Design of a modular test rig for polymer gears

Abstract

In recent years, polymer gears are becoming a field of great interest in the industry due to their low mass, corrosion resistance and positive appearance, among others. However, due to their low thermal conductivity and high correlation of temperature with their mechanical behavior, it is of vital importance to understand their failure modes and develop strategies to improve them. The objective of this project is to design a specific test rig to realistically measure the thermomechanical behavior of two meshed polymer gears. The basic concepts and reference literatura regarding polymer gears and other test rig designs will be presented, followed by the different design phases and calculations performed to arrive at a final configuration. Finally, the test rig designed, following the VDI 2736 standard, is based on an closed-loop mechanical design, based on two motors facing each other, each of them connected to a gear. The generator will be in charge of applying the resistance to the movement. In addition, it is employed a regenerative frequency converter that allows to recirculate all the energy generated by exerting the resistance to the input motor. Furthermore, the test rig allows to select the desired radial and axial distance between the gears, as well as different gear width possibilities.

En los últimos años, los engranajes de polímero se están convirtiendo en un campo de gran interés en la industria debido a su bajo peso, resistencia a la corrosión y buena apariencia, entre otros. Sin embargo, debido a su baja conductividad termica y alta correlación de temperatura con su comportamiento mecánico, es de vital importancia entender sus modos de fallo y desarrollar estrategias para mejorarlos. El objetivo de este trabajo es diseñar un banco de pruebas específico para medir de manera realista el comportamiento termomecánico de dos engranajes de polímero engranados. Se presentarán los conceptos básicos y la literatura de referencia sobre engranajes de polímero y otros diseños de bancos de pruebas, seguidos por las diferentes fases de diseño y cálculos realizados para llegar a una configuración final. Finalmente, se presentará el banco de pruebas diseñado que, siguiendo la norma VDI 2736, se basa en un diseño mecánico de bucle cerrado con dos motores enfrentados entre sí cada uno conectado a un engranaje. El generador se encargará de aplicar la resistencia al movimiento. Además, se emplea un convertidor de frecuencia regenerativo que permite recircular toda la energía generada al ejercer la resistencia sobre el motor de entrada. Además, el banco de pruebas permite seleccionar la distancia radial y axial deseada entre los engranajes, así como distintas posibilidades de anchura de las ruedas dentadas.