Dipartimento di Ingegneria Meccanica, Energetica e Gestionale - Tesi di Dottorato

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Questa collezione raccoglie le Tesi di Dottorato afferenti al Dipartimento di Ingegneria Meccanica, Energetica e Gestionale dell'Università della Calabria.

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Author: search.filters.author.Desmet, Wim

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    Advanced techniques for numerical contact analysis in spiral bevel gears
    (2019-07-08) Vivet, Mathijs; Desmet, Wim; Mundo, Domenico
    The research presented in this dissertation treats the subject of efficient gear contact simulation and is applied to the contact analysis of spiral bevel gears. In today’s competitive environment getting better products to market faster is essential to win a customer’s interest and loyalty. Therefore, engineers are evermore in need of the correct solutions to rapidly predict, analyze and improve their designs if they want to meet the tight development schedules and budgets. Within the current development cycle of mechanical transmissions, computerized tooth contact analysis (TCA) has proven to be an invaluable tool to predict a gear pair’s key contact performance characteristics, while reducing the need for expensive physical prototyping and labor-intensive experimental testing. However, the geometrical complexity of the gear teeth still pose significant computational challenges to the tooth contact simulation for spiral bevel gears. Correctly capturing the spatial nature of the motion transfer and the resulting contact load distribution requires a three-dimensional gear contact model. Finite element method (FEM) based contact simulations are usually conducted, especially in an industrial context, while various tailor-made solutions also exist. When performing the contact detection, many of these solutions tend to apply a general contact detection method (e.g. node-to-surface) that treats the contacting gear teeth flanks as arbitrary surfaces. Not realizing that the gear flanks are designed to transmit motion in a near-conjugate way, leads to inefficient contact searches for which the associated computational cost not only limits TCA’s application to static component-level analysis but also hinders extension towards full-system level analysis or dynamic gear contact simulation. Building upon the existing concept of the surface of roll angles to efficiently detect contact, this dissertation develops a new penetration-based contact model to compute the three-dimensional contact loads from the actual position and orientation of the real tooth surfaces, whether misaligned or not. The proposed methods show to correctly predict component behavior at a computational cost that enables further application in system-level or dynamic analyses. An accurate description of the spiral bevel gear tooth surfaces is deep-rooted in the presented methodologies, since this proves vital to precisely describe the gear pair kinematics but also to correctly include all the relevant complex contact phenomena. However, a reference tooth profile, similar to the involute for cylindrical gears, does not exist for spiral bevel gears. Therefore, a mathematical model that simulates the cutting kinematics of the manufacturing process, proves to be indispensable to correctly capture both the gear teeth’s macro- and microgeometry. In this work the five-cut face-milling cutting process is adopted to create a representative geometry of a face-milled spiral bevel gear set. Contact detection based on the tooth flank’s surface of roll angles, combined with the ease-off topography, has been proposed in the gear literature to reduce the computational load, associated with the contact search. Yet, the ease-off topography, which quantifies the geometrical mismatch of a pair of contacting gear tooth surfaces, shows to hold limitations when moving beyond componentlevel contact analysis, as it is sensitive to the instantaneous gear pair installment. With the underlying idea of potential application of the presented methodologies within multibody system simulation, the usage of ease-off topography concept for contact detection is abandoned and replaced by a penetration-based contact model. An analytical compliance model is formulated to translate the detected penetrations into appropriate contact loads. The compliance model separates the linear gear tooth deflection components from a tooth pair’s local nonlinear deformation, which arises around the contact zone. The developed gear contact model with surfaces of roll angles, computed for the gear pair’s actual tooth flanks in the absence of misalignments, is then shown to be well capable of predicting a misaligned gear pair’s contact performance. In contrast, ease-off based contact models would require an update of the (misaligned) ease-off topography, each time the gear pair’s configuration changes (e.g. due to system-induced deflections), reducing their otherwise excellent computational efficiency. The proposed penetration-based gear contact model identifies the contact locations based on the surface of roll angles but computes the flank mismatch based on the instantaneous position and orientation of the real gear tooth surfaces, showing to be more robust to configurational changes. Finally, a strategy to parametrically redefine the gear contact model’s surfaces of roll angles in function of the instantaneous misaligned state of the gear pair, is proposed to further increase the accuracy of the contact detection. A prototype toolchain is created around the presented techniques for contact modeling, covering the various analyses for unloaded and loaded tooth contact analysis that are an essential part of today’s spiral bevel gear design process. Automated finite element model creation routines are developed to support the validation of the methods against nonlinear FEM-based contact simulations. These tools will greatly support future research into methodological advances
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    Sviluppo di modelli multibody avanzati per la dinamica delle ruote dentate.
    (2012-11-15) Palermo, Antonio; Mundo, Domenico; Desmet, Wim
    Il lavoro di tesi e‟ incentrato sullo sviluppo di una metodologia multibody che permetta di simulare la risposta dinamica di una trasmissione come sistema completo, considerando gli effetti di contatto non-lineari e tridimensionali sull‟ingranamento delle ruote dentate. In particolare, le ruote dentate facenti parte della trasmissione non sono analizzate in maniera isolata, bensi‟ risentono delle condizioni operative istantanee derivanti dalle deformazioni strutturali e dalle interazioni della trasmissione con il generatore e l‟utilizzatore della potenza meccanica. Tali condizioni operative sono espresse, per tutti gli ingranaggi della trasmissione, in termini di disallineamenti istantanei e coppia trasmessa istantanea. Lo sviluppo della metodologia e‟ stato svolto in collaborazione con la Katholieke Universiteit Leuven e l‟azienda LMS International, entrambe situate nella citta‟ di Leuven (Belgio). La tesi ha inizio con un capitolo introduttivo, prosegue con la discussione dello stato dell‟arte, illustra attraverso tre capitoli di dettaglio la metodologia sviluppata, presenta i risultati numerici per due tipici casi di studio e termina con le conclusioni. L‟introduzione illustra sinteticamente le problematiche legate alla dinamica delle trasmissioni di potenza, le necessita‟ del contesto industriale di riferimento, la traiettoria di ricerca seguita durante il periodo di dottorato e i contributi sostanziali apportati dalla metodologia sviluppata. Tali contributi sono identificati nella possibilita‟ di evitare i costi computazionali imposti dalle dettagliate simulazioni di contatto, di modellare quindi in maniera dettagliata ed efficiente carichi dinamici e disallineamenti dinamici strettamente connessi alle vibrazioni e alla durabilita‟ delle trasmissioni meccaniche, e infine di calcolare tali quantita‟ fisiche attraverso una metodologia tale da poter essere utilizzata per un generico sistema meccanico rappresentato in ambiente multibody. Il capitolo relativo allo stato dell‟arte identifica tre classi principali di modellazione adottate per la dinamica delle trasmissioni meccaniche e ne analizza le relative applicazioni nei principali campi industriali, identificando punti di forza e di debolezza per ciascuna delle classi. Le tre classi analizzate includono modelli 12 analitici (da mono- a tri-dimensionali), modelli agli Elementi Finiti (statici e dinamici) e modelli multibody (a corpo-ruota rigido e flessibile). Le applicazioni riguardano il calcolo delle vibrazioni ai fini del comfort acustico e della durabilita‟ delle trasmissioni nel campo automobilistico, eolico e aeronautico. Si evidenzia come in tali applicazioni le trasmissioni rappresentino sistemi critici per il successo commmerciale dei prodotti (campo automobilistico ed eolico) o per la sicurezza degli utilizzatori (campo aeronautico). Il primo capitolo di dettaglio (Cap. 3) analizza le motivazioni teoriche su cui si fondano le ipotesi alla base della metodologia proposta. L‟Errore di Trasmissione e‟ identificato come l‟indicatore quantitativo principale per il calcolo delle vibrazioni della trasmissione. Subito dopo sono discussi i contributi della flessibilita‟ dei denti e dei disallineamenti all‟Errore di Trasmissione. Tale discussione fornice il substrato per comprendere come le modifiche microgeometriche delle superfici dei denti possano ridurre in maniera significativa le vibrazioni e migliorare la distribuzione delle pressioni di contatto. Sulla base delle motivazioni teoriche, la metodologia proposta permette di calcolare la rigidezza di ingranamento statica (per un range di condizioni operative) prima della simulazione dinamica e di ridurre i relativi tempi di calcolo in modo notevole, grazie alla semplice interpolazione di tale rigidezza in funzione delle condizioni operative istantanee. Il secondo capitolo di dettaglio (Cap. 4) fornisce la formulazione matematica alla base della metodologia proposta. Il terzo capitolo di dettaglio (Cap. 5) illustra in maniera quantitativa la sensibilita‟ dell‟Errore di Trasmissione rispetto alle variazioni della coppia applicata, di interasse e del disallineamento angolare nel piano d‟azione. Appare necessario da tale analisi includere gli effetti di tali variazioni per ottenere una risposta dinamica che sia accurata. Il capitolo sui casi di studio mostra come la discussione condotta nei capitoli precedenti sia correttamente rintracciabile nei risultati forniti dalla metodologia proposta. Il primo caso di studio analizzato e‟ quello di una coppia di ruote dentate elicoidali che presentano modifiche microgeometriche della superficie dei denti ottimizzate. La variabilita‟ dell‟Errore di Trasmissione risulta minima nelle condizioni operative di ottimo e degrada allontanandosi da tali condizioni. A bassa velocita‟ di rotazione i risultati dinamici convergono verso i risultati delle simulazioni statiche. Il secondo caso di studio analizzato e‟ un rotismo 13 epicicloidale a tre pianeti elicoidali. I risultati mostrano come sia necessario modellare gli effetti tridimensionali del contatto al fine di catturare correttamente la risposta dinamica del rotismo.