Cálculo de la resistencia a la fatiga y la vida útil de los engranajes

Diseñar engranajes cónicos es una tarea bastante compleja. A diferencia de los engranajes cilíndricos, los engranajes cónicos siempre se diseñan en pares. El ingeniero de diseño debe tener en cuenta numerosos objetivos contradictorios, incluidas las dimensiones mínimas, la capacidad de carga máxima, la reducción de ruido y la facilidad de fabricación en máquinas de taller. Pero a menudo se omite un aspecto:

¿Qué pasa con la resistencia a la fatiga del engranaje?

Si la carga máxima sobre un diente no excede los límites de carga del material, el diente vuelve a su estado inicial después de que se elimina la carga. Esta suposición es válida para varios cientos de aplicaciones de carga. Pero cuando hablamos de varios millones de aplicaciones de carga, los daños se producirán con cargas mucho más bajas que los límites de carga del material. Este fenómeno se conoce como fatiga.

Las pruebas de resistencia a la fatiga, una competencia central de los OEM y los proveedores de engranajes Tier1, se logran mediante pruebas de transmisiones que requieren mucho tiempo. Estas pruebas se realizan con un espectro de carga definido empíricamente que inflige el mismo daño que ocurriría en condiciones prácticas de servicio. Una de las máquinas utilizadas para estas pruebas de resistencia en engranajes cónicos es el banco de pruebas de engranajes cónicos Oerlikon TS 30.

¿Qué pasaría si pudiéramos calcular la vida útil de un engranaje cónico en lugar de tener que someter cada diseño a pruebas costosas y que requieren mucho tiempo?

En la última versión de KIMoS (Klingelnberg Integrated Manufacturing of Spiral Bevel Gears), Klingelnberg hace posible calcular la vida útil de un engranaje cónico para cargas operativas específicas, así como para el diseño de tallado por fresado y fresado frontal.

Para calcular la resistencia a la fatiga de un engranaje cónico, se deben conocer tres elementos básicos: la forma precisa del engranaje, las propiedades del material y las condiciones de funcionamiento del conjunto de engranajes. Todos estos elementos se tienen en cuenta en KIMoS. La resistencia a la fatiga se calcula utilizando la regla de Miner basada en la hipótesis del daño acumulativo lineal.

El daño acumulativo de un par de engranajes se puede predecir combinando el espectro de carga, la concentración de carga en la superficie del diente, así como la tensión de flexión en la raíz del diente y las propiedades cíclicas de tensión-deformación del material. Si se dispone del daño total acumulado por picaduras y roturas, KIMoS puede calcular la vida útil del conjunto de engranajes cónicos.

Para generar un espectro de carga con un número extremadamente limitado de casos de carga, se debe utilizar uno de los métodos de conteo para los ciclos de carga. Si para empezar se utilizan condiciones de carga reales que comprenden muchos ciclos de carga diferentes (por ejemplo, con el método de flujo de lluvia), estos eventos cíclicos se pueden contar, lo que hace posible convertir ciclos de carga operativos reales con un número extremadamente reducido de casos de carga en una carga. espectro.

¿El cálculo de la vida útil de los engranajes sustituirá en el futuro a las pruebas de resistencia?

La respuesta es un claro no. Pero el cálculo de la resistencia a la fatiga permite una comparación extremadamente eficaz de diferentes diseños. La vida útil esperada de un par de gewar se puede estimar con bastante precisión cuando existen datos de pruebas de resistencia para uno de los diseños.

Es por eso que KIMoS brinda al ingeniero de diseño la capacidad de crear un diseño que no solo cumpla con los requisitos de geometría y emisión de ruido, sino que también tenga en cuenta la vida a fatiga.

El siguiente ejemplo muestra dos diseños con los mismos datos dimensionales, pero diferentes, con y sin modificaciones en la forma de los flancos. Los datos del engranaje dentado son z = 13/38 dientes, el diámetro de paso exterior de la corona dentada es de 250 mm y el desplazamiento hipoide es de 20 mm. Este ejemplo muestra el potencial de las modificaciones en los flancos de los dientes. La versión de la izquierda tiene una vida útil de aprox. 14 000 h, que está limitado por la tensión de la raíz del diente sobre el piñón. El diseño de la derecha tiene una vida útil de aprox. 34.000 h, pero también en este caso la causa calculada del fallo será la rotura de los dientes del piñón.

KIMoS no solo permite al ingeniero de diseño optimizar el comportamiento del ruido y la capacidad de carga, sino que también permite optimizar la vida útil de un conjunto de engranajes para casos de carga específicos. Esto allana el camino para un nuevo potencial en el diseño liviano y permite diseños de engranajes más eficientes y robustos.

Para más información: www.klingelnberg.com

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