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Come calcolare la rigidità, la forza di centraggio, l'usura e la rottura per fatica dei giunti scanalati.

Esistono vari tipi di giunti scanalati. Questi giunti presentano diverse proprietà importanti, tra cui: rigidità, scanalature a evolvente, disallineamento, usura e rottura per fatica. Per comprendere come queste caratteristiche si relazionano ai giunti scanalati, leggi questo articolo. Ti fornirà le conoscenze necessarie per determinare quale tipo di giunto si adatta meglio alle tue esigenze. Tieni presente che i giunti scanalati hanno generalmente una forma sferica e sono realizzati in acciaio.

Spline a evolvente

Una condizione di interferenza laterale efficace riduce al minimo il disallineamento degli ingranaggi. Quando due scanalature sono accoppiate senza disallineamento, la massima sollecitazione di trazione alla base della scanalatura si sposta a sinistra di cinque mm. Una variazione lineare del passo, derivante da connessioni multiple lungo la lunghezza del contatto scanalato, aumenta il gioco o l'interferenza effettiva di una determinata percentuale. Questo tipo di disallineamento è indesiderabile per l'accoppiamento di apparecchiature ad alta velocità.
Le scanalature a evolvente sono spesso utilizzate nei riduttori. Queste scanalature trasmettono coppie elevate e sono in grado di distribuire meglio il carico tra più denti lungo la circonferenza dell'accoppiamento. Il profilo a evolvente e gli errori di passo sono correlati alla spaziatura tra i denti della scanalatura e le sedi delle chiavette. Per le applicazioni di accoppiamento, la prassi industriale prevede l'utilizzo di scanalature con una percentuale di denti impegnati che varia dal 25 al 50%. Questa distribuzione del carico è più uniforme rispetto a quella degli accoppiamenti convenzionali a chiavetta singola.
Per determinare l'impegno ottimale dei denti per un giunto scanalato complesso, Xiangzhen Xue e colleghi hanno utilizzato un modello computerizzato per simulare lo stress applicato alle scanalature. I risultati di questo studio hanno dimostrato che nell'accoppiamento dovrebbe essere utilizzato un parametro di Ruiz "ammissibile". Prevedendo l'entità dell'usura su una scanalatura bombata, i ricercatori sono stati in grado di prevedere con precisione l'entità del danno che i componenti subiranno durante il processo di accoppiamento.
Esistono diversi modi per determinare l'angolo di pressione ottimale per una scanalatura a evolvente. Le scanalature a evolvente vengono comunemente misurate utilizzando un angolo di pressione di 30 gradi. Analogamente agli ingranaggi, le scanalature a evolvente vengono in genere testate mediante una misurazione su perni. Questo metodo prevede l'inserimento di fili di dimensioni specifiche tra i denti dell'ingranaggio e la misurazione della distanza tra di essi. Tale metodo permette di stabilire se l'ingranaggio presenta un profilo del dente adeguato.
Il sistema di spline mostrato in Figura 1 illustra un modello di vibrazione. Questa simulazione permette all'utente di comprendere come le spline a evolvente vengono utilizzate nell'accoppiamento. Il modello di vibrazione mostra quattro blocchi di massa concentrata che rappresentano il motore primo, la spline interna e il carico. È importante notare che la funzione di deformazione dell'ingranamento rappresenta le forze che agiscono su questi tre componenti.

Rigidità dell'accoppiamento

Il calcolo della rigidezza di un giunto scanalato prevede la misurazione dell'ingranamento dei denti. Di seguito, analizziamo la rigidezza di un giunto scanalato con diverse tipologie di denti utilizzando due metodi differenti. L'inversione diretta e l'inversione a blocchi riducono entrambe i tempi di calcolo della rigidezza. Tuttavia, richiedono sottomatrici di valutazione. Qui, discutiamo le differenze tra questi due metodi.
Nella seconda sezione viene derivato il modello analitico per gli accoppiamenti spline. Nella terza sezione, il processo di calcolo viene spiegato in dettaglio. Successivamente, questo modello viene validato confrontandolo con il metodo agli elementi finiti (FE). Infine, si discute l'influenza della non linearità della rigidezza sulla dinamica del rotore. Infine, si analizzano i vantaggi e gli svantaggi di ciascun metodo. Presentiamo un metodo semplice ma efficace per la stima della rigidezza laterale degli accoppiamenti spline.
Il calcolo numerico dell'accoppiamento spline si basa sul modello semi-analitico di distribuzione del carico spline. Questo metodo prevede l'utilizzo di griglie di contatto raffinate e l'aggiornamento della matrice di conformità ad ogni iterazione. Di conseguenza, richiede un tempo di calcolo considerevole. Inoltre, è difficile applicare questo metodo all'analisi dinamica di un rotore. Questo metodo presenta delle limitazioni e dovrebbe essere utilizzato solo quando l'accoppiamento spline è stato studiato in modo approfondito.
La forza di ingranamento è la forza generata da un accoppiamento scanalato disallineato. Essa è correlata allo spessore della scanalatura e alla coppia trasmessa dal rotore. La forza di ingranamento è inoltre correlata allo spostamento dinamico dovuto alle vibrazioni. Il risultato ottenuto dall'analisi della forza di ingranamento è riportato nelle Figure 7, 8 e 9.
L'analisi presentata in questo articolo si propone di studiare la rigidezza dei giunti scanalati con una scanalatura disallineata. Sebbene i risultati di studi precedenti siano stati accurati, alcune problematiche permangono. Ad esempio, il disallineamento della scanalatura può causare danni da contatto. L'obiettivo di questo articolo è di analizzare i problemi associati ai giunti scanalati disallineati e proporre un approccio analitico per la stima della pressione di contatto in una connessione scanalata. Confrontiamo inoltre i nostri risultati con quelli ottenuti mediante approcci puramente numerici.

Disallineamento

Per determinare la forza di centraggio, è necessario conoscere l'angolo di pressione effettivo. Utilizzando l'angolo di pressione effettivo, la forza di centraggio viene calcolata in base ai carichi assiali e radiali massimi e ai fattori di disallineamento di Dudley aggiornati. La forza di centraggio è la massima forza assiale che può essere trasmessa per attrito. Nel calcolo sono inclusi anche diversi fattori di disallineamento pubblicati. In questo articolo viene presentato un nuovo metodo che considera l'effetto camma nella forza normale.
Con questo nuovo metodo, la rigidezza lungo il giunto scanalato può essere integrata per ottenere una rigidezza globale applicabile all'analisi delle vibrazioni torsionali. La rigidezza dei cuscinetti può essere calcolata anche a determinati livelli di disallineamento, consentendo una stima accurata delle dimensioni dei cuscinetti. Si consiglia di verificare costantemente la rigidezza dei cuscinetti per assicurarsi che siano dimensionati e allineati correttamente.
Un disallineamento in un giunto scanalato può causare usura o addirittura la rottura. Ciò è dovuto a un profilo di passo non correttamente allineato. Questo problema viene spesso trascurato, poiché i denti sono a contatto lungo tutto il profilo a evolvente. Ciò fa sì che il carico non sia distribuito uniformemente lungo la linea di contatto. Di conseguenza, è importante considerare l'effetto del disallineamento sulla forza di contatto sui denti del giunto scanalato.
Il centro della scanalatura maschio nella Figura 2 è sovrapposto alla scanalatura femmina. Anche le distanze di ingranamento per l'allineamento sono identiche. Pertanto, le curve della forza di ingranamento varieranno in base allo spostamento dinamico dovuto alle vibrazioni. È necessario conoscere i parametri di un giunto scanalato prima di implementarlo. In questo articolo viene presentato il modello per il disallineamento dei giunti scanalati e i relativi parametri.
Utilizzando un banco prova per giunti scanalati autocostruito, sono stati studiati gli effetti del disallineamento su un giunto scanalato. A differenza dei tipici giunti scanalati, il disallineamento in un giunto scanalato provoca usura da sfregamento in una posizione specifica sulla superficie del dente. Questa è una delle principali cause di guasto in questo tipo di giunti.

Usura e cedimento per fatica

Il cedimento di un giunto scanalato per usura e fatica è determinato dal primo verificarsi di usura dei denti e disallineamento dell'albero. I metodi di progettazione standard non tengono conto del danno da usura e valutano la durata a fatica con grandi approssimazioni. Sono state condotte indagini sperimentali per valutare il danno da usura e fatica nei giunti scanalati. I test sono stati eseguiti su un banco prova dedicato e su un dispositivo speciale collegato a una macchina standard per prove di fatica. I parametri di lavoro, come coppia, angolo di disallineamento e distanza assiale, sono stati variati al fine di misurare il danno da fatica. È stato valutato anche il sovradimensionamento.
Durante la fatica e l'usura, si verifica uno scorrimento meccanico tra le scanalature esterne e interne che porta a guasti catastrofici. La scarsità di letteratura sull'usura e la fatica dei giunti scanalati nei motori aeronautici potrebbe essere dovuta alla mancanza di dati sull'applicazione del giunto. L'usura e la rottura per fatica delle scanalature dipendono da una serie di fattori, tra cui la coppia di materiali, la geometria e le condizioni di lubrificazione.
L'analisi dei giunti scanalati mostra che il sovradimensionamento è comune e porta a diversi danni nel sistema. Alcuni dei danni principali sono usura, sfregamento, corrosione e fatica dei denti. Sono stati osservati anche problemi di rumorosità in ambito industriale. Tuttavia, è difficile valutare il comportamento di contatto dei giunti scanalati e le simulazioni numeriche sono spesso ostacolate dall'uso di codici specifici e del metodo degli elementi al contorno.
Il cedimento di un giunto a ingranaggi scanalati è stato causato da fatica, con la frattura che ha avuto inizio in corrispondenza del raggio d'angolo inferiore della sede della chiavetta. La sede della chiavetta e le scanalature erano state sovraccaricate oltre il loro limite di snervamento, e si è osservata una significativa deformazione plastica nei denti degli ingranaggi scanalati. L'anello di frattura dell'acciaio legato non standard presentava un raggio d'angolo acuto, che costituiva un significativo concentratore di sollecitazioni.
Sono stati studiati diversi componenti per determinarne la durata. Questi componenti includono l'albero scanalato, il bullone di tenuta e l'anello di grafite. Ciascuno di questi componenti ha un proprio insieme di parametri di progettazione. Tuttavia, si riscontrano delle similitudini nella distribuzione di questi componenti. L'usura e la rottura per fatica dei giunti scanalati possono essere attribuite a una combinazione dei tre fattori. Una modalità di rottura è spesso definita come una distribuzione non lineare di sollecitazioni e deformazioni.

Modificato da czh il 15/02/2023