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Approcci analitici per la stima delle pressioni di contatto nei giunti scanalati

Un giunto scanalato è un tipo di collegamento meccanico tra due alberi rotanti. È costituito da due parti: un giunto e un albero. Entrambe le parti presentano denti che si innestano e trasferiscono i carichi. Tuttavia, i giunti scanalati sono in genere sovradimensionati, il che li rende soggetti a fatica e a comportamenti statici. Anche i fenomeni di usura possono causare il cedimento del giunto. Per questo motivo, una corretta progettazione del giunto scanalato è essenziale per ottenere prestazioni ottimali.

Modellazione di un accoppiamento spline

I giunti scanalati stanno diventando sempre più diffusi nell'industria aerospaziale, ma operano in uno stato di leggero disallineamento, causando vibrazioni e danni alle superfici di contatto. Per risolvere questo problema, questo articolo propone approcci analitici per la stima delle pressioni di contatto in un giunto scanalato. In particolare, l'articolo confronta gli approcci analitici con approcci puramente numerici per dimostrare i vantaggi di un approccio analitico.
Per modellare un giunto spline, è necessario innanzitutto creare la base di conoscenza per il giunto stesso. La base di conoscenza include un gran numero di possibili valori di specifica, correlati tra loro. La modifica di una specifica potrebbe generare un avviso di violazione di un'altra. Per rendere valido il progetto, è necessario creare un modello di giunto spline che soddisfi i valori di specifica specificati.
Dopo aver modellato la geometria, è necessario inserire le pressioni di contatto dei due giunti scanalati. Successivamente, bisogna determinare la posizione del cerchio primitivo della scanalatura. Nella Figura 2, il centro del giunto maschio è sovrapposto a quello della scanalatura femmina. Infine, bisogna assicurarsi che la distanza di ingranamento dei due giunti scanalati sia la stessa.
Una volta ottenuti i dati necessari per creare un modello di accoppiamento scanalato, è possibile iniziare inserendo le specifiche per la progettazione dell'interfaccia. Dopo aver inserito questi dati, è necessario scegliere se ottimizzare la scanalatura interna o quella esterna. Sarà inoltre necessario specificare il coefficiente di attrito dei denti, utilizzato per determinare le sollecitazioni nel modello di accoppiamento scanalato 20. È inoltre necessario inserire il gioco di pilotaggio, ovvero il gioco tra la punta 186 di un dente 32 su una scanalatura e la caratteristica sulla scanalatura di accoppiamento.
Dopo aver inserito le specifiche desiderate per la scanalatura esterna, è possibile inserire i parametri per la scanalatura interna. Ad esempio, è possibile inserire il limite del diametro esterno 154 dell'aggancio principale 54 e dell'aggancio secondario 56 della scanalatura interna. I valori di questi parametri vengono visualizzati in caselle colorate nella schermata GUI 80 di Input e configurazione della scanalatura. Una volta inseriti i parametri, verrà visualizzata una rappresentazione geometrica del modello di accoppiamento scanalato 20.

Creazione di un modello di accoppiamento spline 20

Il modello di giunto a spline 20 viene creato da un programma software di modellazione del prodotto 10. Il software convalida il modello di giunto a spline rispetto a una base di conoscenza di vincoli e relazioni di specifica dipendenti dalla configurazione. Questo report viene quindi utilizzato come input per il programma di analisi delle sollecitazioni ANSYS. Elenca le configurazioni geometriche del modello di giunto a spline 20 e i valori di specifica per ogni elemento. Il modello di giunto a spline 20 viene ricreato automaticamente ogni volta che vengono modificate la configurazione o le specifiche di prestazione del modello di giunto a spline 20.
Il modello di giunto scanalato 20 può essere configurato utilizzando il software di gestione del prodotto 10. L'utente specifica la lunghezza assiale della pila di scanalature, che può essere zero o una lunghezza fissa. L'utente inserisce anche una superficie di accoppiamento radiale 148, se presente, e seleziona un valore di specifica del gioco di pilotaggio di 14,5 gradi o 30 gradi.
L'utente può quindi utilizzare il mouse 110 per modificare il modello di giunto spline 20. La base di conoscenza dei giunti spline contiene un gran numero di possibili valori di specifica e la regola di progettazione dei giunti spline. Se l'utente tenta di modificare un modello di giunto spline, il modello visualizzerà un avviso relativo a una violazione di un'altra specifica. In alcuni casi, la modifica potrebbe invalidare il progetto.
Nel modello di giunto scanalato 20, l'utente inserisce ulteriori specifiche relative ai requisiti prestazionali. L'utente seleziona i punti in cui viene trasferita la coppia massima per le scanalature interne ed esterne 38 e 40. Il punto di trasferimento della coppia massima è determinato dalla configurazione di fissaggio dei componenti agli alberi. Una volta selezionata questa opzione, l'utente può fare clic su "Avanti" per salvare il modello. Viene visualizzata un'anteprima del modello di giunto scanalato 20.
Il modello 20 rappresenta un giunto scanalato. Le specifiche della scanalatura vengono inserite nell'ordine e nella disposizione specificati nella schermata GUI del modello di giunto scanalato 20. Una volta inserite le specifiche del giunto scanalato, il software di modellazione del prodotto 10 le incorporerà nel modello di giunto scanalato 20. Questo è l'ultimo passaggio nella creazione del modello di giunto scanalato.

Analisi di un modello di accoppiamento spline 20

L'analisi di un modello di giunto scanalato consiste nell'inserire la sua configurazione e le specifiche di prestazione. Queste specifiche possono essere generate da un altro programma informatico. Il software di modellazione del prodotto 10 utilizza quindi la sua base di conoscenza interna di relazioni e vincoli di specifica dipendenti dalla configurazione per creare un modello parametrico tridimensionale valido 20. Questo modello contiene informazioni che descrivono il numero e i tipi di denti scanalati 32, scatti 34 e spallamenti 36.
Quando si analizza un giunto scanalato, il programma software 10 include valori predefiniti per diverse specifiche. Il modello di giunto scanalato 20 comprende una scanalatura interna 38 e una scanalatura esterna 40. Ciascuna scanalatura include un proprio set di parametri, come profondità, larghezza, lunghezza e raggi. Anche la scanalatura esterna 40 conterrà un proprio set di parametri, come il suo orientamento.
Una volta selezionati questi parametri, il programma eseguirà diverse analisi sul modello di giunto scanalato 20. Il programma 10 calcola le sollecitazioni nominali e massime di appoggio dei denti e la durata a fatica di un giunto scanalato. Determinerà inoltre la differenza di torsione tra una scanalatura interna e una esterna. Il file di output dell'analisi sarà un file di report contenente la configurazione del modello e i dati di specifica. Il file di output può essere utilizzato anche da altri programmi per computer per ulteriori analisi.
Una volta impostati questi parametri, l'utente inserisce i criteri di progettazione per il modello di giunto scanalato 20. In questa fase, l'utente specifica le posizioni di massimo trasferimento di coppia sia per la scanalatura esterna che per quella interna 38. La posizione di massimo trasferimento di coppia dipende dalla configurazione della ferramenta fissata agli alberi. L'utente può inserire fino a quattro diverse specifiche di requisiti prestazionali per ciascuna scanalatura.
I risultati dell'analisi mostrano che l'accoppiamento delle scanalature si articola in due fasi. La prima fase è caratterizzata da un notevole aumento di stress e vibrazioni. La seconda fase mostra una diminuzione sia dello stress che delle vibrazioni. La terza fase presenta una forza di ingranamento costante tra 300 N e 320 N. Questo comportamento si protrae per un periodo di tempo più lungo, fino al raggiungimento dell'accoppiamento finale con la superficie.

Disallineamento di un giunto scanalato

Uno studio si è proposto di analizzare la posizione della forza di contatto risultante in un giunto scanalato con denti in presa, sottoposto a coppia costante e disallineamento rotante. Lo studio ha utilizzato metodi numerici basati sul metodo degli elementi finiti (FEM). Sono stati ottenuti risultati numerici per condizioni nominali e disallineamento con offset parallelo. Lo studio ha considerato due livelli di disallineamento – 0,02 mm e 0,08 mm – con diversi livelli di carico.
I risultati hanno mostrato che il disallineamento tra le scanalature e i rotori provoca una variazione della forza di ingranamento del sistema di accoppiamento scanalature-rotore. La sua dinamica è governata dalla forza di ingranamento delle scanalature. La forza di ingranamento di un accoppiamento scanalato disallineato è correlata ai parametri del sistema di accoppiamento rotore-scanalature, alla coppia trasmessa e allo spostamento dinamico delle vibrazioni.
Nonostante la mancanza di misurazioni precise, il disallineamento delle scanalature è un problema comune. Questo problema è aggravato dal fatto che le scanalature presentano solitamente un gioco. Tale gioco è la conseguenza del disallineamento della scanalatura. Gli autori hanno analizzato diverse scanalature, variando il diametro primitivo e il rapporto lunghezza/diametro.
Un giunto scanalato è un sistema meccanico bidimensionale con gioco positivo. Il giunto scanalato è costituito da un mozzo e un albero e presenta un gioco tra punta e base maggiore del gioco stesso. Un gioco di forma è sufficiente a impedire il contatto tra i raccordi di raccordo. La coppia sulle scanalature viene trasmessa per attrito.
Quando un giunto scanalato è disallineato, si genera una forza di spinta sbilanciata verso la coppia. In una situazione del genere, la forza può superare la coppia, causando la perdita di allineamento del componente. La trasmissione bidirezionale di coppia e spinta viene modellata analiticamente nel presente studio. L'approccio analitico fornisce soluzioni che possono essere integrate nel processo di progettazione. Quindi, la prossima volta che vi troverete di fronte a un problema di disallineamento di un giunto scanalato, assicuratevi di utilizzare un approccio analitico!
In questo studio, l'accoppiamento scanalato viene analizzato in condizioni nominali senza disallineamento parallelo. I valori di rigidezza ottenuti rappresentano la differenza percentuale tra il diametro primitivo nominale e il diametro di applicazione del carico. Inoltre, la differenza percentuale massima nel diametro primitivo misurato è pari a 1,60% sotto una coppia di 5000 N*m. L'altro parametro, l'angolo di passo, viene preso in considerazione nel calcolo.

Modificato da CX il 09/06/2023