歯車の疲労強度と寿命の計算

かさ歯車の設計はかなり複雑な作業です。 円筒歯車とは異なり、かさ歯車は常にペアで設計されます。 設計エンジニアは、最小寸法、最大耐荷重、騒音低減、現場機械での製造の容易さなど、数多くの相反する目標を考慮する必要があります。 しかし、次の 1 つの側面が省略されることがよくあります。

ギアの疲労強度はどうですか？

歯にかかる最大荷重が材料の荷重制限を超えない場合、荷重が取り除かれると歯は初期状態に戻ります。 この仮定は、数百の負荷アプリケーションに当てはまります。 しかし、数百万回の荷重を適用する場合、損傷は材料の荷重制限よりもはるかに低い荷重で発生します。 この現象は疲労として知られています。

OEM および Tier1 ギア サプライヤーの中核となる疲労強度試験は、時間のかかるトランスミッションの試験を通じて行われます。 これらのテストは、実際の使用条件下で発生するのと同じ損傷を与える、経験的に定義された負荷スペクトルを使用して実行されます。 かさ歯車の耐久性試験に使用される機械の 1 つが、エリコン TS 30 かさ歯車テスト スタンドです。

コストと時間のかかる各設計のテストを行う代わりに、かさ歯車の耐用年数を計算できたらどうなるでしょうか?

KIMoS (Klingelnberg Integrated Manufacturing of Spiral Bevel Gears) の最新バージョンでは、クリンゲルンベルクは、特定の動作荷重、面ホブ設計および面フライス加工に対するかさ歯車の耐用年数を計算できるようにしています。

かさ歯車の疲労強度を計算するには、歯車の正確な形状、材料の特性、歯車セットの運転条件という 3 つの基本要素を知る必要があります。 KIMoS では、これらすべての要素が考慮されます。 疲労強度は、線形累積損傷仮説に基づいたマイナーの法則を使用して計算されます。

歯車ペアへの累積損傷は、荷重スペクトル、歯面の荷重集中、歯元の曲げ応力、材料の周期応力-ひずみ特性を組み合わせることによって予測できます。 ピッチングと破損の合計累積損傷が利用可能な場合、KIMoS はかさ歯車セットの耐用年数を計算できます。

非常に限られた数の荷重ケースで荷重スペクトルを生成するには、荷重サイクルに対していずれかのカウント方法を使用する必要があります。 多くの異なる荷重サイクルからなる実際の荷重条件 (レインフロー法など) を最初に使用する場合、これらの周期的なイベントをカウントできるため、非常に少ない荷重ケース数で実際の運転荷重サイクルを荷重に変換することができます。スペクトラム。

将来的には、歯車の寿命計算が耐久試験に取って代わられるのでしょうか?

答えは明確にノーです。 ただし、疲労強度を計算すると、さまざまな設計を非常に効果的に比較できます。 いずれかの設計の耐久テスト データが存在する場合、gewar ペアの予想耐用年数を非常に正確に見積もることができます。

そのため、KIMoS を使用すると、設計エンジニアは、形状や騒音放出の要件を満たすだけでなく、疲労寿命も考慮した設計を作成できるようになります。

次の例は、同じ寸法データを持つ 2 つの設計を示していますが、フランク形状変更の有無で異なります。 歯車データは、z=13/38 歯、リングギアの外側ピッチ直径は 250 mm、ハイポイド オフセットは 20 mm です。 この例は、歯面修正の可能性を示しています。 左のデザインの寿命は約1年です。 14,000 時間。これはピニオンの歯元応力によって制限されます。 右のデザインの寿命は約1年です。 34,000 時間ですが、ここでも計算上の故障原因はピニオンの歯の破損です。

KIMoS は、設計エンジニアが騒音挙動と負荷容量を最適化できるだけでなく、特定の負荷ケースに応じてギア セットの耐用年数を最適化することも可能にします。 これにより、軽量設計の新たな可能性への道が開かれ、より効率的で堅牢なギア設計が可能になります。