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https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/49301| ORCID: | http://orcid.org/0009-0004-5759-1240 |
| Document type: | Dissertação |
| Access type: | Acesso Aberto |
| Title: | Implementação de modelo de folga de backlash dinâmico em engrenagens para análise de dinâmica de rotação |
| Alternate title (s): | Implementation of a dynamic backlash model in gears for rotational dynamics analysis |
| Author: | Sousa, Murillo Álvaro Borges de |
| First Advisor: | Cavallini Junior, Aldemir Aparecido |
| First coorientator: | Steffen Junior, Valder |
| First member of the Committee: | Gonçalves, Rogério Sales |
| Second member of the Committee: | Silva, Maira Martins da |
| Summary: | Caixas de engrenagens são componentes essenciais em máquinas rotativas industriais, mas fenômenos não lineares como o backlash dinâmico e a rigidez de engrenamento variante no tempo (Time-Varying Mesh Stiffness - TVMS) introduzem elevada complexidade à sua resposta estrutural global. Dessa forma, torna-se necessário o desenvolvimento de ferramentas capazes de representar adequadamente o comportamento do sistema e auxiliar na compreensão dos fenômenos envolvidos. Nesse contexto, o objetivo deste estudo foi desenvolver um modelo matemático capaz de interpretar tais efeitos e relacioná-los à dinâmica de rotação. Para tanto, um modelo não linear de engrenamento foi codificado em Python e integrado à biblioteca Rotordynamic Open-Source Software (ROSS), baseada no Método dos Elementos Finitos (MEF). A formulação original de 3 graus de liberdade (gdl) por engrenagem foi expandida para 6 gdl por nó, viabilizando a inclusão de parâmetros geométricos e forças de engrenagens helicoidais. Adicionalmente, incorporou-se uma técnica de suavização por tangentes hiperbólicas para lidar com descontinuidades numéricas e otimizar a convergência dos integradores temporais. Para a resolução das equações diferenciais de movimento, utilizou-se o método de Newmark combinado com o algoritmo de Newton-Raphson e passo de tempo adaptativo. Um modelo analítico simplificado também foi desenvolvido para determinar as frequências naturais do par engrenado. Os resultados foram validados com a literatura, evidenciando frequências naturais perpendiculares e paralelas à Linha de Ação (Line of Action - LOA). Diagramas de bifurcação confirmaram transições claras entre regimes de movimento periódico e caótico em altas velocidades. Por fim, a metodologia integrada foi aplicada a um caso prático real de uma caixa de engrenagens industrial de grande porte operada pela Petrobras (rotação de entrada de 1953 rpm e saída de 12225 rpm) empregando o perfil completo de rigidez de engrenamento calculado pelo ROSS. Para este caso, a ferramenta de suavização indicou uma redução de aproximadamente 7,3% no tempo total de processamento computacional sem perda de representatividade física do sistema dinâmico. Conclui-se que a abordagem desenvolvida representa uma solução para o projeto mecânico e o diagnóstico de falhas em transmissões industriais complexas |
| Abstract: | Gearboxes are essential components in industrial rotating machinery, but nonlinear phenomena such as dynamic backlash and time-varying mesh stiffness (TVMS) introduce high complexity to their overall structural response. Thus, it becomes necessary to develop tools capable of adequately representing system behavior and aiding in the understanding of the involved phenomena. In this context, the objective of this study was to develop a mathematical model capable of interpreting such effects and relating them to rotational dynamics. To this end, a nonlinear meshing model was coded in Python and integrated into the Rotordynamic Open-Source Software (ROSS) library, based on the Finite Element Method (FEM). The original formulation of 3 degrees of freedom (DOF) per gear was expanded to 6 DOF per node, enabling the inclusion of geometric parameters and helical gear forces. Additionally, a hyperbolic tangent smoothing technique was incorporated to handle numerical discontinuities and optimize the convergence of time integrators. To solve the differential equations of motion, the Newmark method combined with the Newton-Raphson algorithm and adaptive time stepping was used. A simplified analytical model was also developed to determine the natural frequencies of the gear pair. The results were validated against literature, showing natural frequencies perpendicular and parallel to the Line of Action (LOA). Bifurcation diagrams confirmed clear transitions between periodic and chaotic motion regimes at high speeds. Finally, the integrated methodology was applied to a real practical case of a large-scale industrial gearbox operated by Petrobras (input rotation of 1953 rpm and output of 12225 rpm) employing the full mesh stiffness profile calculated by ROSS. For this case, the smoothing tool indicated a reduction of approximately 7.3% in total computational processing time without loss of physical representativeness of the dynamic system. It is concluded that the developed approach represents a solution for mechanical design and fault diagnosis in complex industrial transmissions |
| Keywords: | Backlash Rigidez de Engrenamento Engrenagem Análise Dinâmica ROSS Backlash Gear Mesh Stiffness Gear Dynamic Analysis ROSS Engenharia mecânica |
| Area (s) of CNPq: | CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA |
| Subject: | Engenharia Mecânica |
| Language: | por |
| Country: | Brasil |
| Publisher: | Universidade Federal de Uberlândia |
| Program: | Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica |
| Quote: | SOUSA, Murillo Álvaro Borges de. Implementação de modelo de folga de backlash dinâmico em engrenagens para análise de dinâmica de rotação. 2026. 95 f. Dissertação de Mestrado - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia. 2026. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.di.2026.553. |
| Document identifier: | http://doi.org/10.14393/ufu.di.2026.553 |
| URI: | https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/49301 |
| Date of defense: | 27-Jul-2026 |
| Sustainable Development Goals SDGs: | ODS::ODS 9. Indústria, Inovação e infraestrutura - Construir infraestrutura resiliente, promover a industrialização inclusiva e sustentável, e fomentar a inovação. |
| Appears in Collections: | DISSERTAÇÃO - Engenharia Mecânica |
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| ImplementacaoModeloFolga.pdf | Dissertação | 48.94 MB | Adobe PDF | ![]() View/Open |
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