Analys och dimensionering av sintrade kugghjul

• Main Authors: Blomqvist, Sara, Litz, Henrik, Salomon, Johan
• Format: Others
• Language: Swedish
• Published: KTH, Maskinkonstruktion (Inst.) 2012
• Online Access: http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-183030

Syftet med detta projekt var att genom konceptutveckling ta tillvara sinterteknikens fördelar vid konstruktion av kugghjul med inriktning på dess mekaniska egenskaper. Målet har varit att ta fram koncept där kugghjulet blir lättare men med bibehållen hållfasthet gentemot referenskugghjulet samt att möjlighet till asymmetriska kuggflankerna utnyttjas för att minimera det sintrade materialets känslighet för dragspänningar vid höjd belastning. Projektet genomfördes på så sätt att en litteraturstudie där bakgrundsfakta om ämnet samlas in för att sedan, med hjälp av vår handledare, avgränsas till de områden som är intressanta för vårt projekt. Hållfasthetskrav för materialet ligger sedan till grund för analysen. CAD-modeller av referenskugghjulet och våra olika koncept skapades sedan för FEM-analys i ANSYS där hållfasthetskraven kontrollerades. Referenskugghjulet som används baserades på ett standardkugghjul från SwePart Transmission AB med benämning FZG z24. Materialet för kugghjulet är stål med maximalt tillåten böj och tryckspänning på 640 MPa respektive 1100 MPa. Vår analys visar att referenskugghjulet klarar en pålagd linjekraft på 12,65 kN innan den maximalt tillåtna dragspänningen uppnås. Det är denna kraft som sedan blir dimensionerande vid konstruktion och analys av koncepten. Beräkning av yttrycket på kuggflankerna enligt Hertz’ teorier har genomförts. Eftersom belastningen i kuggrötterna är mest betydelsefullt för analysen tas inte stor hänsyn till dessa ytspänningar, dvs kontaktspänningarna. Dessa kommer på grund av den höga belastning som nyttjas i analysen bli mycket större än vid normala belastningsfall. Två koncept togs fram med avseende på målen och analyserades i ANSYS. Konceptet där viktminskning var huvudmålet gav en viktminskning på 7,76 % med bibehållen hållfasthet i förhållande till referenskugghjulet. Konceptet med inriktning på ökning av belastning gav en tillåten ökning på 18 % av kraften med bibehållen maximal dragspänning om 640 MPa. === The purpose of this project was that through concept development utilize the advantage of the sintering technique when designing gears with focus on the mechanical properties. The goal has been to design concepts where the gear is made lighter while maintaining the same strength requirements as the reference gear as well as using the possibility of asymmetrical geometry of the tooth flanks to minimize the sintered materials sensitivity to tensile stresses when the forces is increased. The project was implemented so that a literature study was conducted where background information about the subject was collected and with the help of our supervisor it was narrowed down to those areas that are of interest to our project. Strength requirements for the material then form the basis for the analysis. CAD models of the reference gear and our concepts were then created for use in a finite element analysis in ANSYS where the strength requirements were verified. The reference gear that was used where based on a standard gear from SwePart Transmission AB named FZG z24. The material of the gear is steel with a maximum tensile and compressive stress of 640 MPa and 1100 MPa. When analyzing the reference gear a force of 12.65 kN showed to be the sufficient force at which the maximum allowed tensile stress is reached. It’s this force that then is used when designing and analyzing our concepts. Calculation of the surface pressure on the tooth flanks has been implemented using Hertz' theories. Since the stresses in the roots are most important to the analysis these calculations are not taken into further consideration. The contact pressures are, because of the high loads that are utilized in the analysis, much higher than in normal loading conditions. Two concepts where developed in regard of our goals and analyzed in ANSYS. The concept where weight loss was the main target showed a reduced weight of 7.76 % while maintaining the same strength in relation to the reference gear. The concept focusing on the possibility of increased load showed an allowable increase of 18 % while maintaining maximum tensile stress of 640 MPa.