طراحی و تحلیل اجزای محدود جعبه دنده های سیکلوئیدی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانش‌آموخته دکترای مهندسی مکانیک، گروه ساخت و تولید، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران، ایران

2 دانشجوی دکترا، گروه تبدیل انرژی، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه ازاد اسلامی واحد علوم و تحقیقات، تهران، ایران

3 گروه طراحی کاربردی، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی اراک، اراک، ایران

چکیده
جعبه‌دنده‌های سیکلوئیدی، دسته ای از سیستم های انتقال قدرت می باشند که به جای چرخدنده‌های اینولوتی از دیسک سیکلوئیدی برای انتقال توان بهره می‌گیرند. به علت پیچیدگی شکل پروفیل، ساخت مشکل‌تر و اطلاعات ناکافی صنعتگران در خصوص جعبه‌دنده‌های سیکلوئیدی، در کاربردهای صنعتی کمتر مورد توجه قرار گرفته‌اند. مکانیزم خاص این نوع جعبه‌دنده‌ها سبب می شود که امکان دست‌یابی به یک نسبت تبدیل بالای سرعت دورانی، همراه با دقت زیاد، در ابعاد کم، فراهم شود. در این پژوهش ضمن معرفی اجزای اصلی تشکیل دهنده و بیان مزایای این جعبه‌دنده‌ها و بررسی عملکرد و نحوه کار آنها، معادلات مربوطه بیان و یک نمونه جعبه‌دنده سیکلوئیدی برای تبدیل سرعت دورانی 1500 rpm به 32rpm (نسبت تبدیل 47) طراحی می‌شود. سپس جعبه‌دنده طراحی شده با استفاده از نرم‌افزار انسیس مورد تحلیل تنش قرار گرفته و در نتایج تحلیل اجزاء محدود نشان داد که تنش‌های اصلی و تنش‌های برشی در محدوده مجاز و کاملاً ایمن برای جنس مورد استفاده قرار دارد. با توجه به مکانیزم خاص این جعبه‌دنده که شفت ورودی و دیسک سیکلوئیدی دارای یک خروج از مرکز نسبت به شفت خروجی است، سرعت خروجی متغیر است که با محاسبه سرعت خروجی میانگین براساس نتایج اجزاء محدود، دست‌یابی به سرعت طراحی مورد نظر امکان پذیر شده است.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله English

Design and Finite Element Analysis of Cycloidal Gearboxes

نویسندگان English

S. H. Hosseini 1
D. Manshoor 2
Jalal Joudaki 3
1 Department of Mechanical Engineering, Iran University of Science and Technology, Tehran, 16846-13114, Iran
2 Department of Mechanical Engineering, Islamic Azad University Science and Research Branch, Tehran, 14778-93855, Iran
3 Department of Mechanical Engineering, Arak University of Technology, Arak, 38181-41167, Iran
چکیده English

Cycloidal gearboxes are part of power transmission systems that use a cycloidal disk instead of an involute gear to transmit power. The use of cycloidal gearboxes is limited due to complicated profile shapes, difficulties in fabrication, and lack of data in the design process of industrial gearboxes. The special mechanism of cycloidal disks provides a high conversion ratio in small dimensions in cycloidal gearboxes. In this research, the design of a cycloidal gearbox will be discussed. Firstly, the mechanism of cycloidal gearboxes will be introduced and its advantages will be described, the operation mechanism and main components will be explained and then a cycloidal gearbox for conversion of 1500rpm into 32rpm (conversion ratio 47) will be designed according to basic equations. The designed gearbox is modeled in SolidWorks software and analyzed in finite element software (Ansys software). The finite element results show that the principal stress and shear stress of the cycloidal disk and other parts of the gearbox were in the safe region of the design criteria. In addition, the rotational speed of the gearbox is not constant due to the eccentricity of the input shaft, and the average rotational speed is calculated based on the finite element results and agrees with the design value.

کلیدواژه‌ها English

Cycloidal Gearbox Design
Cycloid curve
Transient Analysis
Stress Analysis
Transmission Ratio
[1] Kumar N. Investigation of drive-train dynamics of mechanical transmissions incorporating cycloidal drives. Ph. D. Thesis, Queensland University of Technology, 2015.
[2] Blanche JG, Yang DCH. Cycloid drives with machining tolerances. Journal of Mechanisms, Transmissions, and Automation in Design.1989;111:337-344.
[3] Yan HS, Lai TS. Geometry design of an elementary planetary gear train with cylindrical tooth-profiles. Mechanism and machine theory. 2002;37:757-767.
[4] He W, Li X, Li L, Schmidt L. A new drive with high-load capacity and high transmission efficiency. Proceedings of the ASME 2000 International Design Engineering Technical Conferences and Computers and Information in Engineering Conference. Volume 7B: 26th Biennial Mechanisms and Robotics Conference. Baltimore, Maryland, USA, 2000;1089-1093.
[5] Gorla C, Davoli P, Rosa F, Longoni C, Chiozzi F, Samarani A. Theoretical and experimental analysis of a cycloidal speed reducer. ASME Journal of Mechanical Design. 2008;130:112604.
[6] Blagojević M, Nikolić V, Marjanović N, Veljović LJ. Analysis of cycloid drive dynamic behavior. Scientific Technical Review. 2009;59:52-56.
[7] Efremenkov EA, I-Kan A. Euler-Savari determination of radii of curvature of cycloid profiles. Russian Engineering Research. 2010;30:1001-1004.
[8] Sensinger JW. Unified approach to cycloid drive profile, stress, and efficiency optimization. ASME Journal of Mechanical Design. 2010;132:024503.
[9] Blagojevic M, Marjanovic N, Djordjevic Z, Stojanovic B, Disic A. A new design of a two-stage cycloidal speed reducer. ASME Journal of Mechanical Design. 2011;133:085001.
[10] Blagojevic M, Kocic M, Marjanovic N, Stojanovic B, Djordjevic Z, Ivanović L, Marjanovic V. Influence of the friction on the cycloidal speed reducer efficiency. Journal of the Balkan Tribological Association. 2012;18:217–227.
[11] Li S. Design and strength analysis methods of the trochoidal gear reducers. Mechanism and Machine Theory. 2014;81:140-154.
[12] Bo W, Jiaxu W, Guangwu Z, Rongsong Y, Hongjun Z, Tao H. Mixed lubrication analysis of modified cycloidal gear used in the RV reducer. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part J: Journal of Engineering Tribology. 2016;230:121-134.
[13] Hsieh CF, Jian WS. The effect on dynamics of using various transmission designs for two-stage cycloidal speed reducers. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science. 2016; 230:665-681.
[14] Wikło M, Krzysztof O, Krzysztof K, Król K, Komorska I. Experimental vibration test of the cycloidal gearbox with different working conditions. Vibroengineering Procedia. 2017;13:24-27.
[15] Li T, An X, Deng X, Li J, Li Y. A new tooth profile modification method of cycloidal gears in precision reducers for robots. Applied Sciences. 2020;10:1266.
[16] Jang DJ, Kim YC, Hong EP, Kim GS. Geometry design and dynamic analysis of a modified cycloid reducer with epitrochoid tooth profile. Mechanism and Machine Theory. 2021;164:104399.
[17] Jiang N, Wang S, Xie X, Yuan X, Yang A, Zhang J. A vectorial modification methodology based on an efficient and accurate cycloid tooth profile model. Precision Engineering. 2022;73:435-456.
[18] Wang J, Lv H. Modification and Optimization of Cycloidal Gear Tooth Profile Based on Machining Error Compensation. Applied Sciences. 2023;13:2581.
[19] Wang X, Li L, Hao L, Wang H. Positioning accuracy prediction of precision cycloid reducer based on a BDDTE model and use in design optimization. Precision Engineering. 2024;88:27-43.
[20] Esmailian M, Boroumand F. Design of mechanical components for brushless DC Motor. Mechanics of Advanced and Smart Materials. 2022;2(3)347-364.
[21] Rahimi M, Mokhtari A, Moradzadeh H, Khandani K. Design and Implementation of a 3D Photocopier with Photogrammetric Method Using Linear Delta Robot Mechanism. Mechanics of Advanced and Smart Materials. 2022;2:134-155.
[22] https://www.tec-science.com/mechanical-power-transmission/cycloidal-drive-speed-reducer gear/ construction-of-the-cycloidal-disc/, 2024.
[23] SolidWorks, Dassault Systèmes. "SolidWorks®".
[24] Chavan U, Joshi A, Kolambe Y, Gwalani H, Chaudhari H, Khalate A, Hujare P. Magnification of energy transmission ratio using miniature cycloidal gear box for humanoids. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2022;1272:012017.
[25] Lin WS, Shih YP, Lee JJ. Design of a two-stage cycloidal gear reducer with tooth modifications. Mechanism and Machine Theory. 2014;79:184–197.
[26] Qi L, Yang D, Cao B, Li Z, Liu H. Design principle and numerical analysis for cycloidal drive considering clearance, deformation, and friction. Alexandria Engineering Journal. 2024;91:403–418.
[27]Stolarski T, Nakasone Y, Yoshimoto S. Engineering analysis with ANSYS software; Butterworth- Heinemann, 2018.
[28]https://castingquality.com/casting-technology/ casting-material /stainless-steel/ stainless-steel-ca15- ss410.html,2024.
[29]https://www.matweb.com/search/DataSheet.aspx?MatGUID=f3cd25980ab24fdaa5893252cd2bc192&ckck= 1, 2024.
دوره 4، شماره 2
تابستان 1403
صفحه 238-255

  • تاریخ دریافت 13 اردیبهشت 1403
  • تاریخ بازنگری 14 خرداد 1403
  • تاریخ پذیرش 23 مرداد 1403