Modificação do design da caixa de engrenagens da colheitadeira de milho para melhorar a vida útil da fadiga

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 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 ao transmitir 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 usada para avaliar a resistência e a vida à fadiga da caixa de engrenagens de forma confiável. Como resultado da avaliação da resistência e fadiga da caixa de engrenagens usando LDD, foi confirmado que a caixa de engrenagens existente não satisfez a meta de vida útil 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 de engrenagens e rolamentos. Finalmente, a distribuição de carga atuando na superfície do dente da engrenagem foi melhorada através da modificação da microgeometria das engrenagens.

Uma engrenagem é um elemento de máquina na transmissão de potência que é amplamente utilizado em vários campos1. Uma caixa de engrenagens é um sistema de transmissão de energia que consiste em engrenagens, eixos, rolamentos e caixas; e a entrada de energia no eixo é transmitida para a engrenagem movida (aqui, engrenagem) através da engrenagem motriz (aqui, pinhão). Além disso, quando a potência é transmitida usando 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 fadiga, uma vez que determina se a caixa de engrenagens funciona ou não, ela precisa prever e avaliar com segurança a vida útil da caixa de engrenagens2.

Para prever e avaliar de forma confiável 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 engrenagens. Portanto, muitos pesquisadores usaram a teoria do dano cumulativo por fadiga com base na regra de Palmgren-Miner e previram e avaliaram o desempenho da caixa de engrenagens sob condições de carga equivalente usando o conceito de médias3,4. Embora usar a carga equivalente na avaliação do desempenho da caixa de engrenagens possa encurtar o tempo de cálculo, há a desvantagem de não poder considerar o efeito da flutuação de carga e da carga de pico atuando na caixa de engrenagens. Além disso, o expoente de dano por fadiga usado 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 com antecedência5,6,7.

Dong et al.8 realizaram 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 da engrenagem foi analisada usando um total de 11 diferentes velocidades de vento disponíveis na literatura para implementar as flutuações da velocidade do vento. No entanto, uma vez que esta análise não refletiu o ambiente prático em que a caixa de engrenagens da turbina eólica é realmente usada, houve um limite para a confiabilidade dos resultados da análise. Patel e Joshi9 realizaram um projeto e análise de fadiga do suporte da caixa de engrenagens e confirmaram que sua vida útil muda dependendo de seu material e forma. No entanto, a análise sofreu a mesma limitação do estudo anterior, com a limitação adicional de ser realizada sob apenas uma condição de carga. Du et al.10 realizaram um estudo para prever a vida à fadiga da caixa de câmbio de um veículo sobre esteiras usando um teste de simulação de corrida. O ambiente em que a caixa de engrenagens operava foi simulado e a carga atuando na caixa de engrenagens foi derivada usando os resultados da simulação. Além disso, a vida em fadiga da caixa de engrenagens foi avaliada usando a carga derivada. No entanto, 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 usando um software comercial e desenvolveram um modelo que poderia avaliar a vida à fadiga de engrenagens cônicas espirais. Além disso, a carga gerada no ambiente operacional foi medida e a vida em fadiga da engrenagem helicoidal foi prevista pela construção de um espectro de carga com base nos dados medidos. O método de distribuição de duração de carga (LDD) destinava-se a prever o 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 vários campos que previram e avaliaram o desempenho da caixa de engrenagens, a definição do ambiente operacional foi insuficiente. Wang et al.13 conduziram pesquisas sobre o 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 multicorpos projetado com o modelo desenvolvido anteriormente. No entanto, há uma limitação em que a carga de projeto em vez da carga real do ambiente 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 ao qual o pino flexível foi aplicado. A simulação foi realizada em um 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, há uma limitação em que o ambiente em que a caixa de engrenagens da turbina eólica é operada foi assumido para realizar o desempenho do conjunto de engrenagens planetárias.