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Jul 13, 2023

Testes de desempenho da transmissão planetária em temperaturas muito baixas

Scientific Reports volume 12, Artigo número: 21815 (2022) Citar este artigo 528 Acessos Detalhes da Métrica Este artigo apresenta os resultados de um estudo sobre resistência ao movimento em um sistema multiestágio

Scientific Reports volume 12, Artigo número: 21815 (2022) Citar este artigo

528 acessos

Detalhes das métricas

Este artigo apresenta os resultados de um estudo sobre resistência ao movimento em uma transmissão planetária multiestágio, construída com materiais estruturais leves como a liga de alumínio 2017, com nós de rolamentos com rolamentos de esferas de aço fabricados em liga X65Cr14 e lubrificados com pó de dissulfeto de molibdênio. Foram apresentados detalhes da construção da engrenagem planetária, seguidos de testes de desempenho operacional. Durante os testes de desempenho, a temperatura da transmissão em funcionamento foi gradualmente reduzida com nitrogênio líquido até -190 °C. A análise abrangeu, entre outros, o consumo de energia do mecanismo em função da temperatura. Os resultados foram comparados com os parâmetros dos mecanismos que já funcionam no espaço. As medições foram realizadas para confirmar a aplicabilidade das engrenagens em sistemas de acionamento de manipuladores destinados a operar em espaço aberto ou em condições extraterrestres como em Marte.

Os conjuntos de engrenagens planetárias e de ondas de deformação têm os designs mais compactos. Nas transmissões planetárias, o torque transmitido pela engrenagem é distribuído quase igualmente por mais de uma roda dentada. Normalmente seu número varia de 3 a 6, o que permite alta capacidade de carga apesar do tamanho compacto do conjunto de engrenagens. Além disso, essas transmissões são geralmente projetadas para uma relação de transmissão de 4 a 10, proporcionam alta estabilidade e uma eficiência de aproximadamente 97%1. Relações de transmissão ainda maiores, de até 5.000, são oferecidas pela transmissão planetária diferencial de dois estágios2, mas o projeto de tal transmissão é complicado.

Os redutores planetários podem ser utilizados em diversas configurações como redutores, multiplicadores e diferenciais1. No conjunto de engrenagens descrito neste trabalho foi utilizada uma configuração redutora com a roda dentada fixa, a engrenagem solar posicionada no eixo de entrada e o porta-pinhão conectado ao eixo de saída. A Figura 1 mostra um diagrama do mecanismo do conjunto de engrenagens planetárias de quatro estágios projetado, onde o porta-pinhão do último estágio do conjunto de engrenagens é conectado a uma parte do corpo giratório.

Diagrama da engrenagem planetária projetada.

As temperaturas nas quais a transmissão deverá operar não ocorrem na Terra, portanto, ao tentar encontrar projetos comparáveis, deve-se olhar principalmente para soluções aplicadas em máquinas usadas em Marte. As temperaturas na superfície de Marte variam de -140 a 27 °C devido ao planeta estar 1,52 vezes mais longe do Sol do que a Terra. É por isso que apenas 43% da energia que atinge a Terra atinge uma área equivalente na superfície de Marte3,4.

Dadas as condições em Marte, o equipamento aí utilizado, incluindo os conjuntos de engrenagens, necessita de suportar temperaturas muito baixas, o que tem sido discutido nos estudos sobre a concepção de sondas e rovers marcianos. A influência da temperatura nas mudanças no momento de atrito durante a operação da transmissão também é muito importante5.

O módulo de pouso Mars Volatiles and Climate Surveyor foi equipado com um braço robótico, um manipulador com quatro graus de liberdade. Seus atuadores foram capazes de gerar torque de respectivamente: 26 Nm, 91 Nm, 53 Nm e 10 Nm durante a operação normal e pico de torque momentâneo 50% maior. Os atuadores foram projetados como engrenagens de dois estágios contendo uma engrenagem planetária e uma engrenagem harmônica ou uma engrenagem planetária e uma engrenagem cônica. Os conjuntos de engrenagens eram acionados por motores de escova CC. As proporções gerais dos atuadores foram 4.000 e 16.000. Os sistemas mecânicos dos atuadores foram projetados para operar em temperaturas de - 105 °C (- 90 °C) a 35 °C; para protegê-las contra condições climáticas mais extremas, as juntas foram equipadas com aquecedores de 1 W e 4 W6,7,8. Os resultados dos testes sobre o efeito da temperatura na amperagem exigida pelos motores do atuador durante a operação sem carga mostraram que com a diminuição da temperatura a potência utilizada pelo atuador aumentou consideravelmente.