Diseño y análisis de fatiga de un semieje para el sistema de transmisión de un vehículo eléctrico en la competencia Formula SAE

Abstract

Las fallas por fatiga son un fenómeno muy recurrente y difícil de predecir en los sistemas mecánicos, ya que estas ocurren inclusive cuando un componente del mecanismo está sometido a esfuerzos relativamente bajos. Los sistemas de transmisión son ampliamente afectados por este fenómeno, y tienden a fallar súbita y aleatoriamente después de determinado tiempo de operación. Cuando se da, las grietas en la microestructura del material que se forman por repeticiones de carga se propagan rápidamente a través de mecanismos de fractura hasta provocar la completa falla del componente, lo cual resulta en un tiempo de vida menor al indicado por el producto. Esto ha llevado a que en la presente tesis se busque analizar el tiempo de vida del semieje de la etapa final de un sistema de transmisión de potencia para un vehículo tipo Formula SAE. El sistema de transmisión debe ser capaz de transmitir 80 kW de potencia, y la fabricación del componente por manufacturar evaluará el uso de tres aceros (AISI 1045, 4340 y 4140) como materia prima. Los componentes por utilizar en el sistema se determinarán a través de la aplicación de la metodología de diseño planteada por Karl T. Ulrich. Son realizadas simulaciones de fatiga con un 99% de confiabilidad utilizando las curvas de Wöhler y el criterio de Goodman, asumiendo un comportamiento completamente elástico del material y de la falla, las cuales se llevarán a cabo con la herramienta nCode DesignLife de ANSYS, para determinar el tiempo de vida del semieje en el sistema propuesto.

Fatigue failure is a recurrent and difficult to predict phenomenon in mechanical systems, it occurs even when a component is subjected to relatively low stresses. Transmission systems are frequently affected by this phenomenon and tend to fail suddenly after a certain period of operation. Cracks in the material microstructure are formed by load repetitions and propagate rapidly through fracture mechanisms until causing the complete failure of the component, which results in a lifetime shorter than that indicated by the product. This has led to the present thesis seeking to analyze the lifetime of the half-shaft in the final drive of the transmission system for a Formula SAE-type vehicle. This system must be capable of transmitting 80 kW of power, for manufacturing three steels will be evaluated (AISI 1045, 4340 and 4140) as raw material, which must be available in the Peruvian market. The components to be used in the system will be determined through the application of the design methodology proposed by Karl T. Ulrich. Fatigue simulations are performed with 99% reliability using the Wöhler curves, assuming a completely elastic behavior of the material and the failure, which will be carried out with the ANSYS nCode DesignLife tool, to determine the lifetime of the halfshaft in the proposed system.