Caracterización fluidodinámica de una bomba oleohidráulica de engranajes internos generados por perfiles trocoidales

Abstract

En los últimos años, los trabajos de investigación están muy motivados por todo aquello que contribuye a reducir el ruido emitido por los sistemas oleohidráulicos. Como ha sido demostrado por varios investigadores, el origen de estas perturbaciones hay que buscarlo en el proceso de generación de las pulsaciones de caudal como característica intrínseca del propio funcionamiento real de la bomba, y en consecuencia, cualquier avance en este terreno debe pasar ineludiblemente por la simulación del comportamiento dinámico de estas unidades.<br/><br/>El presente trabajo de investigación se circunscribe al estudio de una bomba gerotor, con el fin disponer de un estudio global, coherente y unificado que comprende la geometría de los perfiles trocoidales del engranaje, la cinemática del engrane, las características volumétricas, las tensiones en los puntos de contacto y su comportamiento dinámico.<br/><br/>La geometría y cinemática de engrane del engranaje trocoidal se han deducido analíticamente mediante las ecuaciones de los perfiles de los dientes y la línea de puntos de contacto en función de cuatro parámetros básicos, sentando la base para el desarrollo de los estudios posteriores. Las características volumétricas se han desarrollado, puesto a punto y comparado mediante dos métodos: uno numérico que se fundamenta en un análisis integral-derivativo, y el otro que se fundamenta en un análisis derivativo-integral en sus dos posibles versiones, la analítica y la numérica. La concordancia de resultados obtenidos utilizando estos métodos es muy satisfactoria. En el cálculo de las tensiones de contacto, también se han propuesto y desarrollado dos metodologías de cálculo. Un primer método parte de la teoría desarrollada por Colbourne, implementado con una variante para el cálculo de los puntos de contacto. Este método es adecuado para ruedas dentadas exteriores donde el perfil del lóbulo o diente es ajustable a un arco circular. Puesto que su aplicación es muy restrictiva, se ha creído oportuno proponer un método alternativo implementado con el Método de los Elementos Finitos mucho más genérico. Este último ha proporcionado los valores de la magnitud de la máxima tensión de contacto más fiables y ha demostrado un alto nivel de flexibilidad que facilita en gran medida el proceso de optimización de la forma geométrica de los perfiles de los dientes.<br/><br/>El comportamiento fluidodinámico de la bomba gerotor se estudia proponiendo un método de simulación física (Método de BondGraph) que incida directamente en el cálculo de las pulsaciones de caudal. El modelo de simulación fluidodinámico presenta un análisis matemático que parte del submodelo de una cámara y se completa con la interacción engranaje-bomba y las fugas de caudal. Esta metodología numérica desarrollada se contrasta con una técnica experimental (Método de la 'Fuente Secundaria') que permite la comparación directa de los resultados obtenidos por ambas vías. Son dos los bancos de ensayo empleados y desarrollados de acuerdo con la norma ISO 10767, uno en el Fluid Power Centre de la University of Bath, y otro diseñado y construido específicamente para esta tesis en el laboratorio del centro LABSON. Se observa que las amplitudes (pico a pico) de las pulsaciones de caudal obtenidas por vía experimental en el Fluid Power Centre son inferiores y más regulares que las obtenidas en el laboratorio del centro LABSON.<br/><br/>La comparativa de resultados de la pulsación de caudal 'ideal' obtenida de la simulación y la pulsación de caudal de los ensayos experimentales muestran ser muy precisos en su forma, a pesar de existir diferencias de amplitud. El modelo de simulación muestra que describe con gran grado de exactitud la interacción engranaje-bomba y las fugas de caudal de una bomba gerotor.

In recent years, there has been a growing awareness of the hazards of industrial noise and how to reduce it in hydraulic systems. A great number of studies have been carried out in the past in this field and it has been shown that the source of these perturbations has to be sought in the process of the generation of flow ripple as an intrinsic characteristic of the pump. As a consequence of this, any advance in this field has to inevitably pass the simulation of the dynamic behaviour of the pump.<br/><br/>The investigation work presented in this thesis is concentrated on the performance analysis of a gerotor pump in order to develop a coherent and unified global study of the trochoidal profiles geometry of the gear, the kinematics of the mesh, the volumetric characteristics, the contact stress at the contact points and its fluid dynamic behaviour.<br/><br/>The geometry and kinematics of the mesh of the trochoidal gear has been analytically deduced through the equations of the teeth profiles and the line of contact, which are in turn function of four basic parameters and were the basis for further studies. The volumetric characteristics have been developed and compared by using two approaches: the integral-derivative approach solved by a numerical differentiation and the derivative-integral approach solved by a numerical and analytical integration. The coherence of the results obtained by both approaches is very satisfactory.<br/><br/>Contact stress calculation is also proposed and developed by using two methodologies. The first method is based on Colbourne's theory and it is implemented by a new approach to the calculation of the contact points. This method is only valid for external gears formed by circular-arc teeth. Because of the limitation of this method, an alternative and more generic method has been proposed by implementing the Finite Element Method. This last method provides more reliable magnitude values of the maximum contact stress and it has shown a high flexibility that aids the process of optimization of the teeth profiles geometry.<br/><br/>The fluid dynamic behaviour of the gerotor pump study is based on a physical simulation method (BondGraph's Method) which is focused on the flow ripple calculation. The simulation model presents an analytical approach which starts with a submodel of a single chamber and it is completed by the interaction of gear-pump and leakage flows. This numerical methodology is contrasted with an experimental methodology (Secondary Source Method) which allows a direct comparison between results from both methodologies. Two test rigs have been employed and developed according to the ISO normative 10767-192/84247: one of the test rigs is at the Fluid Power Centre of the University of Bath and the other test rig is specifically designed and constructed for this thesis at the LABON Centre. A comparison of the experimental results has shown that the amplitude (peak to peak) of the flow ripple of the Fluid Power Centre is more accurate than those obtained at the LABSON Centre.<br/><br/>The comparison between the 'ideal' flow ripple from the simulation and the 'real' flow ripple from the experimental work are shown to be very precise in shape and form, despite of the discrepancies observed between amplitudes. It has been proved that the simulation model describes with a high accuracy the interaction of gear-pump and leakage flows of the gerotor pump.