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Como calcular a rigidez, a força de centralização, o desgaste e a falha por fadiga de acoplamentos estriados.

Existem vários tipos de acoplamentos estriados. Esses acoplamentos possuem diversas propriedades importantes, como rigidez, estrias em involuta, desalinhamento, desgaste e falha por fadiga. Para entender como essas características se relacionam aos acoplamentos estriados, leia este artigo. Ele fornecerá o conhecimento necessário para determinar qual tipo de acoplamento melhor atende às suas necessidades. Lembre-se de que os acoplamentos estriados geralmente têm formato esférico e são feitos de aço.

Splines involutas

Uma condição de interferência lateral eficaz minimiza o desalinhamento das engrenagens. Quando duas estrias são acopladas sem desalinhamento, a tensão máxima de tração na raiz desloca-se cinco milímetros para a esquerda. Uma variação linear do passo, resultante de múltiplas conexões ao longo do comprimento do contato da estria, aumenta a folga ou interferência efetiva em uma determinada porcentagem. Esse tipo de desalinhamento é indesejável para o acoplamento de equipamentos de alta velocidade.
Estrias involutas são frequentemente usadas em caixas de engrenagens. Essas estrias transmitem alto torque e são mais eficientes na distribuição da carga entre os múltiplos dentes ao longo da circunferência do acoplamento. O perfil involuto e os erros de passo estão relacionados ao espaçamento entre os dentes da estria e as chavetas. Para aplicações de acoplamento, a prática da indústria utiliza estrias com 25 a 50% dos dentes engatados. Essa distribuição de carga é mais uniforme do que a dos acoplamentos convencionais com chaveta simples.
Para determinar o encaixe ideal dos dentes em um acoplamento de estrias complexo, Xiangzhen Xue e seus colegas utilizaram um modelo computacional para simular a tensão aplicada às estrias. Os resultados deste estudo mostraram que um parâmetro de Ruiz "permissível" deve ser utilizado no acoplamento. Ao prever a quantidade de desgaste em uma estria coroada, os pesquisadores puderam prever com precisão o dano que os componentes sofrerão durante o processo de acoplamento.
Existem diversas maneiras de determinar o ângulo de pressão ideal para uma estria involuta. Estrias involutas são comumente medidas utilizando um ângulo de pressão de 30 graus. De forma semelhante às engrenagens, as estrias involutas são normalmente testadas por meio de uma medição sobre pinos. Isso envolve a inserção de fios de tamanho específico entre os dentes da engrenagem e a medição da distância entre eles. Esse método pode indicar se a engrenagem possui um perfil de dente adequado.
O sistema de splines mostrado na Figura 1 ilustra um modelo de vibração. Esta simulação permite ao usuário compreender como as splines involutas são utilizadas no acoplamento. O modelo de vibração mostra quatro blocos de massa concentrada que representam o motor primário, a spline interna e a carga. É importante notar que a função de deformação da malha representa as forças que atuam nesses três componentes.

Rigidez do acoplamento

O cálculo da rigidez de um acoplamento spline envolve a medição do engate dos seus dentes. A seguir, analisamos a rigidez de um acoplamento spline com vários tipos de dentes usando dois métodos diferentes. A inversão direta e a inversão em blocos reduzem o tempo de CPU para o cálculo da rigidez. No entanto, ambos requerem submatrizes de avaliação. Aqui, discutimos as diferenças entre esses dois métodos.
Na segunda seção, é apresentado o modelo analítico para acoplamentos spline. Na terceira seção, o processo de cálculo é explicado em detalhes. Em seguida, validamos esse modelo comparando-o com o método de elementos finitos (MEF). Finalmente, discutimos a influência da não linearidade da rigidez na dinâmica do rotor. Por fim, apresentamos as vantagens e desvantagens de cada método. Apresentamos um método simples, porém eficaz, para estimar a rigidez lateral de acoplamentos spline.
O cálculo numérico do acoplamento spline baseia-se no modelo semi-analítico de distribuição de carga spline. Este método envolve malhas de contato refinadas e a atualização da matriz de complacência a cada iteração. Consequentemente, consome um tempo computacional significativo. Além disso, é difícil aplicar este método à análise dinâmica de um rotor. Este método possui limitações e deve ser utilizado apenas quando o acoplamento spline for completamente investigado.
A força de engrenamento é a força gerada por um acoplamento estriado desalinhado. Ela está relacionada à espessura da estria e ao torque transmitido pelo rotor. A força de engrenamento também está relacionada ao deslocamento da vibração dinâmica. Os resultados obtidos a partir da análise da força de engrenamento são apresentados nas Figuras 7, 8 e 9.
A análise apresentada neste artigo visa investigar a rigidez de acoplamentos de spline com spline desalinhada. Embora os resultados de estudos anteriores tenham sido precisos, alguns problemas persistiram. Por exemplo, o desalinhamento da spline pode causar danos por contato. O objetivo deste artigo é investigar os problemas associados a acoplamentos de spline desalinhados e propor uma abordagem analítica para estimar a pressão de contato em uma conexão de spline. Também comparamos nossos resultados com aqueles obtidos por abordagens puramente numéricas.

Desalinhamento

Para determinar a força de centralização, é necessário conhecer o ângulo de pressão efetivo. Utilizando o ângulo de pressão efetivo, a força de centralização é calculada com base nas cargas axiais e radiais máximas e nos fatores de desalinhamento de Dudley atualizados. A força de centralização é a força axial máxima que pode ser transmitida por atrito. Diversos fatores de desalinhamento publicados também são incluídos no cálculo. Este artigo apresenta um novo método que considera o efeito de came na força normal.
Neste novo método, a rigidez ao longo da junta estriada pode ser integrada para obter uma rigidez global aplicável à análise de vibração torsional. A rigidez dos mancais também pode ser calculada em determinados níveis de desalinhamento, permitindo uma estimativa precisa das dimensões dos mancais. É recomendável verificar a rigidez dos mancais regularmente para garantir que estejam dimensionados e alinhados corretamente.
Um desalinhamento em um acoplamento estriado pode resultar em desgaste ou até mesmo falha. Isso é causado por um perfil de passo desalinhado. Esse problema é frequentemente negligenciado, pois os dentes estão em contato ao longo de todo o perfil involuto. Isso faz com que a carga não seja distribuída uniformemente ao longo da linha de contato. Consequentemente, é importante considerar o efeito do desalinhamento na força de contato sobre os dentes do acoplamento estriado.
O centro da spline macho na Figura 2 está sobreposto à spline fêmea. As distâncias de engrenamento de alinhamento também são idênticas. Portanto, as curvas de força de engrenamento irão variar de acordo com o deslocamento da vibração dinâmica. É necessário conhecer os parâmetros de um acoplamento spline antes de implementá-lo. Neste artigo, o modelo para desalinhamento é apresentado para acoplamentos spline e os parâmetros relacionados.
Utilizando um dispositivo de teste de acoplamento estriado construído internamente, estudam-se os efeitos do desalinhamento em um acoplamento estriado. Ao contrário do acoplamento estriado típico, o desalinhamento em um acoplamento estriado causa desgaste por atrito em uma posição específica na superfície do dente. Esta é uma das principais causas de falha nesses tipos de acoplamentos.

Falha por desgaste e fadiga

A falha de um acoplamento estriado devido ao desgaste e à fadiga é determinada pela primeira ocorrência de desgaste dos dentes e desalinhamento do eixo. Os métodos de projeto padrão não consideram os danos por desgaste e avaliam a vida útil à fadiga com grandes aproximações. Investigações experimentais foram conduzidas para avaliar os danos por desgaste e fadiga em acoplamentos estriados. Os testes foram realizados em um banco de ensaio dedicado e um dispositivo especial conectado a uma máquina de fadiga padrão. Os parâmetros de trabalho, como torque, ângulo de desalinhamento e distância axial, foram variados para medir os danos por fadiga. O sobredimensionamento também foi avaliado.
Durante a fadiga e o desgaste, o deslizamento mecânico ocorre entre as estrias externas e internas, resultando em falha catastrófica. A escassez de literatura sobre o desgaste e a fadiga de acoplamentos estriados em motores aeronáuticos pode ser atribuída à falta de dados sobre a aplicação desses acoplamentos. A falha por desgaste e fadiga em estrias depende de diversos fatores, incluindo o par de materiais, a geometria e as condições de lubrificação.
A análise de acoplamentos estriados mostra que o superdimensionamento é comum e leva a diferentes danos no sistema. Alguns dos principais danos são desgaste, corrosão por atrito, corrosão por atrito e fadiga dos dentes. Problemas de ruído também foram observados em ambientes industriais. No entanto, é difícil avaliar o comportamento de contato de acoplamentos estriados, e as simulações numéricas são frequentemente dificultadas pelo uso de códigos específicos e pelo método dos elementos de contorno.
A falha de um acoplamento de engrenagem estriada foi causada por fadiga, e a fratura iniciou-se no raio do canto inferior da chaveta. A chaveta e as estrias foram sobrecarregadas além de seu limite de escoamento, e um escoamento significativo foi observado nos dentes da engrenagem estriada. Um anel de fratura de aço-liga não padronizado apresentou um raio de canto agudo, que atuou como um importante concentrador de tensão.
Diversos componentes foram estudados para determinar sua vida útil. Esses componentes incluem o eixo estriado, o parafuso de vedação e o anel de grafite. Cada um desses componentes possui seu próprio conjunto de parâmetros de projeto. No entanto, existem semelhanças nas distribuições desses componentes. O desgaste e a falha por fadiga dos acoplamentos estriados podem ser atribuídos a uma combinação desses três fatores. Um modo de falha é frequentemente definido como uma distribuição não linear de tensões e deformações.

Editor por czh 2023-02-15