Análisis numérico computacional del fluido de una película de aceite en un sistema de transmisión automotriz por engranes

Hoy en día, la industria automotriz ha avanzado en el estudio de la mejora de la eficiencia en el diseño de transmisiones mecánicas de potencia. Así, cada día los requisitos de fiabilidad y rendimiento son más severos. Muchos fabricantes de ejes y cajas de engranajes diferenciales han incrementado su inversión en investigación para reducir las pérdidas de potencia por los efectos viscosos del lubricante, el sistema de lubricación por salpicadura dentro del envolvente y obtener una distribución de aceite más deseable a temperaturas de operación más bajas. En esta investigación, se presenta el estudio de las pérdidas de potencia de la rotación del aceite del eje diferencial del vehículo de engranaje hipoide. Basado en dinámica de fluidos computacional (CFD) utilizando el software comercial ANSYSFluent 19.1. Se ha creado un modelo numérico en 3D para simular el flujo multifase aireaceite, aplicando el enfoque de volumen de fluidos (VOF) del modelo multifase EulerianEulerian. Trabajos recientes presentan la efectividad del CFD en el estudio de las pérdidas de potencia de las transmisiones mecánicas por engranajes. Estos estudios para la configuración de engranajes hipoidales indican algunas limitaciones, como la configuración apropiada del modelo de turbulencia, la selección del modelo de malla para el dominio del fluido en movimiento, especialmente en la zona de acoplamiento, las condiciones para simular mayores tiempos de rotación de los engranajes dentro de la caja (para alcanzar tiempos mayores a 0.5 segundos), por lo que se necesita un incremento del esfuerzo computacional y mejores requisitos de hardware de la computadora. Estudios anteriores han utilizado diferentes técnicas de simulación de malla en engranajes hipoidales. En el presente estudio, se desarrolló una comparación, entre la malla dinámica y la malla deslizante. La malla dinámica puede deformarse por la forma del dominio a lo largo del tiempo debido al movimiento de rotación de los límites en las paredes de los engranajes. Por otro lado, la malla deslizante se puede utilizar con una breve modificación de la geometría 3D del diferencial. Como resultado, se obtiene un movimiento independiente de los límites de la pared de cada engranaje, lo que hace que sus nodos se muevan rígidamente en una zona de malla dinámica con respecto a otra área de malla estacionaria para cada engranaje. Los resultados numéricos del seguimiento de flujo con malla dinámica y malla deslizante demuestran una buena correlación del consumo de energía total de los engranajes hipoidales en el diferencial mecánico y las características del flujo de lubricación. Además, se logra un tiempo de flujo de simulación de 1 segundo con una malla deslizante en un tiempo de cálculo más bajo en comparación con el modelo dinámico de malla. Estas simulaciones fueron comparadas con trabajos previos y literatura investigada. Predecir las pérdidas de energía generadas por el sistema diferencial de eje con un modelo de simulación en un tiempo de cálculo más corto, y lograr un mayor tiempo de salpicadura de lubricación, ayudaría a ahorrar tiempo para obtener resultados y evitar el uso de tamaños de paso de tiempo más pequeños en la simulación de configuraciones de engranajes complejos. Además, el estudio de la dinámica de fluidos en el interior del gabinete ayudará a los diseñadores a optimizar la carcasa, así como a futuros estudios de transferencia de calor, diferentes métodos de lubricación sin necesidad de desarrollar una plataforma de prueba física