Bending fatigue performances of automotive gears

The load capacity of gears is constrained by different types of damage. Among these, tooth root failure is one of the most critical, because it causes the immediate loss of functionality of the whole transmission. Even though in gears for vehicle transmissions the operative limit is often set by pitting, the continuous demand for lighter products with improved performances requires the knowledge of the safety margins also against the other failure modes. Thus the characterization of the bending fatigue performances results fundamental to optimize the design of the transmission. The experimental tests aimed at determining these performances should be preferably executed on gear specimens, in order to take into account all the effects of the manufacturing process. This thesis aims at describing the whole procedure needed for the characterization of the tooth root bending fatigue behaviour of a case hardened steel used for automotive gears. In the first part the design of the test fixture for executing an experimental campaign of Single Tooth Fatigue (STF) tests on a resonance pulsator is addressed. In the specific case, the peculiarity of the project consists in the choice of adopting a real production gear as a test specimen. Moreover in the second part a calculation model to estimate the tooth root bending fatigue limit and investigate the influence that the relative stress gradient and the residual stresses have on it is developed. Such a model is based on the application at a local level of a multiaxial fatigue criterion, in which the effects of the local parameters are incorporated in the material characteristics. The local stress state and the local loading history are analysed by means of FEM, while the relative stress gradient is assessed using the superconvergent patch recovery technique. The values calculated with the model are in good accordance with the experimental results obtained.

La capacità di carico degli ingranaggi è limitata da differenti tipi di danneggiamento. Tra questi uno dei più critici è il cedimento per fatica al piede del dente, poiché è causa di immediata perdita di funzionalità dell’intera trasmissione. Benchè negli ingranaggi per trasmissioni automobilistiche il limite operativo sia più frequentemente costituito dal pitting, la continua richiesta di prodotti più leggeri e allo stesso tempo più performanti rende necessaria la conoscenza dei margini di sicurezza anche rispetto agli altri tipi di rottura. La caratterizzazione delle prestazioni a fatica flessionale risulta pertanto fondamentale ai fini del progetto ottimizzato della trasmissione. Le prove sperimentali finalizzate alla determinazione di tali prestazioni dovrebbero preferibilmente essere effettuate su ruote dentate, al fine di includere tutti gli effetti del ciclo produttivo. Questa tesi ha lo scopo di descrivere l’intera procedura necessaria alla caratterizzazione sperimentale del comportamento a flessione al piede del dente di un acciaio cementato utilizzato per ingranaggi automobilistici. Nella prima parte è affrontata la progettazione dell’attrezzatura per l’esecuzione di una campagna sperimentale di prove a dente singolo (STF-Single Tooth Fatigue) su un pulsatore a risonanza. Nel caso specifico la particolarità del progetto consiste nella scelta di utilizzare come provino un ingranaggio della normale produzione. Inoltre nella seconda parte è sviluppato un modello di calcolo per stimare il limite di fatica flessionale al piede del dente ed investigare l’influenza che il gradiente relativo degli sforzi e gli sforzi residui esercitano su di esso. Tale modello è basato sull’applicazione a livello locale di un criterio di fatica multiassiale, in cui gli effetti dei parametri locali sono stati incorporati nelle caratteristiche del materiale. Lo stato di sforzo locale ed il percorso di carico locale sono stati analizzati mediante il FEM, mentre il gradiente relativo degli sforzi è stato valutato utilizzando la tecnica del superconvergent patch recovery. I valori calcolati con il modello si sono rivelati in buon accordo con i risultati sperimentali.