Gear tooth bending fatigue: the effect of root crack propagation on tooth life

The focus of this thesis is related to the tooth root fatigue failure of gears, that is one of the most critical failure of gear transmissions. More specifically, the focus is the testing methodology and the manage of outcome data: the study aims to pass from totally heuristic methodologies to more structured and general ones using the experimental experience as validation. This thesis is a contribution for a larger objective that aims at the complete comparison between the results given by the STBF test (widely used test) and the real situation of meshing gears. This work is composed by two main intertwined parts: experimental work and numerical simulations. The experimental work have the purpose of create deep awareness of this field by operating on a real experimental project of aircraft gears testing, and also to obtain data for the other sections. The numerical simulation instead allows a deep comprehension of trend of the quantities like tooth flank contact force, tooth root stress and stress intensity factor (when a crack exist) during meshing cycle. Moreover, the simulations allows the analysis of the finite life part of the S-N curve that is often underrated: this permit the comparison between single tooth bending fatigue test and real meshing gear simulation also as variation of important design parameters. In the end, the results of the simulations should be used to scale data of pulsator test to use in the gear transmission design phase.

Il focus di questa tesi riguarda la rottura a fatica del piede dente neglle ruote dentate, una delle modalità di cedimento più critiche nelle trasmissioni a ingranaggi. Nel dettaglio, l’attenzione è rivolta alla metodologia di prova e alla gestione dei dati ottenuti: lo studio mira a passare da metodologie completamente euristiche a procedure più strutturate e generali, utilizzando l’esperienza sperimentale come validazione. Questa tesi rappresenta un contributo ad un obiettivo più ampio, che mira al confronto completo tra i risultati ottenuti dal test STBF (Single Tooth Bending Fatigue, ampiamente utilizzato) e la situazione reale delle ruote dentate ingrananti. Il lavoro si compone di due parti principali e interconnesse: attività sperimentale e simulazioni numeriche. L’attività sperimentale ha lo scopo di creare una conoscenza approfondita di questo ambito, operando su un progetto sperimentale reale di prova su ingranaggi aeronautici, e anche di fornire dati utili per le altre sezioni. La simulazione numerica, invece, consente una comprensione approfondita dell’andamento di grandezze come la forza di contatto sul fianco dente, la tensione al piede dente e il fattore d’intensità degli sforzi (in presenza di una cricca) durante il ciclo di ingranamento. Inoltre, le simulazioni permettono l’analisi della parte a vita finita della curva S-N, spesso sottovalutata: questo consente il confronto tra il test a fatica su dente singolo e la simulazione dell’ingranamento reale anche in funzione della variazione di importanti parametri progettuali. Infine, i risultati delle simulazioni saranno utili per scalare i dati ottenuti con il pulsatore in modo da essere utilizzati durante la progettazione di trasmissioni ad ingranaggi.