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Métodos analíticos para estimar las presiones de contacto en acoplamientos spline.

Un acoplamiento estriado es un tipo de conexión mecánica entre dos ejes giratorios. Consta de dos partes: un acoplador y un acoplamiento. Ambas partes tienen dientes que se acoplan y transfieren cargas. Sin embargo, los acoplamientos estriados suelen estar sobredimensionados, lo que los hace susceptibles a la fatiga y al desgaste estático. El desgaste también puede provocar su fallo. Por ello, un diseño adecuado del acoplamiento estriado es esencial para lograr un rendimiento óptimo.

Modelado de un acoplamiento de spline

Los acoplamientos estriados son cada vez más populares en la industria aeroespacial, pero operan con una ligera desalineación, lo que provoca vibraciones y daños en las superficies de contacto. Para solucionar este problema, este artículo propone métodos analíticos para estimar las presiones de contacto en un acoplamiento estriado. En concreto, se comparan los métodos analíticos con los métodos puramente numéricos para demostrar las ventajas del enfoque analítico.
Para modelar un acoplamiento spline, primero se crea la base de conocimiento correspondiente. Esta base de conocimiento incluye una gran cantidad de valores de especificación posibles, que están interrelacionados. Si se modifica una especificación, puede generarse una advertencia por incumplimiento de otra. Para que el diseño sea válido, se debe crear un modelo de acoplamiento spline que cumpla con los valores de especificación especificados.
Una vez modelada la geometría, debe introducir las presiones de contacto de los dos acoplamientos estriados. A continuación, debe determinar la posición del círculo primitivo del estriado. En la Figura 2, el centro del acoplamiento macho se superpone al del estriado hembra. Finalmente, debe asegurarse de que la distancia de alineación de los dos estriados sea la misma.
Una vez que tenga los datos necesarios para crear un modelo de acoplamiento de estrías, puede comenzar ingresando las especificaciones para el diseño de la interfaz. Con estos datos, debe elegir si optimizar la estría interna o la externa. También deberá especificar el coeficiente de fricción del diente, que se utiliza para determinar las tensiones en el modelo de acoplamiento de estrías 20. Asimismo, debe ingresar la holgura piloto, que es la holgura entre la punta 186 de un diente 32 en una estría y la característica en la estría de acoplamiento.
Tras introducir las especificaciones deseadas para la ranura externa, puede introducir los parámetros para la ranura interna. Por ejemplo, puede introducir el límite de diámetro exterior 154 del acoplamiento principal 54 y el acoplamiento secundario 56 de la ranura interna. Los valores de estos parámetros se muestran en recuadros codificados por colores en la pantalla GUI de Entradas y Configuración de Ranuras 80. Una vez introducidos los parámetros, se mostrará una representación geométrica del modelo de acoplamiento de ranuras 20.

Creación de un modelo de acoplamiento de spline 20

El modelo de acoplamiento spline 20 se crea mediante un programa de software de modelado de producto 10. El software valida el modelo de acoplamiento spline comparándolo con una base de conocimientos de restricciones y relaciones de especificación dependientes de la configuración. Este informe se introduce en el programa analizador de esfuerzos ANSYS. En él se enumeran las configuraciones geométricas del modelo de acoplamiento spline 20 y los valores de especificación para cada característica. El modelo de acoplamiento spline 20 se recrea automáticamente cada vez que se modifican su configuración o las especificaciones de rendimiento.
El modelo de acoplamiento estriado 20 se puede configurar mediante el programa de software de modelado de producto 10. El usuario especifica la longitud axial del conjunto de estrías, que puede ser cero o una longitud fija. Asimismo, introduce una cara de acoplamiento radial 148, si la hay, y selecciona un valor de especificación de holgura piloto de 14,5 grados o 30 grados.
El usuario puede utilizar el ratón (110) para modificar el modelo de acoplamiento spline (20). La base de conocimientos del acoplamiento spline contiene una gran cantidad de valores de especificación posibles y la regla de diseño correspondiente. Si el usuario intenta modificar el modelo, este mostrará una advertencia sobre una posible infracción de otra especificación. En algunos casos, la modificación podría invalidar el diseño.
En el modelo de acoplamiento estriado 20, el usuario introduce especificaciones adicionales de rendimiento. Selecciona las ubicaciones donde se transfiere el par máximo para las estrías internas y externas 38 y 40. La ubicación de transferencia de par máximo viene determinada por la configuración de fijación de los componentes a los ejes. Una vez seleccionada esta opción, el usuario puede hacer clic en «Siguiente» para guardar el modelo. Se muestra una vista previa del modelo de acoplamiento estriado 20.
El modelo 20 representa un acoplamiento estriado. Las especificaciones del acoplamiento estriado se introducen en el orden y la disposición indicados en la pantalla de la interfaz gráfica de usuario (GUI) del modelo 20. Una vez introducidas las especificaciones, el programa de software 10 las incorporará al modelo 20. Este es el último paso en la creación del modelo de acoplamiento estriado.

Análisis de un modelo de acoplamiento de splines 20

El análisis de un modelo de acoplamiento spline consiste en introducir sus especificaciones de configuración y rendimiento. Estas especificaciones pueden generarse mediante otro programa informático. El software de modelado de producto 10 utiliza entonces su base de conocimientos interna sobre relaciones y restricciones de especificaciones dependientes de la configuración para crear un modelo paramétrico tridimensional válido 20. Este modelo contiene información que describe el número y los tipos de dientes spline 32, puntos de anclaje 34 y hombro 36.
Al analizar un acoplamiento de spline, el programa informático 10 incluye valores predeterminados para diversas especificaciones. El modelo de acoplamiento de spline 20 consta de un spline interno 38 y un spline externo 40. Cada spline incluye su propio conjunto de parámetros, como profundidad, anchura, longitud y radios. El spline externo 40 también contiene su propio conjunto de parámetros, como su orientación.
Tras seleccionar estos parámetros, el programa informático realizará diversos análisis sobre el modelo de acoplamiento estriado 20. El programa 10 calcula las tensiones nominales y máximas de apoyo de los dientes, así como la vida útil por fatiga del acoplamiento estriado. También determinará la diferencia en la torsión entre un estriado interno y uno externo. El archivo de salida del análisis será un informe que contendrá la configuración del modelo y los datos de especificación. Este archivo también podrá ser utilizado por otros programas informáticos para análisis posteriores.
Una vez configurados estos parámetros, el usuario introduce los criterios de diseño para el modelo de acoplamiento estriado 20. En este paso, especifica las ubicaciones de máxima transferencia de par para las estrías 38, tanto externas como internas. La ubicación de máxima transferencia de par depende de la configuración de los componentes acoplados a los ejes. El usuario puede introducir hasta cuatro especificaciones de requisitos de rendimiento diferentes para cada estría.
Los resultados del análisis muestran dos fases de acoplamiento de las splines. La primera fase presenta un gran aumento de la tensión y la vibración. La segunda fase muestra una disminución tanto de la tensión como de la vibración. La tercera fase muestra una fuerza de engranaje constante de entre 300 N y 320 N. Este comportamiento se mantiene durante un período prolongado, hasta que la fase final se acopla con la superficie.

Desalineación de un acoplamiento spline

Un estudio tuvo como objetivo investigar la posición de la fuerza de contacto resultante en un acoplamiento estriado que engrana dientes bajo un par constante y una desalineación rotacional. El estudio empleó métodos numéricos basados ​​en modelos de elementos finitos (MEF). Se obtuvieron resultados numéricos para condiciones nominales y desalineación paralela. El estudio consideró dos niveles de desalineación —0,02 mm y 0,08 mm— con diferentes niveles de carga.
Los resultados mostraron que la desalineación entre las estrías y los rotores provoca un cambio en la fuerza de engranaje del sistema de acoplamiento estría-rotor. Su dinámica está regida por la fuerza de engranaje de las estrías. La fuerza de engranaje de un acoplamiento estría desalineado está relacionada con los parámetros del sistema de acoplamiento rotor-estría, el par de transmisión y el desplazamiento de vibración dinámica.
A pesar de la falta de mediciones precisas, la desalineación de las estrías es un problema común. Este problema se agrava por el hecho de que las estrías suelen presentar holgura. Esta holgura es consecuencia de la desalineación de la estría. Los autores analizaron varias estrías con diferentes diámetros de paso y relaciones longitud/diámetro.
Un acoplamiento estriado es un sistema mecánico bidimensional con juego positivo. Consta de un cubo y un eje, y presenta holguras entre la punta y la raíz mayores que el juego. Una holgura de forma es suficiente para evitar el contacto entre los radios de curvatura de la punta y la raíz. El par de torsión en las estrías se transmite por fricción.
Cuando un acoplamiento estriado se desalinea, se genera una fuerza de empuje con predominio de par. En tal caso, la fuerza puede superar el par, provocando que el componente pierda su alineación. En este estudio, la transmisión bidireccional de par y empuje se modela analíticamente. El enfoque analítico proporciona soluciones que pueden integrarse en el proceso de diseño. Por lo tanto, la próxima vez que se enfrente a un problema de acoplamiento estriado desalineado, ¡no olvide utilizar un enfoque analítico!
En este estudio, se analiza el acoplamiento estriado en condiciones nominales sin desalineación paralela. Los valores de rigidez obtenidos corresponden a la diferencia porcentual entre el diámetro primitivo nominal y el diámetro de aplicación de la carga. Además, la diferencia porcentual máxima en el diámetro primitivo medido es de 1,60% bajo un par de torsión de 5000 N·m. El ángulo primitivo también se considera en el cálculo.

Editor por CX 12/11/2023