Synthesis of linkages considering dynamic aspects

Villegas Ulloa, Claudio Nabil; Hernandez Frias, Alfonso; Corves, Burkhard

doi:41801

Synthesis of linkages considering dynamic aspects = Getriebesynthese unter Berücksichtigung dynamischer Aspekte

Villegas Ulloa, Claudio Nabil^RWTH*

2022 & 2023

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Claudio Nabil Villegas Ulloa

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2022

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2022

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2023

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Corves, Burkhard (Thesis advisor)^RWTH* ; Hernandez Frias, Alfonso (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2022-11-30

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2022-11439
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/860510/files/860510.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl und Institut für Getriebetechnik, Maschinendynamik und Robotik (411910)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Heutzutage gibt es eine ständige Nachfrage nach Getrieben, die mit höheren Geschwindigkeiten und guter Genauigkeit arbeiten, ohne ihre Zuverlässigkeit zu beeinträchtigen. Deshalb soll solches Getriebe über ein gutes dynamisches Verhalten verfügen. Die Dynamik des Getriebes wird traditionell am Ende des Auslegungsprozesses berücksichtigt. Wird in diesem Schritt ein Problem gefunden, muss man neuberechnen, und unerwünschte Loops werden geführt. Dies ist besonders schwierig bei Koppelgetrieben, die mit hohen Geschwindigkeiten betreiben. Die nichtlineare Bewegung des Systems erzeugt periodische Kräfte, die eine Eigenfrequenzen anregen könnten. Wenn die Kräfte gering sind und die Eigenfrequenzen des Systems weit genug von den Komponenten mit hoher Amplitude entfernt sind, kann die dynamische Response gering sein. Das wird jedoch nicht normalerweise in den frühen Phasen des Auslegungsprozesses berücksichtigt. Hier werden Methoden vorgestellt, mit denen die dynamischen Aspekte in den frühen Phasen des Auslegungsprozesses von Getrieben berücksichtigt werden können. Sie werden auf Getrieben für Funktionsgeneration angewandt, nämlich vier- und sechsgliedriges Getriebe. Das Antriebsglied der Mechanismen dreht mit konstantem Tempo um, während das Abtriebsglied schwingt. Das Abtriebsglied ist mit einem Körper mit konstanter Trägheit verbunden. Es werden verschiedene Ansätze untersucht, beginnend mit einer parametrischen Studie eines viergliedrigen Getriebes. Dann werden viergliedrige Getriebe synthetisiert. Danach werden mit zwei heuristischen Methoden, nämlich dem genetischen Algorithmus und dem „Modified Non dominated Sortig Genetic Algorithm“, sechsgliedrige Getriebe synthetisiert. Bei diesen Ansätzen wird die auf die Gelenke wirkende Kraft als erster Indikator für ein gutes dynamisches Verhalten betrachtet und die erste Eigenfrequenz neben anderen Variablen als Bedingungen benutzt. Die resultierenden Getriebe werden gegen einer flexiblen Mehrkörpersimulation verglichen. Die Ergebnisse zeigen eine gute Übereinstimmung zwischen der Simulation und den resultierenden Getrieben, mit vorhersagbaren Kräften, relativ geringen Vibrationen der Glieder und geringen Abweichungen des flexiblen Abtriebsgliedes gegen einem Starr-Körper-Modell.

Nowadays, there is a constant demand of mechanisms that operate at higher speeds and with good accuracy without compromising its reliability. This requires that the mechanism possess good dynamic behavior. The dynamics are traditionally considered at the end of the mechanism design process. If any problem is detected in this stage, it is necessary to go back in the design process for recalculation, leading to undesirable loops. This is particularly challenging for linkages that operate at high speeds because of the inherent nonlinearity of the system. The nonlinear motion of the system generates periodic forces with multiple harmonics that can excite one of the eigenfrequencies of the system. If the forces are low and the eigenfrequencies of the system are far enough from the harmonic components of high amplitude, the dynamic response of the system can be of low amplitude. However, these facts are not commonly analyzed in the early stages of the design process.Methods to include the dynamic considerations in the early stages of the mechanism design process are presented in this dissertation. They are applied to function-generator linkages, namely four-bar linkages and Watt II linkages. The input link of the mechanisms rotates at constant rate while the output link swings. The latter link moves a body of constant inertia.Different approaches are studied starting with a parametric study of the effects that a swinging body has on the reaction forces on the joints of a four-bar linkage. Then, four bar linkages are synthesized for the case of moving an external body of extremely high inertia, and then, for a more general case. After that, six-bar linkages are synthesized with two heuristic methods, the genetic algorithm and the non-dominated sorting genetic algorithm modified (NSGA II). These approaches consider the force on the joints as a first indicator of good dynamic behavior and constrain the first eigenfrequency, among other variables. The resulting mechanism are compared against an elastic multibody simulation. Comparative results show a good correlation between resulting mechanisms and simulations, with predictable forces, relatively low vibration of the links and low deviation of the flexible output link with respect to a rigid model.

OpenAccess:
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