die Wellenlänge zwischen dem Kegelrad und dem Stirnrad von S2 um 20 mm vergrößert, wie in Abb. 5 dargestellt. Zusätzlich wurden B3 und B4 durch die Positionierung von B4 zwischen dem Kegelrad und dem Stirnrad vergrößert grätschenartig angeordnet, eine Anordnung, die für die Momentenabstützung vorteilhaft ist. Schließlich wurde die Schaftlänge von S3 um 20 mm erhöht, um B6 zusammen mit B4 oben zu positionieren. Abbildung 5 zeigt die Lageranordnung vor und nach der Konstruktionsänderung und Abbildung 6 zeigt das geänderte Simulationsmodell.

Änderung der Lageranordnung entsprechend der Konstruktionsänderung des Getriebes: (a) Vor und (b) nach der Konstruktionsänderung.

Modifiziertes Getriebesimulationsmodell einer Maiserntemaschine.

Wie für das Modell vor der Designänderung durchgeführt, wurden die Getriebebewertung und die Lagerermüdungslebensdauer des designmodifizierten Simulationsmodells mithilfe von LDD bewertet. Die Ergebnisse sind in den Tabellen 8, 9 und 11 aufgeführt.

Wie in den Tabellen 8 und 9 dargestellt, wurde bestätigt, dass sich der Sicherheitsfaktor für die Kontaktspannung von SGS 1, einer schwachen Komponente des vorhandenen Getriebes, aufgrund der Konstruktionsänderung um etwa das 1,9-fache erhöhte. Je nach Belastungsgrad verringerte sich die maximale Belastung pro Längeneinheit im Durchschnitt um das 3,74-fache und der Wert \({K}_{H\beta }\) verringerte sich im Durchschnitt um das 3,82-fache. Wie in Abb. 7 dargestellt, wurde angenommen, dass die Verringerung des Sicherheitsfaktors für die Kontaktspannung und die maximale Last pro Längeneinheit auf die relativ gleichmäßige Verteilung des Kontaktmusters von SGS 1 im Vergleich zu dem des vorhandenen Getriebes zurückzuführen ist. Außerdem wurde, wie in den Tabellen 10 und 11 gezeigt, die auf B3 und B4 ausgeübte Belastung durch die Konstruktionsänderung deutlich reduziert. Dementsprechend betrug die Lebensdauer von B3 und B4, die die Zielermüdungslebensdauer im vorhandenen Getriebe nicht erreichten, \(1,6x{10}^{8}\) bzw. 8672 h, was bestätigt, dass die Zielermüdungslebensdauer erfüllt wurde .

Flächenlastverteilung von SGS 1 auf Laststufe 8 für modifiziertes Getriebe: (a) Ritzelkontaktmuster und (b) Zahnradkontaktmuster.

Obwohl sich der Sicherheitsfaktor von SGS 1 durch die Konstruktionsänderung des Getriebes erhöhte, verursachte dies eine hohe Kontaktspannung und verkürzte die Ermüdungslebensdauer des Zahnrads, da die auf SGS 1 wirkende Flächenlastverteilung immer noch schief zur linken Seite der Zahnoberfläche verlief. Daher haben wir in dieser Studie eine Mikrogeometriemodifikation des Zahnrads am SGS 1 durchgeführt, um die Flächenlastverteilung zu verbessern. Diese Modifikation wurde mit einer Bleikrone und einer Bleischräge durchgeführt und eine Parameterstudie für insgesamt 121 Fälle durchgeführt, bei der die Krone um 1 μm von 0 auf 10 μm und die Steigung um 2 μm von 0 auf erhöht wurde 20 μm. Die Parameterstudie wurde durchgeführt, um den \({K}_{H\beta }\) bei jedem der 8 Lastniveaus zu berechnen und die Kombination aus Steigungskrone und Steigungsneigung mit der kleinsten Summe von \({K} _{H\beta }\) Werte. Die Tabellen 12 und 13 zeigen die Ergebnisse der Festigkeitsbewertung der Zahnräder nach der Mikrogeometriemodifikation. Abbildung 8 zeigt die Flächenlastverteilung bei Laststufe 8 von SGS 1, das der Mikrogeometriemodifikation unterzogen wurde.

Flächenlastverteilung von SGS 1 auf Laststufe 8 nach Mikrogeometriemodifikation: (a) Ritzelkontaktmuster und (b) Zahnradkontaktmuster.

Die mikrogeometrische Designänderung erhöhte den Sicherheitsfaktor für die Kontaktspannung von SGS 1, der schwachen Komponente des ursprünglichen Designmodells, um etwa das 2,55-fache. Darüber hinaus verringerte sich die maximale Belastung pro Längeneinheit entsprechend dem Belastungsniveau im Durchschnitt um das 7,14-fache im Vergleich zu der des ursprünglichen Entwurfsmodells, und \({K}_{H\beta }\) verringerte sich im Vergleich im Durchschnitt um das 6,27-fache dem des ursprünglichen Entwurfsmodells entspricht.

Der Zweck dieser Studie besteht darin, das zuvor entwickelte Maiserntegetriebe anhand des Simulationsmodells und der tatsächlichen Arbeitsbelastung zu bewerten. Dieses Getriebe wurde mit Romax Nexus modelliert und der tatsächliche Arbeitsaufwand basierte auf bereits vorhandenen Forschungsergebnissen. Die Auswertung ergab, dass das zuvor entwickelte Getriebe die angestrebte Ermüdungslebensdauer nicht erfüllte. Dies wurde auf die Wellendurchbiegung zurückgeführt, die aufgrund der Lagerfehlanordnung und der Zahneingriffsfehlausrichtung aufgrund des Lagerspiels und der ungleichmäßigen Lastverteilung auf der Zahnoberfläche des Zahnrads auftrat. Die geforderte angestrebte Ermüdungslebensdauer der Maiserntemaschine wurde durch Berechnung der Wellendurchbiegung, der Zahneingriffsfehlausrichtung und der ungleichmäßigen Lastverteilung der Zahnradzähne erreicht.

Die Festigkeits- und Ermüdungslebensdaueranalysen der Zahnräder und Lager im Getriebe einer Maiserntemaschine wurden mit dem Maisernte-LDD und dem Simulationsmodell durchgeführt. Die angestrebte Ermüdungslebensdauer des Getriebes wurde in B3 und B4 von S2 nicht erreicht, und der Sicherheitsfaktor für die Kontaktspannung von SGS 1 wurde zu 1,00 abgeleitet, was bestätigt, dass das Getriebe einer Verbesserung bedarf.

Da B3 und B4 des vorhandenen Getriebes fliegend über S2 angeordnet waren, wurde durch das in S2 befindliche Zahnrad des BGS und das Ritzel des SGS 1 ein Moment erzeugt. Es wurde festgestellt, dass aufgrund des Moments eine Durchbiegung in S2 auftrat, die zu einem führte verkürzte Lagerlebensdauer und erhöhte Maschenfehlausrichtung für SGS 1. Um dieses Problem zu lösen, wurde eine Konstruktionsänderung durchgeführt, um die überhängende Anordnung von B3 und B4 in eine Spreizanordnung zu ändern. Nach der Modifikation erfüllten sowohl B3 als auch B4 die angestrebte Ermüdungslebensdauer des Getriebes für die Maiserntemaschine, und es wurde bestätigt, dass der Sicherheitsfaktor für die Kontaktspannung von SGS 1 auf durchschnittlich 1,9 stieg. Darüber hinaus für die Stirnfläche Bei der Lastverteilung von SGS 1 verringerte sich die maximale Belastung pro Längeneinheit im Durchschnitt um das 3,77-fache. Der Flächenlastfaktor, der die Flächenlastverteilung angibt, lag jedoch bei 1,8–2,1, was bestätigt, dass weitere Verbesserungen erforderlich waren.

Zur Verbesserung der Flächenlastverteilung von SGS 1 wurde eine Mikrogeometriemodifikation durchgeführt. Die Modifikation wurde an der Leitkrone und der Leitschräge durchgeführt und die kleinste Summe der Flächenlastfaktoren wurde für alle Belastungsstufen durch eine Parameterstudie abgeleitet. Dadurch wurde die maximale Belastung pro Längeneinheit von SGS 1 im Vergleich zu der des bestehenden SGS 1 um etwa das 7,14-fache reduziert, und der Flächenlastfaktor wurde mit 1,0–1,3 ermittelt, was einer durchschnittlichen Verringerung um etwa das 6,27-fache entspricht.

Schließlich waren für die Durchführung der Zahnradfestigkeits- und Lagerlebensdauerbewertungen für das Getriebe (1) ein hochpräzises Simulationsmodell, das das tatsächliche Getriebe genau simulieren konnte, und (2) ein tatsächliches lastbasiertes LDD unerlässlich. (3) Es wurde bestätigt, dass das Getriebe bewertet und Konstruktionsänderungen auf der Grundlage von (1) und (2) vorgenommen werden sollten.

Die Datensätze während und/oder analysiert während der aktuellen Studie sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

Goch, G. Zahnradmesstechnik. CIRP Ann. 52, 659–695 (2003).

Artikel Google Scholar

Lewicki, DG, Black, JD, Savage, M. & Coy, JJ Analyse der Ermüdungslebensdauer eines Turboprop-Untersetzungsgetriebes. J. Mech. Des. 108, 255–262 (1986).

Google Scholar

Shin, JW, Kim, JO, Choi, JY & Oh, SH Design eines 2-Gang-Getriebes für elektrische Nutzfahrzeuge. Int. J. Automot. Technol. 15, 145–150 (2014).

Artikel Google Scholar

Kim, TJ et al. Festigkeitsanalyse des mechanischen Getriebes unter Verwendung des äquivalenten Drehmoments der Pflugbearbeitung eines Traktors der 82-kW-Klasse. Koreanischer J. Agric. Wissenschaft. 46, 723–735 (2019).

Google Scholar

Park, YJ, Lee, GH, Song, JS & Nam, Y. Charakteristische Analyse von Windkraftanlagengetrieben unter Berücksichtigung von Nicht-Drehmomentbelastungen. J. Mech. Des. 135, 044501 (2013).

Artikel Google Scholar

ISO 6336:2019. Berechnung der Belastbarkeit von Stirn- und Schrägverzahnungen.

Park, YJ, Kim, JG, Lee, GH & Shim, SB Lastverteilung und -verteilung auf der Zahnradflanke des Planetengetriebes einer Windkraftanlage. J. Mech. Wissenschaft. Technol. 29, 309–316 (2015).

Artikel Google Scholar

Dong, W., Int. J. Fatigue 48, 133–146 (2013).

Artikel Google Scholar

Patel, MM & Joshi, NB Design und Ermüdungsanalyse eines Umlaufgetriebeträgers. Int. J. Innov. Res. Wissenschaft. Technol. 1, 329–333 (2015).

Google Scholar

Du, XJ, Zhang, SR & Zhang, YH Vorhersage der Ermüdungslebensdauer des Getriebes in Kettenfahrzeugen basierend auf laufenden Simulationstests. Stärke Mater. 51, 578–586 (2019).

Artikel Google Scholar

Kim, WS et al. Simulation der Ermüdungslebensdauer von Traktor-Spiralkegelrädern für große landwirtschaftliche Betriebe. Appl. Wissenschaft. 10, 8898 (2020).

Artikel Google Scholar

Germanischer, L. Leitfaden zur Zertifizierung von Arbeitsplatz-, Zugangs- und Ausgangsmaßen für Offshore-Windenergieanlagen. Hamburg, Deutschland (2010).

Wang, S., Nejad, AR & Moan, T. Über Design, Modellierung und Analyse eines 10-MW-Mittelgeschwindigkeitsantriebsstrangs für Offshore-Windkraftanlagen. Windenergie 23(4), 1099–1117 (2020).

Artikel ADS Google Scholar

Yoo, HG et al. Anwendung eines flexiblen Stifts für den Planetenradsatz eines Windkraftanlagengetriebes. Wissenschaft. Rep. 12(1), 1–13 (2022).

Artikel Google Scholar

Kim, JT et al. Bestimmung der Auslegungslasten einer Maiserntemaschine anhand der tatsächlichen Arbeitslast. J. Agrar. Lebenswissenschaft. 56, 77–85 (2022).

Artikel Google Scholar

Kang, NR et al. Leistungsbewertung und Design einer essbaren Frischmais-Erntemaschine. J. Drive Control 16, 74–79 (2019).

Google Scholar

Romax Technology, Benutzerhandbuch, Romax Nexus (2021).

Niederstucke B., Anders, A., Dalhoff, P. & Grzybowski, R. Load data analysis for wind turbine gearboxes. Technical Report, Germanischer Lloyd WindEnergie GmbH, Germany, August (2003).

ISO 10300:2014. Berechnung der Belastbarkeit von Kegelrädern.

ISO 281:2007. Wälzlager – dynamische Tragzahlen und Lebensdauer.

Park, YJ, Lee, GH, Kim, JK & Song, JS Analyse der Lastverteilung und -verteilung am Planetengetriebe für Windkraftanlagen. J. Korean Soc. Hersteller Technol. Ing. 20, 830–836 (2011).

Google Scholar

Referenzen herunterladen

Diese Arbeit wurde vom Korea Institute of Planing and Evaluation for Technology in Food, Agriculture and Forestry (IPET) durch das Advanced Agricultural Machinery Industrialization Technology Development Program unterstützt, das vom Ministerium für Landwirtschaft, Ernährung und ländliche Angelegenheiten (MAFRA) (321063-2) gegründet wurde ); und Hexagon Manufacturing Intelligence (Unterstützung von Romax Solution). Ein Co-Autor dieses Artikels, Ho-Seop Lee, leistete gleichermaßen Beiträge wie der Hauptautor. Die Autoren erklären, dass keine potenziellen Interessenkonflikte in Bezug auf die Recherche, Urheberschaft und Veröffentlichung dieses Artikels bestehen.

Abteilung für Biosystemtechnik, Seoul National University, Seoul, 08826, Republik Korea

Ji-Tae Kim, Jung-Ho Park und Young-Jun Park

Konvergenz-Hauptfach in Global Smart Farm, Seoul National University, Seoul, 08826, Republik Korea

Ji-Tae Kim & Young-Jun Park

Forschungsinstitut für Landwirtschaft und Biowissenschaften, Seoul National University, Seoul, 08826, Republik Korea

Ho-Seop Lee & Young-Jun Park

Nationales Institut für Agrarwissenschaften, Verwaltung für ländliche Entwicklung, Jeonju, 54875, Republik Korea

Jea-Keun Woo, Il-Su Choi und Young-Keun Kim

Abteilung für bioindustrielle Maschinentechnik, Jeonbuk National University, Jeonju, 54896, Republik Korea

Seung-Je Cho

Smart Agricultural Machinery R&D Group, Korea Institute of Industrial Technology, Gimje, 54325, Republik Korea

Seung-Je Cho

Dooroo Machinery & Trading Co, Asan, 31420, Republik Korea

Chang-Sub Ha

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Konzeptualisierung: JTK und YJP; Methodik: JTK und YJP; Software-HSL; Validierung: CSH; Formale Analyse: JHP; Untersuchung: JKW und ISC; Quelle: YKK; Datenkuration: HSL; Schreib-Original-Daft-Vorbereitung: JTK und HSL; Schreiben, Rezension und Redaktion: YJP; Visualisierung: SJC; Betreuung: YJP Alle Autoren haben die veröffentlichte Version des Manuskripts gelesen und ihr zugestimmt.

Korrespondenz mit Young-Jun Park.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

Springer Nature bleibt neutral hinsichtlich der Zuständigkeitsansprüche in veröffentlichten Karten und institutionellen Zugehörigkeiten.

Open Access Dieser Artikel ist unter einer Creative Commons Attribution 4.0 International License lizenziert, die die Nutzung, Weitergabe, Anpassung, Verbreitung und Reproduktion in jedem Medium oder Format erlaubt, sofern Sie den/die ursprünglichen Autor(en) und die Quelle angemessen angeben. Geben Sie einen Link zur Creative Commons-Lizenz an und geben Sie an, ob Änderungen vorgenommen wurden. Die Bilder oder anderes Material Dritter in diesem Artikel sind in der Creative Commons-Lizenz des Artikels enthalten, sofern in der Quellenangabe für das Material nichts anderes angegeben ist. Wenn Material nicht in der Creative-Commons-Lizenz des Artikels enthalten ist und Ihre beabsichtigte Nutzung nicht gesetzlich zulässig ist oder über die zulässige Nutzung hinausgeht, müssen Sie die Genehmigung direkt vom Urheberrechtsinhaber einholen. Um eine Kopie dieser Lizenz anzuzeigen, besuchen Sie http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Nachdrucke und Genehmigungen

Kim, JT., Lee, HS., Park, JH. et al. Modifiziertes Design des Maiserntegetriebegetriebes für eine längere Lebensdauer. Sci Rep 12, 15576 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-19982-z

Zitat herunterladen

Eingegangen: 17. Juni 2022

Angenommen: 07. September 2022

Veröffentlicht: 16. September 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-19982-z

Jeder, mit dem Sie den folgenden Link teilen, kann diesen Inhalt lesen:

Leider ist für diesen Artikel derzeit kein Link zum Teilen verfügbar.

Bereitgestellt von der Content-Sharing-Initiative Springer Nature SharedIt

Durch das Absenden eines Kommentars erklären Sie sich damit einverstanden, unsere Nutzungsbedingungen und Community-Richtlinien einzuhalten. Wenn Sie etwas als missbräuchlich empfinden oder etwas nicht unseren Bedingungen oder Richtlinien entspricht, kennzeichnen Sie es bitte als unangemessen.