Компьютерный анализ изгибной прочности прямых и бочкообразных зубьев в условиях перекоса

K V Syzrantseva; I S Serdyuk; D A Trubkin

doi:10.22213/2413-1172-2025-1-4-14

Authors

K. V. Syzrantseva Industrial University of Tyumen
I. S. Serdyuk Industrial University of Tyumen
D. A. Trubkin Industrial University of Tyumen

DOI:

https://doi.org/10.22213/2413-1172-2025-1-4-14

Keywords:

ANSYS Mechanical APDL, computer simulation, stress distribution diagrams, bending stresses, skew angle, barrel-shaped tooth modification, spur gearing

Abstract

The paper presents the results of computer simulation to research the bending stress distribution law at the root of straight and barrel-shaped teeth of spur gearings under conditions of misalignment of the gear axes. It is known that the greatest effect on the load capacity and durability of spur gearings is exerted by the irregular load distribution along the contact lines due to the distortion of the tooth surfaces in meshing, leading to contact area length shortening and edge contact of teeth. This results in a multifold transmission life reduction in terms of contact or bending strength. Spur gears with longitudinal (barrel-shaped) tooth modification allow increasing the durability of spur gears when operating in conditions of gear axis misalignment. In this work, a comparative Finite Element Analysis of the stress-strain state of a straight tooth and a barrel-shaped tooth was carried out underline load at the tooth top and a variable skew angle from 0' to 8'. Computer simulations were performed at ANSYS Mechanical APDL. The line load distribution laws along the longitudinal tooth coordinate were obtained analytically for various skew angles based on the three-dimensional contact problem solution, taking into account tooth volume and contact deformations, as well as edge effects. As a result of computer simulation, figures of the tensile stress distribution in the tooth roots were obtained and a reduction in stresses by 15% was determined using a barrel-shaped modification. The proposed method of strength analysis allows to justify the choice of tooth barrel-shaped longitudinal modification even at the stage of gearing synthesis providing bending stress reduction in the gearing during its operation in conditions of skew of a given degree.

Author Biographies

K. V. Syzrantseva, Industrial University of Tyumen

DSc in Engineering, Associate Professor

I. S. Serdyuk, Industrial University of Tyumen

Post-graduate

D. A. Trubkin, Industrial University of Tyumen

Post-graduate

References

Лопатин Б. А., Плотникова С. В., Лопатин Д. Б. Проектирование зубчатых передач из эвольвентно-конических колес // Вестник ИжГТУ имени М. Т. Калашникова. 2024. Т. 27, № 3. С. 49-61. DOI: 10.22213/2413-1172-2024-3-49-61

Strungar Е.М., Staroverov О.А., Lynegova Е.М. (2022) Сomprehensive evaluation of fatigue damage accumulation and failure of specimens with operational stress concentrators. Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures, iss. 4, pp. 37-49. DOI: 10.17804/2410-9908.2022.4.037-049

Syzrantseva K.V., Syzrantsev V.N., Kolbasin D.S. (2019) Comparative estimation of the failure probability of cylindrical arc and helical gears by tooth bending endurance: AIP Conference Proceedings, vol. 2176, art. 020010. DOI: 10.1063/1.5135122

Cherniavsky A.O., Cherniavsky O.F. (2020) A change in the deformation mechanism with a monotonous change of the load parameter.International Journal of Pressure Vessels and Piping, vol. 188, art. 104192. DOI: 10.1016/j.ijpvp.2020.104192

Сызранцева К. В., Зонова Н. В., Билянская И. В. Компьютерное моделирование и оптимизация конструкции ловителя-сигнализатора для повышения его надежности при геофизических исследованиях скважин // Оборудование и технологии для нефтегазового комплекса. 2023. № 4 (136). DOI: 10.33285/1999-6934-2023-4(136)-5-11

Voutchkov I., Keane A., Shahpar Sh., Bates R. (2018) Meshing using interpolative mapping and control point optimization. Journal of Computational Design and Engineering, vol. 5, iss. 3, pp. 305-318. DOI: 10.1016/j.jcde.2017.12.003

Crawford J. (1999) Evaluating Mesh Density. Ansys Solutions, vol. 1, no. 2, pp. 12-16.

Syzrantseva K., Kuskov K., Gonchar N., Dubrovko D. (2023) Updating the statistical strength analysis method for the shut-off valve body in random loading conditions: Proceedings of the 9th International Conference on Industrial Engineering, pp. 61-70. DOI: 10.1007/978-3-031-38126-3_7

Расчет напряженно-деформированного состояния корпуса шарового крана в конечно-элементном комплексе ANSYS / А. А. Пазяк, М. А. Пазяк, Н. А. Шулинина, П. Д. Князева // Научно-технический вестник Поволжья. 2023. № 10. С. 42-45.

Евдокимов А. П. Расчетно-экспериментальная оценка динамической нагруженности привода компрессора буровой установки // Оборудование и технологии для нефтегазового комплекса. 2023. № 4. С. 12-15. DOI: 10.33285/1999-6934-2023-4(136)-12-15

Alshoaibi A.M., Fageehi Ya.A. (2021) 3D modelling of fatigue crack growth and life predictions using ANSYS. Ain Shams Engineering Journal, vol. 13, iss. 4, art. 101636. DOI : 10.1016/j.asej.2021.11.005

Giorgetti F., Lombroni R., Belardi V.G., Calabro G., Dalla Palma M., Fanelli P., Fulici M., Ramogida G., Vivio F. (2022) Vertical displacement events analysis using MAXFEA code in combination with ANSYS APDL in the final design stage of the DTT vacuum vessel. Fusion Engineering and Design, vol. 184, pp. 9-10. DOI: 10.1016/j.fusengdes.2022.113273

Thompson M., Thompson J. (2017) АNSYS Mechanical APDL for Finite Element Analysis. Oxford : Butterworth-Heinemann, p. 466. ISBN 9780128129814

Kansara P., Indrodia A., Diwan M., Raval J., Yadav N., Oza A. d., Kumar M., Shinde S.M., Parvez A., Makwana M. (2022) Optimization of gate valve structure based on strength parameters using finite element analysis.International Journal on Interactive Design and Manufacturing (IJIDeM), vol. 17 (8), pp. 1-9. DOI: 10.1007/s12008-022-01052-3

He X., Zhang C., Tian D. (2019) Strength analysis and structure optimization of gate valve body based on finite element software. E3S Web of Conferences, vol. 136, Art. 03019. DOI: 10.1051/e3sconf/201913603019

Pedrero J., Pleguezuelos M., Sanchez M. (2020) Analytical Simulation of the Tooth Contact of Spur Gears. New Approaches to Gear Design and Production, pp. 115-131. DOI: 10.1007/978-3-030-34945-5_4

Syzrantseva K.V., Syzrantsev V.N., Babichev D.T. (2020) Comparative Analysis of Stress-Strain Condition of Cylindrical Gears Arc Teeth and Spurs. Proceedings of the 5th international conference on industrial engineering (ICIE 2019), pp. 101-108. DOI: 10.1007/978-3-030-22041-9_12

Babichev D.T., Babichev D.A., Lebedev S.Y. (2018) Calculation of tooth profile radiuses of curvature into line of contact parameters. IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering, vol. 393, pp. 681-692. DOI: 10.1088/1757-899X/393/1/012051

Грубка Р. М. Конструктивные способы повышения эксплуатационных показателей цилиндрических зубчатых передач // Прогрессивные технологии и системы машиностроения. 2019. № 1. С. 17-22.

Грубка Р. М., Михайлов А. Н., Петряева И. А. Классификация видов продольной модификации зубьев цилиндрических зубчатых колес в зависимости от функционального назначения // Современные технологии и автоматизация в машиностроении. 2019. № 18. С. 187-190.

Сызранцев В. Н., Сызранцева К. В. Цилиндрические передачи с арочными зубьями: геометрия, прочность, надежность : монография. Тюмень : ТИУ, 2021. 170 с. ISBN 978-5-9961-2378-0

Wen Q., Du Q., Zhai X. (2020) Analytical calculation of the tooth surface contact stress of spur gear pairs with misalignment errors in multiple degrees of freedom. Mechanism and Machine Theory, vol. 149, Art. 103823. DOI: 10.1016/j.mechmachtheory.2020.103823

Нахатакян Ф. Г. Повышение нагрузочной способности зубчатой передачи в условиях перекоса снижением контактных напряжений с помощью продольной модификации зубьев // Вестник машиностроения. 2022. № 12. С. 13-16. DOI: 10.36652/0042-4633-2021-12-13-16

Нахатакян Ф. Г., Нахатакян Д. Ф. Оценка величины допускаемого угла перекоса в зубчатом зацеплении // Проблемы машиностроения и надежности машин. 2022. № 1. С. 45-49. DOI: 10.31857/S0235711922030099

Короткин В. И., Колосова Е. М., Онишков Н. П. Прогнозирование контактной выносливости упрочненных зубьев и нагрузочной способности эвольвентных зубчатых передач по критерию предельного состояния материала // Вестник машиностроения. 2021. № 12. С. 31-35. DOI: 10.36652/0042-4633-2021-12-35-37

Lebedev S.Yu., Syzrantsev V.N. (2023) Probability estimate of the strength reliability of toothed wheel gear. Procedia Structural Integrity, vol. 50, pp. 155-162. DOI: 10.1016/j.prostr.2023.10.036