Cómo calcular la rigidez, la fuerza de centrado, el desgaste y la falla por fatiga de los acoplamientos estriados.

Existen diversos tipos de acoplamientos estriados. Estos acoplamientos poseen varias propiedades importantes, tales como: rigidez, estrías de evolvente, desalineación, desgaste y fatiga. Para comprender cómo se relacionan estas características con los acoplamientos estriados, lea este artículo. Le proporcionará el conocimiento necesario para determinar qué tipo de acoplamiento se adapta mejor a sus necesidades. Tenga en cuenta que los acoplamientos estriados suelen ser esféricos y están fabricados de acero.

Splines involutas

Una interferencia lateral efectiva minimiza la desalineación de los engranajes. Cuando dos estrías se acoplan sin desalineación, la tensión máxima en la raíz se desplaza cinco milímetros hacia la izquierda. Una variación lineal en el avance, resultante de múltiples conexiones a lo largo del contacto de la estría, aumenta la holgura efectiva o la interferencia en un porcentaje determinado. Este tipo de desalineación es indeseable para el acoplamiento de equipos de alta velocidad.
Las estrías evolventes se utilizan frecuentemente en cajas de engranajes. Estas estrías transmiten un par elevado y distribuyen mejor la carga entre los múltiples dientes a lo largo de la circunferencia del acoplamiento. El perfil evolvente y los errores de avance están relacionados con el espaciado entre los dientes de la estría y las chavetas. En aplicaciones de acoplamiento, la industria utiliza estrías con entre un 25 % y un 50 % de los dientes acoplados. Esta distribución de carga es más uniforme que la de los acoplamientos convencionales de una sola chaveta.
Para determinar el acoplamiento óptimo de los dientes en un acoplamiento de estrías complejo, Xiangzhen Xue y sus colegas utilizaron un modelo informático para simular la tensión aplicada a las estrías. Los resultados de este estudio demostraron que se debe utilizar un parámetro de Ruiz "admisible" en el acoplamiento. Al predecir el desgaste de una estría coronada, los investigadores pudieron predecir con precisión el daño que sufrirán los componentes durante el proceso de acoplamiento.
Existen varias maneras de determinar el ángulo de presión óptimo para una estría evolvente. Generalmente, las estrías evolventes se miden con un ángulo de presión de 30 grados. Al igual que los engranajes, las estrías evolventes se suelen probar mediante una medición con pasadores. Esto implica insertar alambres de un tamaño específico entre los dientes del engranaje y medir la distancia entre ellos. Este método permite determinar si el engranaje tiene un perfil de diente adecuado.
El sistema de splines que se muestra en la Figura 1 ilustra un modelo de vibración. Esta simulación permite comprender cómo se utilizan los splines de evolvente en el acoplamiento. El modelo de vibración muestra cuatro bloques de masa concentrada que representan el motor principal, el spline interno y la carga. Es importante destacar que la función de deformación de mallado representa las fuerzas que actúan sobre estos tres componentes.

Rigidez del acoplamiento

El cálculo de la rigidez de un acoplamiento spline implica la medición del acoplamiento de sus dientes. A continuación, analizamos la rigidez de un acoplamiento spline con distintos tipos de dientes mediante dos métodos diferentes. Tanto la inversión directa como la inversión por bloques reducen el tiempo de CPU para el cálculo de la rigidez. Sin embargo, requieren submatrices de evaluación. Aquí, analizamos las diferencias entre estos dos métodos.
En la segunda sección se deriva el modelo analítico para acoplamientos spline. En la tercera sección, se explica detalladamente el proceso de cálculo. A continuación, validamos este modelo comparándolo con el método de elementos finitos (MEF). Finalmente, analizamos la influencia de la no linealidad de la rigidez en la dinámica del rotor. Por último, discutimos las ventajas y desventajas de cada método. Presentamos un método sencillo pero eficaz para estimar la rigidez lateral de los acoplamientos spline.
El cálculo numérico del acoplamiento spline se basa en el modelo semianalítico de distribución de carga spline. Este método implica mallas de contacto refinadas y la actualización de la matriz de cumplimiento en cada iteración. Por lo tanto, consume un tiempo de cálculo considerable. Además, resulta difícil aplicar este método al análisis dinámico de un rotor. Este método presenta limitaciones y solo debe utilizarse cuando el acoplamiento spline se haya investigado exhaustivamente.
La fuerza de engranaje es la fuerza generada por un acoplamiento de estrías desalineado. Está relacionada con el espesor de las estrías y el par de transmisión del rotor. La fuerza de engranaje también está relacionada con el desplazamiento de vibración dinámica. El resultado obtenido del análisis de la fuerza de engranaje se muestra en las figuras 7, 8 y 9.
El análisis presentado en este artículo tiene como objetivo investigar la rigidez de los acoplamientos de espiga con una espiga desalineada. Si bien los resultados de estudios previos fueron precisos, persistían algunos problemas. Por ejemplo, la desalineación de la espiga puede causar daños por contacto. El objetivo de este artículo es investigar los problemas asociados con los acoplamientos de espiga desalineados y proponer un enfoque analítico para estimar la presión de contacto en una conexión de espiga. También comparamos nuestros resultados con los obtenidos mediante métodos puramente numéricos.

Desalineación

Para determinar la fuerza de centrado, es necesario conocer el ángulo de presión efectivo. Utilizando este ángulo, la fuerza de centrado se calcula en función de las cargas axiales y radiales máximas y los factores de desalineación de Dudley actualizados. La fuerza de centrado es la fuerza axial máxima que puede transmitirse por fricción. En el cálculo también se incluyen varios factores de desalineación publicados. En este artículo se presenta un nuevo método que considera el efecto de leva en la fuerza normal.
En este nuevo método, la rigidez a lo largo de la junta estriada se puede integrar para obtener una rigidez global aplicable al análisis de vibraciones torsionales. La rigidez de los cojinetes también se puede calcular para diferentes niveles de desalineación, lo que permite estimar con precisión sus dimensiones. Es recomendable verificar la rigidez de los cojinetes periódicamente para asegurar que tengan el tamaño y la alineación adecuados.
Una desalineación en un acoplamiento estriado puede provocar desgaste o incluso fallos. Esto se debe a un perfil de paso incorrectamente alineado. Este problema suele pasarse por alto, ya que los dientes están en contacto a lo largo de todo el perfil de evolvente. Esto provoca que la carga no se distribuya uniformemente a lo largo de la línea de contacto. Por consiguiente, es importante considerar el efecto de la desalineación en la fuerza de contacto sobre los dientes del acoplamiento estriado.
En la Figura 2, el centro de la spline macho se superpone a la spline hembra. Las distancias de engranaje de alineación también son idénticas. Por lo tanto, las curvas de fuerza de engranaje variarán según el desplazamiento de vibración dinámica. Es necesario conocer los parámetros de un acoplamiento de spline antes de implementarlo. En este artículo, se presenta el modelo de desalineación para acoplamientos de spline y sus parámetros correspondientes.
Mediante un banco de pruebas de acoplamiento estriado de fabricación propia, se estudian los efectos de la desalineación en este tipo de acoplamiento. A diferencia de los acoplamientos estriados convencionales, la desalineación en un acoplamiento estriado provoca desgaste por fricción en una posición específica de la superficie del diente. Esta es una de las principales causas de fallo en este tipo de acoplamientos.

Fallo por desgaste y fatiga

La falla de un acoplamiento estriado debido al desgaste y la fatiga se determina por la primera aparición de desgaste dentado y desalineación del eje. Los métodos de diseño estándar no consideran el daño por desgaste y evalúan la vida útil por fatiga con grandes aproximaciones. Se han realizado investigaciones experimentales para evaluar el daño por desgaste y fatiga en acoplamientos estriados. Las pruebas se llevaron a cabo en un banco de pruebas específico y un dispositivo especial conectado a una máquina de fatiga estándar. Se variaron parámetros de trabajo como el par, el ángulo de desalineación y la distancia axial para medir el daño por fatiga. También se evaluó el sobredimensionamiento.
Durante la fatiga y el desgaste, se produce un deslizamiento mecánico entre las estrías externas e internas, lo que resulta en una falla catastrófica. La escasez de bibliografía sobre el desgaste y la fatiga de los acoplamientos estriados en motores aeronáuticos puede deberse a la falta de datos sobre su aplicación. El desgaste y la falla por fatiga en las estrías dependen de varios factores, incluyendo el par de materiales, la geometría y las condiciones de lubricación.
El análisis de los acoplamientos estriados muestra que el sobredimensionamiento es frecuente y provoca diversos daños en el sistema. Algunos de los daños más importantes son el desgaste, la fricción, la corrosión y la fatiga de los dientes. También se han observado problemas de ruido en entornos industriales. Sin embargo, resulta difícil evaluar el comportamiento de contacto de los acoplamientos estriados, y las simulaciones numéricas suelen verse limitadas por el uso de códigos específicos y el método de elementos de contorno.
La falla de un acoplamiento de engranajes estriados se debió a fatiga, y la fractura se inició en el radio de la esquina inferior del chavetero. El chavetero y las estrías se habían sobrecargado más allá de su límite elástico, y se observó una deformación plástica significativa en los dientes del engranaje estriado. Un anillo de fractura de acero de aleación no estándar presentaba un radio de esquina agudo, lo que constituía un importante concentrador de tensiones.
Se estudiaron varios componentes para determinar su vida útil. Estos componentes incluyen el eje estriado, el perno de sellado y el anillo de grafito. Cada uno de estos componentes tiene sus propios parámetros de diseño. Sin embargo, existen similitudes en la distribución de estos componentes. El desgaste y la fatiga de los acoplamientos estriados pueden atribuirse a una combinación de estos tres factores. Un modo de falla se define a menudo como una distribución no lineal de tensiones y deformaciones.

Editor por CX 23/10/2023