Asimetrik düz dişli çarkların eğilme gerilmeleri altında yorulma performansının deneysel olarak incelenmesi

Abstract

Bu tez çalışmasında, deneysel olarak simetrik ve asimetrik dişli çarkların eğilme gerilmeleri altında tek diş yorulma performans analizi çalışmaları yapılmıştır. Literatürde asimetrik dişli çarklar ile ilgili teorik çalışmalar ve sonlu elemanlar metodu ile yapılan analiz çalışmaları bulunmaktadır. Asimetrik dişli çarklar ile ilgili, diş dibi gerilmesinde elde edilen azalmanın yorulma performansına etkisinin deneysel olarak araştırılması noktasında teorik çalışmaları doğrulayıcı yeterli çalışma bulunmamaktadır. Bu çalışmada, simetrik ve asimetrik düz dişli çarkların tek diş eğilmeli yorulma kırılması testleri yapılarak dişli çark dişlerinin yorulma performansları analiz edilmiştir. Diş dibi bölgesinde oluşan kritik gerilme hesapları literatürde kullanılan yaklaşımlar referans alınarak yapılmıştır. Deneysel çalışmaları gerçekleştirmek için özgün bir deney seti tasarlanmış ve AISI 4140 malzemeden imal edilen dişli çarklar bu test aparatında test edilmiştir. Test edilen dişli çarklar; 20°/20° kavrama açısına sahip simetrik düz dişli çarklar, 20°/22° kavrama açısına sahip asimetrik düz dişli çarklar ve 20°/25° kavrama açısına sahip asimetrik düz dişli çarklar olarak belirlenmiştir. Simetrik ve asimetrik dişli çarkların sadece test edilecek dişleri çark üzerinde bırakılıp diğer dişler kaldırılarak imal edilen dişler testlerde kullanılmıştır. Deneylerde, dişli çarklarda en yüksek yük uygulama bölgesi olan tek diş üst temas noktasından, belirlenen yükler uygulanarak diş dibinde gerilmeler oluşturulmuş ve değişken gerilmeler altında yorulma testleri yapılmıştır. Tek diş eğilmeli yorulma kırılması test sonuçları hem tork hem de diş dibi gerilmesi baz alınarak grafikler halinde sunulmuştur. Test sonuçlarına göre asimetrik dişlerin yorulma dayanımında ciddi artış elde edilmiştir. 20°/22 kavrama açısına sahip asimetrik düz dişli çark dişlerinde 20°/20° kavrama açısına sahip simetrik düz dişli çark dişlerine göre aynı tork değerlerinde yapılan testler dikkate alındığında istatistiksel olarak % 90'a yakın performans artışı elde edilmiştir. 20°/25° kavrama açısına sahip asimetrik düz dişli çark dişlerinde nispeten yüksek çevrim sayılarında diş yanak hasarı oluştuğu gözlenmiştir. Diş yanak hasarı oluşumunun yorulma performansını olumsuz etkiledi tespit edilmiştir. Deneysel çalışmalar sonucunda, dişli çark dişlerinde kavrama açılarındaki küçük değişimlerin eğilme gerilmeleri altında yorulma performansına ve diş hasarı oluşma şekillerine etkileri belirlenmiştir. Tek diş eğilmeli yorulma kırılması deney sonuçları istatistiksel olarak değerlendirilmiş ve asimetrik dişlerin yorulma dayanımında artış tespit edilmiştir.

In this thesis study, single tooth bending fatigue performance analysis studies were performed under the bending stresses of the symmetric and asymmetric gears. There are theoretical studies and finite element method analysis studies about asymmetric gears in literature but there is not enough experimental study to confirm the theoretical studies on the effect of the reduction in tooth root stress on fatigue performance.In this study, single tooth bending fatigue tests of symmetric and asymmetric spur gears were done and fatigue performances of gears were analyzed. Critical stress analyzes in the root region of tooth were calculated by referring to the approaches used in the literature. In order to carry out the experimental studies, a unique testing set design was carried out and the gears which were made of AISI 4140 material then were tested in this test apparatus. Gears to be tested specified as the symmetrical spur gears with 20°/20° pressure angle, asymmetrical spur gears with 20°/22° pressure angle and asymmetrical spur gears with 20°/25° pressure angle. Only the tooth of the symmetrical and asymmetric gears to be tested were left on the gear and the other tooth are removed during the design process and the gears were manufactured in this way. In the experiments, specified loads were applied to the tooth flanks from the highest point of single tooth contact and fatigue tests were done under variable stresses. Single tooth bending fatigue test results were presented as graphs based on both torque and root stress. According to the test results, a significant increase in fatigue strength of asymmetric tooth was obtained. According to the tests carried out at the same torque, a fatigue performance increase of 90 % was obtained statistically in asymmetric gears which has 20°/22° pressure angle compared with symmetric gears which has pressure angle 20°/20°. Tooth flank fracture damages have been observed in the asymmetric spur gear tooth which has 20°/25° pressure angle at the relatively high number of cycles. It has been determined that tooth flank fracture damage has affected the fatigue performance negatively.As a result of experimental studies, the effects of small changes in pressure angles on the gear tooth under bending stresses and the effects of fatigue on the tooth damage shape were determined. Single tooth bending fatigue test results were statistically evaluated and enhancement in the asymmetric tooth fatigue strength was detected.