Tendenze attuali nei metodi di calcolo per progettare gearbox · Tendenze attuali nei metodi di...

40
Tendenze attuali nei metodi di calcolo per progettare gearbox Dr. Ulrich Kissling KISSsoft AG, Bubikon, Svizzera

Transcript of Tendenze attuali nei metodi di calcolo per progettare gearbox · Tendenze attuali nei metodi di...

Page 1: Tendenze attuali nei metodi di calcolo per progettare gearbox · Tendenze attuali nei metodi di calcolo per progettare gearbox ... Svizzera - Standardized Gear Calculation Procedures

Tendenze attuali nei metodi di calcolo per progettare gearboxDr. Ulrich KisslingKISSsoft AG, Bubikon, Svizzera

Page 2: Tendenze attuali nei metodi di calcolo per progettare gearbox · Tendenze attuali nei metodi di calcolo per progettare gearbox ... Svizzera - Standardized Gear Calculation Procedures

- Standardized Gear Calculation Procedures (for Gear Failure Modes)

- Actual trends: ‘Old’ and ‘new’ Gear Types

- Non-conventional Gear Calculation Procedures

- Bearings, Shafts, Screws, Connections, …

- System view: Gearboxes, Power Transmission

Tendenze attuali nei metodi di calcolo per progettare gearbox

Page 3: Tendenze attuali nei metodi di calcolo per progettare gearbox · Tendenze attuali nei metodi di calcolo per progettare gearbox ... Svizzera - Standardized Gear Calculation Procedures

Standardized Gear Calculation Procedures

(for Gear Failure Modes)

Page 4: Tendenze attuali nei metodi di calcolo per progettare gearbox · Tendenze attuali nei metodi di calcolo per progettare gearbox ... Svizzera - Standardized Gear Calculation Procedures

Predicting Gear Failure Modes of Cylindrical Gears by Classic Calculation Methods in Standards

Year Method (DIN 3990-3) First ISO

edition

published

in

1970 Bending (DIN 3990-3) 1996

1970 Pitting (DIN 3990-2) 1996

1985 Scoring (DIN 3990-4) 2000

2003 Subsurface fatigue (DNV 41.2) - 2003 by DNV

2010 Micropitting (ISO 15144) 2010

2113 Wear (VDI 2736) - 2014 by VDI

2015 Flank breaking (Draft, WG6)

???? Next phenomena …

Page 5: Tendenze attuali nei metodi di calcolo per progettare gearbox · Tendenze attuali nei metodi di calcolo per progettare gearbox ... Svizzera - Standardized Gear Calculation Procedures

‘Old’ and ‘new’ Gear Failure Modes

Failure by fatigue- Bending fatigue / Tooth (root) breakage (ISO6336-3)- Pitting (ISO6336-2)- Micropitting (ISO TR 15144)- Tooth flank fracture (TFF) (ISO DTS 19042) - Tooth interior fatigue fracture (TIFF)

Failure by overload- Scoring (ISO TR 13989)- Static tooth root breakage

Page 6: Tendenze attuali nei metodi di calcolo per progettare gearbox · Tendenze attuali nei metodi di calcolo per progettare gearbox ... Svizzera - Standardized Gear Calculation Procedures

Gear Failure Modes

Consequences of failure by fatigue- Tooth (root) breakage Breakdown- Pitting Increased noise/vibrations- Micropitting Slightly increased vibrations- Tooth flank fracture (TFF) Breakdown- Tooth interior fatigue fracture Breakdown

Can failure be prevented by inspection ? - Tooth (root) breakage Crack can be seen, Magnaflux- Pitting Easy to see- Micropitting Easy to see- Tooth flank fracture (TFF) Not detectable (only by Ultrasonic)- Tooth interior fatigue f. (TIFF) Not detectable (only by Ultrasonic)

Page 7: Tendenze attuali nei metodi di calcolo per progettare gearbox · Tendenze attuali nei metodi di calcolo per progettare gearbox ... Svizzera - Standardized Gear Calculation Procedures

Gear Failure Modes: Tooth Flank Fracture

What is TFF?

Only in surface hardened gears;

Tooth fracture due to a crack located in the active flank area, often at approximately half the height of the tooth;

Primary crack initiation is at a considerable depth below the surface of the loaded gear flank, typically at or below the case-core interface;

The primary crack starter is often but not always associated with a small non-metallic inclusion;

Page 8: Tendenze attuali nei metodi di calcolo per progettare gearbox · Tendenze attuali nei metodi di calcolo per progettare gearbox ... Svizzera - Standardized Gear Calculation Procedures

Gear Failure Modes: Tooth Flank Fracture

What is TFF?

The primary crack propagates from the initial crack starter in both directions – towards the surface of the loaded flank and into the core towards the opposite tooth root section;

Due to the high hardness in the case, the crack propagation towards the surface is smaller as through the core;

Angle between primary crack and flank surface is approx. 40-50°;

Page 9: Tendenze attuali nei metodi di calcolo per progettare gearbox · Tendenze attuali nei metodi di calcolo per progettare gearbox ... Svizzera - Standardized Gear Calculation Procedures

Gear Failure Modes: Tooth Flank Fracture

What is TFF?

Final breakage of the tooth is due to forced rupture; typically developing according to local bending stress;

Fractured surfaces show typical fatigue characteristics with a crack lense around the initiation point and a residual zone of forced rupture;

In many cases no indications of surface related failures such as pitting or micro-pitting are observed on the gear flanks.

Page 10: Tendenze attuali nei metodi di calcolo per progettare gearbox · Tendenze attuali nei metodi di calcolo per progettare gearbox ... Svizzera - Standardized Gear Calculation Procedures

Gear Failure Modes: Tooth Interior Fatigue Fracture

Similar phenomena, not to be confounded with TFF

Tooth Interior Fatigue Fracture (TIFF):Occurs (mostly) on idler gears; caused by alternating bending; crack is horizontal

TIFF (from Diss. Witzig)

Page 11: Tendenze attuali nei metodi di calcolo per progettare gearbox · Tendenze attuali nei metodi di calcolo per progettare gearbox ... Svizzera - Standardized Gear Calculation Procedures

Gear Failure Modes: Wear

- Dry running Gears in plastic- Big low speed Gears in steel

VDI 2736:

Wear distribution on Flank

Page 12: Tendenze attuali nei metodi di calcolo per progettare gearbox · Tendenze attuali nei metodi di calcolo per progettare gearbox ... Svizzera - Standardized Gear Calculation Procedures

Actual trends

‘Old’ and ‘new’ Gear Types

Page 13: Tendenze attuali nei metodi di calcolo per progettare gearbox · Tendenze attuali nei metodi di calcolo per progettare gearbox ... Svizzera - Standardized Gear Calculation Procedures

Gear pairs

External gears Internal gears Bevel gearsSpiral bevel gears

Cylindrical gears

Face gears

Intersect axesParrallel axes

Worm gearsCrossed helical gearsHypoid gears

Skewed axes

Page 14: Tendenze attuali nei metodi di calcolo per progettare gearbox · Tendenze attuali nei metodi di calcolo per progettare gearbox ... Svizzera - Standardized Gear Calculation Procedures

Beveloid gears Face gears

Page 15: Tendenze attuali nei metodi di calcolo per progettare gearbox · Tendenze attuali nei metodi di calcolo per progettare gearbox ... Svizzera - Standardized Gear Calculation Procedures

Special Gear Geometry:

Low loss gears, Cycloid Gears, ...

Low Loss Gearsmn smallz1, z2 high

ea 1.0-1.1

Page 16: Tendenze attuali nei metodi di calcolo per progettare gearbox · Tendenze attuali nei metodi di calcolo per progettare gearbox ... Svizzera - Standardized Gear Calculation Procedures

Non-conventional

Gear Calculation Procedures

Page 17: Tendenze attuali nei metodi di calcolo per progettare gearbox · Tendenze attuali nei metodi di calcolo per progettare gearbox ... Svizzera - Standardized Gear Calculation Procedures

Contact Analysis

Non loaded contact pattern analysis (TCA)

Loaded Tooth Contact Analysis (LTCA)

Page 18: Tendenze attuali nei metodi di calcolo per progettare gearbox · Tendenze attuali nei metodi di calcolo per progettare gearbox ... Svizzera - Standardized Gear Calculation Procedures

Contact pattern analysis (Non loaded)

Easy to handle, if a true 3D model is available!

Produce a ‘skin’-model of both gears Rotate one gear against the other The contact pattern shows up Considering shaft alignment and mounting position error

Page 19: Tendenze attuali nei metodi di calcolo per progettare gearbox · Tendenze attuali nei metodi di calcolo per progettare gearbox ... Svizzera - Standardized Gear Calculation Procedures

Loaded Tooth Contact Analysis (LTCA)

by specific semi-numeric approach by FEM(as RIKOR, … since 1977) (as ANSYS, NASTRAN,…)

Page 20: Tendenze attuali nei metodi di calcolo per progettare gearbox · Tendenze attuali nei metodi di calcolo per progettare gearbox ... Svizzera - Standardized Gear Calculation Procedures

Helical gear contact analysis

Main results: Stress distribution, Transmission error, Losses, ….

Page 21: Tendenze attuali nei metodi di calcolo per progettare gearbox · Tendenze attuali nei metodi di calcolo per progettare gearbox ... Svizzera - Standardized Gear Calculation Procedures

Bevel gear contact analysis

- For straigth, helical and spiral bevel gears - For Klingelnberg and Gleason bevel gears- Allows the analytical evaluation of flank contact with TE, H. Pressure, ..

Klingelnberg, with profile modification Gleason, without profile modification

Page 22: Tendenze attuali nei metodi di calcolo per progettare gearbox · Tendenze attuali nei metodi di calcolo per progettare gearbox ... Svizzera - Standardized Gear Calculation Procedures

Bevel gear contact analysis

Comparison of modification (Klingelnberg 11:54, D2=360mm)

Modification:LB=150mmHB=60mm

Page 23: Tendenze attuali nei metodi di calcolo per progettare gearbox · Tendenze attuali nei metodi di calcolo per progettare gearbox ... Svizzera - Standardized Gear Calculation Procedures

Contact Analysis

Flank and Profile Modification Optimization:Transmission Error and KHb at 60, 80, 100% load with different modifications.

Page 24: Tendenze attuali nei metodi di calcolo per progettare gearbox · Tendenze attuali nei metodi di calcolo per progettare gearbox ... Svizzera - Standardized Gear Calculation Procedures

Contact Analysis in Gear Configurations

Page 25: Tendenze attuali nei metodi di calcolo per progettare gearbox · Tendenze attuali nei metodi di calcolo per progettare gearbox ... Svizzera - Standardized Gear Calculation Procedures

Deformation of planet carrier

Shafts are calculated (including bearing stiffness) using conventional methodsCarrier deformation (torsion) by FECarrier 3D is builded and processed automatically

FE softwareCode-Aster used

Page 26: Tendenze attuali nei metodi di calcolo per progettare gearbox · Tendenze attuali nei metodi di calcolo per progettare gearbox ... Svizzera - Standardized Gear Calculation Procedures

Bearings, Shafts, Screws,

Connections, …

Page 28: Tendenze attuali nei metodi di calcolo per progettare gearbox · Tendenze attuali nei metodi di calcolo per progettare gearbox ... Svizzera - Standardized Gear Calculation Procedures

System view:

Gearboxes, Power Transmission

Page 29: Tendenze attuali nei metodi di calcolo per progettare gearbox · Tendenze attuali nei metodi di calcolo per progettare gearbox ... Svizzera - Standardized Gear Calculation Procedures

System view

Power flow definitionDuty cyclesLifetime analysisRunning virtual tests

Page 30: Tendenze attuali nei metodi di calcolo per progettare gearbox · Tendenze attuali nei metodi di calcolo per progettare gearbox ... Svizzera - Standardized Gear Calculation Procedures

Damage Calculation of all Components

> Finding the weakest element

Page 31: Tendenze attuali nei metodi di calcolo per progettare gearbox · Tendenze attuali nei metodi di calcolo per progettare gearbox ... Svizzera - Standardized Gear Calculation Procedures

Total Power Losses: Automotive

Reduce losses in Gear meshing, clutches, synchronization,

lubrication system, sealing

Double Clutch

Transmission

Page 32: Tendenze attuali nei metodi di calcolo per progettare gearbox · Tendenze attuali nei metodi di calcolo per progettare gearbox ... Svizzera - Standardized Gear Calculation Procedures

Thermal Capacity: Industrial Gear Reducers

(ISO 14179 and others)

Page 33: Tendenze attuali nei metodi di calcolo per progettare gearbox · Tendenze attuali nei metodi di calcolo per progettare gearbox ... Svizzera - Standardized Gear Calculation Procedures

Contact Analysis including Housing Stiffness

Stiffness Matrix

Bearing Loads

sH-distribution from LTCA:

Page 34: Tendenze attuali nei metodi di calcolo per progettare gearbox · Tendenze attuali nei metodi di calcolo per progettare gearbox ... Svizzera - Standardized Gear Calculation Procedures

Eigenfrequencies on System level

(Torsional and bending)

Page 35: Tendenze attuali nei metodi di calcolo per progettare gearbox · Tendenze attuali nei metodi di calcolo per progettare gearbox ... Svizzera - Standardized Gear Calculation Procedures

System: Integration with

Multibody Dynamic Simulation

Gear Calculation Dynamic Simulation

Gear meshing stiffness >> Simulation

Stresses, Lifetime << Torque behavior

ADAMS

Page 36: Tendenze attuali nei metodi di calcolo per progettare gearbox · Tendenze attuali nei metodi di calcolo per progettare gearbox ... Svizzera - Standardized Gear Calculation Procedures

Noise Prediction

Transmission Error

is known

Vibration propagation

is hard to predict

Noise (dB(A)) prediction

is not yet possible

dB(A) ??

Page 37: Tendenze attuali nei metodi di calcolo per progettare gearbox · Tendenze attuali nei metodi di calcolo per progettare gearbox ... Svizzera - Standardized Gear Calculation Procedures

Who we are

Page 38: Tendenze attuali nei metodi di calcolo per progettare gearbox · Tendenze attuali nei metodi di calcolo per progettare gearbox ... Svizzera - Standardized Gear Calculation Procedures

Company KISSsoft AG1980: Software development for personal use from Kissling Gear AG

1986: Sale of the first KISSsoft license to company Saurer AG, Switzerland

1998: KISSsoft AG Switzerland, Founder Dr. Kissling

2005: KISSsoft USA LLC, Chicago

2015: Partners in Korea, China, India, South Africa, Italy, France,Germany, Argentina, Turkey, Belarus, Czech Republic,Slovakia, Russia, BrazilOver 2700 clients worldwide, 30 members of staff

For over 30 years KISSsoft AG has been the driving force behind developments in the machine elements sector.

Its activities in committees that define international calculation standards ensure first-hand knowledge.

Page 39: Tendenze attuali nei metodi di calcolo per progettare gearbox · Tendenze attuali nei metodi di calcolo per progettare gearbox ... Svizzera - Standardized Gear Calculation Procedures

KISSsoft – for modular connections

Software

KISSsoft

KISSsys

Training

Support

Maintenance

Engineering

Consulting

Customizing

Software Expertise and Engineering Know-how

Solutions for engineers and designers

Page 40: Tendenze attuali nei metodi di calcolo per progettare gearbox · Tendenze attuali nei metodi di calcolo per progettare gearbox ... Svizzera - Standardized Gear Calculation Procedures