Tooth flank fracture risk evaluation in carburized spur gears with simulation-based prediction of residual stresses

Iss, Valérian Rémi; Schulze, Volker; Broeckmann, Christoph

doi:10.2370/9783819100215

Tooth flank fracture risk evaluation in carburized spur gears with simulation-based prediction of residual stresses = Bewertung des Zahnflankenbruchsrisikos in einsatzgehärteten Stirnrädern mittels numerischer Simulation der Eigenspannungen

Iss, Valérian Rémi^RWTH*

2025

VerantwortlichkeitsangabeValérian Rémi Iss

ImpressumDüren : Shaker Verlag 2025

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

ISBN978-3-8191-0021-5

ReiheWerkstoffanwendungen im Maschinenbau ; 33

Dissertation, RWTH Aachen University, 2025

Druckausgabe: 2025. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Broeckmann, Christoph (Thesis advisor)^RWTH* ; Schulze, Volker (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-01-07

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-01568
DOI: 10.2370/9783819100215
10.2370/9783819100215
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1004683/files/1004683.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Werkstoffanwendungen im Maschinenbau (418110)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Eigenspannungen (frei) ; Einsatzhärten (frei) ; FE-Simulation (frei) ; Wärmebehandlungssimulation (frei) ; Zahnflankenbruch (frei) ; carburizing heat treatment (frei) ; residual stresses (frei) ; tooth flank fracture (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Der komplexe Spannungszustand in einsatzgehärteten Zahnrädern wird durch eine Vielfalt von Parametern beeinflusst, darunter die Makro- und Mikrogeometrie der Zahnflanke, die tribologischen Eigenschaften und Schmierbedingungen, der verwendete Werkstoff und die wärmebehandlungsbedingten Härte- und Eigenspannungsgradiente. Dementsprechend können verschiedene Versagensarten mit verschiedenen zugrunde liegenden Mechanismen im Betrieb auftreten. Der Zahnflankenbruch (TFF) ist ein Ermüdungsversagen, das durcheinen Primärriss im Bereich der aktiven Kontaktfläche gekennzeichnet ist, der unterhalb der Oberfläche entsteht und hauptsächlich bei einsatzgehärteten Zahnrädern beobachtet wird. Während die Wärmebehandlung der aktiven Flanke positive Druckeigenspannungen und eine erhöhte Oberflächenhärte verleiht, können Zugeigenspannungen, die sich zwischen der Randschicht und dem Kernbereich bilden, das Risiko eines TFF erheblich erhöhen. Es liegen bereits zahlreiche Methoden vor, welche das Risiko eines Zahnflankenbruchs bei einsatzgehärteten Stirnrädern beurteilen. Da diese Methoden in der Regel starke Vereinfachungen bei der Bewertung von Eigenspannungen zu Grunde legen, ist die Genauigkeit oder der Anwendungsbereich dieser jedoch begrenzt. Faktoren wie Einsatzhärtungstiefe, Kohlenstofftiefenprofil, Werkstoffqualität und Zahnradgröße sowie deren Wechselwirkungen werden nur teilweise berücksichtigt. Mit besonderem Fokus auf die Vorhersage und Bewertung von Eigenspannungen, die durch die aufkohlende Wärmebehandlung hervorgerufen werden, wird in dieser Arbeit eine neuartige Methode zur Bewertung des Risikos eines Zahnflankenbruchs bei Stirnrädern vorgestellt. Auf der Grundlage umfangreicher dilatometrischer Untersuchungen an 18CrNiMo7-6-Stahlproben wird ein gekoppeltes Finite-Elemente Modell erstellt. Das numerische Modell integriert die wesentlichen Mechanismen, welche für die Entwicklung von Dehnungen und Spannungen während der Wärmebehandlung verantwortlich sind, in eine thermisch-mechanisch-metallurgische Berechnung. Durch eine umfassende simulative Parameterstudie an zylindrischen Proben werden Aspekte der Eigenspannungsentstehung in einsatzgehärteten Bauteilen untersucht und die wichtigsten Einflussfaktoren und Korrelationen identifiziert. Die Anwendbarkeit des Simulationsmodells wird anhand verfügbarer Eigenspannungsmessungen für ein breites Spektrum von Zahnradgrößen und Wärmebehandlungsparametern validiert. Schließlich werden verschiedene Methoden und Annahmen untersucht und in den verfügbaren numerischen Berechnungsverfahren aufgenommen, um die Risiken von TFF in einsatzgehärteten Stirnrädern vorherzusagen. Es konnte gezeigt werden, dass die Berechnung der Eigenspannungs- und Härteprofile durch die entwickelte Simulationsmethode ein erhebliches Potenzial zur Verbesserung der Genauigkeit der TFF-Bewertung bietet, wodurch weitere Verbesserungen der Zuverlässigkeit und Leistungsdichte von Getrieben ermöglicht werden können.

The complex stress states in carburized gear teeth depend on a wide range of factors, including gear design, operating circumstances, lubricant and tribological characteristics, gear material and hardness or case depth resulted from the heat treatment procedure. As a result, several failure types with various underlying mechanisms can arise. Tooth flank fracture (TFF) is a fatigue failure characterized by a primary crack in the region of the active contact area, which is initiated below the surface and most often observed on carburized gears. While the carburizing heat treatment provides the active flank with favorable compressive residual stresses and increased surface hardness, tensile residual stresses that may form between the case and core area can significantly raise the chances of TFF. There are a number of methods available to address the risks of tooth flank fracture in carburized spur gears. However, primarily because of oversimplifications in the assessment of residual stresses, the accuracy or applicability range of these methods is typically limited. Factors such as carburized depth, carbon depth profile, material quality and gear size, along with their interactions, are only partially accounted for. With a particular focus on the estimation and assessment of residual stresses brought on by the carburizing heat treatment, a novel method for evaluating the risks of tooth flank fracture in spur gears is presented in this work. A coupled finite-element (FE) model is built using extensive dilatometric investigations on 18CrNiMo7-6 steel samples. The model integrates key mechanisms responsible for strain and stress development during heat treatment in a thermal-mechanical-metallurgical calculation. Through a comprehensive numerical parameter study on cylindrical samples, fundamental aspects of residual stress evaluation in carburized components are explored, identifying main influencing factors and correlations. The simulation model’s applicability is validated across a wide range of gear sizes and heat treatment procedures using available residual stress measurements. Finally, different methods and sets of assumptions are investigated and included in the simulation framework to predict the risks of TFF in carburized gears. Among these methods, incorporating residual stresses and hardness calculations through FE simulation shows significant potential for enhancing the accuracy of TFF assessment, thereby enabling further improvements in gearbox reliability and power density.

OpenAccess:
PDF
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