Friction reduction and improvement of the scuffing resistance of spiral bevel gears by a low-friction coating

• Autorzy: Kalbarczyk M. , Tuszyński W. , Esparza Lastra M. A. , Wulczyński J. , Mydlarz J. , Kiser B.

Warianty tytułu

PL

Redukcja tarcia oraz poprawa odporności na zacieranie kół zębatych stożkowych o zębach łukowych poprzez osadzenie powłoki niskotarciowej

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

There are many problems in the operation of spiral bevel gears; for example difficult lubrication conditions and high friction between meshing teeth leads to excessively high oil temperature and the risk of scuffing. Thus, the aim of this work was to check whether by the deposition of a thin, hard, low-friction coating on the teeth flanks of spiral bevel gears it is possible to reduce friction and improve scuffing resistance. The tribological experiments were carried out using two tribotesters: T-02U Four-ball testing machine and T-30 Bevel gear test rig. Two types of thin, low-friction coatings were tested. The first one was a-C:H:W. The other one was MoS2/Ti. The coatings were deposited on one or more tested samples (test balls and bevel gears), so the four material combinations were obtained: steel-steel, coating-steel, steel-coating, and coating-coating. For lubrication a commercial, mineral automotive gear oil of the API GL-5 performance level and 80W-90 viscosity grade was used. The results of the four-ball tests show that the a-C:H:W coating deposited on the teeth flanks is much more effective in friction reduction than MoS2/Ti. The deposition of the a-C:H:W coating on the teeth of the spiral bevel gears proves to be very helpful in reducing friction between the meshing gears. The combination of the a-C:H:W-coated pinion meshing the uncoated wheel is the most efficient. Concerning the improvement of the scuffing resistance, two material combinations are the most effective: a-C:H:W-coated pinion meshing the uncoated wheel and the both gears coated.

PL

Istnieje wiele problemów związanych z eksploatacją kół zębatych stożkowych o zębach łukowych, np. trudne warunki smarowania i wysokie tarcie w zazębieniu, prowadzące do zbyt wysokiej temperatury oleju i pojawienia się ryzyka zacierania. Celem prac było zatem stwierdzenie, czy poprzez osadzenie cienkiej, twardej powłoki niskotarciowej na zębach kół stożkowych możliwa jest redukcja tarcia oraz poprawa odporności na zacieranie. Do badań tribologicznych użyto uniwersalnego aparatu czterokulowego T-02U oraz urządzenia T-30 do badań kół zębatych stożkowych. Przebadano dwie cienkie powłoki niskotarciowe: a-C:H:W oraz MoS2/Ti. Zostały one osadzone na jednym bądź więcej elementach testowych (kulki łożyskowe, koła zębate), uzyskując cztery kombinacje materiałowe: stal-stal, powłoka-stal, stal-powłoka i powłoka-powłoka. Do smarowania użyto handlowego, samochodowego oleju przekładniowego klasy jakościowej API GL-5 i lepkościowej 80W-90, z bazą mineralną. Wyniki badań czterokulowych pokazały, że naniesiona na zęby koła powłoka a-C:H:W jest znacznie bardziej efektywna w redukcji tarcia niż MoS2/Ti. Wyniki badań przekładniowych wykazały, że powłoka a-C:H:W wykazuje skuteczność w redukcji tarcia także kół zębatych stożkowych o zębach lukowych. Najlepsze rezultaty uzyskano dla kombinacji materiałowej pokrytego powłoką zębnika współpracującego z niepokrytym kołem talerzowym. W przypadku odporności na zacieranie najlepsze wyniki uzyskano dla dwóch kombinacji materiałowych: pokryty powłoką zębnik współpracujący z niepokrytym kołem talerzowym oraz oba koła pokryte powłoką.

Słowa kluczowe

EN

spiral bevel gear; friction; scuffing; thin coating

PL

koło zębate stożkowe o zębach łukowych; tarcie; zacieranie; cienka powłoka

• Wydawca: Stowarzyszenie Inżynierów i Techników Mechaników Polskich
• Czasopismo: Tribologia
• Rocznik: 2014
• Tom: nr 2
• Strony: 67--77
• Opis fizyczny: Bibliogr. 19 poz., rys.

Twórcy

autor

Kalbarczyk M.

• Institute for Sustainable Technologies - NRI (ITeE - PIB), Pułaskiego 6/10 St., 26-600 Radom, Poland

autor

Tuszyński W.

• Institute for Sustainable Technologies - NRI (ITeE - PIB), Pułaskiego 6/10 St., 26-600 Radom, Poland

autor

Esparza Lastra M. A.

• University of Monterrey, Mexico

autor

Wulczyński J.

• Institute for Sustainable Technologies - NRI (ITeE - PIB), Pułaskiego 6/10 St., 26-600 Radom, Poland

autor

Mydlarz J.

• Invenio Sp. z o.o., Montażowa 3 St., 43-300 Bielsko-Biała, Poland

autor

Kiser B.

• Invenio Sp. z o.o., Montażowa 3 St., 43-300 Bielsko-Biała, Poland

Bibliografia

• 1. Kalin M., Vižintin J.: The tribological performance of DLC-coated gears lubricated with biodegradable oil in various pinion/gear material combinations. Wear, 259, 2005, pp. 1270-1280.
• 2. Martins R.C., Moura P.S., Seabra J.O.: MoS2/Ti low-friction coating for gears. Tribology International, 39, 2006, pp. 1686-1697.
• 3. Martins R., Amaro R., Seabra J. Influence of low friction coatings on the scuffing load capacity and efficiency of gears. Tribology International 41, 2008, pp. 234-243.
• 4. Szczerek M., Michalczewski R., Piekoszewski W.: The problems of application of PVD/CVD thin hard coatings for heavy-loaded machine components. Proc. ASME/STLE International Joint Tribology Conference, 2007.
• 5. Michalczewski R., Piekoszewski W., Szczerek M., Tuszyński W.: The lubricant-coating interaction in rolling and sliding contacts. Tribology International, 42, 2009, pp. 554-560.
• 6. Tuszyński W., Michalczewski R., Szczerek M., Kalbarczyk M.: A new scuffing shock test method for the determination of the resistance to scuffing of coated gears. Archives of Civil and Mechanical Engineering (ACME), 12, 2012, pp. 436-445.
• 7. Michalczewski R., Kalbarczyk M., Michalak M., Piekoszewski W., Szczerek M., Tuszyński W., Wulczyński J.: New scuffing test methods for the determination of the scuffing resistance of coated gears. In: Gegner J., editor. Tribology - fundamentals and advancements, Intech, Croatia, 2013, pp. 187-215.
• 8. Winter H., Richter M.: Scuffing load capacity of hypoid and bevel gears. Proc. 8 JSME International Symposium "Gearing", 1975.
• 9. Conrado E., Höhn B-R., Michaelis K., Klein M.: Influence of oil supply on the scuffing load-carrying capacity of hypoid gears. J. Engineering Tribology, 221, 2007, pp. 851-858.
• 10. Hadschuh R.F.: Testing of face-milled spiral bevel gears at high-speed and load. NASA/TM-2001-210743, March: 1-8, 2001.
• 11. Akimov V.V.: Initial contour optimization for bevel gears with circular teeth. Journal of Machinery Manufacture and Reliability, 37-4, 2008, pp. 371-378.
• 12. Suh S-H., Jung D-H., Lee E-S., Lee S-W.: Modelling, implementation, and manufacturing of spiral bevel gears with crown. Int. J. Adv. Manuf. Technol., 21, 2003, pp. 775-786.
• 13. Sung L.M., Tsai Y.C.: A study on the mathematical models and contact ratios of extended cycloid and cycloid bevel gear sets. Mech. Mach. Theory, 32, 1997, pp. 39-50.
• 14. Tsai Y.C., Hsu W.Y.: The study on the design of spiral bevel gear sets with circular-arc contact paths and tooth profiles. Mech. Mach. Theory, 43, 2008, pp. 1158-1174.
• 15. Sekercioglu T., Kovan V.: Pitting failure of truck spiral bevel gear. Engineering Failure Analysis, 14, 2007, pp. 614-619.
• 16. Park M.: Failure analysis of an accessory bevel gear installed on a J69 turbojet engine. Engineering Failure Analysis, 10, 2003, pp. 371-382.
• 17. Fernandes P.J.L.: Tooth bending fatigue failures in gears. Engineering Failure Analysis, 3, 1996, pp. 219-225.
• 18. Tuszyński W., Kalbarczyk M., Michalak M.: Tribological testing of bevel gears. Part I - test rig and test methods. Tribologia, 2, 2012, pp. 83-96 (in Polish).
• 19. Michalczewski R., Kalbarczyk M., Tuszyński W., Szczerek M.: The scuffing resistance of WC/C coated spiral bevel gears. Key Engineering Materials, 604, 2014, pp. 36-40, DOI: 10.4028/www.scientific.net/KEM.604.36.