Cálculo da resistência à fadiga e vida útil das engrenagens

Projetar engrenagens cônicas é uma tarefa bastante complexa. Ao contrário das engrenagens cilíndricas, as engrenagens cônicas são sempre projetadas em pares. O engenheiro de projeto deve levar em consideração vários objetivos conflitantes, incluindo dimensões mínimas, capacidade máxima de carga, redução de ruído e facilidade de fabricação em máquinas de chão de fábrica. Mas um aspecto muitas vezes é deixado de lado:

E quanto à resistência à fadiga da engrenagem?

Se a carga máxima sobre um dente não exceder os limites de carga do material, o dente retorna ao seu estado inicial após a remoção da carga. Esta suposição é válida para várias centenas de aplicações de carga. Mas quando falamos de vários milhões de aplicações de carga, os danos ocorrerão com cargas muito inferiores aos limites de carga do material. Este fenômeno é conhecido como fadiga.

Os testes de resistência à fadiga, uma competência essencial dos OEMs e fornecedores de engrenagens Tier1, são realizados por meio de testes demorados de transmissões. Esses testes são realizados com um espectro de carga definido empiricamente que inflige os mesmos danos que ocorreriam em condições práticas de serviço. Uma das máquinas utilizadas para estes testes de resistência em engrenagens cônicas é a bancada de testes de engrenagens cônicas Oerlikon TS 30.

E se pudéssemos calcular a vida útil de uma engrenagem cônica em vez de submeter cada projeto a testes caros e demorados?

Na versão mais recente do KIMoS (Klingelnberg Integrated Manufacturing of Spiral Bevel Gears), a Klingelnberg torna possível calcular a vida útil de uma engrenagem cônica para cargas operacionais específicas, bem como para projetos de fresamento frontal e fresamento frontal.

Para calcular a resistência à fadiga de uma engrenagem cônica, três elementos básicos devem ser conhecidos: o formato preciso da engrenagem, as propriedades do material e as condições de funcionamento do conjunto de engrenagens. Todos estes elementos são levados em consideração no KIMoS. A resistência à fadiga é calculada usando a regra de Miner com base na hipótese de dano cumulativo linear.

O dano cumulativo a um par de engrenagens pode ser previsto combinando o espectro de carga, a concentração de carga na superfície do dente, bem como a tensão de flexão na raiz do dente e as propriedades cíclicas de tensão-deformação do material. Se o dano cumulativo total por corrosão e quebra estiver disponível, o KIMoS pode calcular a vida útil do conjunto de engrenagens cônicas.

Para gerar um espectro de carga com um número extremamente limitado de casos de carga, um dos métodos de contagem deve ser utilizado para os ciclos de carga. Se condições de carga reais compreendendo muitos ciclos de carga diferentes (por exemplo, com o método rainflow) forem usadas para começar, estes eventos cíclicos podem ser contados, tornando possível converter ciclos de carga operacionais reais com um número extremamente reduzido de casos de carga em uma carga espectro.

O cálculo da vida útil das engrenagens dentadas substituirá os testes de resistência no futuro?

A resposta é um claro não. Mas o cálculo da resistência à fadiga permite uma comparação extremamente eficaz de diferentes projetos. A vida útil esperada de um par de gewar pode ser estimada com bastante precisão quando existem dados de teste de resistência para um dos projetos.

É por isso que o KIMoS dá ao engenheiro de projeto a capacidade de criar um projeto que não apenas atenda aos requisitos de geometria e emissão de ruído, mas também leve em consideração a resistência à fadiga.

O exemplo a seguir mostra dois projetos com os mesmos dados dimensionais, mas diferentes, com e sem modificações mostradas na forma dos flancos. Os dados da engrenagem dentada são z = 13/38 dentes, o diâmetro primitivo externo da coroa é de 250 mm e o deslocamento hipóide é de 20 mm. Este exemplo mostra o potencial de modificações nos flancos dos dentes. O desenho à esquerda tem uma vida útil de aprox. 14.000 h, que é limitado pela tensão da raiz do dente no pinhão. O desenho à direita tem uma vida útil de aprox. 34.000 h, mas também aqui a causa calculada da falha será a quebra do dente do pinhão.

O KIMoS não apenas capacita o engenheiro de projeto a otimizar o comportamento do ruído e a capacidade de carga, mas também permite a otimização da vida útil de um conjunto de engrenagens para casos de carga específicos. Isso abre caminho para um novo potencial em design leve e permite designs de engrenagens mais eficientes e robustos.