Suitable Material Selection for Large Size Cylindrical Gears*
-
D. Fuchs
,
C. Güntner
Abstract
Globalization and international supply chains constantly challenge gear- and steel manufacturers. In the case of large gear units in particular, expensive alloy contents have a direct impact on the material price. Steels with lower alloy contents and therefore cheaper steels are therefore becoming the focus of attention in order to further improve competitiveness. This article therefore compares two materials with different alloying elements and contents and thus different hardenability behaviour. For this purpose, extensive material characterizations as well as pulsator tests were carried out on case-hardened large gears. The aim of these tests was to determine the tooth root load-bearing capacity of the two material variants. Finally, the results are compared, discussed and recommendations for industrial application are derived, taking into account the hardenability of large gears. ◼
Kurzfassung
Globalisierung und internationale Lieferketten stellen sowohl Getriebe- als auch Stahlhersteller vor immer neue Herausforderungen. Insbesondere bei Großgetrieben schlagen sich teure Legierungsanteile direkt auf den Materialpreis nieder. Stähle mit niedrigeren Legierungsgehalten und dadurch kostengünstigere Stähle rücken infolgedessen in den Fokus, um die Wettbewerbsfähigkeit weiter verbessern zu können. Im Rahmen dieses Beitrags werden deshalb zwei Werkstoffe mit unterschiedlichen Legierungselementen und -gehalten und damit unterschiedlichen Härtbarkeitsverhalten gegenübergestellt. Hierfür wurden umfangreiche Werkstoffcharakterisierungen als auch Pulsatorversuche an einsatzgehärteten Großzahnrädern durchgeführt. Ziel dieser Versuche war die Ermittlung der Zahnfußtragfähigkeit der beiden Werkstoffvarianten. Abschließend werden die Ergebnisse vergleichend gegenübergestellt, diskutiert und Empfehlungen für die industrielle Anwendung unter Berücksichtigung der Härtbarkeit von Großzahnrädern abgeleitet. ◼
Acknowledgement
The presented results are based on the research project IGFNo. 18477 N/1 of the Research Association for Power Transmission Technology e.V. (FVA); partly funded by the FVA and via the Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen e.V. (AiF) within the framework of the program for the promotion of joint industrial research (IGF) by the Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) on the basis of a decision by the German government. The authors would like to thank the FVA/ AiF and the members of the project-accompanying committee for their promotion and support. The results shown were taken from the research project FVA 740 I „Hardenability of large gears“ [FVA18]. Further information on the influence of different materials as well as case hardening depths on the tooth root load carrying capacity can be found in the final report.
Danksagung
Die vorgestellten Erkenntnisse basieren auf dem Forschungsvorhaben IGF‑Nr. 18477 N/1 der Forschungsvereinigung Antriebstechnik e.V. (FVA); gefördert teilweise von der FVA und über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen e.V. (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages. Die Autoren bedanken sich für die Förderung und Unterstützung bei der FVA/AiF und den Mitgliedern des projektbegleitenden Ausschusses. Die gezeigten Ergebnisse wurden aus dem Forschungsvorhaben FVA 740 I “Härtbarkeit Großzahnräder” [FVA18] entnommen. Weiterführende Informationen zum Einfluss unterschiedlicher Werkstoffe als auch Einsatzhärtungstiefen auf die Zahnfußtragfähigkeit können dem Abschlussbericht entnommen worden.
References
1 Güntner, C.; Tobie, T.; Stahl, K.: Härtbarkeit Großzahnräder – Einflüsse aus Baugröße, Härtbarkeit und Einsatzhärtungstiefe und deren Gesamtwirkung auf die Zahnfußtragfähigkeit einsatzgehärteter Stirnräder größerer Baugröße. Forschungsvorhaben Nr. 740 I, Heft 1303, FVA, Frankfurt, 2018Search in Google Scholar
2 Börnecke, K.; Rösch, H.; Käser, W.; Bagh, P.; Rettig, H.; Hösel, T.; Weck, M.; Winter, H.: Grundlagenversuche zur Ermittlung der richtigen Härtetiefe bei Wälz- und Biegebeanspruchungen. FVA 8, Heft 36, FVA, Frankfurt, 1976Search in Google Scholar
3 Tobie, T.; Oster, P.; Höhn, B.-R.: Härtetiefe-Großzahnräder – Einfluss der Einsatzhärtetiefe auf die Grübchen und Zahnfußtragfähigkeit großer Zahnräder. FVA 622, Heft 271, FVA, Frankfurt, 2001Search in Google Scholar
4 Tobie, T.: Zur Grübchen- und Zahnfußtragfähigkeit einsatzgehärteter Zahnräder. Dissertation, Technische Universität München, 2001Search in Google Scholar
5 Tobie, T.: Profondita di cementazione e Capacita di Carico. Organi di Trasmissione 30 (2000), pp. 82–92Search in Google Scholar
6 Tobie, T.; Oster, P.; Höhn, B.-R.: Case Depth and Load Capacity of Case-Carburized Gears Optimizing case depth for a particular application. Gear Technology (2002) 19, pp. 31–40Search in Google Scholar
7 Tobie, T.; Oster, P.; Höhn, B.-R.: Systematic Investigations on the Influence of Case Depth on the Pitting and Bending Strength of Case Carburized Gears. Gear Technology 22 (2005) 4, pp. 40–48Search in Google Scholar
8 Mallener, H.; Schulz, M.: Wärmebehandlung von Zahnrädern. Randschichtermüdung im Wälzkontakt. Berichtsband zur AWT-Tagung, 06.-07.05.1992, Suhl, AWT, Wiesbaden, 1992, pp. 93–110Search in Google Scholar
9 Niemann, G.; Winter, H.: Maschinenelemente. Bd. 2: Getriebe allgemein, Zahnradgetriebe – Grundlagen, Stirnradgetriebe. 2. Aufl. Springer, Berlin, 2003. – ISBN: 978366211873310.1007/978-3-662-11873-3Search in Google Scholar
10 Funatani, K.: Einfluß von Einsatzhärtungstiefe und Kernhärte auf die Biegedauerfestigkeit von aufgekohlten Zahnrädern. Härterei-Techn. Mitt. 25 (1970) 2, pp. 92–98Search in Google Scholar
11 Yoshida, A.; Fujita, K.; Kanehara, T.; Ota, K.: Effect of case depth on fatigue strength of case-hardened gears. Bulletin of JSME 29 (1986) 247, pp. 228–23410.1299/jsme1958.29.228Search in Google Scholar
12 Pedersen, R.; Rice, L.: Case Crushing of Carburized and Hardened Gears. SAE (1961), pp. 370–380, DOI:10.4271/61003410.4271/610034Search in Google Scholar
13 DIN 3990: Tragfähigkeitsberechnung von Stirnrädern, Beuth Verlag, Berlin, 1987Search in Google Scholar
14 ANSI 2101-C95: Fundamental Rating Factors and Calculation Methods for Involute Spur and Helical Gear Teeth. AGMA, Washington, USA, 1999Search in Google Scholar
15 ISO 6336:1-5: Calculation of load capacity of spur and helical gears. Beuth Verlag, Berlin, 2019Search in Google Scholar
16 Braykoff, C.: Tragfähigkeit kleinmoduliger Zahnräder. Dissertation, Technische Universität München, 2007Search in Google Scholar
17 Braykoff, C.; Oster, P.; Höhn, B.-R.: Size and material influence on the tooth root, pitting, scuffing and wear load carrying capacity of fine module gears. International Conference on Gears, VDI-Berichte 21082, 04.-06.10.2010, VDI, Düsseldorf, 2010, pp. 1295–1307Search in Google Scholar
18 Dobler, A.; Hergesell, M.; Tobie, T.; Stahl, K.: Increased Tooth Bending Strength and Pitting Load Capacity of Fine-Module Gears. Gear Technology 34 (2016) 1, pp. 48–53Search in Google Scholar
19 Dobler, A.; Tobie, T.; Stahl, K.; Hergesell, M.: Increased Tooth Bending Strength and Pitting Load Capacity of Fine Module Gears. International Conference on Gears 2015, 06.10.2015, VDI-Berichte 2255, VDI, Düsseldorf, 2015, pp. 205–216Search in Google Scholar
20 Hergesell, M.; Tobie, T.; Stahl, K.: Tragfähigkeit Kleingetriebe II – Überprüfung der Grübchen- und Zahnfußtragfähigkeit gerad- und schrägverzahnter, kleinmoduliger Zahnräder und Zusammenfassung von Empfehlungen zum Erreichen optimaler Tragfähigkeit für Zahnräder mit Modul ≤ 1 mm. FVA-Forschungsvorhaben 410/II. FVA 986, 2011Search in Google Scholar
21 Stahl, K.; Höhn, B.-R.; Tobie, T.: Tooth Flank Breakage: Influences on Subsurface Initiated Fatigue Failures of Case Hardened Gears. Proc. 25th Int. Conf. Design Engineering Technical Conferences & Computers and Information in Engineering, 08.04.2013, Portland, Oregon, USA, ASME, NY, USA, 201410.1115/DETC2013-12183Search in Google Scholar
22 Tobie, T.; Hippenstiel, F.; Mohrbacher, H.: Optimizing Gear Performance by Alloy Modification of Carburizing Steels. Metals 7 (2017) 10, p. 415, DOI:10.3390/met710041510.3390/met7100415Search in Google Scholar
23 Wegst, M.; Wegst, C. W.: Stahlschlüssel – Key to Steel. 24. Aufl., Verlag Stahlschlüssel Wegst GmbH, Marbach, 2016Search in Google Scholar
24 ISO 6336-5:2016-08: Calculation of load capacity of spur and helical gears – part 5: strength and quality of materials. Beuth Verlag, Berlin, 2016Search in Google Scholar
25 ISO 4967: Steel-Determination of content of nonmetallic inclusions-Micrographic method using standard diagrams. Beuth Verlag, Berlin, 1998Search in Google Scholar
26 ASTM E45–13: Standard Test Methods for Determining the Inclusion Content of Steel. ASTM International, West Conshohocken, PA, USA, 2013Search in Google Scholar
27 DIN EN ISO 643: Mikrophotographische Bestimmung der scheinbaren Korngröße. Beuth Verlag, Berlin, 2003Search in Google Scholar
28 DIN EN ISO 642: Stirnabschreckversuch (Jominy Versuch). Beuth Verlag, Berlin, 2000Search in Google Scholar
29 DIN EN 10084: Einsatzstähle – Technische Lieferbedingungen. Beuth Verlag, Berlin, 2008Search in Google Scholar
30 DIN EN ISO 683-3: Für eine Wärmebehandlung bestimmte Stähle, legierte Stähle und Automatenstähle – Teil 3: Einsatzstähle. Beuth Verlag, Berlin, 2019Search in Google Scholar
31 Hippenstiel, F.; Mohrbacher, H.: Optimization of molybdenum alloyed carburizing steels by Nb microalloying for large gear applications. Proc. of Materials science and technology. 16.-20.10.2011, Columbus, OH, USA, Association for Iron & Steel Technology, 2011, pp. 446–453. – ISBN: 9781618392619Search in Google Scholar
32 DIN 3990-3: Tragfähigkeitsberechnung von Stirnrädern; Berechnung der Zahnfußtragfähigkeit. Beuth Verlag, Berlin, 1987Search in Google Scholar
33 ISO 6336-3: Calculation of load capacity of spur and helical gears- part 3: calculation of tooth bending strength. Beuth Verlag, Berlin, 2006Search in Google Scholar
34 H. Rettig: Ermittlung von Zahnfußfestigkeit-Kennwerten auf Verspannungsprüfständen und Pulsatoren. Antriebstechnik 26 (1987) 2, pp. 51–55Search in Google Scholar
35 Steutzger, M.; Suchandt, T.; Stahl, K.: Größeneinfluss auf die Zahnfußfestigkeit – Abschlussbericht, FVA 162 (1997), 529Search in Google Scholar
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