Análisis de las condiciones de aparición de fatiga superficial en engranajes

Abstract

El presente proyecto tiene como objetivo analizar el régimen de lubricación en la caja multiplicadora de velocidad de un aerogenerador de 2 MW de potencia para predecir qué componentes son más propensos al fallo por nucleación de grietas superficiales en forma de picado superficial o micropitting.
El micropitting es la formación de hoyuelos de tamaños muy pequeños (menor que 5-10 μm). Dan a las superficies un aspecto mate y suponen una pérdida de material y de geometría pudiendo desembocar en la rotura total de componente. Se trata de un fenómeno relacionado con el contacto entre las rugosidades superficiales y por tanto estrechamente ligado a la lubricación, concretamente al espesor de película del contacto.
Es fundamental cómo modelar los contactos lineales entre dientes de engranajes. Puesto que dos ruedas dentadas hacen contacto sobre una recta tangente común a sus circunferencias básicas, es posible hallar el radio de curvatura de ambos dientes (variable) en cada momento a lo largo del proceso de engrane y por tanto estudiar cada punto tomando como variable el radio equivalente del contacto. De esta manera es posible aplicar el método de los cilindros equivalentes, que consiste en tomar cada punto del perfil del diente como un contacto lineal entre dos cilindros de generatriz infinita.
Este trabajo tiene como pilares fundamentales la teoría de lubricación termoelastohidrodinámica y los fundamentos de transmisión de potencia por ruedas dentadas:
I. La Teoría Termoelastohidrodinámica (TEHD). Ha sido completada a partir de la Teoría Hidrodinámica de Osborne Reynolds (1886) con modificaciones para predecir mejor el comportamiento en condiciones de alta presión, es decir, del orden de magnitud de los GPa.
II. La transmisión por engranajes. Tomando como referencia la teoría de Hertz sobre distribución de presiones en contactos lubricados, se pueden calcular las solicitaciones de los dientes de los engranajes.
La principal herramienta con que cuenta este proyecto es el software creado en el Trabajo de Fin de Grado “Herramienta informática para la resolución del problema TEHD con lubricantes no newtonianos” de 2014. Este programa realizado en C++ permite calcular el espesor de película de lubricante en los contactos entre engranajes. Incluye dos modelos diferentes en función de la forma de aproximar la solución numérica del problema: el modelo de Scott Bair y el modelo de Eduardo de la Guerra. Cada modelo dispone de dos versiones: una isotérmica que no tiene en cuenta el efecto de la temperatura sobre las propiedades del lubricante y la deformación del contacto, y otra térmica que sí. El modelo de S. Bair será el principal objeto de estudio de este Proyecto.
Posteriormente será comparado con el espesor que indica como referencia el Technical Report de ISO titulado “Cálculo de la capacidad de carga a micropitting en engranajes cilíndricos o helicoidales” (ISO/TR-15144-1). El método proporcionado por norma ISO/TR-15144-1 está recogido en un programa de Matlab creado por la becaria Laura Muñoz Sierra en el año 2010.
Cabe destacar que, como era de esperar, los modelos que incorporan el efecto de la temperatura ofrecen espesores menores que los isotérmicos. La disipación de calor por rozamiento provoca un aumento de temperatura en el seno del fluido que tiende a disminuir fuertemente su viscosidad, y como consecuencia disminuye el espesor de la película formada.
Se ha escogido la gráfica correspondiente a la etapa central del mecanismo planetario porque, como se demostrará en los resultados, es el contacto más propenso al micropitting. Una de las conclusiones más positivas obtenidas es que la herramienta proporciona resultados similares a la formulación ISO, permitiendo analizar cómo los resultados se ven modificados al utilizar modelos de comportamiento más complejo.
Como se irá viendo a lo largo de este texto, los modelos de Bair y de de la Guerra son mucho menos conservadores en la parte central de la línea de engrane (correspondiente al punto C) y predicen peor comportamiento hidrodinámico que la norma porque muestran espesores de película por debajo. Esto es debido a que el ISO /TR-15144-1 utiliza un método diferente para evaluar el comportamiento térmico de los lubricantes, que no está basado un modelo concreto sino en correlaciones propias experimentales.
Para calcular el régimen de lubricación se va a emplear el espesor de película correspondiente al modelo de Bair en su versión térmica porque según se explicará, bajo determinadas condiciones el modelo de E. de la Guerra no converge.
Se concluye que, efectivamente, para un lubricante tipo polialfaolefina el espesor de película crece fuertemente conforme lo hace la viscosidad del lubricante.
Por último, se representa en dos dimensiones cómo varían las principales propiedades del lubricante en la entrada del contacto. Se ha seleccionado un punto correspondiente a la última etapa de la multiplicadora, donde las velocidades de los contactos son mayores.