El problema
En los sistemas compactos motor-transmisión, donde mecanismos, engranajes, ejes, rodamientos y juntas trabajan en espacios reducidos y con tolerancias muy ajustadas, la calidad del funcionamiento depende de forma crítica del equilibrio entre las fuerzas internas, las inercias y las rigideces del sistema.
Incluso cuando el dimensionamiento estático es correcto, durante el funcionamiento pueden aparecer fenómenos dinámicos no deseados, como oscilaciones del par transmitido, fluctuaciones de velocidad, cargas laterales imprevistas sobre uniones y guías, o incluso condiciones de inestabilidad que aceleran el desgaste y provocan daños prematuros.
En este tipo de aplicaciones no basta con conocer la magnitud de las cargas. Es necesario reconstruir su evolución temporal, identificar las rutas de transmisión de esfuerzos y evaluar hasta qué punto la respuesta dinámica del sistema es sensible a pequeños desalineamientos, desequilibrios de masa o variaciones geométricas derivadas de la fabricación y el montaje.
El reto para el equipo de diseño consiste en disponer de una base objetiva que permita correlacionar los síntomas observados durante el funcionamiento con sus causas físicas, distinguiendo los fenómenos inherentes a la cinemática de aquellos originados por las inevitables imperfecciones de fabricación, y transformar ese conocimiento en criterios de diseño sólidos, verificables y transferibles a las fases posteriores de industrialización.
El desafío
El proyecto requirió analizar el comportamiento dinámico de un motor con un sistema de transmisión integrado y mecanismos internos de elevada complejidad, evaluando su estabilidad en régimen permanente y las solicitaciones cíclicas sobre los principales componentes.
Desde el punto de vista de la ingeniería, esto implicó desarrollar un modelo multicuerpo capaz de reproducir no solo los movimientos nominales, sino también los efectos combinados de la rigidez real de los apoyos, los contactos entre engranajes, el rozamiento, las pérdidas mecánicas, las excitaciones periódicas asociadas al ciclo de combustión y las inercias de los elementos con movimiento alternativo.
La principal dificultad radica en que la estabilidad del sistema no depende de un único parámetro, sino de la interacción entre la cinemática, el equilibrado de masas, la flexibilidad estructural y el amortiguamiento, dando lugar a un comportamiento que puede variar significativamente incluso ante pequeñas desviaciones geométricas.
Además, para obtener historiales de carga útiles para los análisis estructurales y de durabilidad, no es suficiente realizar un análisis basado en valores medios. Es necesario reconstruir la amplitud y la fase de las oscilaciones, distinguir las contribuciones cuasiestáticas de las dinámicas y determinar cómo se redistribuyen las cargas entre rodamientos, uniones y restricciones durante todo el ciclo de funcionamiento.
Sobre esta base, el desafío fue doble: reproducir mediante simulación las condiciones capaces de desencadenar anomalías dinámicas y, al mismo tiempo, desarrollar un modelo suficientemente representativo para garantizar la fiabilidad de las cargas obtenidas y de las conclusiones de diseño.
Nuestra contribución
SmartCAE desarrolló un modelo de dinámica multicuerpo a partir de la geometría 3D del conjunto y de la información funcional disponible, transformando la arquitectura real en un sistema coherente de cuerpos rígidos, articulaciones y uniones elásticas.
Uno de los aspectos clave fue la caracterización de los apoyos rotativos. La rigidez de los rodamientos y la representación de las pérdidas por fricción se incorporaron al modelo para reproducir fielmente el comportamiento en régimen permanente y evitar que un modelo idealizado ocultara los mecanismos responsables de las inestabilidades observadas.
Posteriormente se definieron las excitaciones del sistema y las resistencias equivalentes para reproducir unas condiciones de funcionamiento estacionarias realistas y analizar las oscilaciones de par y velocidad como resultado del equilibrio entre la potencia disponible, las pérdidas y las inercias del sistema.
A partir de la configuración nominal se obtuvieron los historiales de carga en las interfaces más representativas, reconstruyendo el recorrido de las fuerzas e identificando las zonas donde se concentraban las componentes alternas.
A continuación se llevó a cabo un estudio de sensibilidad introduciendo perturbaciones representativas de tolerancias de fabricación, desalineamientos y desequilibrios de masa. Este análisis permitió identificar qué imperfecciones eran capaces de generar movimientos fuera del plano y cargas parásitas, y cuáles resultaban prácticamente irrelevantes para el comportamiento global del sistema.
Finalmente, a partir de las evidencias obtenidas, se evaluaron diferentes modificaciones en la cadena cinemática y en la arquitectura de los apoyos con el objetivo de reducir la sensibilidad del sistema frente a perturbaciones y aumentar su estabilidad intrínseca, verificando cada propuesta mediante el mismo procedimiento de simulación.
Beneficios para el cliente
El trabajo proporcionó al cliente una comprensión clara y técnicamente fundamentada del comportamiento del motor en régimen permanente, transformando un problema observado durante el funcionamiento en un conjunto de causas físicas plausibles y verificables.
Disponer de historiales de carga representativos, en lugar de simples valores estáticos, permitió alimentar de forma coherente los análisis estructurales de los componentes, la evaluación de la durabilidad de rodamientos y juntas, así como los estudios de fatiga utilizando ciclos de carga realmente representativos.
La cuantificación sistemática de la sensibilidad frente a tolerancias de fabricación y desequilibrios de masa hizo posible definir especificaciones de producción y montaje mucho más precisas, concentrando los controles de calidad allí donde realmente aportaban valor y reduciendo el riesgo de costosas acciones correctivas en fases avanzadas del desarrollo.
Desde el punto de vista del diseño, la identificación de las configuraciones más robustas frente a desalineamientos y desequilibrios permitió aumentar la fiabilidad del sistema sin recurrir al sobredimensionamiento de los componentes, obteniendo mejoras en prestaciones, repetibilidad y calidad percibida del producto.
En definitiva, el cliente obtuvo una base sólida para la toma de decisiones de ingeniería, reduciendo la incertidumbre técnica, acortando los ciclos de desarrollo y minimizando el riesgo de fallos prematuros gracias a simulaciones numéricas directamente vinculadas a las condiciones reales de funcionamiento.
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