Rolamento de aço cromado de alta dureza para impressora 3D Suj2, com perfil estriado, para eixo de transmissão.

Abordagens analíticas para estimar as pressões de contato em acoplamentos spline

Um acoplamento estriado é um tipo de conexão mecânica entre dois eixos rotativos. Consiste em duas partes: um acoplador e um acoplamento propriamente dito. Ambas as partes possuem dentes que se encaixam e transferem cargas. No entanto, os acoplamentos estriados são geralmente superdimensionados, o que os torna suscetíveis à fadiga e ao comportamento estático. Fenômenos de desgaste também podem causar a falha do acoplamento. Por essa razão, o projeto adequado do acoplamento estriado é essencial para alcançar o desempenho ideal.

Modelagem de um acoplamento spline

Os acoplamentos spline estão se tornando cada vez mais populares na indústria aeroespacial, mas operam em um estado ligeiramente desalinhado, causando vibrações e danos às superfícies de contato. Para solucionar esse problema, este artigo apresenta abordagens analíticas para estimar as pressões de contato em um acoplamento spline. Especificamente, este artigo compara abordagens analíticas com abordagens puramente numéricas para demonstrar os benefícios da abordagem analítica.
Para modelar um acoplamento spline, primeiro você cria a base de conhecimento para o acoplamento spline. A base de conhecimento inclui um grande número de valores de especificação possíveis, que estão relacionados entre si. Se você modificar uma especificação, isso pode gerar um aviso por violação de outra. Para que o projeto seja válido, você deve criar um modelo de acoplamento spline que atenda aos valores de especificação definidos.
Após modelar a geometria, você deve inserir as pressões de contato dos dois acoplamentos estriados. Em seguida, é necessário determinar a posição do círculo primitivo da estria. Na Figura 2, o centro do acoplamento macho está sobreposto ao da estria fêmea. Por fim, certifique-se de que a distância de engrenamento de alinhamento das duas estrias seja a mesma.
Após obter os dados necessários para criar um modelo de acoplamento estriado, você pode começar inserindo as especificações para o projeto da interface. Com esses dados em mãos, você precisa escolher se deseja otimizar a estria interna ou a externa. Também será necessário especificar o coeficiente de atrito do dente, que é usado para determinar as tensões no modelo de acoplamento estriado 20. Além disso, você deve inserir a folga piloto, que é a folga entre a ponta 186 de um dente 32 em uma estria e o elemento na estria de acoplamento.
Após inserir as especificações desejadas para a estria externa, você pode inserir os parâmetros para a estria interna. Por exemplo, você pode inserir o limite do diâmetro externo 154 do encaixe principal 54 e o encaixe secundário 56 da estria interna. Os valores desses parâmetros são exibidos em caixas com código de cores na tela 80 da GUI de Entradas e Configuração da Estrias. Após a inserção dos parâmetros, será apresentada uma representação geométrica do modelo de acoplamento da estria 20.

Criando um modelo de acoplamento spline 20

O modelo de acoplamento spline 20 é criado por um software de modelagem de produto 10. O software valida o modelo de acoplamento spline comparando-o com uma base de conhecimento de restrições e relações de especificação dependentes da configuração. Esse relatório é então inserido no programa de análise de tensões ANSYS. Ele lista as configurações geométricas e os valores de especificação do modelo de acoplamento spline 20 para cada elemento. O modelo de acoplamento spline 20 é recriado automaticamente sempre que a configuração ou as especificações de desempenho do modelo de acoplamento spline 20 são modificadas.
O modelo de acoplamento estriado 20 pode ser configurado usando o software de modelo de produto 10. O usuário especifica o comprimento axial do conjunto de estrias, que pode ser zero ou um comprimento fixo. O usuário também insere uma face de acoplamento radial 148, se houver, e seleciona um valor de especificação de folga piloto de 14,5 graus ou 30 graus.
O usuário pode então usar o mouse 110 para modificar o modelo de acoplamento spline 20. A base de conhecimento de acoplamento spline contém um grande número de valores de especificação possíveis e a regra de projeto de acoplamento spline. Se o usuário tentar alterar um modelo de acoplamento spline, o modelo exibirá um aviso sobre a violação de outra especificação. Em alguns casos, a modificação pode invalidar o projeto.
No modelo de acoplamento estriado 20, o usuário insere especificações adicionais de requisitos de desempenho. O usuário escolhe os locais onde o torque máximo é transferido para as estrias internas e externas 38 e 40. O local de transferência de torque máximo é determinado pela configuração de fixação do hardware aos eixos. Após a seleção, o usuário pode clicar em “Avançar” para salvar o modelo. Uma pré-visualização do modelo de acoplamento estriado 20 é exibida.
O modelo 20 representa um acoplamento estriado. As especificações do acoplamento estriado são inseridas na ordem e disposição especificadas na tela da interface gráfica do usuário (GUI) do modelo 20. Após a inserção das especificações, o software de modelagem do produto 10 as incorporará ao modelo 20. Esta é a última etapa na criação do modelo de acoplamento estriado.

Analisando um modelo de acoplamento spline 20

A análise de um modelo de acoplamento spline consiste em inserir suas especificações de configuração e desempenho. Essas especificações podem ser geradas por outro programa de computador. O software de modelagem do produto 10 utiliza então sua base de conhecimento interna de relações e restrições de especificação dependentes da configuração para criar um modelo paramétrico tridimensional válido 20. Este modelo contém informações que descrevem o número e os tipos de dentes spline 32, encaixes 34 e ressaltos 36.
Ao analisar um acoplamento spline, o programa de software 10 incluirá valores padrão para diversas especificações. O modelo de acoplamento spline 20 compreende uma spline interna 38 e uma spline externa 40. Cada uma das splines inclui seu próprio conjunto de parâmetros, como profundidade, largura, comprimento e raios. A spline externa 40 também conterá seu próprio conjunto de parâmetros, como sua orientação.
Após a seleção desses parâmetros, o programa de software realizará diversas análises no modelo de acoplamento estriado 20. O programa 10 calcula as tensões nominais e máximas nos mancais dos dentes e a vida útil à fadiga de um acoplamento estriado. Ele também determinará a diferença na torção entre uma estria interna e uma externa. O arquivo de saída da análise será um relatório contendo os dados de configuração e especificação do modelo. O arquivo de saída também poderá ser utilizado por outros programas de computador para análises adicionais.
Uma vez definidos esses parâmetros, o usuário insere os critérios de projeto para o modelo de acoplamento estriado 20. Nesta etapa, o usuário especifica os locais de máxima transferência de torque para as estrias externa e interna 38. O local de máxima transferência de torque depende da configuração dos componentes acoplados aos eixos. O usuário pode inserir até quatro especificações de requisitos de desempenho diferentes para cada estria.
Os resultados da análise mostram que existem duas fases de acoplamento spline. A primeira fase apresenta um grande aumento na tensão e na vibração. A segunda fase mostra uma diminuição nos níveis de tensão e vibração. A terceira fase apresenta uma força de engrenamento constante entre 300 N e 320 N. Esse comportamento continua por um período mais longo, até que a fase final entre em contato com a superfície.

Desalinhamento de um acoplamento spline

Um estudo teve como objetivo investigar a posição da força de contato resultante em um acoplamento estriado engatado em dentes sob torque constante e desalinhamento rotativo. O estudo utilizou métodos numéricos baseados em modelos de Elementos Finitos (MEF). Foram obtidos resultados numéricos para condições nominais e desalinhamento paralelo. O estudo considerou dois níveis de desalinhamento – 0,02 mm e 0,08 mm – com diferentes níveis de carga.
Os resultados mostraram que o desalinhamento entre as estrias e os rotores causa uma alteração na força de engrenamento do sistema de acoplamento estria-rotor. Sua dinâmica é governada pela força de engrenamento das estrias. A força de engrenamento de um acoplamento de estrias desalinhado está relacionada aos parâmetros do sistema de acoplamento rotor-estriação, ao torque transmitido e ao deslocamento de vibração dinâmica.
Apesar da falta de medições precisas, o desalinhamento de estrias é um problema comum. Esse problema é agravado pelo fato de que as estrias geralmente apresentam folga. Essa folga é resultado do desalinhamento da estria. Os autores analisaram diversas estrias, variando os diâmetros primitivos e as relações comprimento/diâmetro.
Um acoplamento estriado é um sistema mecânico bidimensional com folga positiva. O acoplamento estriado é composto por um cubo e um eixo, e possui folgas entre a ponta e a raiz maiores que a folga. Uma folga de forma é suficiente para evitar o contato entre a ponta e a raiz do eixo. O torque nas estrias é transmitido por atrito.
Quando um acoplamento estriado está desalinhado, uma força de empuxo com viés de torque é gerada. Nessa situação, a força pode exceder o torque, fazendo com que o componente perca seu alinhamento. A transmissão bidirecional de torque e empuxo é modelada analiticamente neste estudo. A abordagem analítica fornece soluções que podem ser integradas ao processo de projeto. Portanto, da próxima vez que você se deparar com um problema de acoplamento estriado desalinhado, certifique-se de usar uma abordagem analítica!
Neste estudo, o acoplamento estriado é analisado em condições nominais, sem desalinhamento paralelo. Os valores de rigidez obtidos representam a diferença percentual entre o diâmetro primitivo nominal e o diâmetro de aplicação da carga. Além disso, a diferença percentual máxima no diâmetro primitivo medido é de 1,60% sob um torque de 5000 N*m. O outro parâmetro, o ângulo primitivo, também é considerado no cálculo.

Editor por CX 2023-04-21