Modeling the Kinematics and Dynamics of Universal Joint

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The universal joint or Hooke joint, or U-joint is the main unit of the cardan transmission, which consists of two joints connected by an intermediate shaft. Cardan gears are widely used in various industries when creating machines with power transfer from the output shaft of the gearbox to the crank shaft in the absence of their coaxiality. A sufficiently large number of works are devoted to the study of the kinematics of the universal joint, and there are no works on its dynamics. Such a description became possible due to the use of matrix and quaternion formalism in describing the movement of the universal joint. In this paper, a complete description of the kinematics of the universal joint in its working cycle in terms of analogues of angular velocities is obtained and, on this basis, the dynamics of the joint is studied, taking into account its inertial characteristics. It is shown that taking into account the inertial characteristics of the U-joint cross can lead to a significant increase in the magnitude of the torque, the effectiveness on the spikes, in contact with the fork of the driven shaft.

About the authors

Evgenii A. Mityushov

Ural Federal University named after the first President B.N. Yeltsin

Email: mityushov-e@mail.ru
Dr. Sci. (Eng.), Professor; Professor at the Department of New Materials and Technologies Yekaterinburg, Russian Federation

Natalia E. Misyura

Ural Federal University named after the first President B.N. Yeltsin

Email: n_misura@mail.ru
Cand. Sci. (Eng.); associate professor at the Department Yekaterinburg, Russian Federation

Alexey E. Lamotkin

Ural Federal University named after the first President B.N. Yeltsin

Email: alexey.lamotkin@urfu.ru
senior lecturer Yekaterinburg, Russian Federation

Evgenii Yu. Raskatov

Ural Federal University named after the first President B.N. Yeltsin

Email: e.j.raskatov@urfu.ru
Dr. Sci. (Eng.), Associate Professor; Professor at the Department of New Materials and Technologies Yekaterinburg, Russian Federation

References

  1. Amaresh Goud E., Hussain P. Study & analysis of universal joint with the replacement of different material // Journal of Engineering Sciences. 2019. Vol. 10. Issue 12. Pp. 1037-1047.
  2. Cardanus H. De subtilitate rerum. Norimberga: Johannes Petreius, 1550.
  3. Datey S.N., Khamankar S.D., Kuttarmare H.C. Finite element analysis of universal joint // Journal of Mechanical and Civil Engineering. 2014. Vol. 11. Issue 3. Pp. 64-69.
  4. Hooke R. A description of helioscopes, and some other instruments. London: John Martyn, 1676.
  5. LeCain N. Tutorial of Hertzian contact stress analysis. URL: https://wp.optics.arizona.edu/optomech/wp-content/uploads/sites/53/2016/10/Tutorial_LeCainNicholas.pdf (data of accesses: 29.11.2022).
  6. Mityushov E.A., Misyura N.E. A quaternionic description of kinematics and dynamics universal joint // J. Phys.: Conf. Ser. 2021. Vol. 1901. Pp. 012-121.
  7. Petrescu F., Petrescu R. The structure, geometry, and kinematics of a universal joint // Independent Journal of Management & Production. 2019. Vol. 10. Issue 8. Pp. 1713-1724.
  8. Poncelet J.V. Traité de mécanique appliquée aux machines. Part 1. Liége: Librairie scientifique et industrielle, 1845.
  9. Vesali F., Rezvani M.A., Kashfi M. Dynamics of universal joints, its failures, and some propositions for practically improving its performance and life expectancy // Journal of Mechanical Science and Technology. 2012. Vol. 26. Pp. 2439-2449.
  10. Willis R. Principles of Mechanisms. London: John W. Parker, 1841.
  11. Yadav K., Jain H. Modeling and finite element analysis of universal joint // Advancement in Mechanical Engineering and Technology. 2021 Vol. 4. Issue 1. Pp. 1-4.
  12. Eresko S.P. Comparative analysis of designs of cardan joints of unequal angular velocities. Bulletin of RSSAU. 2015. Vol. 16. No. 3. Pp. 720-728. (In Rus.)
  13. Zhilin P.A. Vectors and second-rank tensors in three-dimensional space. St. Petersburg: Nestor Publ., 2014.
  14. Kravchenko V.I. et al. New materials and technologies used in the production of cardan transmissions. Bulletin of the Belarussian-Russian University. 2006. No. 4 (13). Pp. 91-99. (In Rus.)
  15. Mityushov E.A., Misyura N.E. Quaternion models in kinematics and dynamics of spherical motion of elements of complex technical systems. Progressive Technologies and Systems of Engineering. 2020. No. 4 (71). Pp. 27-34. (In Rus.)

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».