Uniones por interferencia

En este caso vamos a explicaros cómo somos capaces de simular uniones entre componentes por interferencia. El artículo forma parte de la serie Tipos de Uniones Estructurales:

• Uniones atornilladas
• Uniones soldadas
• Uniones por interferencia, la que nos ocupa…

Cómo calcular los ensambles por interferencia mecánica

Las uniones por interferencia consisten en introducir un componente en el alojamiento de otro componente (ambos con la misma forma). La particularidad de este tipo de unión reside en que las dimensiones del alojamiento, son ligeramente menores que las del componente que se introduce en él. Para poder introducir el componente en el alojamiento, será necesario aumentar la temperatura del alojamiento, para que éste se dilate y permita la entrada del componente. Una vez se enfríe el conjunto se genera una presión entre las caras que se encuentran en contacto quedando unidas ambas partes.

Para ello os traemos un ejemplo, en el que simulamos con ANSYS la unión de un eje y su alojamiento. En este caso se aplicará un par sobre el eje y se comprobará que este es capaz de transmitirlo al componente que lo aloja. Este podría ser el caso en el que un eje debe transmitir un par a un engranaje (alojamiento).

Definición del cálculo por interferencia

Puede parecer tentador usar las herramientas de mallado y generación de contactos automáticos que proporcionan los software de  elementos finitos. Sin embargo no conseguiremos nuestros objetivos. ¿Y porqué decimos esto? Os explicamos las diferencias a continuación.

Tipos de contactos

En cuanto a la generación automática de contactos, se crearán contactos de tipo Bonded que dejarán soldadas las superficies entre sí. Utilizar este contacto presentaría dos problemas:

1. Se trasmitiría cualquier momento y en ningún caso aparecería deslizamiento entre los componentes  (algo que no sucedería en realidad).
2. No conocemos la formulación utilizada para simular el contacto (no sabemos como se están trasmitiendo los esfuerzos).

La forma adecuada de generar este contacto será utilizar un contacto de fricción no lineal , del cual definamos su formulación más adecuada y  sobre el que se defina un coeficiente de rozamiento determinado entre las superficies.

Mallado

En cuanto al mallado automático que puede proporcionar cualquier software notar que los elementos son demasiado grandes, así como nombrar que no existe coincidencia en los nodos de las dos superficies en contacto. Cuando se realizan cálculos con elemento no lineales el mallado del modelo toma un aspecto fundamental en la convergencia del cálculo. A continuación se muestra la diferencia entre un mallado automático y uno hecho por un experto.

 

 

Condiciones de contorno

Aplicación de una variación de la temperatura que permita el ajuste deseado para la unión. Una vez queda definida la unión se calculan distintos casos de carga en los que se aplican distintos valores del momento aplicado en el eje . Para poder conocer cuál es el par máximo que puede transmitir la unión, se empotra la superficie exterior del cuerpo denominado como alojamiento.

Se aplican 3 valores de momento distintos. En el primero la unión puede soportarlo sin problema, en el segundo la unión comienza a deslizar y en el último la unión desliza por completo.

Resultados

A continuación vamos a analizar los resultados obtenidos en cada uno de los cálculos. En concreto vamos a analizar el comportamiento del contacto para comprobar si se produce deslizamiento entre las superficies, conociendo de esta forma el par máximo transmisible por la unión.

• Análisis 1: Como se puede apreciar en la primera imagen que representa el estado del contacto al final del cálculo ambas superficies se mantienen unidas durante todo momento. El deslizamiento máximo es de 0,01 mm en el punto en el que el eje sale del alojamiento.

 

 

 

• Análisis 2: Como se puede apreciar en la primera imagen que representa el estado del contacto al final del cálculo existe deslizamiento en la mayor parte de la superficie del contacto ( zona naranja claro) . Sin embargo existe una pequeña zona (zona naranja oscuro) en la que el contacto se mantiene sin deslizar. El deslizamiento máximo es de 0,05 mm en el punto en el que el eje sale del alojamiento. El deslizamiento es 5 veces mayor.

 

 

• Análisis 3: Como se puede apreciar en la primera imagen que representa el estado del contacto al final del cálculo existe deslizamiento en toda la superficie en contacto. Si nos fijamos en las gráficas que hay debajo de cada imagen se puede observar como al superar t=1,5 seg aparece un cambio brusco en ambas tendiendo ambos valores a cero. Esto significa que a partir de ese punto el conjunto no es capaz de soportar el par aplicado y se convierte en un mecanismo. El deslizamiento máximo antes de que ocurra el deslizamiento total  es de 0,065 mm.

 

Conclusiones

Como habéis podido comprobar en esta entrega del blog Cálculo correcto de ensambles por interferencia entre componentes necesitan un experto detrás del software. La buena noticia es que nosotros, Ingeniería SAMAT,  lo somos y además utilizamos uno de los mejores software del mercado, ANSYS.

¿Hablamos?