Βέλτιστος σχεδιασμός υδραυλικών θυλάκων σε μετωπικούς οδοντωτούς τροχούς για μεγιστοποίηση της αντοχής τους σε κάμψη

Abstract

Στην παρούσα διπλωματική εργασία παρουσιάζεται μία καινοτόμος μεθοδολογία για τη μεγιστοποίηση της αντοχής σε κάμψη σε μετωπικούς οδοντωτούς τροχούς. Η συντριπτική πλειοψηφία των προσπαθειών που έχουν γίνει μέχρι σήμερα επικεντρώνεται στη βελτίωση των υλικών, στις επιφανειακές κατεργασίες και στην τροποποίηση των γεωμετρικών χαρακτηριστικών που καθορίζουν την κατατομή του οδοντωτού τροχού. To πρωτοποριακό στοιχείο αυτής της έρευνας είναι η εισαγωγή υδραυλικών θυλάκων κυκλικής διατομής – ειδικά διαμορφωμένες κοιλότητες, οι οποίες περιέχουν ρευστό υπό πίεση – οι οποίοι, με τη σειρά τους, εισάγουν θλιπτικές τάσεις στην περιοχή του οδόντος από όπου συνήθως δημιουργούνται και εκκινούν οι ρωγμές λόγω κόπωσης. Κατά την ανάλυση, χρησιμοποιήθηκε ένα μοντέλο πεπερασμένων στοιχείων αποτελούμενο από τμήμα επτά οδόντων, ενώ εφαρμόστηκε αλγόριθμος βελτιστοποίησης, με σκοπό τον προσδιορισμό της βέλτιστης θέσης, διαμέτρου και εσωτερικής πίεσης των υδραυλικών θυλάκων. Τα αποτελέσματα της ανάλυσης μέσω πεπερασμένων στοιχείων έδειξαν ότι μπορεί να επιτευχθεί μείωση έως και 20 % της πρώτης κύριας τάσης συγκριτικά με τον ατροποποίητο οδοντωτό τροχό.

In this diploma thesis, an innovative methodology is presented for maximizing tooth bending strength in spur gears. The vast majority of the efforts made so far focus on material improvement, surface treatment and modification of the geometrical characteristics of the gear. The breakthrough of this research is the introduction of circular hydraulic pockets – specially drilled cavities containing fluid under pressure – which induce compressive stress in the area of the tooth from which fatigue cracks typically originate. A finite element model with a segment of seven teeth is considered for the analysis, while an optimization algorithm is applied in order to define the optimal position, diameter and internal pressure of the hydraulic pockets. The finite element analysis results showed that a substantial reduction of the first principal stress in the order of 20 % in comparison to the unmodified gear may occur.