Análise de fiabilidade em caixa de engrenagens de aerogerador, por meio do detalhamento das normas AGMA

Mestrado de dupla diplomação com a UTFPR - Universidade Tecnológica Federal do ParanáEngrenagens são elementos essenciais na engenharia mecânica, usadas em máquinas para transmissão de potência, como nas caixas de engrenagens de aerogeradores. Do mesmo modo, a geração de energia de maneira renovável, a partir de fonte eólica, tem se tornado essencial ao redor do mundo. Apesar da engrenagem ser um elemento mecânico amplamente utilizado, há pouca informação atualizada e disponível sobre seu equacionamento no Sistema Internacional para o cálculo à fadiga, tanto para análise de tensão ao contato e consequente avaliação da resistência a picada na superfície do dente da engrenagem, quanto para análise da tensão à flexão, e assim, a avaliação da resistência à fratura na região do cordão raiz do dente. O presente trabalho detalha a norma ANSI/AGMA 2101-D04 (2016) e, a partir desta, desenvolve algoritmos matemáticos que facilitam o processo de análise de fadiga em engrenagens de dentes retos, proporcionando a fácil observação das etapas a serem seguidas para se obter a tensão de contato e de flexão, tal como os fatores de segurança dessas duas abordagens. Além disso, complementa a dita norma com informações de literaturas consolidadas de Projeto de Máquinas, proporcionando um material didático e intuitivo que possa auxiliar no projeto de engrenagens. Para compreensão dos algoritmos matemáticos que clarificam a norma citada, e levando em consideração que o sistema de transmissão tem grande influência na confiabilidade do aerogerador, foi desenvolvido um estudo de caso com a análise de fadiga em um par de engrenagens, em que, devido ao difícil acesso aos parques eólicos, foi proposto uma cadeia cinemática para compor a caixa de engrenagens de uma turbina eólica de 2,5 MW de potência. Pôde-se inferir que os algoritmos em conjunto com os materiais acrescentados ao conteúdo da norma, facilitaram e enriqueceram a análise de fadiga. Ademais, pode-se concluir que a norma ANSI/AGMA 2101-D04 (2016) é muito completa e eficaz no que se trata de cálculos de fadiga em engrenagens, com o seu auxílio foi possível validar o dimensionamento da cadeia cinemática proposta para compor o aerogerador da fabricante Nordex, dimensionamento que resulta numa dureza Brinell necessária e que pode ser obtida com tratamentos térmicos segundo a norma ANSI/AGMA 2004-C08. Com a norma ANSI/AGMA 9005-F16, pode-se obter as características do lubrificante e o método de lubrificação que garantem o funcionamento eficiente da caixa de engrenagens. Duas conclusões sobre o fator de distribuição de carga utilizado pela norma são as seguintes, primeiramente pede-se que a engrenagem satisfaça a relação ≤2, o que não acontece no dimensionamento proposto, porém, se diminuíssemos a largura de face b, a fim de satisfazer a relação, seria necessário apenas um aumento de dureza Brinell para realizar essa otimização. Também para esse fator é considerado o coroamento nos dentes da engrenagem, característica que diminui a tensão de contato, porém o coroamento envolve altos custos com maquinabilidade, portanto deve ser analisado com cuidado pelos projetistas. Um ponto interessante é que para alguns fatores, a norma não propõe recomendações, como para o fator de sobrecarga , e o fator de tamanho , o que nem sempre é viável pois demanda de experiencia do projetista, em contrapartida, isso se torna um ponto positivo quando o projetista tem certa experiencia, dando autonomia para o profissional fazer escolhas a partir da sua aplicação específica.Gears are essential elements in mechanical engineering, used in machines for power transmission such as wind turbine gearboxes. Likewise, renewable energy generation from wind sources has become essential around the world. Although the gear is a widely used mechanical element, there is little up-to-date information available on its equation in the International System for fatigue calculation, both for the analysis of contact stress and the consequent evaluation of the pitting resistance on the gear tooth surface, as well as for analysis of bending stress, and thus, an assessment of fracture toughness in the region of the root fillet of the tooth. This work details the ANSI / AGMA 2101-D04 (2016) standard and, based on it, develops mathematical algorithms that facilitate the fatigue analysis process in spur gears, providing easy observation of the steps to be followed to obtain the contact stress and bending stress, as well as the safety factors of these two approaches. In addition, it complements said standard with information from consolidated literature on Machine Design, providing educational and intuitive material that can assist in gear design. To understand the mathematical algorithms that uncomplicate the aforementioned standard and taking into account that the transmission system has a great influence on the reliability of the wind turbine, a case study was developed with an analysis of fatigue in a pair of gears, in which, due to difficult access to wind farms, a kinematic chain was proposed to compose the gearbox of a 2.5 MW wind turbine. It could be inferred that the algorithms together with the materials provided to the content of the standard facilitate and enrich a fatigue analysis. Furthermore, it can be concluded that the ANSI/AGMA 2101-D04 (2016) standard is very complete and effective when it comes to fatigue calculations in gears, with its help it was possible to validate the dimensioning of the proposed kinematic chain to compose the wind turbine from Nordex manufacturer, dimensioning that results in a necessary Brinell hardness and that can be obtained with heat treatments according to the ANSI/AGMA 2004-C08 standard. With the ANSI/AGMA 9005-F16 standard, you can obtain the lubricant characteristics and lubrication method that ensure efficient operation of the gearbox. Two conclusions about the load distribution factor used by the standard are as follows, firstly, the gear is asked to satisfy the ratio ≤2, which does not happen in the proposed design, however, if we were to reduce the face width b, in order to satisfy the ratio, only one Brinell hardness increase would be needed to perform this optimization. Also, for this factor, crowning on the gear teeth is considered, a characteristic that reduces the contact stress, but crowning involves high machinability costs, therefore, it must be carefully analyzed by the designers. An interesting point is that for some factors, the standard does not propose recommendations, such as for the overload factor , and the size factor , which is not always feasible as it demands experience from the designer, on the other hand, this becomes a positive point when the designer has some experience, giving autonomy to the professional to make choices based on their specific application