Development of a methodology for automated calculation and design of Hirth couplings in T-FLEX CAD

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

The article is devoted to Hirth couplings, widely used in various fields of mechanical engineering, in particular in metal-cutting machines, transport machines, manipulators. The article provides a detailed description of the Hirth coupling design, considers the algorithm of analytical calculation of couplings by various strength criteria, specifies the recommended materials of individual parts of Hirth couplings and the recommended geometric parameters of coupling teeth that ensure the required accuracy of operation. The disadvantage of the analytical calculation, which does not reflect the load distribution along the coupling tooth height, is noted. Information on the numerical calculation of Hirth couplings by the finite element method and the problems arising in this case is also provided. The importance of taking into account the friction forces arising when mating the coupling teeth is noted. The operation of the Hirth coupling used in the rotary table for the positional automatic line and the operations of the technological process used in the manufacture of the Hirth coupling are considered in detail. Information on the automated design and geometric modeling of Hirth couplings in a CAD system is provided. The scientific novelty of the work lies in the methodology of automated design of Hirth couplings developed by the authors, which can be used to accelerate the process of creating mechanical engineering objects containing such mechanisms; the developed calculation model of the Hirth coupling takes into account the influence of the initial parameters of application in the equipment on the final geometric image of the coupling, which, in turn, will be reflected in the resulting design of the sample of process equipment or another mechanical engineering object. The practical significance of the work lies in the fact that it proposes a complex of engineering support for the automated design of Hirth couplings, including design solutions based on parametric adaptive geometric 3D models in T-FLEX CAD.

About the authors

A. N. Sobolev

MSUT "STANKIN"

Author for correspondence.
Email: t-64@mail.ru

A. Ya. Nekrasov

MSUT "STANKIN"

Email: a.nekrasov@stankin.ru

A. V. Rivkin

MSUT "STANKIN"

Email: alexey-rivkin@yandex.ru

References

  1. Isaev A. V., Lyadnik S. V., Kuptsov V. R. Analysis of designs of drive tool blocks for precision CNC lathes // Bulletin of MSUT “Stankin”. – 2022. – No. 4 (63). – P. 75–80.
  2. Grechishnikov V. A., Pivkin P. M., Isaev A. V., Ershov A. A., Isaev A. V., Yashkov V. A., Belotsky A. S., Minin I. V., Bushuev V. V., Nadykto A. B. Expanding the technological capabilities of CNC grinding and sharpening machines in the manufacture and sharpening of cutting tools using API CAD methods // STIN. – 2022. – No. S12–2. – P. 2–5.
  3. Petukhov Yu. E., Domnin P. V., Zheltikov S. A. Mathematical modeling of the profile of a clock gear using mathematical programming tools in the MathCAD environment // Bulletin of MSUT “Stankin”. – 2022. – No. 4 (63). – P. 85–90.
  4. Croccolo D., Cavalli O., De Agostinis M., Fini S., Olmi G., Robusto F., Vincenzi N. A methodology for the lightweight design of modern transfer machine tools // Machines. – 2018. – Vol. 6 (2).
  5. Croccolo D., De Agostinis M., Fini S., Olmi G., Robusto F., Vincenzi N. On Hirth ring couplings: Design principles including the effect of friction // Actuators. – 2018. – Vol. 7. – P. 79.
  6. Hirth C. A. Shaft coupling. U.S. Patent 1,660,792, 28 February 1928.
  7. Machine 16K20F3 // Metal Processing Technologies [Electronic resource]. – URL: https://www.metalcutting.ru/content/stanok-16k20fz (accessed: 20.08.2024).
  8. Bushuev V. V. Equipment for technical production / Ed. by V. V. Bushuev. – Moscow: Stankin, 1993. – Vol. 2. – 650 p.
  9. Reference tool for CNC lathes // Vunivere.ru. Educational materials for students [Electronic resource]. – URL: https://vunivere.ru/work13108/page2 (accessed: 20.08.2024).
  10. Matzke G. Verbindung von Wellen durch Verzahnung // Konstruktion. – 1951. – Vol. 3. – P. 211–216.
  11. Niemann G., Winter H., Hohn B. R. Maschinenelemente. – Berlin: Springer-Verlag, 2005.
  12. Croccolo D., De Agostinis M., Vincenzi N. Normalization of the stress concentrations at the rounded edges of a shaft-hub interference fit: Extension to the case of a hollow shaft // Journal of Strain Analysis for Engineering Design. – 2012. – Vol. 47. – P. 131–139.
  13. Croccolo D., De Agostinis M., Fini S., Morri A., Olmi G. Analysis of the influence of fretting on the fatigue life of interference fitted joints // In: Proceedings of the ASME International Mechanical Engineering Congress.
  14. Jiang X. J., Zhang Y. Y., Yuan S. X. Analysis of the contact stresses in curvic couplings of gas turbine in a blade-off event // Strength of Materials. – 2012. – Vol. 44. – P. 539–550.
  15. Yuan S. X., Zhang Y. Y., Zhang Y. C., Jiang X. J. Stress distribution and contact status analysis of a bolted rotor with curvic couplings // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science. – 2010. – Vol. 224. – P. 1815–1829.
  16. Richardson I. J., Hyde T. M., Becker A. A., Taylor J. W. A three-dimensional finite element investigation of the bolt stresses in an aero-engine curvic coupling under a blade release condition // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part G: Journal of Aerospace Engineering. – 2000. – Vol. 214. – P. 231–245.
  17. Croccolo D., Cuppini R., Vincenzi N. Friction coefficient definition in compression-fit couplings applying the DOE method // Strain. – 2008. – Vol. 44. – P. 170–179.
  18. RR71, Friction in Temporary Works. – HSE Books. – ISBN: 0 7176 2613 X. – URL: http://www.hse.gov.uk/research/rrhtm/rr071.htm (accessed: 10.06.2024).
  19. Pirozhkov V. G., Sobolev A. N., Nekrasov A. Ya., Arbuzov M. O. Automated design and modeling in mechanical engineering: Orthogonal cylindrical–bevel gears // Proceedings of the Gubkin Russian State University of Oil and Gas. – 2019. – No. 2. – P. 95–106.
  20. Abruzzo M., Macoretta G., Romoli L., Veracini M. Technological and contact analysis of Hirth joints including manufacturing tolerances // Precision Engineering. – 2024. – Vol. 86. – P. 66–74.
  21. Kim B. J., Oh J., Palazzolo A. Test and theory for a refined structural model of a Hirth coupling // Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. – 2022. – Vol. 144. – Art. 031027.
  22. Kim B. J., Oh J., Palazzolo A. Beam based rotordynamics modelling for preloaded Hirth, Curvic and butt couplings // Journal of Sound and Vibration. – 2023. – Vol. 565. – Art. 117921.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».