Kinematic Analysis of Three-Joint Moment Transmission Performance in Vehicles

Abstract

Especially in vehicles with long wheelbase, it is necessary to use two cardan shafts with three joints instead of a single drive shaft with two joints to ensure that the moment transfer is uninterrupted and the fluctuation of rotation is minimal. In this study, the moment transfer performance of a vehicle with three cardan joint powertrain lines was determined by kinematic analysis according to various coupling heights and shaft angles. For this purpose, theoretical calculations have been performed for three different powertrain connection alternatives. In addition, the results for the first alternative were compared with the results obtained from the cardan shaft test setup, and the results were verified. For all three designs, the cardan shaft output rotation angle changes depending on the input rotation angle have been calculated. In this study, it is aimed to set an example for the users for an efficient powertrain line design with low speed variation by examining the angular velocity changes depending on the middle joint position and the change of connection angles in vehicles with three joint powertrain lines.

Keywords

• Cardan Joint
• Three Joint Powertrain
• Kinematic Analysis
• Automotive

Taşıtlarda Üç Mafsallı Moment İletim Performansının Kinematik Analizi

Abstract

Özellikle uzun aks aralığına sahip taşıtlarda moment iletiminin kesintisiz ve hız düzgünsüzlüğünün minimum olması için iki mafsala sahip tek kardan mili yerine parçalı şekilde üç mafsala sahip iki kardan milinin kullanımı gerekmektedir. Bu çalışmada, üç mafsallı tahrik iletim hattına sahip bir taşıtın moment iletim performansı, çeşitli bağlantı yükseklikleri ve mil açılarına göre gerçekleştirilen kinematik analizlerle belirlenmiştir. Bu amaçla öncelikle teorik olarak üç farklı tahrik bağlantı alternatifi için hesaplamalar yapılmıştır. Ayrıca ilk alternatif için bulunan sonuçlar, kardan mili test düzeneği üzerinden alınan sonuçlarla karşılaştırılarak, sonuçların doğrulanması gerçekleştirilmiştir. Her üç tasarım için giriş dönüş açısına bağlı kardan mili çıkış dönüş açısı değişimleri hesaplanmıştır. Bu çalışma ile üç mafsallı tahrik iletim hattına sahip araçlarda, orta mafsal konumu ve bağlantı açılarının değişimine bağlı olarak açısal hız değişimleri incelenerek kullanıcılara hız düzgünsüzlüğü düşük ve verimli bir tahrik iletim hattı tasarımı için örnek oluşturulması amaçlanmıştır.

Keywords

• Kardan Mafsal
• Üç Mafsallı İletim
• Kinematik Analiz
• Otomotiv

References

1. Kuralay, N.S., 2008. Motorlu Taşıtlar Temel Tasarım Esasları, Yapı Elemanları Cilt 1, Tahrik ve Sürüş Sistemleri, MMO/484, İzmir, 104-119s.
2. Seherr-Thoss, H.C., Schmelz, F., Aucktor, E. 2006. Universal Joints and Driveshafts Analysis, Design, Applications, Springer-Verlag, New York.
3. Vedam, K., Naganathan, N., Szadkowski, A., and Prange, E. 1995. Analysis of an Automotive Driveline with Cardan Universal Joints, SAE Technical Paper 950895, DOI:10.4271/950895.
4. Uçar, M., Çakır, A., Uçar, N. 1996. İmalat Toleransları Dahilinde Kardan Kavramaların Kinematik Analizi ve Imalat Toleranslarının Kavrama Kinematiğine Etkisi. 7. Uluslararası Makina Tasarım ve İmalat Kongresi, 11-13 Eylül, Ankara.
5. Uçar, M. 1999. Kardan Kaplinlerinde Hasara Etki Eden Faktörler Ve Alınması Gereken Tedbirler, Pamukkale Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, Cilt. 5, s. 1033-1039.
6. Krishna, V., Naganathan, N.G., Phadnis, R., Dukkipati, R.V. 2000. Analysis of driveline loads in an automotive powertrain with multiple Cardan joints, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part D: Journal of Automobile Engineering Cilt. 214, s. 509-522. DOI: 10.1243/0954407001527808
7. Rabeih, E., El-Demerdash, S. 2002. Investigation of the Vehicle Ride Vibration Effect on the Driveline Fluctuations, SAE Technical Paper 2002-01-3065, DOU: 10.4271/2002-01-3065.
8. Yavuz, İ. 2005. Taşıtlarda güç aktarma organlarında hasar analizi: şaft mafsalı ve aks örneği. Afyon Kocatepe Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, 101s, Afyon.

9. Çeiner, İ. 2007. Hafif tip ticari araç kardan millerinin dinamik etkiler altında modellenmesi. Sakarya Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, 137s, Sakarya.
10. Korkut, T. 2008. Arkadan itişli hafif ticari araçlarda tekerleklere hareket transferini gerçekleştiren kardan milinde oluşan titreşim ve seslerin analizi. Kocaeli Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, 111s, Kocaeli.
11. Akkurt, T. 2013. Ağır ticari araçlarda kardan şaftına etkien tork değerlerinin araştırılması. İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, 79s, İstanbul.
12. Salinic, S., Vranic, A., Nesic, N.D., Tomovic, A.M. 2017. On the torque transmission by a cardan-hooke joint, FME Transactions Cilt. 45, s. 117-121. DOI: 10.5937/fmet1701117S
13. Kishore, :, Keerthi, J., Kumar, V. 2016. Design and analysis of drive shaft of an automobile, International Journal of Engineering Trends and Technology (IJETT) Cilt. 38(6), s. 291-296. DOI: 10.14445/22315381/IJETT-V38P253
14. Hadju, S., Rolnik, L., Svos, J. 2016. Kinematics simulation of the cardan shaft for investigation of the cardan error in catia v5, Research Papers Faculty Of Materials Science And Technology, Cil. 24(39), s. 159-166. DOI: 10.1515/rput-2016-0031
15. Cardozo, W.S., Weber, H.I. 2018. A compact formulation for constant velocity joint kinematics, Mechanism and Machine Theory Cilt. 121, s. 1–14. DOI: 10.1016/j.mechmachtheory.2017.10.009
16. Uçar, M., Çınar, R., Merdane, H. 2004. Kardan kaplinlerindeki eksenel kayar mafsaldaki sürtünme kuvvetinin şasi ve güç aktarma sistemlerinde oluşturduğu etkilerinin incelenmesi, Politeknik Dergisi, Cilt. 7(4), s. 307-314.
17. Fischer, I.S., Paul, R.N. 1991. Kinematic displacement analysis of a double-cardan-joint driveline, Journal of Mechanical Design, Cilt. 113(3), s. 263-271. DOI: 10.1115/1.2912778