Advanced statistical models for bending fatigue characterization of gears

The capability of transferring loads of gears is limited by several failure modes that can occur at different load levels (i.e. transmitted torque). One of the most critical ones is tooth root breakage since it leads to an immediate failure of the gearbox. In order to properly design gears it is thus important to know the actual stress limit value for a specific gear geometry and manufacturing process. Such limit value is obtained by experimental tests on actual gears and if the failure mode of interest is tooth root breakage the typical experimental procedure is the so called Single Tooth Fatigue (STF) test. The aim of this work is to describe the experimental procedure and the data analysis procedure used to obtain such a limit value. In particular, in the first part the experimental procedure is discussed along with experimental analysis on specimens aimed to better evaluate the characteristics of the tested gears. Nevertheless there are differences between the results coming from STF tests and the ones coming from actual running gears, thus in the second part is discussed how to move from STF tests results, which are in terms of force and with 50% failure probability, to 1% failure probability on actual running gears which is the probability used in ISO standard. In particular an advanced model based on the Maximum Likelihood Estimate (MLE) has been implemented to better estimate the limit value.

Il valore di coppia trasmissibile attraverso ruote dentate è limitato da diversi fenomeni di cedimento che occorrono a diversi livelli di carico. Uno dei fenomeni più critici è la fatica flessionale a piede dente, che porta ad una rottura per fatica del dente e conseguente cedimento dell'intera trasmissione. Per poter progettare adeguatamente le prove dentate è importante quindi conoscere l'esatto limite del materiale, data una specifica geometria e un certo processo produttivo. Questo limite viene ottenuto con test sperimentali su componenti reali, im particolare per la fatica flessionale a piede dente viene utilizzata la metodologia chiamata Single Tooth Fatigue (STF) test. Lo scopo di questo lavoro è descrivere la procedura sperimentale e l'analisi dati utilizzata per ottenere il valore limite. In particolare, nella prima parte la procedura sperimentale viene discussa così come vengono presentate altre analisi sperimentali sui provini con lo scopo di comprendere meglio il materiale. Inoltre, va considerato che il risultato ottenuto tramite test STF differisce dal risultato ottenuto tramite ruote ingrananti, quindi nella seconda parte viene discusso come passare da risultati STF (espressi in termini di forza e probabilità di cedimento del 50%) a risultati utilizzabili per ruote ingrananti (in termini di sforzo e probabilità di cedimento dell'1%). In particolare, un modello statistico avanzato basato sulla massima verosomiglianza viene implementato per ottenere il valore limite.