Modificação do projeto da caixa de engrenagens da colheitadeira de milho para maior resistência à fadiga

Dec 15, 2023

Scientific Reports volume 12, Artigo número: 15576 (2022) Citar este artigo

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A caixa de engrenagens tem a vantagem de poder alterar o torque e a velocidade de rotação de acordo com a relação de transmissão e possui alta eficiência de transmissão de potência, transmitindo potência através do contato do par de engrenagens. Ao avaliar a resistência e a vida à fadiga de uma caixa de engrenagens usando uma carga de projeto ou uma carga equivalente, existe a possibilidade de que os resultados sejam muito diferentes dos reais. Portanto, neste estudo, a distribuição de duração de carga (LDD) construída com base na carga de trabalho real foi utilizada para avaliar de forma confiável a resistência e a vida em fadiga da caixa de engrenagens. Como resultado da avaliação da resistência e da resistência à fadiga da caixa de engrenagens usando LDD, foi confirmado que a caixa de engrenagens existente não atendia à vida útil desejada no ambiente operacional. Portanto, as razões para esses resultados foram analisadas e a modificação do projeto foi realizada com base nos resultados analisados. Como resultado da modificação do projeto, a deflexão do eixo diminuiu pelo rearranjo dos rolamentos, de um tipo em balanço para um tipo straddle, melhorando assim a vida útil em fadiga das engrenagens e rolamentos. Finalmente, a distribuição de carga atuante na superfície dos dentes da engrenagem foi melhorada através da modificação microgeométrica das engrenagens.

Uma engrenagem é um elemento de máquina na transmissão de potência amplamente utilizado em diversos campos1. Uma caixa de engrenagens é um sistema de transmissão de energia que consiste em engrenagens, eixos, rolamentos e carcaças; e a entrada de energia para o eixo é transmitida à engrenagem acionada (aqui, engrenagem) através da engrenagem motriz (aqui, pinhão). Além disso, quando a potência é transmitida por meio de um par de engrenagens, uma vez que a relação de transmissão altera a velocidade de rotação e o torque, surge a vantagem de controlar a velocidade de rotação e o torque alterando a relação de transmissão. O desempenho de uma caixa de engrenagens pode ser avaliado por parâmetros como resistência à fadiga, ruído, vibração e eficiência de transmissão de potência. No caso da vida à fadiga, uma vez que determina se a caixa de engrenagens funciona ou não, é necessário prever e avaliar com segurança a vida útil da caixa de engrenagens2.

Para prever e avaliar com segurança o desempenho da caixa de engrenagens, é necessário definir com precisão a carga que atua na caixa de engrenagens. A magnitude da carga que atua na caixa de engrenagens, a duração sob a carga e a faixa de flutuação da carga são determinadas de acordo com a finalidade e o ambiente de uso da caixa de engrenagens. No entanto, é um desafio definir numericamente a carga que atua na caixa de velocidades. Portanto, muitos pesquisadores utilizaram a teoria do dano cumulativo por fadiga baseada na regra de Palmgren-Miner e previram e avaliaram o desempenho da caixa de engrenagens sob condições de carga equivalentes utilizando o conceito de médias3,4. Embora o uso da carga equivalente na avaliação do desempenho da caixa de engrenagens possa encurtar o tempo de cálculo, há a desvantagem de não ser possível considerar o efeito da flutuação de carga e do pico de carga atuando na caixa de engrenagens. Adicionalmente, o expoente de dano por fadiga utilizado para derivar a carga equivalente é um valor que varia dependendo do modo de falha de cada elemento que constitui a caixa de engrenagens. Na fase de projeto, o expoente de dano por fadiga não pode ser determinado com precisão porque os principais modos de falha da caixa de engrenagens não estão disponíveis antecipadamente5,6,7.

Dong et al.8 conduziram um estudo sobre o efeito da flutuação da velocidade do vento na fadiga de contato da engrenagem de uma caixa de engrenagens de turbina eólica. A fadiga de contato das engrenagens foi analisada utilizando um total de 11 velocidades de vento diferentes – disponíveis na literatura – para implementar as flutuações da velocidade do vento. No entanto, uma vez que esta análise não reflectiu o ambiente prático em que a caixa de velocidades da turbina eólica é realmente utilizada, houve um limite para a fiabilidade dos resultados da análise. Patel e Joshi9 realizaram uma análise de projeto e fadiga do suporte da caixa de engrenagens e confirmaram que sua vida útil à fadiga mudava dependendo do material e da forma. Contudo, a análise sofreu a mesma limitação do estudo anterior, além da limitação adicional de ser realizada sob apenas uma condição de carga. Du et al.10 realizaram um estudo para prever a vida em fadiga da caixa de câmbio de um veículo sobre esteiras utilizando um teste de simulação de corrida. O ambiente em que a caixa de engrenagens operava foi simulado e a carga atuante na caixa de engrenagens foi derivada usando os resultados da simulação. Além disso, a vida em fadiga da caixa de engrenagens foi avaliada utilizando a carga derivada. Porém, como a carga derivada não foi validada, houve um limite para a confiabilidade dos resultados da simulação. Kim et al.11 construíram um modelo de simulação de transmissão de um trator utilizando software comercial e desenvolveram um modelo que poderia avaliar a vida em fadiga de engrenagens cônicas espirais. Além disso, a carga gerada no ambiente operacional foi medida e a vida à fadiga da engrenagem helicoidal foi prevista através da construção de um espectro de carga com base nos dados medidos. O método de distribuição de duração de carga (LDD) foi destinado à previsão do desempenho das engrenagens e rolamentos12; este estudo previu incorretamente seu desempenho com o espectro de carga usando o algoritmo de contagem de fluxo de chuva. Da mesma forma, na maioria dos estudos realizados em diversas áreas que previram e avaliaram o desempenho da caixa de velocidades, a definição do ambiente operacional foi insuficiente. Wang et al.13 conduziram pesquisas sobre projeto, modelagem e análise de sistemas de transmissão de turbinas eólicas offshore. Um procedimento de projeto iterativo foi apresentado para minimizar o peso e o volume ao projetar o trem de força da turbina eólica, e o modelo foi validado comparando o modelo de simulação multicorpo projetado com o modelo desenvolvido anteriormente. No entanto, há uma limitação no sentido de que a carga de projeto, e não a carga ambiental real, foi usada ao projetar e validar o sistema de transmissão da turbina eólica. Yoo et al.14 desenvolveram um modelo de simulação da caixa de engrenagens da turbina eólica para confirmar o desempenho do conjunto de engrenagens planetárias no qual o pino flexível foi aplicado. A simulação foi realizada utilizando software comercial. Como resultado do estudo, foi confirmado que o compartilhamento de carga e a distribuição de carga entre as engrenagens planetárias foram melhorados quando pinos flexíveis foram aplicados ao conjunto de engrenagens planetárias. No entanto, existe uma limitação, pois o ambiente em que a caixa de engrenagens da turbina eólica é operada foi assumido na execução do desempenho do conjunto de engrenagens planetárias.