Proyecto: Optimización del diseño del reductor de velocidad de un

vehículo todo terreno UACJ-PTC-394

INFORME FINAL

01/08/2018 - 31/01/2020

Responsable del proyecto: Dr. José Omar Dávalos Ramírez

Resumen

Se presenta el reporte final del proyecto de investigación titulado “Optimización del diseño del reductor

de velocidad de un vehículo todo terreno” financiado por el Programa para el Desarrollo Profesional

Docente (PRODEP). Se cumplieron los objetivos de producción científica y formación de recursos

humanos con 2 artículos en revista indizada, un artículo en revista arbitrada y un estudiante de

licenciatura titulado con tema de tesis relacionado con el proyecto. Se utilizaron los recursos asignados

para la adquisición de equipo, instrumentos, materiales y consumibles para realizar las actividades del

proyecto.

Descripción del proyecto

En este proyecto se trabajó con la aplicación de una metodología para la optimización del diseño del

reductor de velocidad de un vehículo todo terreno (ATV, por sus siglas en inglés). La metodología de

diseño estuvo basada en el algoritmo de optimización de tipo evolutivo llamado evolución diferencial

complementado con redes neuronales artificiales y el método del elemento finito. La optimización del

reductor de velocidad se concentró en la máxima disminución posible del peso de sus engranes sin afectar

su integridad estructural. El estudio fue realizado en el ATV de la Universidad Autónoma de Ciudad

Juárez que participa en las competencias de la categoría BAJA organizadas por la Sociedad de Ingenieros

Automotrices (SAE).

Objetivo general

Integración de una metodología para la optimización del diseño del reductor de velocidad de un vehículo

todo terreno

Objetivos particulares

• Determinar la función objetivo del algoritmo de evolución diferencial

• Modelar mediante el método del elemento finito los esfuerzos de flexión y los esfuerzos de contacto en

los engranes del reductor

• Modelar mediante redes neuronales artificiales el estado de esfuerzos en los engranes del reductor

• Obtener las variables de diseño óptimas del reductor de velocidad del vehículo todo terreno mediante

evolución diferencial

• Validar y analizar el modelo optimizado del reductor de velocidad

Metas

Los resultados obtenidos fueron la base para alcanzar las metas planteadas. Los resultados del proyecto

relacionados con la metodología de diseño de reductores de velocidad avalan el cumplimiento de la meta

ya que se obtuvo un diseño de reductor más ligero y con mayor resistencia mecánica.

En los trabajos publicados se reportaron aspectos acerca del funcionamiento de engranes que contribuyen

a mejorar el diseño de este tipo de componentes mecánicos, tanto de manera experimental como

numérica.

Se publicaron 3 artículos derivados de este trabajo, con ello se incrementó el número de publicaciones

de los profesores participantes lo que contribuye a mejorar los indicadores de producción científica de la

Universidad Autónoma de Ciudad Juárez. El responsable del proyecto se integró a un cuerpo académico

consolidado participando los integrantes en la investigación por lo que se agregaron como coautores en

los artículos generados. El cuerpo académico es UACJ-CA-100.

Los resultados obtenidos serán utilizados por el equipo Baja SAE de la Universidad Autónoma de Ciudad

Juárez en las competencias del presente año.

Equipo adquirido

En la investigación se propuso la realización de cálculos numéricos utilizando el MEF para lo cual se

requirió contar con un equipo de cómputo de alto rendimiento. Se adquirió una estación de trabajo de 64

GB de memoria RAM con 12 núcleos y procesador Intel Xeon. Se diseñó un banco de pruebas para

mediciones experimentales de esfuerzos, deformaciones y vibraciones en engranes. Se adquirió un

equipo de medición de esfuerzos de contacto consistente en un escáner con calibrador. Para medir la

deformación y esfuerzos en la raíz de los dientes de engranes se adquirió un sensor de presión y

deformaciones inalámbrico con un receptor USB. Las vibraciones fueron medidas por medio de un

acelerómetro inalámbrico que operaba con el mismo receptor USB del sensor de presión. Para el

funcionamiento del banco de pruebas se adquirió un motor de corriente directa de 1 HP a 3600 rpm. En

lo que respecta a materiales y consumibles se compró película de presión para la medición de esfuerzos

de contacto la cual fue visualizada en el escáner con calibrador, galgas extensiométricas para deformación

y esfuerzos en la raíz del diente cuyo uso fue compatible con el sensor de presión, baterías de litio para

el acelerómetro, chumaceras y una barra de aluminio para el montaje de los engranes en el banco de

pruebas y filamento para impresión en 3D de piezas complementarias. Adicionalmente se adquirió un

mouse para el equipo de cómputo. Del total de recursos asignados para el proyecto de investigación se

tiene un remanente de $ 821.70

Del recurso asignado al rubro de reconocimiento a la trayectoria académica solo se ejercieron $ 25,000

ya que el beneficiario y responsable del proyecto obtuvo el nombramiento de candidato al Sistema

Nacional de Investigadores. El monto asignado al apoyo para elementos individuales de trabajo fue

ejercido en su totalidad.

Productos generados

De la investigación realizada se generaron dos artículos que fueron publicados en revistas indizadas. El

primer artículo titulado “Optimización del diseño de los engranes del reductor de un vehículo todo

terreno” se publicó en la revista Mundo FESC de Colombia. El artículo trata acerca de la integración de

una técnica para la optimización del diseño de engranes con aplicación a reductores de velocidad de

vehículos todo terreno. Se aplicaron las técnicas mencionadas en el proyecto, evolución diferencial, redes

neuronales artificiales y el método del elemento finito. El artículo se encuentra publicado. El segundo

artículo tuvo como título “Estudio de fatiga en engranes de reductores de velocidad con desalineamiento

radial y axial” y se encuentra aceptado para publicación en la Revista de Ciencias Tecnológicas editada

por la Universidad Autónoma de Baja California. El objetivo de este artículo fue generar conocimiento

nuevo en el comportamiento de engranes relacionado con la fatiga bajo condiciones de desalineamiento.

Adicionalmente se publicó un artículo en la revista Cultura Científica y Tecnológica que edita la

Universidad Autónoma de Ciudad Juárez. El artículo se titula “Montaje de un banco de pruebas para

medir esfuerzos de contacto y vibración en pares de engranes”. En él se describe el procedimiento

realizado para montar el banco de pruebas de engranes, así como resultados obtenidos de las mediciones

experimentales en engranes del reductor de velocidad.

Recursos humanos

De este proyecto se generó una tesis de licenciatura que sirvió como requisito de titulación del estudiante

Carlos Campos García. El estudiante colaboró en la parte de optimización realizando las simulaciones

mediante el método del elemento finito y en el algoritmo de optimización. También participó en el

montaje del banco de pruebas en engranes. Durante su participación en el proyecto el estudiante contó

con una beca de apoyo. La tesis fue presentada el 22 de mayo del 2019. Adicionalmente se contó con la

participación de un estudiante durante el verano de investigación del Programa Delfín 2019. El estudiante

fue Alan Fernando Sánchez Palma, inscrito en la carrera de ingeniería mecánica en el Tecnológico de

Pachuca, apoyó para concluir el montaje del banco de pruebas y obtener las mediciones de esfuerzos,

deformaciones y vibraciones. Carlos Campos García y Alan Fernando Sánchez Palma fueron incluidos

como autor principal y coautor, respectivamente, en dos de los artículos publicados con la intención de

motivar su interés en la investigación científica.

Beneficios del proyecto

El proyecto fue incluido como producto en la evaluación del año 2019 del cuerpo académico consolidado

UACJ-CA-100 del cual es miembro el responsable del proyecto y uno de los colaboradores. Como

resultado de dicha evaluación se mantuvo el mismo nivel por los próximos cinco años. Los resultados de

la investigación serán utilizados por los estudiantes en el diseño del reductor de velocidad del vehículo

todo terreno que participará en la competencia Baja SAE del año 2020. Se mejoró la infraestructura de

investigación de la UACJ a través de la adquisición de equipo el cual servirá para la realización de futuros

proyectos de investigación.

Recursos ejercidos

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Revista de Ciencias Tecnológicas (RECIT). Universidad Autónoma de Baja California ISSN 2594-1925

Volumen 3 (2):87-95. Abril-Junio 2020 https://doi.org/10.37636/recit.v328795.

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ISSN: 2594-1925

Modelado por elemento finito de la fatiga en

engranes de reductores de velocidad con

desalineamiento radial y axial Finite element modeling of fatigue in speed reducer gears with radial

and axial misalignment

José Omar Dávalos Ramírez , Uzziel Caldiño Herrera, Shehret Tilvaldyev, Delfino

Cornejo Monroy, David Luviano Cruz

Universidad Autónoma de Ciudad Juaréz, Departamento de Ingeniería Industrial y

Manufactura. Av. del Charro no. 450 Nte. Col. Partido Romero CP 32310, Ciudad Juárez,

Chihuahua, México.

Autor de correspondencia: José Omar Dávalos Ramírez, Universidad Autónoma de Ciudad Juaréz,

Departamento de Ingeniería Industrial y Manufactura, Av. del Charro no. 450 Nte. Col. Partido Romero

CP 32310, Ciudad Juárez, Chihuahua, México. ORCID: 0000-0002-6612-5231. E-mail:

jose.davalos@uacj.mx. Recibido: 12 de Enero del 2020 Aceptado: 21 de Marzo del 2020 Publicado: 30 de Junio del 2020

Resumen. - Este artículo presenta un análisis de fatiga en engranes de reductores de velocidad

sometidos a desalineamiento radial y axial. Se empleó el método del elemento finito para el

cálculo de los ciclos de vida y del estado de esfuerzos alternantes en los engranes. El

desalineamiento se consideró en función del módulo del engrane, M. El desalineamiento radial

fue M0.2 y M0.5 y el desalineamiento axial fue M0.2 y M0.3. El mecanismo analizado

corresponde a los engranes piñón y rueda de la primera etapa del reductor de velocidad de un

vehículo todo terreno. En ambas condiciones de desalineamiento la máxima reducción en los

ciclos de vida ocurre en el engrane piñón causados por elevados esfuerzos alternantes a medida

que se incrementa el torque. Las variaciones en la zona de contacto entre los dientes debido a

los desalineamientos en los engranes provocó concentraciones de esfuerzos en la cara y la raíz

del diente.

Palabras clave: Elemento finito; Fatiga de engranes; Desalineamiento radial y axial.

Abstract. - This paper presents a fatigue analysis of spur gears belong to speed reducers under

radial and axial misalignment. The finite element method was employed to calculate the life

cycles and the alternating stress in the spur gears. The misalignment was considered as a

function of gear module, M. The radial misalignment was M0.2 and M0.5 and the axial

misalignment was M0.2 and M0.3. The analyzed mechanism corresponds to the pinon and gear

of the first stage of an all-terrain vehicle speed reducer. In both misalignment conditions, the

maximum reduction of life cycles occurs in pinion gear due to high alternating stresses as torque

increases. Changes in the contact zone due to gear misalignment cause stress concentrations in

the face and root teeth.

Keywords: Finite element; Gear fatigue; Radial and axial misalignment.

16 Optimización del diseño de los engranes del reductor de un vehículo todo

terreno

Design optimization of reduction gearbox for an all-terrain vehicle

*aCarlos Campos-García, bJosé Omar Dávalos-Ramírez, cDelfino Cornejo-Monroy, dAlfredo Villanueva-Montellano

aIngeniero de Sistemas, automotricesal122268@alumnos.uacj.mx, Orcid: 0000-0001-9860-5777, Docente investigador. Universidad Autónoma de Ciudad Juárez, México.

bDoctor, jose.davalos@uacj.mx, Orcid: 0000-0002-6612-5231, Docente investigador. Universidad Autónoma de Ciudad Juárez, México.

cDoctor, delfino.cornejo@uacj.mx, Orcid: 0000-0002-6294-7385, Docente investigador. Universidad Autónoma de Ciudad Juárez, México.

dLicenciado, alfredo.villanueva@uacj.mx, Orcid: 0000-0002-8864-9984, Docente investigador. Universidad Autónoma de Ciudad Juárez, México.

Recibido: Febrero 10 de 2019 Aceptado: Junio 20 de 2019.

Forma de citar: C. Campos-García, J.O. Dávalos-Ramírez, Delfino Cornejo-Monroy y A. Alfredo Villanueva-Montellano,

“Optimización del diseño de los engranes del reductor de un vehículo todo terreno”, MundoFesc, vol. 9, no. 18, pp. 16-23, 2019

Resumen

En la actualidad existe la tendencia de diseñar componentes mecánicos capaces de soportar elevadas cargas de operación y que al mismo tiempo sean lo más ligeros posibles. Ambas condiciones son opuestas ya que, al aligerar un componente, existe el riesgo de disminuir su capacidad de resistir cargas estructurales. En este trabajo se realiza el diseño optimizado de los engranes del reductor de velocidad de un vehículo todo terreno (VTT) con el objetivo de reducir su masa sin el incremento considerable de los esfuerzos de contacto y de flexión en los dientes. El trabajo se basa en la integración de una metodología de optimización que incluye las técnicas de evolución diferencial (ED), redes neuronales artificiales (RNA) y el método de elemento finito (MEF). Palabras clave: Engranes, optimización, reductor de velocidad, vehículos todo terreno

Abstract

Nowadays, there is a tendency to design mechanical components capable of withstanding high operation loads and simultaneously be as light as possible. Both conditions, are opposite due to when a component is light there is a risk to reduce its their capacity to resist structural loads. In this work a design optimization of the all-terrain vehicle reductor gearbox was performed with aim of to reduce its weight without a remarkable increasing of contact and bending stresses on gear teeth. The work is based in the integration od a optimization methodology which includes differential evolution, artificial neural networks and the finite element method. Keywords: Gears, optimization, speed reducer, all-terrain vehicles

Autor para correspondencia:

*Correo electrónico: automotricesal122268@alumnos.uacj.mx

© 2019 Fundación de Estudios Superiores Comfanorte. Este es un artículo bajo la licencia CC BY-NC-ND (http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/).

Mundo Fesc, 9 (18) (2019), 16-23 Julio /Diciembre 2019, ISSN 2216-0353 (impreso) - 2216-0388 (Online)

12

http://dx.doi.org/10.20983/culcyt.2019.1.2.2 ISSN (electrónico) 2007-0411

J. O. Dávalos-Ramírez et al. Montaje de un Banco de Pruebas...ARTÍCULO DE INVESTIGACIÓN

Cultura Científica y Tecnológica • Vol. 16, no. 1 pp. 12-17 • Septiembre-Diciembre 2019

RESUMEN

En esta investigación se propone el montaje de un banco de pruebas para la medición experimental de esfuerzos y vibraciones en pares de engranes en contacto. La medición de los esfuerzos de contacto se realizó usando película de presión sensible al contacto, mientras que la de las vibraciones se hizo con un acelerómetro inalámbrico. Se midieron bajo diferentes velocidades de rotación: 1000, 1250 y 1500 rpm, en condiciones libre de carga y aplicando un torque de frenado de 27 Nm en el eje de salida de los engranes. Los esfuerzos de contacto se incrementan bajo condiciones de carga y a altas revoluciones. En las mismas condiciones, la amplitud de las vibraciones disminuye, sin embargo, aumenta la frecuencia de los armó-nicos. Si bien estos resultados eran esperados, garantizan la efectividad del uso del banco de pruebas, el cual puede ser empleado para el diseño de nuevos engranes, el análisis de engranes que se encuentren en funcionamiento o el diagnóstico de fallas de una manera fácil y con una menor cantidad de componentes que los reportados en trabajos previos.

PALABRAS CLAVE: Engranes; esfuerzos de contacto; vibraciones; diseño mecánico.

ABSTRACTIn this research we propose the assembly of a test bench to measure experimentally contact stresses and vibrations in gear pairs during meshing. The measurement of stresses was made using pressure film con-tact sensitive, whereas vibrations were measured trough a wireless accelerometer. Measurements were per-formed at 1000, 1250 and 1500 rpm under free load conditions and with a brake torque of 27 Nm. Contact stresses increase when load is applied and running at high revolutions. Under the same conditions, vibra-tions amplitude decreases, but harmonics frequency increases. Although these results were expected, they confirm the reliability of the test bench which can be used to new gear designs, analysis of used gears or fail-ure diagnosis in an easy way and with a smaller number of devices than those reported in previous works.

KEYWORDS: Gears; contact stresses; vibrations; mechanical design.

Correspondencia:

DESTINATARIO: José Omar Dávalos RamírezINSTITUCIÓN: Instituto de Ingeniería y Tecnología de la Universi-dad Autónoma de Ciudad JuárezDIRECCIÓN: Avenida del Charro núm. 450 norte, col. Partido Romero, C. P. 32310, Ciudad Juárez, Chihuahua, México.CORREO ELECTRÓNICO: jose.davalos@uacj.mx

Fecha de recepción:

30 de julio de 2019

Fecha de aceptación:

24 de septiembre de 2019

Montaje de un Banco de Pruebas para Medir Esfuerzos de Contacto y Vibración en Pares de EngranesAssembly of a Test Bench to Measure Contact Stresses and Vibrations in Gear PairsJ. O. Dávalos-Ramírez1, F. Sánchez Palma2, A. Villanueva-Montellano1, M. A. Lira-Martínez1

1 Universidad Autónoma de Ciudad Juárez2 Instituto Tecnológico de Pachuca

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