| Summary: | Powder Metal (PM) gears are machine element components which operate under the same principle as conventional gears, but, due to their intrinsic material characteristic need to be designed slightly different, and its manufacturing process offers advantages previously unobtainable by conventional steel gear manufacturing methods. The use of PM in similar applications, such as synchronous hubs, makes them a suitable candidate for production in such material. The current master thesis work focuses on gear design using PM by utilizing finite element method (FEM) to reduce weight and inertia taking into account root bending strength and tooth deflection. First a topological optimization is used to determine feasible candidates for different web designs which have as objective to reduce volume, similar topologies were shown during different loading conditions; and hence, this topology was chosen as a suitable candidate. A shape optimization of the topological candidate was performed having as state variables root bending strength, independent for compressive and tensile side of the tooth loading; and tooth deflection, which in concept can be correlated to static transmission error (TE). Another aspect in this thesis analysed is the possibility to incorporate non-trochoid root geometry, a trochoid root is always present when machining with a hob, into the gear root and hence reduce the stress concentration here. Due to the use of PM, a non-symmetric optimized root can be achieved and hence be optimizing compression and tension. Results showed significantly lower inertia, for example certain results showed 40% reduced when compared to solid gear, with adverse effects as increase in tooth deformation and increase in maximum principal stress. Peak to peak transmission error results of proposed web showed 17% lower result when compared to solid steel. Finally, root optimization showed marginally reduced maximum principal stress, but demonstrations potential with other geometries. === Pulvermetallurgiska (PM) kugghjul är maskinelement som används samma typ av applikationer som konventionella kugghjul av stål. På grund av PM-materialets speciella egenskaper behöv er dock PM-kugghjul dimensionera efter något annorlunda principer. Tillverkningsprocessen för PM-komponenter erbjuder också unika möjligheter jämfört med konventionella kugghjul av stål. I detta examensarbete har utforming av kugghjul av metallpulver undersökts med hjälp av Finita Element Metoden (FEM). Fokus har legat på att minska kugghjulens vikt och tröghetsmoment samtidigt som kraven på tillåtna spänningar i kuggroten och kuggarnas böjstyvhet uppfylls. Studien inleddes med en topologisk optimering för att hitta förslag på topologiska kandidater, dvs lämpliga principformer, på kugghjulets liv. Målet för denna optimering var att minska kugghjulets vikt. Efter analys av de topologiska kandidaterna utfördes sedan en formoptimering med målet att minimera vikten, samtidigt som kraven på högsta tillåtna drag- och tryckspänningar i kuggroten, samt största tillåtna deformation av kuggen uppfylldes. Kuggdeformationen kan relateras till det statiska transmissionsfelet, som är en faktor nära relaterad till ljudalstring. Tillverkningsprocessen för traditionella kugghjul ger en trokoidformad kuggrot. Kugghjul tillverkade av metallpulver kan ges andra former. Med målet att optimera prestandan för kuggroten undersöktes möjligheten minska spänningskoncentrationerna med en icke-symmetrisk kuggrot. Resulten visade på det är möjligt att uppnå ett signifikant lägre tröghetsmoment med ett PM-kugghjul. För vissa fall kunde masströghetsmomentet minskas med 40%, jämfört med homogena stålkugghjul, men med vissa negativa sidoeffekter som ökad kuggdeformation och en liten ökning av den största huvudspänningen. Det statiska transmissionsfelet var 17 % lägre för det föreslagna kugghjulet, jämfört med ett homogent stålhjul. Den optimerade kuggroten gav en marginellt minskad högsta huvudspänning, men indikationer fanns på förbättringsmöjligheter för andra gemetriförändringar.
|
|---|
