Application of highcycle multiaxial fatigue criteria in pitting fatigue test

Gears are affected by a wide range of failure modes. Pitting is a surface fatigue phenomenon in which tooth flank gets damaged on and below the surface. The FZG test rig is used to study the pitting process. This thesis aims to study the pitting phenomenon using FEM. Hence, this work can be segregated into different parts. The literature review is done on the standards ISO6336/DIN3390 to study pitting limiting stress. Then, the work goes into FEM, initially calculating the tolerable mesh size, and then correctly performing the FEM analysis in actual gears. Hertzian Pressure distribution is calculated in the tooth flank and the tensor results are extracted from Abaqus for further analysis. Later, multiaxial fatigue phenomena are studied and Dang Van criteria are adopted to perform the fatigue analysis. A Matlab program was written to analyze the extracted tensor results and results are plotted. Then, Residual stresses are calculated in an X-Ray diffractometer, which calculates the residual stress in the depth of the gear specimen. This result is combined with the output from Dang Van to study the effect of residual stresses in the Dang Van Fatigue criteria. Finally, we study how the gear tooth flank is loaded to find the high Dang van stresses area. Moreover, the effect of residual stresses is witnessed in rolling contact fatigue phenomena.

Le ruote dentate sono soggette a molti meccanismi di cedimento. Tra questi, pitting è un fenomeo di fatica superficiale in cui il fianco del dente viene danneggiato sia superficialmente che in profondità. I banchi prova tipo FZG vengono usati per studiare questo fenomeno. Lo scopo di questa tesi è di studiare questo fenomeno di danneggiamento tramite FEM. Questo lavoro può essere separato in più parti, la prima è una revisione del fenomeno di danneggiamento osservando come le norme ISO6336/DIN3990 studiano lo sforzo limite del pitting. Successivamente, questo lavoro presenta un primo studio di convergenza per la calcolare la dimensione minima della mesh in casi più semplici così da poter eseguire correttamente le analisi FEM della coppia di ruote dentate prese come esempio. La distribuzione di pressione di contatto è calcolata sul fianco del dente e il risultante tensore degli sforzi viene estratto da Abaqus per ulteriori analisi. Di seguito, vengono presentati i criteri di fatica multiassiali; tra questi, il criterio proposto da Dang Van è stato adottato per effettuare le analisi del fenomeno della fatica. Un programma MatLab è stato sviluppato appositamente e i suoi risultati vengono mostrati. Al fine di una corretta modellazione del fenomeno della fatica, gli sforzi residui sono stati stimati usando un diffrattometro a raggi x, definendo l’andamento degli sforzi residui nella profondità del fianco del dente. Questi vengono combinati con gli sforzi definiti dal criterio di Dang Van. Come ultimo passaggio viene studiato come il fianco del dente viene caricato, simulando tramite modelli FEM l’ingranamento. In questo modo è possibile definire l’area con il più alto sforzo equivalente di Dang Van. In aggiunta, viene studiato l’effetto degli sforzi residui all’interno del fenomeno della fatica da contatto.