Análise do comportamento do campo de tensões e deformações em engrenagens

Abstract

Compreender os campos de tensão e deformação resultantes do contato sob carga externa é fundamental para o desenvolvimento e aprimoramento de peças e componentes. As análises experimentais e simulações são essenciais na engenharia, pois validam modelos teóricos e permitem o desenvolvimento de soluções práticas com o uso de ferramentas digitais e manu-fatura aditiva. Além disso, diante dos desafios atuais, como concorrência global e regula-mentações rigorosas, a otimização do design de engrenagens se tornou essencial. Este traba-lho investigou o campo de tensões em engrenagens cilíndricas de dentes retos desalinhadas produzidas em resina fotossensível por estereolitografia de máscara (impressão 3d em im-pressora de resina). Ensaios mecânicos foram realizados para determinar o módulo de elasti-cidade e o coeficiente de Poisson da resina. O comportamento das engrenagens de resina sob carga foi comparado utilizando simulações de elementos finitos e experimentos com exten-sômetros e sistema de aquisição de dados em um cenário de desalinhamento controlado. Os resultados validaram o desempenho esperado das engrenagens de resina e dos equipamentos utilizados, confirmando a viabilidade tanto do material quando dos equipamentos de baixo custo para aplicações experimentais mecânicas. A partir disso, foi realizada uma análise de-talhada das tensões e deformações nos dentes das engrenagens de resina, considerando a teo-ria de contato de Hertz e cilindros com o mesmo raio dos pontos de contato entre os dentes. As tensões e deformações foram estudadas por fotoelasticidade e Correlação de Imagem Di-gital (DIC) sob cargas de compressão, observando-se a formação de franjas características. A convergência dos dados experimentais com simulações numéricas e analíticas confirma a eficácia desta metodologia de baixo custo para análise de peças fabricadas por manufatura aditiva, possibilitando futuras investigações com geometrias mais complexas.

Understanding the stress and strain fields resulting from loaded contact is fundamental to the development and improvement of parts and components. Experimental analyses and simulations are essential in engineering, as they validate theoretical models and enable the development of practical solutions using digital tools and additive manufacturing. Furthermore, given current challenges such as global competition and stringent regulations, optimizing gear design has become essential. This work investigates the stress field in misaligned cylindrical spur gears made of photosensitive resin through mask stereolithography (3D printing using a resin printer). Mechanical tests were conducted to determine the elastic modulus and Poisson's ratio of the resin. The behavior of the resin gears under load was compared using finite element simulations and experiments with strain gauges and a data acquisition system in a controlled misalignment scenario. The results validated the expected performance of the resin gears, and the equipment used, confirming the feasibility of both the material and the low-cost equipment for mechanical experimental applications. Subsequently, a detailed analysis of the stresses and deformations in the resin gear teeth was performed, considering Hertz contact theory and cylinders with the same radius as the contact points between the teeth. Stresses and deformations were studied using photoelasticity and Digital Image Correlation (DIC) under compression loads, observing the formation of characteristic fringes. The convergence of experimental data with numerical and analytical simulations confirms the effectiveness of this low-cost methodology for analyzing parts manufactured through additive manufacturing, enabling future investigations with more complex geometries.