Estudio teórico-experimental del reparto de carga en transmisiones planetarias

Abstract

RESUMEN: Este documento recoge toda la información correspondiente a un TFG desarrollado en el campo de la investigación con una beca de colaboración con el Departamento de Ingeniería Estructural y Mecánica de la Universidad de Cantabria otorgada por el Ministerio de Educación. Tras un ejercicio de introducción en la rama de las transmisiones de potencia mediante engranajes planetarios, tales como el banco del que se dispone en el laboratorio de la Universidad, se reúnen los conocimientos necesarios para desarrollar una base teórica sólida. Con ella, es posible emplear un modelo de Elementos Finitos que arroje resultados sobre el comportamiento a nivel estructural y estático de éste cuando sobre él se ejercen unas cargas, que simulan las recibidas a través de los planetas cuando se introduce un par. La razón de este estudio es la obtención de las localizaciones del portaplanetas sensibles a los repartos de carga desiguales y cuyas deformaciones posean una relación directa con las cargas ejercidas. Se centrará el interés precisamente en las deformaciones, por ser la medida que se toma experimentalmente a través de galgas extensométricas, si bien también se estudiará el comportamiento de tensiones, comparando el resultado que ofrecen las teorías de la Resistencia de Materiales con los obtenidos a través del Modelo de Elementos Finitos. Para una decisión fiable se analizarán casos de cargas equilibradas, de cargas únicas sobre un planeta o casos de desequilibrio, que en la práctica pueden venir dados por un defecto del diente, por deficiencias en el montaje que provoquen que los planetas no estén en la misma posición respecto al sol, o porque la carga del planeta al pin del carrier no es transmitida perfectamente en la dirección tangencial. Este desarrollo teórico se presta a culminar con una fase experimental del Trabajo de Fin de Grado en la que se pueda llevar a cabo la aplicación de los resultados obtenidos, implementando, como se ha comentado, galgas extensométricas en el banco del laboratorio, que consta de 3 planetas y un sistema de precargado que permite colocar el par deseado. Por tanto, con galgas que irán de 3 en 3, se realizan mediciones a través de un equipo de control supervisor y adquisición de datos (SCADA), variando aspectos como el par introducido, si las galgas están sometidas a tracción o compresión o el número de planetas que transmiten carga, en caso de montar el portaplanetas con tan solo 1 o 2 de los planetas. En este capítulo se explicará también los pasos a tomar para el montaje y desmontaje de la transmisión, así como la extracción de los planetas, ahondando en los aspectos cinemáticos o dinámicos de la transmisión necesarios para una correcta comprensión. En último lugar, se realiza una valoración y conclusión de las 2 fases del Trabajo y una comparativa de la correlación existente entre ambos tras las medidas llevadas a cabo teórica - experimentalmente. Se valorará la capacidad para medir un desequilibrio real en la práctica y cuan costoso a nivel de medios es obtener una medida aceptable en caso de ser esto posible.

ABSTRACT: This document contains the information related to a Final Degree Project developed in the field of investigation with a collaboration scholarship with Structural and Mechanical Engineering Department of the University of Cantabria granted by the Education Ministry. After an introduction in the field of planetary gear transmissions, such as the bench available in the laboratory, the necessary knowledge to develop a theorical basis is acquired, and that allows to use a Finite Element Model that shows results about the behaviour in a structural and static level when it is subdued to certain charges. The goal of them is to simulate the ones received through the planets when there is a torque applied. The main goal of this study is the determination of the carrier’s sensitive locations to unequal Load Sharing Ratios and whose deformations present a direct relation with the forces applied. The concern lies precisely in the deformations, for being the measures taken experimentally through the strain gages, though there will also be a study about the stress behaviour, comparing to the results offered by Material Resistance theories with the ones obtained through FEM. With the aim of a more trustworthy solution, they will be executed models with equal forces, but also a case with only a force applied in one pin and with unequal forces, that may be due to a tooth error, an assembly failure that causes planets not being in the same position related to the sun or because the force of the planet is not transmitted to the pin in the tangential direction. This theorical development is aimed to end with an experimental phase of the Final Degree Project, in which the results and conclusions obtained can be carried out into a practical way, installing, as said before, strain gages in the laboratory bench, that consists of three planets and a system to create the preload that the user wants to apply. As a result, the strain gages will be installed in groups of 3, and they will be taking measurements through a Supervisory Control and Data Acquisition device (SCADA), keeping in mind aspects like the torque applied, whether the gages are in a compression or traction zone, or the number of planets that are transmitting the load, varying between 1 or 2 planets assembled at first. In this specific chapter there will be an explanation about the steps taken to assembly and the disassembly the transmission and to remove the planets, specifying the cinematic and dynamic characteristics needed to correctly understand what is done. In the last term, after the results obtention, there will be an evaluation and conclusion of the two phases of this document and a comparation of the existent correlations between both after the measurements taken theoretically – experimentally. There will be an evaluation of the capacity to measure an unequal Load Sharing Ratio, as well as how difficult in terms of instruments is get a precise result if possible.