Análisis de tensiones en ensamble de llanta de rueda trunnion con interferencia

Estudio numérico y analítico orientado a verificar la integridad del ensamble llanta–rueda trunnion, cuantificar la presión de contacto y definir condiciones seguras de montaje por interferencia.

Este estudio surge de la necesidad de verificar los esfuerzos inducidos por el montaje de una llanta sobre una rueda trunnion mediante interferencia, con el fin de asegurar que la llanta no falle durante su operación. La memoria combina análisis por elementos finitos y contraste analítico basado en teoría de cilindros de pared gruesa sometidos a presión.

Se analizaron seis casos de interferencia, entre 0,2 mm y 0,7 mm, para determinar presiones de contacto, tensiones de Von Mises, fuerzas axiales requeridas, momento torsor asociado y temperatura necesaria para el montaje térmico de la llanta.

Objetivo del análisis

El objetivo principal fue cuantificar los esfuerzos máximos que puede alcanzar la llanta con distintas interferencias de montaje y validar la presión de contacto obtenida por MEF respecto de una solución analítica. Esto permite definir una ventana segura de montaje y verificar que el sistema no alcance condiciones de falla por fluencia ni por corte en servicio.

Geometría y antecedentes

La geometría corresponde a una rueda trunnion con llanta montada por interferencia. El documento presenta el componente real, sus dimensiones generales y un modelo tridimensional del conjunto, utilizado para la simulación estructural. El material base considerado para la rueda es AISI 4340, con propiedades elásticas y de resistencia definidas en la memoria.

Modelo geométrico con dimensiones principales del conjunto rueda–llanta.

Vista de elevación y perfil con cotas de fabricación y mecanizado.

Modelo 3D del conjunto ensamblado para el análisis de interferencia.

Materiales y modelación

La modelación fue realizada en CosmosWorks 2010, empleando elementos sólidos tridimensionales tipo brick. La malla considerada fue sólida, con tamaño de elemento del orden de 70 mm y refinamiento adicional en zonas de contacto. El documento reporta aproximadamente 28.875 elementos y 47.461 nodos para el modelo base.

• Modelo elástico lineal isotrópico para ambos componentes.
• Módulo elástico del orden de 2,05E+11 N/m².
• Coeficiente de Poisson entre 0,285 y 0,32 según condición del material.
• Límite de fluencia considerado: 470 MPa para el SAE 4340 de referencia en el análisis.
• Coeficiente de roce adoptado: 0,12.

Resumen de interferencias, presión de contacto, temperatura de montaje y factor de seguridad.

Mallado del conjunto con refinamiento en la interfaz de contacto.

Casos evaluados

Se definieron seis casos de análisis, correspondientes a interferencias entre llanta y rueda de 0,2 mm, 0,3 mm, 0,4 mm, 0,5 mm, 0,6 mm y 0,7 mm. Para cada caso se obtuvo la presión de contacto, la tensión equivalente de Von Mises y se contrastaron los valores con la formulación analítica.

Resultados de presión de contacto

Los resultados muestran una relación prácticamente lineal entre la interferencia y la presión de contacto. Para 0,2 mm se obtiene una presión del orden de 6,89 MPa y para 0,7 mm una presión cercana a 24,68 MPa en la solución numérica. El contraste con la formulación analítica entrega diferencias bajas, con una desviación mínima del orden de 0,81% y una conclusión general de equivalencia técnica entre ambos métodos.

Comparación entre presión de contacto obtenida analíticamente y por elementos finitos.

Distribución de presión de contacto en la interfaz del ensamble.

Resultados de tensiones

El análisis de Von Mises evidencia un aumento progresivo de tensiones con la interferencia. La memoria reporta aproximadamente 43 MPa para 0,2 mm, 64,3 MPa para 0,3 mm, 85,5 MPa para 0,4 mm, 107,1 MPa para 0,5 mm, 128,4 MPa para 0,6 mm y 145,6 MPa para 0,7 mm. Estos valores se mantienen por debajo de los límites resistentes del material considerado, por lo que el documento concluye que la llanta no sufrirá falla provocada directamente por la presión de contacto.

Detalle de distribución nodal de presión de contacto sobre la superficie de ensamblaje.

Distribución del factor de seguridad para una condición representativa de interferencia.

Condiciones de montaje

A partir del análisis, se estiman las fuerzas axiales y temperaturas mínimas requeridas para facilitar el montaje por dilatación térmica de la llanta. Para una interferencia de 0,3 mm, por ejemplo, la memoria indica una temperatura de montaje cercana a 25,9 °C de incremento y un esfuerzo tangencial de 57,2 MPa, valor considerablemente menor al cortante máximo admisible citado en el estudio.

• Interferencia 0,2 mm: ΔT ≈ 17,3 °C.
• Interferencia 0,3 mm: ΔT ≈ 25,9 °C.
• Interferencia 0,5 mm: ΔT ≈ 43,2 °C.
• Interferencia 0,7 mm: ΔT ≈ 60,5 °C.

Conclusión técnica