Single tooth bending fatigue tests of helicopter case carburized and nitrided gears

The gears are one of the most important mechanical components in power transmission of the mechanical systems, especially for helicopters, as in another aircraft systems. The proper functioning of transmission is critical for the safety of aircraft. So it is definitely essential to assess the fatigue behaviors of the gears that compose it, to ensure their safety and manage maintenance periods. In this thesis, a methodology of experimental test is presented to estimate the flexural fatigue behavior at the teeth roots of the gears, with verifications of the validity and accuracy of the apparatus and the applied loads. The gears under test had been designed and manufactured specifically for the execution of the tests, but in such a way that they still representative samples of normal production for the aeronautic industry and, in particular, of the technological processes used. Experimental tests were processed on case carburized gears and case nitrided gears. The tests were processed following a sequence of Staircase tests which were interspersed in normally scheduled tests so as to optimize the time of execution of the entire test schedule. After the tests performed, in addition to a summary of the results obtained, statistical analyses of the results themselves were carried out. Because of the particular test mechanism adopted, two teeth were placed in the test during a single experiment. Comparisons of different statistically analytical methods with and without the considerations that two samples were in series were carried out. Two perspectives were used to estimate the S-N curves based on a conventional model. For stepwise analyses, the method of least squares and maximum likelihood method were used for the region of limited fatigue life range while the Staircase method was used for the estimations of the fatigue limits. For the direct analyses of the S-N curve, the method of Spindel-Haibach in its first version and in the modified one were used. Also analyses on the fracture surfaces through an SEM were carried out to identify possible causes of failure and to record the different mechanisms of failure. In the case of the tests processed on case nitrided gears, a particular type of failure was observed in which the damage was initiated at about half the height of the tooth flank, instead of in the area of the tooth root as it normally happens in flexural failure of the gear teeth.

Gli ingranaggi sono uno dei componenti meccanici più importanti nella trasmissione di potenza dei sistemi meccanici. Negli elicotteri, come in altri sistemi aeronautici, il corretto funzionamento della trasmissione è fondamentale per la sicurezza del velivolo, quindi è sicuramente fondamentale valutare il comportamento a fatica degli ingranaggi che la compongono, per garantirne la sicurezza e gestirne i periodi di manutenzione. In questa tesi è presentata una metodologia di prova sperimentale per stimare il comportamento a fatica flessionale al piede del dente di ingranaggi, con verifica della validità e la precisione dell'apparecchiatura e carichi applicati. Le ruote dentate in prova sono state progettate e fabbricate appositamente per l’esecuzione delle prove, ma in modo tale che fossero comunque dei campioni rappresentativi della normale produzione per il settore aeronautico ed, in particolare, dei processi tecnologici qui utilizzati. Le prove sperimentali sono state eseguite su ruote cementate e nitrurate. Le prove sono state eseguite seguendo una sequenza Staircase a cui sono state intervallate prove nella regione della durata a termine in modo da ottimizzare i tempi di esecuzione dell’intera campagna di prove. A valle delle prove effettuate, oltre ad una sintesi dei risultati ottenuti, è stata effettuata un analisi statistica dei risultati stessi. A causa della particolare modalità di prova adottata, due denti sono stati posti in prova durante un singolo esperimento. Confronto tra diversi metodi analitici statisticamente con e senza le considerazioni che due campioni sono in serie sono state effettuate. Vengono utilizzati due prospettive per stimare le curve S-N basate su un modello convenzionale. Per le analisi graduali, il metodo dei minimi quadrati e il metodo della massima verosimiglianza sono stati utilizzati per la regione a vita a fatica limitata, mentre il metodo Staircase è stato impiegato per la stima del limite di fatica. Per le analisi della curva S-N completa, il metodo di Spindel-Haibach nella sua prima versione ed in quella modificata sono stati utilizzati. Inoltre sono state effettuate analisi a campione al SEM delle superfici di frattura per identificare possibili cause del cedimento e documentare le modalità di cedimento. Nel caso delle prove su ruote nitrurate è stato osservato un particolare tipo di cedimento in cui il danneggiamento si è originato a circa metà altezza del fianco del dente anziché nella zona del raccordo al piede del dente come usualmente avviene nella rottura flessionale delle dentature.