Estudio de la eficiencia y fenómenos disipativos de engranajes con correcciones de tallado y modificaciones del perfil

Resumen

La demanda de sistemas de transmisión mediante engranajes más eficientes y fiables, capaces de operar con niveles de par y velocidad cada vez más elevados, ha dado lugar a un creciente interés por el desarrollo de herramientas de análisis que aporten un mejor conocimiento del comportamiento de estos sistemas. En este contexto surgió el modelo dinámico de partida del presente trabajo, desarrollado en el Grupo de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Cantabria (GEar Dynamics University of Cantabria model o modelo GEDUC). Este modelo determina las fuerzas de engrane a partir de un procedimiento híbrido, incorporando el efecto del lubricante así como la fricción por deslizamiento. El efecto del lubricante se introduce en forma de amortiguamiento viscoso, mientras que el rozamiento se formula mediante un modelo de Coulomb, en el cual se asume un coeficiente de fricción invariable a lo largo del ciclo de engrane. En este trabajo de Tesis se han extendido las capacidades del citado modelo, analizando en detalle los diferentes fenómenos disipativos que aparecen en el contacto entre engranajes, con el fin de evaluar su impacto en la eficiencia. Con este propósito, se han estudiado transmisiones con engranajes cilíndricos de dientes rectos estándar, corregidos y con rebajes en la punta del diente bajo cargas elevadas. En estas condiciones de operación el fenómeno disipativo más determinante sobre la eficiencia es la fricción por deslizamiento. Para su cálculo se ha empleado un modelo de Coulomb mejorado, mediante la utilización de formulaciones avanzadas para determinar tanto el reparto de carga como el coeficiente de fricción en cada instante. La obtención del reparto de carga entre las distintas parejas en contacto se lleva a cabo empleando el procedimiento originalmente desarrollado en el modelo GEDUC. Dicho procedimiento considera el efecto del par, y tiene en cuenta las deformaciones en los dientes adyacentes a la pareja en contacto, siendo compatible con la introducción de correcciones y modificaciones de perfil del diente. Para la implementación del coeficiente de fricción se ha seguido una formulación híbrida, la cual permite reproducir el comportamiento de la fricción en régimen elastohidrodinámico y distinguir entre condiciones de lubricación (extremas, mixtas y completamente fluidas). Asimismo, se ha desarrollado un procedimiento de cálculo de la eficiencia que considera todos los fenómenos disipativos. En este trabajo el procedimiento ha sido empleado considerando únicamente la fricción por deslizamiento. La eficiencia cuando se tiene en cuenta la fricción por deslizamiento depende de tres factores: la velocidad de deslizamiento, el reparto de carga y el coeficiente de fricción. La principal fortaleza del procedimiento propuesto reside en la utilización de un reparto de carga avanzado, que no sólo influye directamente en el cálculo de la eficiencia, sino que permite una mejor aproximación del coeficiente de fricción, dado que las formulaciones híbridas son dependientes de la carga aplicada. El procedimiento propuesto, caracterizado por emplear formulaciones avanzadas de reparto de carga y coeficiente de fricción, se ha comparado con otro basado en la utilización de formulaciones analíticas. El objetivo de esta comparativa es correlacionar los resultados de eficiencia, identificando las ventajas de utilizar un procedimiento avanzado. También se ha implementado una mejora al procedimiento basado en formulaciones analíticas, a partir de la inclusión de un reparto de carga variable en las zonas de contacto doble. Paralelamente al cálculo de la eficiencia de transmisiones por engranajes cilíndricos rectos, otro de los objetivos de este trabajo ha sido analizar el efecto de las modificaciones de perfil y de las correcciones de tallado en dicha eficiencia. Ambas tipologías de dientes son ampliamente utilizadas en la industria dado que mejoran aspectos resistentes y de funcionamiento en régimen dinámico de la transmisión. Es por ello que existe un gran interés en analizar cualquier aspecto que influya en el rendimiento energético de tales transmisiones. A partir de este análisis de la eficiencia, se ha demostrado que existe una modificación de perfil y corrección de tallado óptimas, para las cuales la eficiencia energética de la transmisión es máxima en unas condiciones de operación específicas.