Simulation of wear and damages on the teeth of cylindrical gears : Influence on static and dynamic behaviour of geared transmissions
Simulation de l'usure et d'avaries sur des dentures d'engrenages cylindriques : Influence sur le comportement statique et dynamique de transmission par engrenages
Résumé
Gear transmissions have high power-to-weight ratios, can be made very compact and match the speeds and torques of one machine to another with high efficiency. However, gears are one of the weakest links in a transmission and can develop a number of failures (wear, contact fatigue, bending fatigue, etc.) which downgrade the overall transmission performance. The objective of this work is twofold; on the one hand, simulate abrasive wear on tooth flanks and contact fatigue leading to pitting, on the other hand, analyse the interactions between these damages and the dynamic and static behaviour of geared transmissions. To this end, a three dimensional gear dynamic model is used and coupled with several wear and fatigue models. The wear on tooth flanks is simulated based on a modified Archard’s law which includes the influence of the lubrication regime. Wear is accounted for via time- and position-varying distributions of normal deviations with respect to ideal flank geometry which are superimposed on profile and lead modifications. The occurrence of pitting is divided into two periods: a) a crack initiation period simulated by using several multi-axial fatigue criteria and, b) a crack propagation phase which is tackled using the theory of linear elastic rupture mechanics. The dynamic tooth loads delivered by the gear dynamic model are used as input data for the simulations of crack initiation and then crack propagation. A number of results are presented and the interactions between wear, contact fatigue and dynamic behaviour are investigated and commented upon.
Les systèmes de transmission par engrenages sont largement utilisés pour transmettre de la puissance et adapter les vitesses de rotation entre organes moteurs et récepteurs. Dans ce contexte, les engrenages sont fréquemment les organes parmi les plus sensibles de la chaîne cinématique et peuvent être soumis à un grand nombre d’avaries (fatigue de contact, fatigue de flexion, usure…etc.) apparaissant lors du fonctionnement et dont les causes sont multiples. L’objectif de ce travail est, d’une part, de simuler l’usure abrasive et la fatigue de contact conduisant à de l’écaillage (pitting) et, d’autre part, d’analyser les interactions entre ces avaries et le comportement statique et dynamique de transmission par engrenages. A cette fin, un modèle dynamique tridimensionnel d’engrenages de fortes largeurs est couplé à des modèles d’usure et d’avaries de contact. L’usure est simulée en s’appuyant sur le modèle d’Archard modifié afin de tenir compte de l’influence du régime de lubrification. Les usures obtenues après un certain nombre de cycles de chargement sont considérées comme des écarts initiaux additionnels par rapport à la géométrie idéale du flanc de denture. Les phénomènes de fatigue de contact par pitting sont analysés en deux étapes; a) une période d’initiation de fissure simulée en s’appuyant sur plusieurs critères de fatigue multiaxiaux et b) une phase de propagation de fissure traitée par la mécanique linéaire élastique de la rupture. Les sollicitations dynamiques fournies par le modèle dynamique d’engrenages sont utilisées comme données d’entrée pour la simulation des périodes d’initiation puis de propagation. Un grand nombre d’exemples d’application sont présentés et les interactions entre comportement dynamique, usure et fatigue sur des engrenages cylindriques sont analysées.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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