Resumen de Contribución al estudio del comportamiento dinámico de transmisiones mecánicas en régimen no estacionario: = Contribution to the study of the dynamic behavior of mechanical transmissions under non-stationary conditions

Ahmed Hammami

• español

  Los trabajos de investigación orientados a la caracterización del comportamiento dinámico de transmisiones constituyen una cuestión de gran interés teniendo en cuenta la necesidad permanente de reducir los niveles de vibración y ruido, manteniendo su elevada compacidad y eficiencia. La mayor parte de los estudios se han concentrado en transmisiones operando en condiciones de funcionamiento estacionarias, en donde la velocidad y la carga a transmitir se consideran constantes. No obstante, es muy común encontrarse, en multitud de aplicaciones en la industria, con condiciones de operación no estacionarias, tales como arranques y paradas repetitivas así como variaciones de la carga y de la velocidad. El trabajo presentado a lo largo de esta tesis tiene como objeto fundamental conseguir una mejor comprensión del comportamiento dinámico de transmisiones planetarias operando en condiciones no-estacionarias. Este tipo de transmisiones se emplean habitualmente en los generadores eólicos, componentes aeronáuticos, transmisiones en vehículos convencionales e híbridos, etc. Con el fin de alcanzar los objetivos propuestos, se ha analizado un banco de ensayos de transmisiones planetarias con recirculación mecánica de potencia combinando simulaciones y ensayos experimentales. Se ha llevado a cabo un análisis modal del citado banco con el objetivo de determinar las frecuencias naturales, los modos de vibración y la distribución de energía cinética y de deformación. Para conseguir este propósito, se ha desarrollado un modelo de parámetros concentrados del banco, considerando tres grados de libertad para cada uno de los componentes. Los resultados numéricos se han contrastado con los que se han obtenido de un análisis modal experimental realizado sobre el banco de ensayos. En primer lugar, se ha investigado el comportamiento dinámico del banco de ensayos en condiciones de operación estacionarias, considerando carga y velocidad constante. El objetivo de este análisis ha sido resaltar la modulación en amplitud de las señales temporales registradas en el anillo exterior, como consecuencia de la influencia de cada uno de los planetas al pasar por las proximidades del punto de medida. Esta modulación se ha manifestado en forma de bandas laterales asimétricas alrededor de la frecuencia de engrane y sus armónicos, tanto en los resultados numéricos como en los experimentales. A continuación, el trabajo de tesis se ha orientado al estudio del comportamiento de transmisiones planetarias en condiciones no-estacionarias. En particular, se han analizado distintas situaciones, tales como carga y velocidad variable, arranques y paradas combinando simulaciones numéricas y registros experimentales. Los resultados obtenidos han sido analizados mediante la Transformada de Fourier de Tiempo Reducido (STFT), resaltando la modulación simultánea en fase y amplitud. Además, se ha estudiado el reparto de carga entre planetas, teniendo en cuenta la interacción entre el contacto en los engranajes, el efecto de la gravedad sobre el porta-satélites y la existencia de errores de posición de los planetas operando en condiciones estacionarias. También se ha estudiado el efecto de la velocidad de operación en el reparto de carga durante el régimen de arranque. Finalmente, se ha aplicado una técnica para el análisis de la trayectoria de transferencia, denominada Transmisibilidad Global Transmisibilidad Directa, con el fin de evaluar la propagación de la vibración en las transmisiones planetarias operando en condiciones estacionarias y no-estacionarias. Las transmisibilidades directas entre los distintos componentes se han obtenido a partir de la medida experimental de las funciones de transferencia.

• English

  Research developments devoted todynamic behavior characterization of mechanical transmissions is always an interesting topic since there is a continuous need to decrease vibration and noise while keeping high compactness and efficiency. Most studies were focused on transmissions running under stationary condition where speed and load are assumed constant. However, repetitive run ups, time varying loading and speed conditions are very common in many industrial applications which imply non stationary operations. The work presented through this thesis aims to a better understanding of the dynamic behavior of planetary gears running under non-stationary operating conditions. Typical use of such gear sets is in wind turbines, new generation aircraft engines, hybrid car transmissions�In order to fulfill the objectives, a planetary gear test bench with mechanical power recirculation which has been particularly analyzed through numerical simulations and experimental tests. A modal analysis has been done on the available test bench in order to determine the natural frequencies, modal deflections and modal kinetic and strain distributions. A lumped parameters model of the corresponding test bench with three degree of freedom for each component was used for this purpose. Numerical results are compared with those obtained through experimental modal analysis done on the test bench. The dynamic behavior is investigated firstly in stationary conditions with constant speed and load. The objective is to highlight the amplitude modulation in the time signals measured on ring gear induced by the individual influence of the passage of each planet near the measurement point. Asymmetric sidebands around meshing frequency and harmonic are observed in both simulations and experimental results The next part of the thesis is dedicated to the study of the transmission in non-stationary operations. For this purpose, several operating conditions have been considered, such as time varying load and speed, as well as run-up and run down regimes using numerical simulation and experimental tests. The simultaneous amplitude and frequency modulation are emphasized using time frequency analysis based on Short Time Fourier Transform. Moreover, studies on the Load Sharing between planets has been done taking into account the interaction between meshing gears, the gravity of the carrier and the planet position errors in stationary condition. In addition, the effect of speed on the load sharing behavior is studied during the run up regime. Finally, a Transfer Path Analysis approach called Global Transmissibility Direct Transmissibility is used to study the propagation of vibration in planetary gears in the stationary and non-stationary conditions. The directed transmissibilities between the components of the planetary gear test bench are computed from the measured transfer functions.