Characteristics of a New Test RIG and Methodology for Cyclic Testing of Gear Tooth Bending Fatigue Strength

• Autorzy: Tuszyński Waldemar , Gibała Michał , Kalbarczyk Marek , Matras Eugeniusz , Michalczewski Remigiusz , Piekoszewski Witold , Sotowski Zbigniew , Szczerek Marian , Wulczyński Jan , Wieczorek Andrzej

Warianty tytułu

PL

Charakterystyka nowego stanowiska oraz metodyka pulsacyjnego badania wytrzymałości zmęczeniowej zębów kół zębatych na złamanie

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Tooth fracture is the most dangerous form of gear wear that excludes the gear from further use. In order to counteract the occurrence of this type of damage, it is very important to properly design the toothed gear. To calculate the gear tooth bending strength, a strength parameter called the nominal stress number σFlim is necessary. ISO 6336-5:2003(E) and available material databases provide σFlim values for the most popular engineering materials used for gears, including those for case-hardened steels. There is, however, no data for a new generation of nanostructured engineering materials, which are the subject of research conducted at the Tribology Department of ITeE – PIB. The σFlim parameter is most often determined in cyclic fatigue tests on toothed gears with specially selected tooth geometry. In order to determine the above strength parameter, a pulsator (symbol T-32) was developed and manufactured at ITeE-PIB in Radom. The article presents a new device, research methodology, and the results of verification tests for case-hardened steel 18CrNiMo7-6, confirming the correctness of the adopted design assumptions and the developed research methodology. The results of tooth bending fatigue tests are the basis for the selection of a new engineering material dedicated to gears, which later undergoes tribological testing.

PL

Złamanie zęba u podstawy jest najbardziej niebezpieczną formą zużycia kół zębatych wykluczającą je z dalszej eksploatacji. W celu przeciwdziałania wystąpieniu tego rodzaju uszkodzenia bardzo istotne jest właściwe zaprojektowanie koła zębatego. Do obliczeń wytrzymałościowych kół zębatych na złamanie zęba niezbędny jest parametr wytrzymałościowy zwany granicą zmęczenia σFlim. Norma ISO 6336–5:2003(E), a także dostępne bazy materiałowe podają wartości σFlim dla najbardziej popularnych materiałów wykorzystywanych na koła zębate, w tym dla stali nawęglanych. Brak jest jednak jakichkolwiek danych dla nowej generacji nanostrukturalnych materiałów konstrukcyjnych, które są przedmiotem badań prowadzonych w Zakładzie Tribologii ITeE – PIB. Parametr σFlim wyznacza się najczęściej w badaniach pulsacyjnych na kołach zębatych o specjalnie dobranej geometrii uzębienia. W celu wyznaczenia powyższego parametru wytrzymałościowego w ITeE – PIB w Radomiu opracowano i wytworzono pulsator (o symbolu T–32). W artykule przedstawiono nowe urządzenie, metodykę badawczą oraz wyniki badań weryfikacyjnych dla stali konstrukcyjnej 17HNM – nawęglanej i hartowanej, potwierdzające poprawność przyjętych założeń konstrukcyjnych i opracowanej metodyki badawczej. Wyniki badań zmęczeniowych stanowią podstawę wyboru nowego materiału konstrukcyjnego dedykowanego na koła zębate, które później poddaje się przekładniowym badaniom tribologicznym.

Słowa kluczowe

EN

pulsator; gear; tooth fracture; S-N curve; nominal stress number (bending)

PL

pulsator; koło zębate; złamanie zęba u podstawy; krzywa S-N; granica zmęczenia

• Wydawca: Stowarzyszenie Inżynierów i Techników Mechaników Polskich
• Czasopismo: Tribologia
• Rocznik: 2019
• Tom: nr 1
• Strony: 57--65
• Opis fizyczny: Bibliogr. 21 poz., rys., wykr., wz.

Twórcy

autor

Tuszyński Waldemar

• Institute for Sustainable Technologies – National Research Institute, ul. Pulaskiego 6/10, 26-600 Radom, Poland

autor

Gibała Michał

• Institute for Sustainable Technologies – National Research Institute, ul. Pulaskiego 6/10, 26-600 Radom, Poland

autor

Kalbarczyk Marek

• Institute for Sustainable Technologies – National Research Institute, ul. Pulaskiego 6/10, 26-600 Radom, Poland

autor

Matras Eugeniusz

• Institute for Sustainable Technologies – National Research Institute, ul. Pulaskiego 6/10, 26-600 Radom, Poland

autor

Michalczewski Remigiusz

• Institute for Sustainable Technologies – National Research Institute, ul. Pulaskiego 6/10, 26-600 Radom, Poland

autor

Piekoszewski Witold

• Institute for Sustainable Technologies – National Research Institute, ul. Pulaskiego 6/10, 26-600 Radom, Poland

autor

Sotowski Zbigniew

• Institute for Sustainable Technologies – National Research Institute, ul. Pulaskiego 6/10, 26-600 Radom, Poland

autor

Szczerek Marian

• Institute for Sustainable Technologies – National Research Institute, ul. Pulaskiego 6/10, 26-600 Radom, Poland

autor

Wulczyński Jan

• Institute for Sustainable Technologies – National Research Institute, ul. Pulaskiego 6/10, 26-600 Radom, Poland

autor

Wieczorek Andrzej

• Silesian University of Technology, Faculty of Mining and Geology, ul. Akademicka 2, 44-100 Gliwice, Poland

Bibliografia

• 1. ISO 6336-3:2006(E). Calculation of load capacity of spur and helical gears. Part 3: Calculation of tooth bending strength.
• 2. Alanem K. K.: Design of a cantilever – type rotating bending fatigue testing machine. Journal of Minerals & Materials Characterization & Engineering, vol. 10, No. 11, 2011, 1027–1039.
• 3. Stringer D. B., Dykas B. D., LaBerge K. E., Zakrajsek A. J., Handschuh R. F.: A new high-speed, high-cycle, geartooth bending fatigue test capability. NASA/TM-2011-217039, June 2011.
• 4. Rao S. B.: Single tooth bending fatigue of gears at GRI. Transmissions, vol. 13, 2014.
• 5. Weresa E., Rak Z., Seweryn A.: Metodyka prowadzenia badań wytrzymałości zmęczeniowej kół zębatych. (in Polish) Modelowanie Inżynierskie, vol. 14, nrNo. 45, 2012, 241–248.
• 6. SAE J1619. Single tooth gear bending fatigue test.
• 7. Soyama H., Macodiyo D. O.: Fatigue strength improvement of gears using cavitation shotless peening. Tribology Letters, vol. 18, No. 2, 2005, 181–184.
• 8. Akata E., Altinbalik M. T., Can Y.: Three point load application in single tooth bending fatigue test for evaluation of gear blank manufacturing methods. International Journal of Fatigue, vol. 26, 2004, 785–789.
• 9. Benedetti M., Fontanari V., Hohn B.-R., Oster P., Tobie T.: Influence of shot peening on bending tooth fatigue limit of case hardened gears. International Journal of Fatigue, vol. 24, 2002, 1127–1136.
• 10. Baragetti S.: Fatigue resistance of steel and titanium PVD coated spur gears. International Journal of Fatigue, vol. 29, 2007, 1893–1903.
• 11. Woods J. L., Daniewicz S. R., Nellums R.: Increasing the bending fatigue strength of carburized spur gear teeth by presetting. International Journal of Fatigue, vol. 21, 1999, 549–556.
• 12. Kramberger J., Sraml M., Glodez S., Flasker J., Potrc I.: Computational model for the analysis of bending fatigue in gears. Computers and Structures, vol. 82, 2004, 2261–2269.
• 13. Zwolak J., Martyna M.: Analysis of contact and bending stresses in gearbox switching under load. Tribologia, No. 4, 2017, 133–138.
• 14. ISO 6336-5:2003(E). Calculation of load capacity of spur and helical gears. Part 5: Strength and quality of materials.
• 15. Grossl A.: Einfluss von PVD-Beschichtungen auf die Flanken- und Fußtragfähigkeit einsatzgehärteter Stirnräder. (in German) PhD Thesis. Technical University of Munich, 2006.
• 16. Tuszyński W., Kalbarczyk M., Michalak M., Michalczewski R., Wieczorek A.: The effect of WC/C coating on the wear of bevel gears used in coal mines. Materials Science (Medžiagotyra), vol. 21, No. 3, 2015, 358–363.
• 17. Michalczewski R., Kalbarczyk M., Tuszyński W., Szczerek M.: The scuffing resistance of WC/C coated spiral bevel gears. Key Engineering Materials, vol. 604, 2014, 36–40.
• 18. Michalczewski R., Kalbarczyk M., Piekoszewski W., Szczerek M., Tuszyński W.: The rolling contact fatigue of WC/C-coated spur gears. Journal of Engineering Tribology, vol. 227, No. 8, 2013, 850–860.
• 19. Michalczewski R., Piekoszewski W., Szczerek M., Tuszyński W., Antonov M.: The rolling contact fatigue of PVD coated spur gears. Key Engineering Materials, vol. 527, 2013, 77–82.
• 20. Tuszyński W., Kalbarczyk M., Michalczewski R., Stachura K., Szczerek M., Wieczorek A.: Efekty zastosowania powłoki niskotarciowej w przekładni przenośnika zgrzebłowego. (in Polish) Tribologia, No. 6, 2015, 121–137.
• 21. Lipson C., Narendra J. S. Statistical design and analysis of engineering experiments. Chapter 9: Fatigue experiments. McGraw-Hill Education, 1973.

Uwagi

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2019).