Gear reducers are widely used for various agricultural machinery applications such as greenhouses, tractors, and agricultural vehicles. However, thermal deformation and surface pitting at gear tooth flank frequently occur in gear reducers due to high torque. Thus, surface heat treatment of gears is required to improve wear and fatigue resistance. The objective of this study was to simulate the load capacity of the agricultural gear reducer. The simulation was performed for the following three surface heat treatment methods: untreated gears, nitriding heat treatment, and induction hardening method, those mostly used for agricultural gear reducers. The load capacity of the gear reducer was simulated using the safety factor, limit bending stress, and limit contact stress of the gear. The simulation of the load capacity was conducted using KISSsoft commercial software for gear analysis. The main results of simulation test were as follows: first, the nitriding heat treatment resulted in the highest safety factor for bending stress, which was increased about 77% from those of the untreated gears. Second, the induction hardening was the highest safety factor for contact stress, which was increased about 150% from those of the untreated gears. The safety factor for contact stress of the induction hardening was increased about 64% from those of the nitriding heat treatment. The study result suggested that the surface heat treatments could enhance load capacity and that the method of surface heat treatment should be determined based on simulation results for appropriate use scenarios.
International Journal of Precision Engineering and Manufacturing
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제2권2호
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pp.65-72
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2001
The design of multi-stage gear drives is a time-consuming process, since on includes more complicated problems, which are not considered in the design of single-stage gear drives. The designer has th determine the number of reduction stages and the gear ratios of each reduction state. In addition, the design problems include not only the dimensional design but also the configuration design of gear drive elements. There is no definite rule and principle for these types of design problems. Thus the design practices largely depend on the sense and the experiences of the designer , and consequently result in undesirable design solution. We propose a new generalized design algorithm to support the designer at the preliminary design phase of multi-stage gear drives. The proposed design algorithm automates the design process by integrating the dimensional design and the configuration design process. The algorithm consists of four steps. In the first step, a designer determines the number of reduction stage. In the second step. gear ratios se chosen by using the random search method. In the third step, the values of basic design parameter are chosen by using the generate and test method. Then, the values of other dimension, such ad pitch diameter, outer diameter, and face width, are calculated for the configuration design in the final step. The strength and durability of a gear is guaranteed by the bending strength and the pitting resistance rating practices by using the AGMA rating formulas. In the final step, the configuration design is carried out b using the simulated annealing algorithm. The positions of gears and shafts are determined to minimize the geometrical volume(size) of a gearbox, while satisfying spatial constraints between them. These steps are carried out iteratively until a desirable solution is acquired. The propose design algorithm has been applied to the preliminary design of four-stage gear drives in order to validate the availability. The design solution have shown considerably good results in both aspects of the dimensional and the configuration design.
Girth gears are applied in the mining, cement, and mineral processing industries and used in various types of horizontal mills, rotary dryers and kilns, and other heavy-gear ring applications. The large ring gears are normally fitted outside mills or kilns to provide the primary rotational drive. Recently, an external pinwheel gear set (e-PGS) was introduced to overcome manufacturing problems associated with girth gears. e-PGS is also suitable for low-speed, heavy-duty mechanical transmission and dusty and poor-lubrication conditions. This paper first presents a new profile modification of root relief for the e-PGS cam pinion. We then investigate load-stress factors to estimate the surface fatigue life by varying the shape design parameters. The results show that the contact fatigue life of an e-PGS can be extended significantly by increasing the profile shift coefficient. However, support bearing life of the pinwheel depends more on the contact force distribution than the profile shift coefficient.
A simple computational model for modeling of subsurface crack growth under cyclic contact loading is presented. In this model, it is assumed that the initial fatigue crack will initiate in the region of the maximum equivalent stress at certain depth under the contacting surface. The position and magnitude of the maximum equivalent stress are determined by using the equivalent contact model, which is based on the Hertzian contact conditions with frictional forces. The virtual crack extension method is used for simulation of the fatigue crack growth from the initial crack up to the formation of the surface pit due to contact fatigue. The relationships between the stress intensity factor and crack length are then determined for various combinations of equivalent contact radii and loadings.
Surface pitting is a major failure mode for gears. The contact fatigue life analysis of transmission gear considering running-in process is presented in this paper. Surface roughness change of rolling test is used in a life analysis. Contact stresses are obtained by contact analysis of a semi-infinite solid based on the use of influence functions; the subsurface stress field is obtained using rectangular patch solutions. Mesoscopic multiaxial fatigue criterion which can yield satisfactory results for non-proportional loading is then applied to predict fatigue damage. Suitable counting method and damage rule were used to calculate the fatigue life of random loading caused by rough surface. The life analysis considering running-in is in good agreement with the experimental results.
본 연구에서는 두 치차사이의 접촉 문제를 해석하기 위하여 마찰을 고려한 수직 하중과 접선 하중이 동시에 작용하는 경우에서의 접촉 문제를 수식화하였다. 그리고 두개의 원통의 접촉으로 가정함이 없이 실제적인 인벌루우트 곡면간의 접촉 문제를 해석하기 위하여 유한 요소법을 사용하였으며 비선형 연립 방정식으로 수식화된 된 접촉 문제를 효과적으로 풀기 위하여 최적화 기법을 이용한 산법을 제시하였다. 이때 마찰을 고려한 치차의 접촉 문제 해석에 필요한 수직 압력 분포는 이 등에 의하여 이루어진 결과를 이용하였다. 제시한 산법에 의하여 마찰을 고려한 두 치차의 접촉 문제를 해석하여 치차 손상의 중요한 원인중의 하나인 피팅(pitting) 현상을 유발하는 실제적인 조건을 고려함으로써 자동화 및 정밀화 되어가는 기계의 중요한 부품으로서 치차의 정밀 설계를 하기 위한 정확한 자료를 제시하였다.
A design system for power transmission bevel gears(straight, zerol, and spiral) is developed, in which the strength and durability of bevel gears can be estimated and the size of bevel gears can be minimized by introducing optimal techniques. The size of bevel gear pair as the object function to be minimized is the volume of equivalent spur gear pair at mean normal section, and the design variables to be determined are considered as the number of teeth, face width, diametral pitch, and spiral angle in spiral bevel gear. The strength(bending strength, pitting resistance) according to the AGMA standards, geometrical quantities, and operating characteristics(interference of pinion, contact ratio, etc.) are considered as the constraints in design optimization. The optimization with these constraints becomes nonlinear problem and that is solved with ALM(Augmented Lagrange Multiplier) method. The developed design method is applied to the example designs of straight, zerol, and spiral bevel gears. The design results are acceptable from the viewpoint of strength and durability within the design ranges of all other constraint, and the bevel gears are designed toward minimizing the size of gear pair. This design method is easily applicable to the design of bevel gears used as power transmitting devices in machineries, and is expected to be used for weight minimization of bevel gear unit.
The design of multi-stage gear drives is a time-consuming process because it includes more complicated problems, which are not considered in the design of single-stage gear drives. The designer has no determine the number of reduction stages and the gear ratios of each reduction stage. In addition, the design problems include not only dimensional design but also configuration design of gear drive elements. There is no definite rule or principle for these types of design problems. Thus the design practices largely depend on the sense and the experiences of the designer, and consequently result in undesirable design solution. A new and generalized design algorithm has been proposed to support the designer at the preliminary phase of the design of multi-stage gear drives. The proposed design algorithm automates the design process by integrating the dimensional design and the configuration design process. The algorithm consists of four steps. In the first step, the user determines the number of reduction stages. In the second step, gear ratios of every stage are chosen using the random search method. The values of the basic design parameters of a gear are chose in the third step by using the generate and test method. Then the values of the dimensions, such as pitch diameter, outer diameter and face width, are calculated for the configuration design in the next step. The strength and durability of each gear is guaranteed by the bending strength and the pitting resistance rating practices by using AGMA rating formulas. In the final step, the configuration design is carried out using simulated annealing algorithm. The positions of gears and shafts are determined to minimize the geometrical volume (size) of a gearbox while avoiding interferences between them. These steps are carried out iteratively until a desirable solution is acquired. The proposed design algorithm is applied to the preliminary design of four-stage gear drives in order to validate the availability. The design solution has considerably good results in both aspects of the dimensional and the configuration design.
Recently, the fuel oil of diesel engines of marine ships has been increasingly changed to heavy oil of low quality as the oil price is getting higher and higher. Therefore, the spiral gear attached at the motor of the oil purifier which plays an important role to purify the heavy oil is also easy to expose at severe environmental condition due to the purification of the heavy oil in higher temperature. Thus, the material of the spiral gear requires a better mechanical strength, wear and corrosion resistance. In this study, the heat treatment(tempering) with various holding time at temperature of $500^{\circ}C$ was carried out to the alloy of Cu-7Al-2.5Si as centrifugal casting, and the properties of both hardness and corrosion resistance with and without heat treatment were investigated with observation of the microstructure and with electrochemical methods, such as measurement of corrosion potential, cathodic and anodic polarization curves, cyclic voltammogram, and a.c. impedance. in natural seawater solution. The ${\alpha}$, ${\beta}^{\prime}$ and ${\gamma}_2$ phases were observed in the material in spite of no heat treatment due to quenching effect of a spin mold. However, their phases, that is, ${\beta}^{\prime}$ and ${\gamma}_2$ phases decreased gradually with increasing the holding time at a constant temperature of $500^{\circ}C$. The hardness more or less decreased with heat treatment, however its corrosion resistance was improved with the heat treatment. Furthermore, the longer holding time, the better corrosion resistance. In addition, when the holding time was 48hrs, its corrosion current density showed the lowest value. The pattern of corroded surface was nearly similar to that of the pitting corrosion, and this morphology was greatly observed in the case of no heat treatment. It is considered that ${\gamma}_2$ phase at the grain boundary was corroded preferentially as an anode. However, the pattern of general corrosion exhibited increasingly due to decreasing the ${\gamma}_2$ phase with heat treatment. Consequently, it is suggested that the corrosion resistance of Cu-7Al-2.5Si alloy can be improved with the heat treatment as a holding time for 48 hrs at $500^{\circ}C$.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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