Análisis numérico de huecos toroidales como liberadores de tensión en ejes ajustados a presión

Abstract

Se presenta la necesidad de realizar un estudio mediante elementos finitos de un eje dotado de huecos toroidales como liberadores de tensión bajo un estado de fretting. El objetivo principal de dicho estudio es aportar la información y resultados necesarios que sirvan de contraste para los futuros análisis experimentales. Los comúnmente utilizados en la ingeniería ajustes a presión en ejes provocan estados de carga donde aparecen altas concentraciones de tensión, desgaste y deslizamiento entre cuerpos. En condiciones de servicio dichos fenómenos aparecen en los bordes de contacto, donde se produce la iniciación de grietas superficiales, tratándose de la conocida fatiga por fricción. Una serie de estudios anteriores llevados a cabo por el departamento ponen en valor cómo solución para conseguir alargar la vida útil de estos componentes la introducción de vaciados toroidales en el interior del eje. Gracias a la evolución de la fabricación aditiva, se hace cada vez más cercana la competitividad de estas técnicas como solución al alargamiento de la vida útil frente a otras que se llevan utilizando y estudiando durante años, como modificaciones en geometrías, tratamientos superficiales, etc. Este trabajo utiliza como base una serie de resultados obtenidos en esta misma línea de investigación por el departamento, en los cuales, se consigue la geometría más adecuada del vaciado toroidal en función de las dimensiones del eje y niveles de carga. Utilizando estos parámetros, se diseña tanto un eje como un útil de amarre para poder llevar a cabo la fase experimental. A lo largo del trabajo se tratan las diferencias entre los resultados puramente teóricos y las diferencias existentes debido a las condiciones propias de la experimentación. Por una parte, se analiza la aplicación de la carga de apriete mediante el útil de amarre, así como todas sus consecuencias con un ajuste teórico. Este primer punto se analiza para ejes macizos y ejes con vaciados toroidales. Por otra parte, se analiza la influencia del vaciado toroidal bajo cargas de servicio, siendo de especial interés la aparición de grietas en la superficie exterior del eje cercanas al borde de contacto. Siendo la base del proyecto los análisis puramente neméricos realizados con anterioridad, se hace uso de relaciones de presión y carga anteriormente estudiadas. Como resultado final del proyecto, se ha logrado diseñar un modelo numérico que representa el modelo experimental, mostrando las diferencias respecto al teórico, así como aportando valores con exactitud del comportamiento del mismo. Gracias a ello se puede realizar tanto una comprobación en la experimentación como un contraste de valores entre los tres ‘modelos’; el teórico, el numérico y el experimental.

There is a need to design and study a finite element numerical analysis in order to understand the experimental behavior of a shaft equipped with toroidal voids as stress relievers under a fretting state. The main objective is to have a numerical analysis whose results serve as a contrast to future purely experimental results. The commonly used press-fit adjustments in engineering cause loading states where high stress concentrations, wear, and sliding between bodies appear. In service conditions, these phenomena appear at the contact edges, where the initiation of surface cracks occurs, known as friction fatigue. A series of previous studies carried out by the department demonstrate how the introduction of toroidal voids inside the shaft is a solution to extend the useful life of these components. Thanks to the evolution of additive manufacturing, these techniques are becoming increasingly competitive as a solution for extending useful life compared to other techniques that have been used and studied for years, such as modifications in geometries, surface treatments, etc. This work is based on a series of results obtained by the department in this same line of research, in which the most suitable geometry of the toroidal void is achieved based on the dimensions of the shaft and load levels. Using these parameters, both a shaft and a clamping tool are designed to carry out the experimental phase. Throughout the work, the differences between purely theoretical results and differences due to the conditions of experimentation are addressed. On the one hand, the application of clamping load is analyzed using the clamping tool, as well as all its consequences with a theoretical fit. This first point is analyzed for solid shafts and shafts with toroidal voids. On the other hand, the influence of the toroidal void under service loads is analyzed, with special interest in the appearance of cracks on the outer surface of the shaft near the contact edge. Based on the purely theoretical analyses previously carried out, pressure and load relationships previously studied are used. As a final result of the project, a numerical model that represents the experimental model has been designed, showing the differences with respect to the theoretical one, as well as providing accurate values for its behavior. Thanks to this, both a verification in experimentation and a contrast of values between the three 'models'; the theoretical, the experimental numerical, and the experimental, can be performed.