Influence of an Increased Case Hardening Depth on the Tooth Root Load Carrying Capacity of Large Modulus Cylindrical Gears Made of Materials with Higher Hardenability*

A. Sorg; C. Güntner; T. Tobie; K. Stahl

doi:10.1515/htm-2022-1035

Article

Influence of an Increased Case Hardening Depth on the Tooth Root Load Carrying Capacity of Large Modulus Cylindrical Gears Made of Materials with Higher Hardenability*

A. Sorg , C. Güntner , T. Tobie and K. Stahl

Published/Copyright: March 4, 2023

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From the journal HTM Journal of Heat Treatment and Materials Volume 78 Issue 1

Abstract

Highly stressed gears are usually manufactured from case hardening steels. The case hardening depth (CHD) has a significant influence on the tooth root load carrying capacity. For the materials 16MnCr5 and 20MnCr5, comprehensive investigations have been carried out in the past to determine the optimum case hardening depth up to size module m_n = 10 mm on cylindrical spur gears. In certain applications, however, it may be necessary to select an increased CHD, e. g. to reduce the risk of tooth flank breakage. The question therefore arises as to what extent the available findings on the influence of the CHD on the tooth root load carrying capacity can also be transferred to materials of higher hardenability and larger sizes. For this purpose, several materials with different alloy systems and hardenabilities were examined under variation of the case hardening depth. In addition to extensive material characterization, pulsator tests were carried out to determine the tooth root load-carrying capacity on test gears of size m_n = 12 mm. It is shown that the results obtained on MnCr steels up to size m_n = 10 mm can in principle also be transferred to the variants investigated here.

Kurzfassung

Hochbeanspruchte Zahnräder werden in der Regel aus Einsatzstählen gefertigt. Die Einsatzhärtungstiefe (CHD) hat hierbei einen wesentlichen Einfluss auf die Zahnfußtragfähigkeit. Für die Werkstoffe 16MnCr5 bzw. 20MnCr5 wurden in der Vergangenheit umfassende Untersuchungen zur Bestimmung der optimalen Einsatzhärtungstiefe bis zur Baugröße Modul m_n = 10 mm an geradverzahnten Stirnrädern durchgeführt. In bestimmten Anwendungsfällen kann es jedoch notwendig sein, z. B. zur Minderung des Risikos hinsichtlich Zahnflankenbruch, eine erhöhte CHD zu wählen. Daher stellt sich die Frage, inwieweit sich die vorliegenden Erkenntnisse zum Einfluss der CHD auf die Zahnfußtragfähigkeit auch auf Werkstoffe höherer Härtbarkeit und größere Baugrößen übertragen lassen. Hierzu wurden mehrere Werkstoffe mit unterschiedlichen Legierungssystemen und Härtbarkeiten unter Variation der Einsatzhärtungstiefe betrachtet. Neben einer umfangreichen Werkstoffcharakterisierung wurden Pulsatorversuche zur Ermittlung der Zahnfußtragfähigkeit an Prüfrädern der Baugröße m_n = 12 mm durchgeführt. Es zeigt sich, dass die an MnCr-Stählen bis zur Baugröße m_n = 10 mm ermittelten Ergebnisse, auch auf die hier untersuchten Varianten grundsätzlich übertragen werden können.

Keywords: Spur gears; large gears; hardenability; alloy contents; tooth root load carrying capacity; case hardening steels

Schlüsselwörter: Stirnräder; Großzahnräder; Härtbarkeit; Legierungsgehalte; Zahnfußtragfähigkeit; Einsatzstähle

* Lecture held at the HeatTreatingCongress HK2022, 11.–13. October 2022, Cologne

Danksagung

Die vorgestellten Erkenntnisse basieren auf dem Forschungsvorhaben IGF‑Nr. 18477 N/1 der Forschungsvereinigung Antriebstechnik e.V. (FVA), welches 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 Klimaschutz (BMWK) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert wurde. 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” [7] entnommen. Weiterführende Informationen zum Einfluss unterschiedlicher Werkstoffe als auch Einsatzhärtungstiefen auf die Zahnfußtragfähigkeit können dem Abschlussbericht entnommen werden.

Acknowledgements

The findings presented here are based on the research project IGF No. 18477 N/1 of the Forschungsvereinigung Antriebstechnik e.V. (FVA), which was funded by the FVA and by the German Federation of Industrial Research Associations (AiF) as part of the program to Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) by the Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) on the basis of a resolution of the German Bundestag. The authors would like to thank the FVA / AiF and the members of the project-accompanying committee for their funding and support. The results shown were taken from the research project FVA 740 I “Hardenability of large gears” [7]. Further information on the influence of different materials and case hardening depths on the tooth root load-carrying capacity can be found in the final report.

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Published Online: 2023-03-04

Published in Print: 2023-02-28

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Spur gears; large gears; hardenability; alloy contents; tooth root load carrying capacity; case hardening steels