Investigations on the pitting load capacity of internal spur and helical gears

Abstract

Planetary gear boxes are suitable for numerous applications due to their compact design and high power density with coaxial in- and output. Especially in wind energy and industrial transmission systems but also in automotive applications such as automatic transmissions, planetary gear drives are commonly used. As a consequence of the continuous increase in the required power, the risk for flank damages has increased recently. Mostly, planetary transmissions are designed as helical gears due to improved NVH behavior and higher pitting resistance acc. to ISO 6336. However, systematic experimental investigations on the flank load carrying capacity of internal helical gears are not known so far.

Based on the theoretical and experimental investigations in the research project FVA 482/II, the existing standardized load carrying capacity calculation method for pitting considering the maximum load could be verified. Thereby, the influence of the helix angle and material pairing of the planet and ring gear on the pitting resistance was studied. Certainly, it is shown that the maximum contact stress is not necessarily located at the pitch point C. Therefore, a detailed analysis of the load distribution and an adapted calculation approach is recommended especially for internal helical gears.

Zusammenfassung

Aufgrund der kompakten Bauweise und hohen Leistungsdichte bei koaxialem An- und Abtrieb kommen Planetengetriebe in zahlreichen Anwendungen zum Einsatz. Besonders in Windkraft- und größeren Industriegetrieben sowie in PKW-Automatgetrieben sind Planetenstufen zu finden. In Folge der zunehmenden Leistungssteigerung in Hochleistungsgetrieben hat sich das Risiko von Flankenschäden in den letzten Jahren erhöht. Häufig werden moderne Planetenradstufen aufgrund des besseren Schwingungsanregungsverhaltens und der höheren Grübchentragfähigkeit nach ISO 6336 schrägverzahnt ausgeführt. Systematische experimentelle Untersuchungen zur Flankentragfähigkeit von Innenschrägverzahnungen sind bisher nicht bekannt. Anhand der theoretischen und experimentellen Arbeiten im Rahmen des Forschungsvorhabens FVA 482/II konnten die bestehenden standardisierten Methoden zur Tragfägkeitsberechnung bestätigt werden. Dabei wurde insbesondere der Einfluss des Schrägungswinkel und der Werkstoffpaarung von Planet und Hohlrad auf die Grübchentragfähigkeit analysiert. Für Hohlräder wird die maßgebliche Flankenpressung zur Tragfähigkeitsberechnung üblicherweise im Wälzpunkt C bestimmt. Die Untersuchungen haben jedoch gezeigt, dass sich für schrägverzahnte Hohlräder abweichend von ISO 6336 die Überprüfung der Pressungsverteilung und gegebenenfalls die Berechnung der Grübchentragfähigkeit mit der maximal auftretenden Flankenpressung empfiehlt.