Crowned spherical gear couplings working at high misalignment applicationsGeometry generation, loaded tooth contact analysis and experimental validation

Abstract

Los acoplamientos dentados abombados son componentes mecánicos frecuentemente utilizados para la transmisión de potencia entre ejes giratorios desalineados. La característica geométrica más relevante es la aparición de secciones con interferencia de tallado al mecanizar la gran cantidad de abombamiento longitudinal. La posibilidad es aún mayor cuando acoplamientos con un reducido número de dientes se mecanizan directamente sobre el eje del acoplamiento. Sin embargo, una gran parte de modelos analíticos evitan generar secciones con interferencia de tallado. Además, existe desacuerdo entre los modelos existentes más desarrollados puesto que la geometría de la superficie del diente generada varía en función del modelo analítico empleado. Asimismo, estas diferencias conllevan un efecto en las condiciones de contacto y la distribución de carga. Por otro lado, los elevados ángulos de desalineación provocan una drástica disminución del número de dientes en contacto durante su funcionamiento, lo que implica tensiones altas en el pie del diente y origina el fallo por fatiga del pie. Sin embargo, la bibliografía se centra en acoplamientos que trabajan en ángulos de desalineación inferiores a 1°, por lo que están enfocados a otros tipos de fallos, como, por ejemplo, al fallo de fatiga superficial. Es por ello que existe una carencia de métodos de dimensionamiento para acoplamientos que trabajan en desalineaciones altas, y los componentes que operan en estas condiciones pueden estar sobredimensionados, o lo que es aún más crítico, a veces subdimensionados. Esta tesis recoge un modelo analítico para la generación de la geometría de las superficies dentadas abombadas, considerando la superficie helicoidal completa de la fresa madre y la trayectoria de la herramienta de tallado. Asimismo, el modelo es capaz de generar con precisión las secciones con interferencia de tallado que puedan aparecer en el eje del acoplamiento. Además, se discute el ángulo de desalineación alcanzable, mostrando la influencia de los parámetros geométricos y del proceso de fabricación en este valor. Esto ofrece una visión general de la fase de diseño preliminar, y permite a los diseñadores evitar en la medida de lo posible problemas geométricos (apuntamiento o interferencia de tallado), sin comprometer el ángulo de desalineación alcanzable. Por último, se realiza un análisis de contacto bajo carga mediante el desarrollo de un modelo de elementos finitos para comprender la distribución de carga y las tensiones en el pie del diente en función del par aplicado y el ángulo de desalineación. Además, los resultados se contrastan experimentalmente con un acoplamiento dentado abombado que trabaja a grandes ángulos de desalineación. Los resultados de los modelos de generación de la geometría demuestran que las desviaciones entre las superficies dentadas generadas con los modelos existentes en la literatura son notables, y modifican el inicio de la interferencia de tallado o incluso las condiciones de contacto. Asimismo, se ha comprobado que la geometría generada está en buen acuerdo con la geometría medida y se evidencia que los modelos de la bibliografía para determinar el ángulo de desalineación máxima no son aplicables para acoplamientos dentados abombados. Por otra parte, a partir del análisis de contacto bajo carga se observan diferentes comportamientos mecánicos a bajos o altos ángulos de desalineación, ya que los dientes en la posición de pivotamiento pierden el contacto a medida que el ángulo de desalineación aumenta. La consecuencia es un cambio en el ciclo de las tensiones en el pie del diente, que pasa de tener un ciclo sinusoidal a un ciclo pulsante. En conclusión, esta tesis analiza en profundidad las diferencias geométricas y mecánicas que existen al aplicar las normativas vigentes en acoplamientos gran desalineación angular (superiores a 3°) mediante el planteamiento de modelos analíticos y numéricos