Fatigue Performance Evaluation of Gears used in Off-Highway Drivelines

Gears are the core of power transmission systems. The study of their fatigue performances is essential for the companies dealing with the design and manufacturing of transmissions. The work here presented faces the study of pitting and bending fatigue performances of gears mounted on Off-Highway drivelines. This work was carried out under the formulation of "High Apprenticeship PhD" and was financed by Carraro Drive Tech. The research activity was executed partly inside the Company and partly at the University. The work started from the study of standards on gear design, especially ISO 6336 for cylindrical gears. Then the commercial software packages oriented to gear design were studied. Using this background, the gear durability tests for axles' validation performed by Carraro Drive Tech in the last years were modeled. The bending and pitting allowable fatigue curves were then estimated using the calculated stress and the life exhibited during the analyzed tests. Results obtained showed that the statistical scatter on bending and pitting fatigue performances may be remarkable. The allowable limits obtained by statistical inference at high survival probabilities resulted lower than the corresponding values declared by the standards, at least for the analyzed applications. The work was then focused on the study of tooth-root bending fatigue of gears, planning a test campaign involving different case-hardening steels coming from the areas where the Company is localizing the production of its components. Both static and fatigue comparative tests were performed on plain case-hardened specimens realized in order to resemble as more as possible the teeth surface state of a specific gear used by the Company. The steels exhibited high mechanical strength and similar characteristics, in line with the best case-hardened steels presented in the literature, independently from the origin area. Additional attention was paid to 20MnCr5 steel, carrying out bending fatigue tests also on notched specimens and gears. Experimental data were then used as starting point in the application of the different gear design methods reported in ISO 6336, with the purpose of investigating their reliability. The correlation between the fatigue curves obtained on specimens and gears is of particular interest for companies dealing with the design of power transmission systems, since the fatigue tests on specimen are potentially faster, more inexpensive and easier than using gears. Furthermore, the use of specimens allows to compare the manufacturing process of different suppliers directly in terms of experimental endurance limits. This approach is more detailed than using the standardized curves of ISO 6336, where the fatigue behavior is given only on the base of the steel quality, that is defined by a number of quality controls that do not consider explicitly the fatigue limit. The experimental behavior of the gear was resembled only partially by the methods, especially for notch sensitivity. For this reason, the experimental data collected in this work were used to develop and improve the design methods of the standard, leading to more satisfactory results. The endurance limit of specimens and gears resulted located in the range of 50,000 $\div$ 300,000 cycles, that are values much shorter than the 3,000,000 of cycles reported in ISO 6336 standard. The gear testing procedure presented in the work resulted more complete and effective than current testing procedures of the Company, being able to characterize the whole fatigue curve in much shorter time. The study of the bending fatigue performances was accompanied with the SEM observations of specimens' fracture surfaces, the analysis of residual stress induced by case-hardening treatment, the influence of grinding on case-hardened surfaces and the presence of a mean stress. Results were discussed and compared to recommendations of ISO 6336, finding in some cases only a partial agreement

Le ruote dentate costituiscono il cuore dei sistemi di trasmissione di potenza. Lo studio della loro resistenza a fatica è indispensabile per le aziende che progettano e producono trasmissioni. Il lavoro qui presentato affronta lo studio della resistenza a fatica flessionale e da contatto di ingranaggi montati su assali e trasmissioni di veicoli fuoristrada. Questo lavoro è stato svolto nell'ambito di un Dottorato in Alto Apprendistato finanziato da Carraro Drive Tech, e ha previsto lo svolgimento dell'attività parte in Azienda e parte presso l'Università. Il lavoro è stato strutturato dapprima affrontando lo studio delle normative che trattano la progettazione di ruote dentate, in particolar modo la normativa ISO 6336 per le ruote cilindriche. Si sono poi appresi gli strumenti di calcolo commerciali per la loro applicazione in modo automatico su modelli virtuali. Con tali conoscenze si sono modellati i test mirati alla validazione di nuovi assali eseguiti negli ultimi anni da Carraro Drive Tech. Incrociando i risultati dei calcoli con le durate riscontrate durante i test si sono costruite le curve a fatica flessionale e da contatto per le applicazioni dell'Azienda. I risultati sperimentali hanno dimostrato che la dispersione statistica relativa alla resistenza a fatica flessionale e da contatto può essere notevole, e l'estrapolazione di curve ad elevate probabilità di sopravvivenza ha mostrato come i limiti dichiarati nella normativa ISO 6336 risultino troppo ottimistici per le applicazioni considerate. Il lavoro si è poi concentrato sullo studio della fatica a base dente di ruote dentate, pianificando un programma di prova che ha coinvolto acciai cementati provenienti da diverse aree dove l'Azienda sta localizzando la produzione di componentistica. I test comparativi, sia statici che a fatica, sono stati realizzati su provini lisci e cementati in modo da ricreare il più possibile la condizione superficiale dei denti di una particolare ruota dentata usata in Azienda. I vari acciai hanno dimostrato resistenza meccanica in linea con quella dei migliori acciai cementati presenti in letteratura, e caratteristiche comparabili tra le diverse aree di provenienza. Maggiore attenzione è stata riservata al 20MnCr5, eseguendo prove di fatica a flessione anche su provini intagliati e su ruote dentate. I dati sperimentali ottenuti sono stati usati come base per applicare i diversi metodi di progettazione della normativa ISO 6336 e verificarne l'attendibilità. La correlazione tra le curve di fatica ricavate su provini e ruote dentate è di forte interesse per le aziende che operano nel settore delle trasmissioni di potenza, perchè eseguire prove di fatica su provini è potenzialmente più rapido, economico e semplice di eseguire prove su ruote dentate. L'uso di provini inoltre permette di confrontare le capacità produttive di fornitori diversi, confrontando direttamente i limiti di fatica sperimentali. Tale approccio è più dettagliato di utilizzare le curve standardizzate della ISO 6336, dove il comportamento a fatica è fornito solo in funzione della qualità dell'acciaio considerato, che però non viene valutata con controlli che considerano in modo esplicito il limite di fatica. I metodi della normativa hanno saputo rappresentare il comportamento della ruota dentata osservato sperimentalmente solo in modo parziale, specialmente per quanto riguarda la stima della sensibilità all'intaglio. Per questa ragione, i dati sperimentali raccolti sono stati usati per sviluppare e migliorare i metodi di progettazione riportati in normativa, portando a risultati più soddisfacenti. Il limite di durata ottenuto su provini ed ingranaggi è risultato essere collocato tra i 50,000 e 300,000 cicli, valori molto più bassi dei 3,000,000 di cicli proposti dalla ISO 6336. La metodologia di prova su ingranaggi usata nello studio è risultata più completa ed efficace delle attuali procedure di prova aziendali, riuscendo a caratterizzare l'intera curva di fatica in tempi molto più ridotti. Lo studio delle proprietà a fatica flessionale è stato corredato anche dalla osservazione al microscopio a scansione elettronica delle superfici di rottura ottenute sui provini, all'analisi delle tensioni residue indotte dalla cementazione, all'influenza che la rettifica può apportare sulle superfici cementate e alla presenza di una tensione media. I risultati sono stati discussi e confrontati con le prescrizioni riportate nella ISO 6336, trovando in alcuni casi solo parziale accordo