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 é frequentemente deixado de lado:

E a resistência à fadiga da engrenagem?

Se a carga máxima em um dente não exceder os limites de carga do material, o dente retorna ao seu estado inicial após a remoção da carga. Essa suposição é válida para várias centenas de aplicações de carga. Mas quando estamos falando de vários milhões de aplicações de carga, os danos ocorrerão em cargas muito mais baixas do que os limites de carga do material. Esse fenômeno é conhecido como fadiga.

O teste de resistência à fadiga, uma competência central dos OEMs e fornecedores de engrenagens Tier 1, é realizado por meio de testes demorados de transmissões. Esses testes são realizados com um espectro de carga empiricamente definido que inflige o mesmo dano que ocorreria em condições práticas de serviço. Uma das máquinas usadas para esses testes de resistência em engrenagens cônicas é a bancada de teste 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), o Klingelnberg torna possível calcular a vida útil de uma engrenagem cônica para cargas operacionais específicas, bem como para fresamento frontal e faceamento.

Para calcular a resistência à fadiga de uma engrenagem cônica, três elementos básicos devem ser conhecidos: a forma precisa da engrenagem, as propriedades do material e as condições de operação do conjunto de engrenagens. Todos esses 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, deve-se utilizar um dos métodos de contagem dos ciclos de carga. Se condições de carga reais que compreendem muitos ciclos de carga diferentes (por exemplo, com o método de fluxo de chuva) forem usadas para começar, esses 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 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 de forma de flanco mostradas. Os dados da engrenagem dentada são z=13/38 dentes, o diâmetro externo do passo da coroa é de 250 mm e o deslocamento hipóide é de 20 mm. Este exemplo mostra o potencial de modificações no flanco do dente. O design à esquerda tem uma vida útil de aprox. 14 000 h, que é limitada pela tensão da raiz do dente no pinhão. O design 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 de 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.