Analysis and design against pitting of gears in power transmissions for off-highway vehicles

The work described in this thesis has been developed within the scope of a higher education apprenticeship program in cooperation with Carraro S.p.A., global player in the market of power drivelines for vehicles employed in industrial and agricultural applications, also addressed as off-highway vehicles. The study is aimed to the analysis of the mechanisms leading to contact fatigue failures of gears and to the development of reliable and efficient methods to characterize gears materials. Pitting is the most hazardous among rolling contact fatigue phenomena occurring in gears. It manifests with the formation of craters on the surfaces leading to noise, vibration and loss of efficiency, and eventually may constitute the initiation cause for secondary damages such as tooth fractures. The sun gears of the planetary gear sets, which constitute the final stage of reduction in off-highway drivelines, are particularly susceptible to pitting failures, being subjected to high torques under poor lubricating conditions determined by the low speed of rotation. In this work, contact fatigue phenomena are studied by the observation of their occurrence in sun gears failed during endurance tests performed on the whole axles. The failure mechanisms as well as the most common approaches proposed in the literature for the evaluation of the load carrying capacity and the prevision of the lifetime of gears are commented through an analysis of the existing literature on the subject. Then the problem of the design against pitting of case hardened gears is faced from two different perspectives: on the one hand the determination of reliable endurance limits for the materials used by the suppliers of Carraro S.p.A. in the manufacturing of case hardened gears, based on a reanalysis of the database of validation tests performed in the past on the whole axles; on the other hand an experimental analysis of the pressure distribution on gear teeth during operation is reported. This latter study was useful to assess the major discrepancies between theoretical models and actual systems, in order to improve the awareness in the use of calculation software packages dedicated to the prevision of the lifetimes of gears. Finally, the development of a test rig for the contact fatigue characterization of gears materials by means of relatively fast tests on simple disc specimens is described. The first attempts to resemble the operating conditions of a particular gear pair with a dedicated design of specimens and to correlate the fatigue performances of gears and discs are discussed as well.

Il lavoro descritto in questa tesi è stato sviluppato nell'ambito di un programma di apprendistato in alta formazione e ricerca in collaborazione con Carraro S.p.A., azienda leader nel mercato delle trasmissioni di potenza per veicoli “off-highway”, ovvero veicoli destinati ad uso in campo agricolo ed industriale. Lo studio è finalizzato all'analisi dei meccanismi che portano al cedimento per fatica da contatto degli ingranaggi, ed allo sviluppo di metodi affidabili ed efficienti per caratterizzare i materiali con cui vengono realizzate le ruote dentate. Il pitting è il più pericoloso tra i fenomeni di fatica da contatto a cui gli ingranaggi sono soggetti. Si manifesta con la formazione di crateri sulle superfici, che causano rumore, vibrazioni e perdita di efficienza, e può a sua volta dare luogo a danni secondari come la frattura dei denti. Le ruote solari dei riduttori epicicloidali che costituiscono lo stadio finale di riduzione delle trasmissioni fuoristrada sono particolarmente critiche dal punto di vista del pitting, essendo soggette a coppie elevate ed a condizioni di scarsa lubrificazione determinate dalla bassa velocità di rotazione. In questo lavoro, i fenomeni di fatica da contatto sono studiati sulla base della loro osservazione su ruote solari danneggiate durante i test di validazione eseguiti sugli assali completi. I meccanismi di cedimento, così come gli approcci più comuni proposti in letteratura per la valutazione della capacità di carico e la previsione della durata degli ingranaggi, sono commentati attraverso un'analisi della letteratura esistente sull'argomento. Il problema della progettazione a pitting degli ingranaggi cementati è quindi affrontato da due diversi punti di vista: in primo luogo i limiti di resistenza per i materiali utilizzati dai fornitori di Carraro S.p.A. nella produzione di ingranaggi cementati sono stati determinati sulla base di una rianalisi del database dei test di validazione eseguiti in passato gli assali completi; in secondo luogo, un'analisi sperimentale della distribuzione della pressione sui denti delle ruote solari durante il funzionamento ha permesso di valutare le principali discrepanze tra i modelli teorici e i sistemi attuali, al fine di migliorare la consapevolezza nell'uso dei pacchetti software di calcolo dedicati alla previsione della durata delle ruote dentate. Infine, viene descritto lo sviluppo di un banco di prova per la caratterizzazione della fatica da contatto di materiali per ruote dentate, mediante prove relativamente veloci su coppie di dischi di semplice ed economica realizzazione. Viene inoltre presentato l’approccio utilizzato per ricreare le condizioni operative di una particolare coppia di ruote dentate mediante un design dedicato di provini, e sono discusse le problematiche riscontrate nel tentativo di ricavare una correlazione fra le prestazioni a fatica di ingranaggi e dischi.