Research on the thermal stability of cycloidal reducers

[M. P. Vasić]

XXII, 170 listova

U oblasti robotike i industrijske automatizacije prenosnici snage velike preciznosti su potrebni kako bi se obezbedila tačnost i ponovljivost pozicioniranja. Poslednjih godina, pored planetarnih i talasnih reduktora, kao visokoprecizni reduktori se najčešće koriste cikloreduktori, pre svega zahvaljujući svojim dobrim radnim karakteristikama. Usled rada u uslovima izraženih dinamičkih opterećenja, pored povišenog nivoa buke i vibracija, dolazi i do narušavanja termičke stabilnosti prenosnika snage. U inženjerskoj praksi, termička stabilnost konvencionalnih zupčastih prenosnika snage najčešće se proverava prema međunarodnom standardu ISO/TR 14179-2:2001. Međutim, u današnje vreme ne postoji metodologija koja sistematski izučava i proverava termičku stabilnost cikloreduktora. U okviru ove doktorske disertacije izvršena su teorijska, numerička i eksperimentalna istraživanja termičke stabilnosti cikloreduktora. U teorijskom delu, najpre je izvršen sveobuhvatni pregled literaturnih izvora. Zatim su, na osnovu dostupne stručne literature i kataloga renomiranih svetskih proizvođača, detaljno opisana i sistematizovana postojeća koncepcijska rešenja cikloreduktora. Nakon toga je definisan matematički model za proračun kontaktnih sila. Ovaj model je potom upotrebljen za kvantifikovanje veličine termičkih izvora (parcijalnih gubitaka snage) i određivanje stepena iskorišćenja. Zatim je na osnovu međunarodnog standarda ISO/TR 14179-2:2001, razvijen matematički model za proveru termičke stabilnosti cikloreduktora. Numerički deo disertacije je realizovan u komercijalnom softveru ANSYS Workbench 2019 R2 na trodimenzionalnom geometrijskom CAD modelu cikloreduktora koji po svojim karakteristikama gotovo u potpunosti odgovarati ispitivanom cikloreduktoru. Na osnovu ovog modela, određena je raspodela temperaturnih polja, kao i njihov uticaj na kontaktne sile i naponsko – deformaciono stanje vitalnih elemenata cikloreduktora. Eksperimentalni deo disertacije je sproveden u Laboratoriji za mašinske konstrukcije Mašinskog fakulteta u Nišu na probnom stolu koji je prilagođen potrebama ove doktorske disertacije. Tokom ovih istraživanja, za različite kombinacije radnih uslova, određene su vrednosti sledećih parametara: ravnotežna temperatura maziva, ukupni gubici snage, stepen iskorišćenja, potrebno vreme za postizanje termičke stabilnosti i raspodela temperaturnih polja na spoljašnjoj površini kućišta. Zatim je izvršeno poređenje svih dobijenih rezultata. Uzimajući u obzir dozvoljena odstupanja, analitički i numerički rezultati pokazuju veoma dobru usklađenost sa eksperimentalno izmerenim vrednostima, pa se razvijena metodologija može smatrati validnim alatom za projektovanje cikloreduktora. Na kraju su izneta zaključna rezmatranja i pravci budućih istraživanja.

High precision gear drives are needed to ensure positioning accuracy and repeatability in the field of robotics and industrial automation. In addition to planetary and wave reducers, cycloidal reducers have been increasingly used in recent years, primarily due to their good operating characteristics. Since gear drives operate under intense dynamic loading conditions, they cause not only increased levels of noise and vibrations but also impairment of thermal stability. In engineering practice, the thermal stability of gear drives is generally determined based on the international standard ISO/TR 14179-2:2001. However, there are still no established methods for systematic study and determination of the thermal stability of cycloidal reducers. Therefore, theoretical, numerical and experimental research on the thermal stability of cycloidal reducers were carried out as part of this doctoral dissertation. First, a comprehensive review of literature is given in the theoretical part of the paper. Then, based on the available literature and catalogues of the world renowned manufacturers, the existing conceptual solutions of cycloidal reducers are described in detail and systematized. After that, a mathematical model for the calculation of contact forces is defined. This model is used to quantify the size of thermal sources (partial power losses) and determine the efficiency. Finally, based on the international standard ISO/TR 14179-2:2001, a mathematical model for determining the thermal stability of cycloidal reducers is developed. The numerical part of this dissertation was done using a commercial software ANSYS Workbench 2019 R2, on a three-dimensional geometric CAD model with almost identical characteristics as the tested cycloidal reducer. Based on this model, the distribution of temperature fields was determined, as well as their influence on the contact forces and the stress-strain state of the crucial elements of the cycloidal reducer. The experimental part of this dissertation was carried out in the Laboratory for Mechanical Structures at the Faculty of Mechanical Engineering in Niš, on a test bench specially adapted for this experiment. The values of the following parameters were determined for different combinations of operating conditions: lubricant stabilization temperature, total power losses, efficiency, time required to achieve thermal stability and distribution of temperature fields on the outer surface of the housing. In conclusion, a comparison of the obtained results is made. Taking into consideration allowable deviations, the analytical and numerical results are in a very good agreement with the experimentally measured values, hence the developed methodology can be considered a valid tool for designing cycloidal reducers. Lastly, concluding remarks are made and directions for future research are presented.

cikloreduktori, termička stabilnost, raspodela temperaturnih polja, radna temperatura maziva, gubici snage, stepen iskorišćenja

cycloidal reducers, thermal stability, distribution of temperature fields, lubricant operating temperature, power losses, efficiency

621.83.061.4(043.3)

Tekst