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Rigidez y vibración torsional de acoplamientos estriados

En este artículo, describimos algunas características básicas del acoplamiento estriado y analizamos su comportamiento ante vibraciones torsionales. También exploramos el efecto de la desalineación de las estrías en el acoplamiento rotor-estriado. Estos resultados contribuirán al diseño de sistemas de acoplamiento estriado mejorados para diversas aplicaciones. Los resultados se presentan en la Tabla 1.

Rigidez del acoplamiento estriado

La rigidez de un acoplamiento estriado depende de la fuerza de engranaje entre las estrías del sistema y del desplazamiento de vibración estática. Esta fuerza depende de parámetros como el par de transmisión y el espesor de las estrías, y aumenta de forma no lineal con dicho espesor.
Se puede utilizar un modelo simplificado de acoplamiento de estrías para evaluar la distribución de carga en las estrías bajo vibraciones y cargas transitorias. El manguito de la estría del eje se desplaza en la dirección z y se aplica un momento resistente T a la cara exterior del manguito. Este modelo simple puede satisfacer una amplia gama de requisitos de ingeniería, pero puede presentar problemas en condiciones de carga complejas. Su holgura asimétrica puede afectar su comportamiento de acoplamiento y los patrones de distribución de tensiones.
Los resultados de las simulaciones muestran que la aceleración máxima de vibración en las figuras 10 y 22 fue de 3,03 g/s². Esto indica que una desalineación en la dirección circunferencial aumenta el impacto instantáneo. También se observa asimetría en la geometría de acoplamiento, específicamente en el engranaje. Los dientes de la espiga derecha se acoplan firmemente, mientras que los de la izquierda presentan desalineación.
Considerando la geometría del acoplamiento spline, se utiliza un modelo semianalítico para calcular la rigidez. Este modelo es una versión simplificada del modelo clásico de acoplamiento spline, con submatrices que definen la forma y la rigidez de la unión. Dado que la holgura de diseño es un valor conocido, la rigidez del sistema de acoplamiento spline se puede analizar utilizando la misma fórmula.
Los resultados de las simulaciones también demuestran que el sistema de acoplamiento estriado puede modelarse utilizando MASTA, una herramienta CAE comercial avanzada para el análisis de transmisiones. En este caso, los segmentos estriados se modelaron como una serie de segmentos con rigidez variable, calculada en función de la separación inicial entre los dientes. Posteriormente, los segmentos se modelaron como una serie de estrías de rigidez creciente, considerando las variaciones de fabricación. El análisis resultante de la geometría del acoplamiento estriado se compara con el del método de elementos finitos.
A pesar de la elevada rigidez de un sistema de acoplamiento estriado, el estado de contacto de las superficies de contacto suele variar. Además, el acoplamiento estriado afecta a la vibración lateral y a la deformación del rotor. Sin embargo, la no linealidad de la rigidez no se ha estudiado en profundidad en rotores estriados debido a la falta de un modelo completamente analítico.

Características del acoplamiento mediante splines

El estudio de los acoplamientos estriados implica diversos factores de diseño, como el peso, los materiales y los requisitos de rendimiento. El peso es especialmente importante en el sector aeronáutico, ya que suele ser un factor crítico para los ingenieros de diseño debido a la variabilidad en la estabilidad dimensional, el peso y la durabilidad de los materiales. Además, las limitaciones de espacio y otras restricciones de configuración pueden requerir el uso de acoplamientos estriados en ciertas aplicaciones.
Los parámetros principales a considerar en el diseño de cualquier acoplamiento estriado son la tensión principal máxima, el factor de distribución irregular y la tensión máxima de apoyo del diente. La magnitud de cada uno de estos parámetros debe ser menor o igual al diámetro externo del estriado para garantizar la estabilidad. El diámetro exterior del estriado debe ser al menos cuatro pulgadas mayor que su diámetro interior.
Una vez validado el diseño físico, se crea la base de conocimiento del acoplamiento spline. Este modelo está preprogramado y almacena las señales de los parámetros de diseño, incluyendo las restricciones de rendimiento y fabricación. A continuación, compara los valores de los parámetros con las señales de las reglas de diseño y construye una representación geométrica del acoplamiento spline. Se crea un modelo visual a partir de las señales de entrada, que puede modificarse cambiando diferentes parámetros y especificaciones.
La rigidez de una junta estriada es otro parámetro importante para determinar la rigidez del acoplamiento estriado. La distribución de la rigidez de la junta estriada afecta la vibración y la deformación lateral del rotor. El método de elementos finitos es una técnica útil para obtener la rigidez lateral de las juntas estriadas. Este método implica numerosos refinamientos de malla y requiere un alto costo computacional.
El diámetro del acoplamiento estriado debe ser lo suficientemente grande para transmitir el par. Un estriado de mayor diámetro puede tener mayor capacidad de transmisión de par debido a su menor circunferencia. Sin embargo, un estriado de mayor diámetro es más delgado que el eje, y este último puede ser más adecuado si el par se distribuye entre un mayor número de dientes.
Los acoplamientos estriados se clasifican según el perfil de sus dientes en las direcciones axial y radial. Estos perfiles influyen en el comportamiento del componente y en el desgaste. Los acoplamientos estriados con dientes arqueados son propensos a la desalineación angular. Por lo general, estos acoplamientos se sobredimensionan para garantizar su durabilidad y seguridad.

Rigidez del acoplamiento spline en el análisis de vibraciones torsionales

Este artículo presenta un marco general para el estudio de la vibración torsional causada por la rigidez de los acoplamientos estriados en motores aeronáuticos. Se basa en un estudio previo sobre acoplamientos estriados y se caracteriza por los siguientes tres factores: rigidez a la flexión, flexibilidad total y rigidez tangencial. El primer criterio es el diámetro equivalente de las estrías externas e internas. Tanto la rigidez del acoplamiento estriado como el desplazamiento de las estrías se evalúan mediante la derivada de la flexibilidad total.
La rigidez de una junta estriada puede variar según la distribución de la carga a lo largo de la estría. Entre las variables que afectan a la rigidez de las juntas estriadas se incluyen el nivel de torsión, los errores de indexación de los dientes y la desalineación. Para analizar los efectos de estas variables, se ha desarrollado una fórmula analítica. Este método es aplicable a diversos tipos de juntas estriadas, como las que constan de múltiples componentes.
A pesar de la dificultad de calcular la rigidez de los acoplamientos estriados, es posible modelar el contacto entre los dientes del eje y el cubo mediante un método analítico. Este método permite determinar magnitudes clave del acoplamiento, como las presiones máximas de contacto, los momentos de reacción y el momento angular. Además, proporciona resultados precisos para los acoplamientos estriados y es adecuado tanto para el análisis de vibraciones torsionales como para el de vibraciones estructurales.
En los modelos dinámicos, se suele asumir que la rigidez del acoplamiento spline es rígida. Sin embargo, en los modelos de transmisión de alta fidelidad, es necesario capturar diversos fenómenos dinámicos asociados a las uniones spline. Para ello, se propone una formulación analítica general de la rigidez basada en un modelo semianalítico de distribución de carga spline. La matriz de rigidez resultante incluye valores de rigidez radial y de inclinación, así como rigidez torsional. El análisis se simplifica aún más mediante el método de inversión por bloques.
Es fundamental considerar la vibración torsional de un sistema de transmisión de potencia antes de seleccionar el acoplamiento. Un análisis preciso de la vibración torsional es crucial para la seguridad del acoplamiento. Este artículo también analiza estudios de caso sobre el desgaste del eje estriado y las fallas inducidas por torsión. El análisis concluirá con el desarrollo de un método robusto y eficiente para simular estos problemas en escenarios reales.

Efecto de la desalineación de las estrías en el acoplamiento rotor-estría

En este estudio, se investiga el efecto de la desalineación de las estrías en el acoplamiento rotor-espiga. Se analizan el límite de estabilidad y el mecanismo de inestabilidad del rotor. Se observa que la fuerza de engranaje de un acoplamiento de estrías desalineado aumenta de forma no lineal con el grosor de las estrías. Los resultados demuestran que la desalineación es la responsable de la inestabilidad del sistema de acoplamiento rotor-espiga.
Se introduce una desalineación intencionada de las estrías para lograr un ajuste por interferencia y una holgura nula. Esto provoca una distribución desigual de la carga entre los dientes de las estrías. Una desalineación adicional de 50 µm puede provocar un fallo en el acoplamiento rotor-estría. En estas condiciones, la tensión máxima en la raíz se desplaza hacia la izquierda.
La desalineación positiva de las estrías aumenta la desalineación del engranaje. Por el contrario, la desalineación negativa no tiene efecto. La desalineación de las estrías dextrógiras es opuesta a la de la hélice. La zona de mayor contacto se desplaza del centro hacia la izquierda. En ambos casos, el engranaje se desalinea debido a la deflexión e inclinación del engranaje bajo carga.
Esta variación de la superficie del diente se mide como el cambio en la holgura en el plano transversal. Los valores de holgura radial y axial son iguales, mientras que la diferencia entre ambos es mínima. Además de la fuerza de fricción, la holgura axial de las estrías es la misma, lo que aumenta la desalineación del engranaje. Por lo tanto, se puede utilizar el mismo procedimiento para determinar la fuerza de fricción de un acoplamiento rotor-estriado.
La desalineación del engranaje influye en el rendimiento del acoplamiento estriado-rotor. Esta desalineación modifica la distribución de la carga en el engranaje y altera las tensiones de contacto y flexión. Por lo tanto, es fundamental comprender los efectos de la desalineación en los acoplamientos estriados. Mediante un sistema simplificado de par de engranajes helicoidales, Hong et al. examinaron la distribución de la carga a lo largo de la interfaz del diente de la estría. Esta desalineación provocó un cambio en el patrón de contacto de los flancos. Los dientes desalineados mostraron deflexión bajo carga y generaron un momento de inclinación en el engranaje.
El efecto de la desalineación de las estrías en los acoplamientos rotor-estriado se minimiza mediante un mecanismo que reduce la holgura. Este mecanismo consta de elementos macho y hembra con estrías que cooperan entre sí. Un elemento está formado por dos segmentos estriados alineados coaxialmente, con superficies terminales diseñadas para deslizarse entre sí. El dispositivo de conexión aplica cargas axiales a estos segmentos, provocando su rotación relativa.

editor by czh 2023-01-16