Bending fatigue strength of gears: comparison between pulsator test and running gears

Critical industries such as aerospace, wind power and automotive pose the industrial demand for increasingly high-performing gears; hence, improving the power density of gearboxes. Over the years, numerous materials and treatments have been developed to improve the gear strength. This development phase must be supported by appropriate testing activities, in which the effect of such treatments is quantified, obtaining data that can be used in a later design phase of the whole geared transmission. The precise monitoring and control of all the process phases allows to have a reliable historical set of data enabling to quantify properly the differences between the various combination tested, hence finding the best solution. Gear failure due to root bending fatigue is one of the most dangerous gear failure modes because it leads to the sudden interruption of the power flow in gearboxes. Therefore, the accurate definition of gear bending fatigue strength is a key aspect of gear design. In fact, the evaluation of a gear component requires an accurate estimation of the component's S-N curve especially when the load spectra are considered. It is in this context, pulsator tests are used as endurance tests designed to characterize the bending fatigue strength of the tooth root. These tests are equivalent tests: the tooth root is in fact loaded not by meshing with another gear but, more simply, by applying a pulsating load on the tooth flank via a testing machine. The lack of meshing leads to both statistical and fatigue differences, making the elaboration of the experimental evidence a mandatory step before using it in the design phase. This thesis concentrates on the analysis of the experimental evidence per se and its comparison with the real application scenario, where gears mesh under load. Firstly, it presents a the current state of the art, secondly, it shows the current research, in which local approaches, applied to the tooth root, are used to compare the two cases.

Industrie critiche come le aeronautiche, eoliche ed automobilistiche richiedono ingranaggi sempre più performanti, aumentando così la densità di potenza delle trasmissioni. Nel corso degli anni, sono stati sviluppati numerosi materiali e trattamenti per migliorare la resistenza degli ingranaggi. Questa fase di sviluppo deve essere supportata da adeguate attività di testing, nelle quali si quantifica l'effetto di tali trattamenti, ottenendo dati che potranno essere utilizzati successivamente nella fase di progettazione dell'intera trasmissione. Il monitoraggio e controllo preciso di tutte le fasi del processo consente di disporre di un set di dati storici affidabili, permettendo di quantificare correttamente le differenze tra le varie combinazioni testate e individuare così la soluzione migliore. La rottura degli ingranaggi dovuta a fatica flessionale a piede dente è una delle modalità di rottura più pericolose, in quanto causa l'interruzione del flusso di potenza nei riduttori. Di conseguenza, la definizione accurata della resistenza alla fatica flessionale degli ingranaggi è un aspetto chiave della progettazione. La valutazione di un componente richiede infatti una stima precisa della curva S-N del componente stesso, specialmente per le fasi di progettazione a spettro di carico. Inoltre, per considerare diversi livelli di affidabilità, è necessaria una stima accurata della dispersione associata. In questo contesto, i test a pulsatore vengono utilizzati come prove progettate per caratterizzare la resistenza a fatica flessionale a piede dente. Questi test sono equivalenti: la radice del dente è caricata non tramite l'ingranamento con un altro ingranaggio ma, più semplicemente, applicando un carico pulsante sul fianco del dente mediante una macchina di prova. La mancanza di ingranamento porta a differenze sia statistiche che di fatica, rendendo necessaria l'elaborazione dei risultati sperimentali prima di poterli utilizzare nella fase di progettazione. Questa tesi si concentra sull'analisi dei dati sperimentali in sé e sul loro confronto con un'applicazione reale, in cui gli ingranaggi ingranano sotto carico. Per prima cosa, viene presentato lo stato dell'arte attuale, successivamente viene mostrata la ricerca attuale, in cui approcci locali, applicati alla radice del dente, sono utilizzati per confrontare i due casi.