Characteristics of a New Test RIG and Methodology for Cyclic Testing of Gear Tooth Bending Fatigue Strength

Tooth fracture is the most dangerous form of gear wear that excludes the gear from further use. In order to counteract the occurrence of this type of damage, it is very important to properly design the toothed gear. To calculate the gear tooth bending strength, a strength parameter called the nominal stress number σFlim is necessary. ISO 6336-5:2003(E) and available material databases provide σFlim values for the most popular engineering materials used for gears, including those for case-hardened steels. There is, however, no data for a new generation of nanostructured engineering materials, which are the subject of research conducted at the Tribology Department of ITeE – PIB. The σFlim parameter is most often determined in cyclic fatigue tests on toothed gears with specially selected tooth geometry. In order to determine the above strength parameter, a pulsator (symbol T-32) was developed and manufactured at ITeE-PIB in Radom. The article presents a new device, research methodology, and the results of verification tests for case-hardened steel 18CrNiMo7-6, confirming the correctness of the adopted design assumptions and the developed research methodology. The results of tooth bending fatigue tests are the basis for the selection of a new engineering material dedicated to gears, which later undergoes tribological testing.

Złamanie zęba u podstawy jest najbardziej niebezpieczną formą zużycia kół zębatych wykluczającą je z dalszej eksploatacji. W celu przeciwdziałania wystąpieniu tego rodzaju uszkodzenia bardzo istotne jest właściwe zaprojektowanie koła zębatego. Do obliczeń wytrzymałościowych kół zębatych na złamanie zęba niezbędny jest parametr wytrzymałościowy zwany granicą zmęczenia σFlim. Norma ISO 6336–5:2003(E), a także dostępne bazy materiałowe podają wartości σFlim dla najbardziej popularnych materiałów wykorzystywanych na koła zębate, w tym dla stali nawęglanych. Brak jest jednak jakichkolwiek danych dla nowej generacji nanostrukturalnych materiałów konstrukcyjnych, które są przedmiotem badań prowadzonych w Zakładzie Tribologii ITeE – PIB. Parametr σFlim wyznacza się najczęściej w badaniach pulsacyjnych na kołach zębatych o specjalnie dobranej geometrii uzębienia. W celu wyznaczenia powyższego parametru wytrzymałościowego w ITeE – PIB w Radomiu opracowano i wytworzono pulsator (o symbolu T–32). W artykule przedstawiono nowe urządzenie, metodykę badawczą oraz wyniki badań weryfikacyjnych dla stali konstrukcyjnej 17HNM – nawęglanej i hartowanej, potwierdzające poprawność przyjętych założeń konstrukcyjnych i opracowanej metodyki badawczej. Wyniki badań zmęczeniowych stanowią podstawę wyboru nowego materiału konstrukcyjnego dedykowanego na koła zębate, które później poddaje się przekładniowym badaniom tribologicznym.