Testes de desempenho da transmissão planetária em temperaturas muito baixas

Jul 05, 2023

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

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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.