Simulation model for tooth root crack growth in spur gears based on geometric design properties

Abstract

Tooth root fracture is one of the common types of failure in spur gears. In this study, a simulation procedure has been proposed to evaluate tooth root fracture in spur gears. The study estimates the total fatigue life of spur gears modeled from AISI 4140 hardened steel, including crack initiation and propagation. The strain-life approach was used for fatigue analysis of crack initiation, while the Separating Morphing and Adaptive Remeshing Technology (SMART) was used for crack propagation. The effect of different gear design parameters such as pressure angle, tooth width, profile shift, and crack initiation length on tooth root fracture was evaluated by modeling different geometric variations. Through extensive simulations carried out in Ansys software, it was found that the highest crack propagation occurred in the 25 degrees pressure angle variation. In contrast, the lowest crack propagation was observed in the negative profile shift variation. Increasing the pressure angle and the positive profile shift increases the fatigue life of spur gears. Additionally, increasing the tooth width significantly increases fatigue life. Zahnfu ss bruch ist eine der h & auml;ufigsten Fehlerarten bei Stirnr & auml;dern. In dieser Studie wurde ein Simulationsverfahren zur Bewertung des Zahnfu ss bruchs in Stirnr & auml;dern vorgeschlagen. Die Studie sch & auml;tzt die gesamte Erm & uuml;dungslebensdauer von Stirnr & auml;dern, die aus geh & auml;rtetem Stahl AISI 4140 modelliert wurden, einschlie ss lich Rissentstehung und -ausbreitung. Der Dehnungs-Lebensdauer-Ansatz wurde f & uuml;r die Erm & uuml;dungsanalyse der Risseinleitung verwendet, w & auml;hrend die Separating Morphing and Adaptive Remeshing Technology (SMART) f & uuml;r die Rissausbreitung eingesetzt wurde. Die Auswirkung verschiedener Zahnradkonstruktionsparameter wie Eingriffswinkel, Zahnbreite, Profilverschiebung und Risseinleitungsl & auml;nge auf den Zahnfu ss bruch wurde durch Modellierung verschiedener geometrischer Variationen bewertet. Durch umfangreiche Simulationen in der Ansys-Software wurde festgestellt, dass die h & ouml;chste Rissausbreitung bei der 25 degrees-Eingriffswinkelvariante auftrat. Im Gegensatz dazu wurde die geringste Rissausbreitung bei der Variante mit negativer Profilverschiebung beobachtet. Eine Vergr & ouml;ss erung des Eingriffswinkels und der positiven Profilverschiebung erh & ouml;ht die Erm & uuml;dungslebensdauer von Stirnr & auml;dern. Au ss erdem erh & ouml;ht eine Vergr & ouml;ss erung der Zahnbreite die Erm & uuml;dungslebensdauer erheblich.