Estudo de um CVT de cones e esferas de tração por atrito: avaliação de viabilidade sob condição de tração e micro escorregamento

Abstract

Neste trabalho é investigada a viabilidade de uma transmissão continuamente variável de cones e esferas autoalinhantes, cuja finalidade é eliminar os escorregamentos laterais, gerados nas trocas de relações, e possibilitar a dispensa de lubrificantes nos contatos de transmissão. O modelo de análise, elaborado por meio de teorias de grafos e helicoides, permite avaliar as características estática e cinemática do mecanismo, assim como introduzir fontes de dissipação e estimar as perdas decorrentes. Para a introdução das forças dissipativas no algoritmo, foram assumidas resistências de atrito nos mancais e estimados os microescorregamentos nas juntas de tração, com base em teorias de contato para corpos elásticos, e em modelos de previsão de escorregamentos entre corpos rolantes. Adotou-se o contato direto entre as interfaces, sem presença de lubrificação, classificando o mecanismo como CVT acionado por atrito. Foram simuladas doze configurações diferentes do mecanismo, em um intervalo de relações de transmissão de 1:2 a 1:0,5; mantendo-se constantes rotação, a 2000RPM, e torque de entrada, em 35Nm. Com isto, avaliou-se perdas, escorregamentos, aquecimento e desgastes. As eficiências médias de transmissão ficaram entre 94,1% e 95,4%, contudo, os resultados demonstraram que para a liga AISI-52100, apenas uma das doze variantes obteve níveis toleráveis de elevação da temperatura nos contatos, e nenhuma delas demonstrou durabilidade razoável sob condição de desgaste, com vidas entre 91 e 159 horas. Assim, verificou-se que, para as condições adotadas, o mecanismo proposto não é viável, restando espaço para novos estudos sob diferentes regimes de lubrificação, ou, de variações topológicas que visem eliminar completamente o escorregamento circunferencial, verificado como principal responsável pelas perdas, desgastes e aquecimentos nos contatos.

Abstract: This work investigates the feasibility of a continuously variable transmission, consisting of cones and self-aligning spheres, whose purpose is to eliminate sideslips generated during ratio exchanges and to enable the lubricants dispensing in transmission contacts. The analysis model, developed with graphs and screw theories, allows evaluating the mechanism's static and kinematic characteristics, introducing dissipative sources, and estimating overall losses. To introduce dissipative forces in the algorithm, friction resistances in rolling bearings were assumed and micro slips in the traction couples were estimated based on theories of elastic bodies contacts and prediction models of slip between rolling elements. Direct contact between the interfaces was adopted without lubrication, thus the mechanism is classified as friction driven CVT. Twelve different mechanisms configurations were evaluated for a gear ratio ranging between 1:2 and 1:0,5, and at a constant speed (2,000 RMP) and input torque (35 Nm). Under these conditions, the losses, slips, heating and wear were evaluated. The average transmission efficiencies stayed between 94.1% and 95.4%. However, the results showed that, for alloy AISI-52100, only one of twelve variants showed tolerable levels of temperature rise, and none of them obtained reasonable durability under wear conditions, with life expectancy ranging from 91 to 159 hours. Therefore, under the conditions adopted, the proposed mechanism is not viable, leaving room for studying different lubrication regimes or topological variations that aim to eliminate spin, which is the greatest responsibility for dissipation, wear, and heating in the contacts.