Simulation of the fatigue-wear coupling mechanism of an aviation gear

  • PDF / 7,361,550 Bytes
  • 19 Pages / 595.22 x 842 pts (A4) Page_size
  • 42 Downloads / 164 Views

DOWNLOAD

REPORT


ISSN 2223-7690 CN 10-1237/TH

RESEARCH ARTICLE

Simulation of the fatigue-wear coupling mechanism of an aviation gear   Boyu ZHANG1, Huaiju LIU1,*, Caichao ZHU1, Yibo GE2 1

State Key Laboratory of Mechancial Transmissions, Chongqing University, Chongqing 400044, China

2

Shanghai Peentech Equipment Tech. Co. Ltd., Shanghai 201800, China

Received: 31 March 2020 / Revised: 09 July 2020 / Accepted: 21 August 2020

© The author(s) 2020. Abstract:  The  contact  fatigue  of  aviation  gears  has  become  more  prominent  with  greater  demands  for  heavy‐duty  and  high‐power  density  gears.  Meanwhile,  the  coexistence  of  tooth  contact  fatigue  damage  and  tooth  profile  wear  leads  to  a  complicated  competitive  mechanism  between  surface‐initiated  failure  and subsurface‐initiated contact fatigue failures. To address this issue, a fatigue‐wear coupling model of  an aviation gear pair was developed based on the elastic‐plastic finite element method. The tooth profile  surface  roughness  was  considered,  and  its  evolution  during  repeated  meshing  was  simulated  using  the  Archard  wear  formula.  The  fatigue  damage  accumulation  of  material  points  on  and  underneath  the  contact  surface  was  captured  using  the  Brown‐Miller‐Morrow  multiaxial  fatigue  criterion.  The  elastic‐plastic  constitutive  behavior  of  damaged  material  points  was  updated  by  incorporating  the  damage variable. Variations in the wear depth and fatigue damage around the pitch point are described,  and the effect of surface roughness on the fatigue life is addressed. The results reveal that whether fatigue  failure occurs initially on the surface or sub‐surface depends on the level of surface roughness. Mild wear  on  the  asperity  level  alleviates  the  local  stress  concentration  and  leads  to  a  longer  surface  fatigue  life  compared with the result without wear.    Keywords: gear contact fatigue; tooth wear; surface roughness; damage accumulation     

1    Introduction  Gears  are  extensively  utilized  in  numerous  machines such as helicopters, ships, wind turbines,  and vehicles. Particularly in the aviation, gears are  important components that influence the reliability  of  helicopters,  aero‐engines,  vertical‐flight  vehicles,  and  other  aviation  equipments  [1].  There  is  a  demand  for  improved  performance,  reduced  weight,  and  increased  temperature  resistance  in  these  aviation  applications.  Although  there  are  many  innovative  manufacturing  techniques,  including surface superfinishing and shot peening  that  increase  the  life  and  reliability  of  these  gears 

[2],  aviation  gears  can  fail  or  lead  to  disastrous  accidents  due  to  fatigue  failures  [3].  Gear  contact  fatigue  life  is  one  of  the  main  factors  determining  the  time  between  overhauls  (TBO)  of  aviation  transmissions.  The  contact  fatigue  problems  of  aviation  gears  are  an  important  bottleneck  in  the  industry.  Addressing  them  requires  methods  to  pr