Thermal distortion effects on cylindrical gear teeth contact

Resumen

El comportamiento térmico de engranajes es uno de los temas que menos atención ha recibido en el último siglo. Aunque el origen del calor generado es conocido, su estudio se ha limitado a la predicción de la temperatura estacionaria del lubricante ya que tiene una influencia directa en el fallo de los mismos. Sin embargo, la revisión de la literatura científica ha puesto en evidencia que los efectos de su expansión térmica apenas han sido analizados. Entretanto, la experiencia en turbo-máquinas indica que las distorsiones de geometría de origen térmico tienen un papel fundamental en la alteración de los patrones de contacto pudiendo incluso provocar la rotura del dentado si no se toman medidas. El objetivo principal de esta tesis es predecir, evaluar y corregir el comportamiento mecánico no uniforme de parejas de engranajes rectos y helicoidales debido a la distorsión de la geometría inducida térmicamente. Para este fin, el calor generado por fricción debe ser cuantificado y la distribución de temperatura estacionaria debe ser predicha. Así mismo, debe desarrollarse un modelo de deformación térmica capaz de integrarse en los algoritmos de cálculo de distribución de carga habituales. La comprensión del tipo y magnitud de la distorsión térmica, junto a sus efectos en la distribución de carga, permitirán corregir la geometría del dentado y compensar comportamientos no deseados. En los primeros capítulos de esta tesis se analiza el origen de la distorsión térmica y se revisa el estado del arte. Tras esto, se describen la geometría y cinemática de engranajes rectos y helicoidales y se desarrolla un modelo de distribución de carga analítico basado en el concepto de secciones delgadas. Posteriormente, se estudia el comportamiento del rozamiento en el engrane, se cuantifica el calor generado por el mismo y se predice la distribución de temperatura mediante el uso de redes térmicas. En cada uno de estos capítulos se desarrollan nuevos modelos que son validados con datos experimentales de la literatura científica. El modelo de distorsión térmica es introducido en el sexto capítulo, se desarrolla un estudio paramétrico y se analiza un caso práctico, desde la distorsión de la geometría hasta su comportamiento mecánico. Así mismo, se recogen recomendaciones de diseño para hacer frente a este fenómeno y se proponen directrices de modificación del dentado. Finalmente, se lleva a cabo un estudio experimental del error de transmisión termomecánico, se extraen conclusiones generales y se definen las líneas de trabajo a futuro. Los resultados presentados muestran que, contrariamente a la creencia común, la distorsión térmica en engranajes de acero sí afecta a la distribución de carga y el error de transmisión y, por lo tanto, debe ser considerado en el análisis de contacto.