Análisis de distribución de carga en husillos a bolas para altas cargas mediante modelos de elementos finitos optimizados

Abstract

Los husillos a bolas son actuadores electro-mecánicos ampliamente utilizados en máquinas y mecanismos como solución de posicionamiento lineal, caracterizándose por su gran rigidez y capacidad de carga. Estos sistemas han ido sustituyendo a actuadores hidráulicos por motivos medioambientales y de costes, lo que han conllevado en diseños de husillos a bolas pensados para altas cargas. Para dimensionar husillos de alta carga, es un paso muy habitual optar por sumar circuitos de bolas en lugar de aumentar el diámetro, esto genera tuercas más esbeltas que los diseños para cargas menores. Diversos estudios previos mostraron, por diferentes métodos, que en estas situaciones, la distribución interna de fuerzas de contacto en las bolas no es uniforme a lo largo de la distancia axial. Esto provoca que no se cumpla la hipótesis de homogeneidad de carga que plantea la norma estando algunas bolas sobrecargadas. Los trabajos de la literatura utilizan modelos que no contemplan con suficiente detalle el problema, ya sea por falta de detalle en su desarrollo o falta da profundidad de análisis de las diferentes variables. En este trabajo se plantea un modelo por elementos finitos 3D, el cual se caracteriza por modelar los contactos de las bolas utilizando elementos de elásticos no-lineales con el fin de buscar eficiencia computacional en los modelos con gran cantidad de bolas. Habiendo generado y validado esta herramienta teóricamente, se ha realizado un análisis de diferentes variables que pudieran afectar a la distribución de carga. Con los resultados obtenidos, se ha demostrado que entre las variables más influyentes se encuentran la relación de esbeltez de la tuerca y la disposición de amarres de tuerca y eje.