Journal of the Korean Society for Precision Engineering
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v.16
no.12
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pp.99-108
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1999
A four-degree-of-freedom non-linear model with time varying mesh stiffness has been developed for the dynamic analysis of spur gear trains. The model includes a spur gear pair, two shafts, two inertias representing load and prime mover. In the model, developed several factors such as time varying mesh stiffness and damping, separation of teeth, teeth collision, various gear errors and profile modifications have been considered. Two computer programs are developed to calculate stiffness of a gear pair and transmission error and the dynamic analysis of modeled system using time integration method. Dynamic tooth and mesh forces, dynamic factors are calculated. Numerical examples have been given, which shows the time varying mesh stiffness ha a significant effect upon the dynamic tooth force and torsional vibrations.
Tracking control of systems with variable stiffness hysteresis using a gain-scheduled (GS) controller is developed in this paper. Variable stiffness hysteretic system is represented as quasi linear parameter dependent system with known bounds on parameters. Assuming that the parameters can be measured or estimated in real-time, a GS controller that ensures the performance and the stability of the closed-loop system over the entire range of parameter variation is designed. The proposed method is implemented on a spring-mass system which consists of a semi-active independently variable stiffness (SAIVS) device that exhibits hysteresis and precisely controllable stiffness change in real-time. The SAIVS system with variable stiffness hysteresis is represented as quasi linear parameter varying (LPV) system with two parameters: linear time-varying stiffness (parameter with slow variation rate) and stiffness of the friction-hysteresis (parameter with high variation rate). The proposed LPV-GS controller can accommodate both slow and fast varying parameter, which was not possible with the controllers proposed in the prior studies. Effectiveness of the proposed controller is demonstrated by comparing the results with a fixed robust $\mathcal{H}_{\infty}$ controller that assumes the parameter variation as an uncertainty. Superior performance of the LPV-GS over the robust $\mathcal{H}_{\infty}$ controller is demonstrated for varying stiffness hysteresis of SAIVS device and for different ranges of tracking displacements. The LPV-GS controller is capable of adapting to any parameter changes whereas the $\mathcal{H}_{\infty}$ controller is effective only when the system parameters are in the vicinity of the nominal plant parameters for which the controller is designed. The robust $\mathcal{H}_{\infty}$ controller becomes unstable under large parameter variations but the LPV-GS will ensure stability and guarantee the desired closed-loop performance.
The design of current collection system of high speed train requires the fundamental understandings for the dynamic characteristics of catenary system and pantograph. The stiffness of catenary system of high speed train has the varying characteristics for the change of contact point with pantograph, since the supporting pole and hanger make the different boundary conditions for the up-down stiffness of a trolley wire. The variation of stiffness results in Mathiue equation, which characterizes the stability of the system. However, the two-term variation of the stiffness due to span length and hanger distance cannot be solved analytically. In this paper, the stiffness variations are calculated and the physical reasoning of linear model and one term Mathieu equation are reviewed. And the numerical analysis for the two-term variation of the stiffness is done for the several design parameters of pantograph.
This paper presents the effects of the computational time-varying delay on the stability of the haptic system that includes a virtual wall and a first-order-hold method. The model of a haptic system includes a haptic device model with a mass and a damper, a virtual wall model, a first-order-hold model and a computational time-varying delay model. In this paper, the maximum of the computational time-varying delay is assumed to be as much as the sampling time. Using the simulation, it is analyzed how the sample-hold methods and the computational time-varying delay affect the maximum available stiffness. As the maximum of computational time-varying delay increases, the maximal available stiffness of a virtual wall model is reduced.
This paper proposed a discrete wavelet transform based method for time-varying physical parameter identification of shear type structures. The time-varying physical parameters are dispersed and expanded at multi-scale as profile and detail signal using discrete wavelet basis. To reduce the number of unknown quantity, the wavelet coefficients that reflect the detail signal are ignored by setting as zero value. Consequently, the time-varying parameter can be approximately estimated only using the scale coefficients that reflect the profile signal, and the identification task is transformed to an equivalent time-invariant scale coefficient estimation. The time-invariant scale coefficients can be simply estimated using regular least-squares methods, and then the original time-varying physical parameters can be reconstructed by using the identified time-invariant scale coefficients. To reduce the influence of the ill-posed problem of equation resolving caused by noise, the Tikhonov regularization method instead of regular least-squares method is used in the paper to estimate the scale coefficients. A two-story shear type frame structure with time-varying stiffness and damping are simulated to validate the effectiveness and accuracy of the proposed method. It is demonstrated that the identified time-varying stiffness is with a good accuracy, while the identified damping is sensitive to noise.
A finite element model of geared rotor system with flexible bearings were used to simulate the critical speeds and to investigate the effects of bearing coefficients on the dynamic behaviors of the systems. The finite element model includes the effects of tooth mesh stiffness, gyroscopic moment, rotary inertia, shear, and torque of the shaft. The gear mesh was modelled as a pair of rigid disks connected by a spring of time varying stiffness. The time varying mesh stiffness results in the abrupt change of the critical speeds of spur geared systems. As the bearing stiffness increases, critical speeds increase rapidly in case of stiff shafts, compared with flexible shafts.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2006.05a
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pp.224-231
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2006
A six-degree-of-freedom dynamic model with time-varying mesh stiffness/damping and friction has been developed for the dynamic analysis of a gear driving system. This model includes a spur gear pair, bearing, friction and prime mover. Using Newton???s method, equations of motion for the gear driving system were derived. Two computer programs are developed to calculate mesh stiffness, transmission error and friction force and analyze the dynamics of the modeled system using a time integration method. The influences of mesh stiffness/damping, bearing, and friction affecting the system were investigated by performing eigenvalue analysis and time response analysis. It is found that the reduction of the maximum peak magnitude by friction is decided according to designing the positions of pitch point and maximum peak in the responses.
In this article, an analytical-numerical approach is presented in order to determine the dynamic response of thin plates resting on multiple elastic point supports with time-varying stiffness. The proposed method is essentially based on transforming a familiar governing partial differential equation into a new solvable system of linear ordinary differential equations. When dealing with time-invariant stiffness, the solution of this system of equations leads to a symmetric matrix, whose eigenvalues determine the natural frequencies of the point-supported plate. Moreover, this method proves to be applicable for any plate configuration with any type of boundary condition. The results, where possible, are verified upon comparison with available values in the literature, and excellent agreement is achieved.
This paper presents a comparison of the black-box and the physics based derived gray-box models for subspace identification for structures subjected to support-excitation. The study compares the damage detection capabilities of both these methods for linear time invariant (LTI) systems as well as linear time-varying (LTV) systems by extending the gray-box model for time-varying systems using short-time windows. The numerically simulated IASC-ASCE Phase-I benchmark building has been used to compare the two methods for different damage scenarios. The efficacy of the two methods for the identification of stiffness parameters has been studied in the presence of different levels of sensor noise to simulate on-field conditions. The proposed extension of the gray-box model for LTV systems has been shown to outperform the black-box model in capturing the variation in stiffness parameters for the benchmark building.
The design of a current collection system of high speed train requires the fundamental understandings fer the dynamic characteristics of a catenary system and pantograph. The stiffness of the catenary system of high speed train has the varying characteristics for the change of the contact point with a pantograph, since the supporting pole and hanger make the different boundary conditions for the updown stiffness of a trolley wire. The variation of stiffness results in Mathiue equation, which characterizes the stability of the system. However, the two terms variation of the stiffness due to span length and hanger distance cannot be solved analytically. In this paper, the stiffness variations are calculated, and the physical reasoning of linear model and one term Mathieu equation are reviewed. And the numerical analysis for the two term variation of the stiffness is done for the several design parameters of the pantograph.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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