Initiation and Growth of Subsurface Fatigue Cracks in Large-size Bevel Gears

Abstract

Suurikokoisia kulmahammaspyöriä käytetään meri- ja raskaan teollisuuden sovelluksissa. Viime vuosina pinnanalaiset vauriomuodot ovat aiheuttaneet ongelmia hammaspyöräteollisuuden sovelluksissa, joissa käytetän suuria hammaspyöriä. Pinnan alaiset vauriot ovat hankalia ennustaa ja havaita, koska niitä ei näe tyypillisissä visuaalisissa tarakstuksissa ja hyviä mitoitusmenetelmiä ei vauriomuotoa varten ole.

Tässä väitöskirjassa pinnan alaisi vauriomuotoja tutkitaan kokeellisin ja numeerisin menetelmin. Väsymiskokeita suoritetaan yhdessä ajoittaisen hammaspyörien ultraääniluotauksen kanssa. Pinnanalaisten säröjen kasvamiskäyttäytymistä tutkitaan. Kuorikarkaisukerroksen ominaisuuksien ja jäännösjännitysten vaikutusta arvioidaan kokeellisesti. Pinnanalaisia väsymisvaurioita verrataan muihin tunnettuihin vauriomuotoihin standardiperusteisella analyysimenetelmillä. Suoritetaan numeerinen analyysi särönkasvun kriittisyydestä ja analyysin tulokset vastaavat kokeellisia tuloksia.

Väitöskirjan päähavainto on, että pinnanalaisten säröjen havaitseminen hammaspyörän hampaissa ei ole merkki välittömästä hajoamisesta. Vaikka tarkan hajoamisajankohdan määrittäminen on haastavaa, suurin osa pinnanalaisista säröistä eivät kasva nopeasti kriittisiksi murtumiksi.

Large-size bevel gears are used in marine and heavy industries. In recent years, subsurface fatigue failures have caused issues in gear industry applications that use large gears. The failure mode is hard to predict, as it cannot be seen during regular visual inspections, and good dimensioning methods against the failure mode do not exist.

In this thesis, subsurface fatigue failures are studied through experimental and numerical methods. Fatigue experiments are conducted in combination with periodic ultrasonic scanning of the test gears. Subsurface crack growth behavior is observed and recorded. Effects of case hardening layer properties and residual stresses are evaluated through the experiments. Subsurface fatigue failures are compared to other known gear failure modes through standards based analysis. Numerical analysis of crack propagation criticality is conducted, and the results are in good agreement with test results.

The main finding of the thesis is, that indication of subsurface fatigue cracks inside gear teeth is not an immediate sign of gear failure. While the exact failure time is hard to predict, most cracks do not propagate in the gear tooth in a rapid fashion.