An Investigation into Scuffing and Subsurface Fatigue in a Lubricated Rolling/Sliding Contact

Abstract

Unexpected failures of gears still occur although their durability has been well studied and comprehensive dimensioning guidance has long been available. One of the reasons for these failures is thought to originate from occasional overload cycles, which the gear sets may experience under extreme operating conditions.<br/><br/>Scuffing is a failure mode which occurs under heavy contact pressure and intensive sliding between the interacting surfaces in elevated temperatures. Scuffing failures result in damaged surfaces and a consequent decrease in load carrying capacity of the gear. This may also lead to other failure modes and ultimately to the breakdown of the machine component. Although this phenomenon has been widely studied, there are still some uncertainties, that are reflected in the dimensioning and use of gear sets. Another failure mode typically occurring in gears can be described as subsurface initiated fatigue. In contrast to traditional fatigue failure, in this mode, the crack initiation originates beneath the hardened layer of the case-hardened surface of a gear tooth.<br/><br/>Firstly the objective of this thesis is to shed light on the effect of occasional overloads on the initiation of scuffing. The second objective is to establish a procedure for investigating subsurface fatigue under rolling/sliding loading with high contact pressure; a typical condition in a gear contact. The experimental part consists of several tests with a pre-existing, but upgraded twin-disc test device with casehardened specimens, where the loading in the tests mimics the various contact conditions between the tooth flanks in real gears. In addition to the analysis of the experimental results, the stress and strain states and the consequent formation of fatigue damage in the discs were calculated utilizing an elastoplastic finite element model of the test assembly.<br/><br/>The scuffing test results demonstrate the importance of running-in the interacting surfaces as overloading during the running-in process increased the risk of scuffing. Conversely, the introduction of overload cycles in a controlled manner and having periods of nominal load cycles between each series of overload cycles enhanced the components resistance to scuffing. The tests also revealed that small deviations in the contact path allowed the use of increased normal load levels without the occurrence of scuffing failures.<br/><br/>The fatigue tests confirmed the suitability of the twin-disc test device for studying subsurface fatigue in case-hardened components. The related numerical analysis, including the influences of increased material hardness and residual stress, revealed critical depths beneath the hardened layer that coincided with the ones found in the experimental tests. Furthermore, a shear strain-based damage calculation method (Fatemi-Socie) seemed to be more sensitive to the effect of residual stresses, while inaccuracies in components due to manufacturing tolerances only have a minor effect on the formation of damage in the subsurface region.

Odottamattomia hammaspyörävaihteiden vaurioita esiintyy edelleen, vaikka niiden kestävyyttä on tutkittu laajasti, ja kattavia mitoitusohjeita on ollut saatavilla jo pitkän aikaa. Yhtenä syynä tällaisiin vaurioitumisiin on ehdotettu olevan satunnaiset ylikuormitussyklit, joita vaihteet saattavat kokea käytön aikana ankarissa olosuhteissa.<br/><br/>Tahmautuminen (scuffing) on vauriomuoto, joka esiintyy vuorovaikutuksessa olevien pintojen välillä voimakkaassa kosketuspaineessa ja intensiivisen liukumisen vallitessa kohonneissa lämpötilaolosuhteissa. Tahmautuminen voidaan havaita vaurioituneina pintoina ja siten pienentyneenä kuormankantokapasiteettina, joka voi johtaa muihin vauriomuotoihin sekä lopulta komponentin hajoamiseen. Vaikka tätä ilmiötä on tutkittu laajalti, on edelleen epävarmuustekijöitä, jotka heijastuvat vaihteistojen mitoitukseen ja käyttöön. Toinen vauriomuoto, joka tyypillisesti esiintyy hammaspyörissä, voidaan kuvata käsitteellä ”pinnan alta ydintyvä väsyminen”. Toisin kuin perinteisessä väsymisvaurioissa, tässä muodossa särön ydintyminen tapahtuu hiiletyskarkaistun hampaan pinnan karkaisukerroksen alapuolelta.<br/><br/>Ensimmäiseksi tämän työn tavoitteena on selvittää satunnaisten ylikuormitusten vaikutusta tahmautumisvaurion ilmenemiseen. Työn toinen tavoite on luoda menetelmä, jolla voidaan tutkia pinnan alta ydintyvää väsymistä vierintä/liuku- sekä korkean kosketuspaineen alaisessa kuormituksessa, jota voidaan pitää tyypillisenä kuormitustilanteena hammaskosketuksessa. Kokeellinen osuus koostuu useista testeistä olemassa olevalla, mutta parannetulla kiekko-kiekkotestilaiteella käyttäen hiiletyskarkaistuja koekiekkoja, jossa erilaiset kuormitustilanteet jäljittelevät kuormituksia todellisten hammaspyörien hampaiden kylkien välillä. Kokeellisten tulosten analysoinnin lisäksi on laskettu jännitys- ja venymätilat kiekoissa sekä niistä muodostuva väsymisvaurio käyttämällä testikokoonpanon elastoplastista elementtimallia.<br/><br/>Tahmautumistulosten mukaan vuorovaikutuksessa olevien pintojen sisäänajo osoittautui merkitykselliseksi; ylikuormitussyklit pintojen sisäänajautumisen aikana lisäsi tahmautumisvaurion ilmenemisriskiä, kun taas ylikuormitussyklien hallittu vastaanottaminen sekä nimelliskuormitusjaksojen sisällyttäminen ylikuormitussyklisarjojen välille lisäsi vastustuskykyä tahmautumisvaurion ilmenemistä vastaan. Lisäksi testit osoittivat, että pienet poikkeamat kosketusreitistä mahdollistivat suhteellisen korkean kuormitustason käytön ilman tahmautumisvauriota.<br/><br/>Väsytyskokeet osoittivat kiekko-kiekkotestilaitteen soveltuvuuden hiiletyskarkaistujen komponenttien pinnan alta ydintyvän väsymisen tutkimiseen. Tähän liittyvä numeerinen analyysi, sisältäen lisääntyneen materiaalikovuuden ja jäännösjännitysten vaikutukset, paljasti karkaisukerroksen alla olevat kriittiset syvyydet, jotka olivat yhteneviä kokeellisesti löydettyjen kanssa. Lisäksi leikkausvenymään (liukumaan) perustuva vaurion laskentamenetelmä (Fatemi-Socie) näytti olevan herkempi jäännösjännitysten vaikutukselle, kun taas valmistuksen toleransseista johtuvilla eroilla komponentissa on vain vähäinen vaikutus vaurioiden muodostumiseen pinnan alla olevalla alueella.