Design, Modelling and Manufacturing of Helical Gear - Integrated ...

83 downloads 2188 Views 638KB Size Report
In this work, structural analysis on a high speed helical gear used in marine engines ..... The rotary method using pinion cutter is used on all types of gears. The.
INTERNATIONAL JOURNAL OF APPLIED ENGINEERING RESEARCH, DINDIGUL  Volume 1, No1, 2010  © Copyright 2010 All rights reserved Integrated Publishing Association  RESEARCH ARTICLE                                                                                                            ISSN ­ 0976­4259 

Design, Modelling and Manufacturing of Helical Gear  B.Venkatesh 1  V.Kamala 2  A.M.K.Prasad 3  1 

Assoc.Prof, MED, Vardhaman College of Engg, Hyderabad, India  Professor, MED, MJCET, Hyderabad; DGM (Retd), BHEL R&D, Hyderabad, India  3  Professor, & Head, MED, Osmania college of Engg, Osmania University, Hyderabad, India  [email protected]  2 

ABSTRACT  Marine engines are among heavy­duty machineries, which need to be taken care of in the best  way  during  prototype  development  stages.  These  engines  are  operated  at  very  high  speeds  which  induce  large  stresses  and  deflections  in  the  gears  as  well  as  in  other  rotating  components. For the safe functioning of the engine, these stresses and deflections have to be  minimized.  In  this  work,  structural  analysis  on  a  high  speed  helical  gear  used  in  marine  engines,  have  been  carried  out.  The  dimensions  of  the  model  have  been  arrived  at  by  theoretical  methods.  The  stresses  generated  and  the  deflections  of  the  tooth  have  been  analyzed  for different materials.  Finally    the    results obtained  by    theoretical  analysis    and  Finite  Element  Analysis  are compared  to  check  the  correctness. A conclusion has been  arrived  on  the  material  which  is  best  suited  for  the  marine  engines  based  on  the  results.  Basically  the  project  involves  the  design,  modelling  and  manufacturing  of  helical  gears  in  marine  applications.  It  is  proposed  to  focus  on  reduction  of  weight  and  producing  high  accuracy gears.  Key  words:  Gear  design, Computer  aided  analysis,  Gear  hobbing,  Gear  shaving,  Structural  analysis  1. Introduction  A gear is a rotating machine part having cut teeth, which mesh with another toothed part in  order to transmit torque. Two or more gears working in tandem are called a transmission and  can  produce  a  mechanical  advantage  through  a  gear  ratio  and  thus  may  be  considered  a  simple machine. Geared devices can change the speed, magnitude, and direction of a power  source. The most common situation is for a gear to mesh with another  gear however a gear  can  also  mesh  with  a  non­rotating  toothed part,  called  a rack,  thereby  producing  translation  instead of rotation. The  gears  in a transmission are analogous to the wheels  in a pulley. An  advantage  of  gears  is  that  the  teeth  of  a  gear  prevent  slipping.  When  two  gears  of  unequal  number of teeth are combined, a mechanical advantage is produced, with both the rotational  speeds  and  the  torques  of  the  two  gears  differing  in  a  simple  relationship.  In  transmissions  which  offer  multiple  gear  ratios,  such  as  bicycles  and  cars,  the  term  gear,  as  in  first  gear,  refers to a gear ratio rather than an actual physical gear. The term is used to describe similar  devices even when gear ratio is continuous rather than discrete, or when the device does not  actually contain any gears, as in a continuously variable transmission.  2. Design Methodology  In order to design a helical gear system the following procedure should be followed; the input  conditions are power, speed, helix angle, gear ratio.

103 

INTERNATIONAL JOURNAL OF APPLIED ENGINEERING RESEARCH, DINDIGUL  Volume 1, No1, 2010  © Copyright 2010 All rights reserved Integrated Publishing Association  RESEARCH ARTICLE                                                                                                            ISSN ­ 0976­4259 

Step: 1 Gear design starts with material selection. Proper material selection is very important;  aluminium has been selected as a material. If the material for gear and pinion is same then the  design should be based since it is weak.  Step: 2 Find out the minimum central distance based on the surface compression stress is  a≥ (i+1)3√ (0.7/σc) 2 E (Mt) iψ……. [Design data]  Here Mt=torque transmitted by the pinion=97420(KW/N)*Kd*K  Where Kd*K=1.3 , ψ=b/a………..[Design data]  Step: 3 Minimum normal modules may e determined as  mn≥1.15Cosβ {Mt/Yv σb ψm Z1} ^1/3..[design data]  Assume Z1=18, ψm=b/mn=10 from ..[design data]  Virtual number of teeth Zv=Z1/cos3β ,  Lewis form factor Yv=0.154­0.192/Zv ….[ Design data]  Number of teeth on pinion Z1=2acosβ/mn*(i+1) , Number of teeth on gear Z2=iZ1  Diameter of pinion D1=mn*Z1/cosβ , Diameter of gear D2=mn*Z2/cosβ  Centre distance a=D1+D2/2 , Face width b= ψa  Step: 4 checking the calculations:  a): based on the compressive stress, σc=0.7(i+1)/a*√{(i+1/ib)*E[mt]}  b):  based on the bending stress,  σb=0.7(i+1) (Mt)/{a.b.mn.Yv}  Here the bending and compressive stress values obtained are less than the material property  values, then the design is safe  2.1 Theoretical design calculation  The theoretical design calculations are performed using the  input parameters such as power  for  marine  high  speed  engine,  pinion  speed,  gear  ratio,  helix  angle,  pressure  angle  etc.  i.e  Power   P = 9000  KW,  Speed of  Pinion  N  = 3500  rpm,  Gear  Ratio  i = 7,  Helix Angle,  β =  25oMinimum centre distance based on surface compression strength is given by  2 

é 0 . 7 ù E [ M  t  ]  a  ³  ( 7  + 1 )  ê ú x  i y ë s c û 3 

[Table 8 PSG] 

2.2 Material Selection  Let the material for Pinion & Gear is Aluminum Alloy ;  Its design compressive stress & bending stresses are [σc = 25000 kgf/cm 2 ], [σb = 3500  kgf/cm 2 ] [12]  2.2 Material Selection  Let the material for Pinion & Gear is Aluminum Alloy ;

104 

INTERNATIONAL JOURNAL OF APPLIED ENGINEERING RESEARCH, DINDIGUL  Volume 1, No1, 2010  © Copyright 2010 All rights reserved Integrated Publishing Association  RESEARCH ARTICLE                                                                                                            ISSN ­ 0976­4259 

Its  design  compressive  stress  &  bending  stresses  are  [σc  =  25000  kgf/cm2],  [σb  =  3500  kgf/cm2] [15]  2.2.1 Properties for Aluminum Alloy  Density of Aluminum Alloy (ρ) = 3900 kg/m 3  Young’s Modulus = 340 x 10 3  N/mm2 Poisson’s Ratio (v) = 0.220  i = 7 , ψ =b/a ,ψ = 0.3 , [MT] = MT kd k ,MT = 97420 KW/N, kd k = 1.3                [15]  [MT] = MT kD k =  (97420x9000x1.3)/3500 = 325661.14 kgf­cm  Now, minimum centre distance based on the surface compressive strength is given by  é 0.7 ù (i + 1)x 3 ê ú xE [ M t ]  ë s c û a ³  ( i y )  a > 27.66 cm = 28 cm  Minimum module based on beam strength:  [ M t ]  Mn > 1.15cosβx3Ö Y v s b y m Z 1  [Table 8, PSG]  Let Z1 = 18, ψm = 10, Virtual number of teeth Zv = Z1 / cos 2  β   = 18/0.744 = 25 from [Table  11, PSG design data book]  Lewis form factor Yv (for Zv = 25) = 0.4205  [ 325661 . 14 ]  mn > 1.15cos25x3Ö 0 . 4205 x 3500 x 10 x 18  mn > 1.11 cm , mn > 11.16 mm , But for mn = 11­16 mm, σc and σb are > [σc] & [σb] also  FS  [σc] & [σb] values of given material,  i.e., Aluminum alloy [98%Al2O3, 0.4­0.7%Mn, 0.4­0.7&Mg].Therefore our design is safe.  Addendum, mn = 18 mm, Dedendum = 1.25 x mn = 22.5 mm,  Tip circle diameter of the pinion=d1+ (2 x addendum) =357.4 + 36 = 393.4 mm  Tip circle diameter of gear = d2 + (2 x addendum) = 2502.4+ 36 = 2538.46 mm  Root circle diameter of pinion = d1 ­ (2 x addendum) = 357.4 – 36 = 321.4 mm  Root circle diameter of gear = d2 ­ (2 x addendum)   = 2502.4– 36 = 2466.4 mm  When the gear transmits the power P, the tangential force produced due to the power is given  by  pxD    p xN p  px 357 . 4 x 3500  Pxk s  V  = = = 65 . 51 m / s  F t =  v  ,  60 x 1000  60 x 1000 

F t  = 

9000 x 10 3 x 2  = 274749 . 26 N  65 . 51 

Lewis derived the equation for beam strength assuming the load to be static when the gear is  running  at  high  speeds;  the  gears  may  be  subjected  to  dynamic  effect.  To  account  for  the  dynamic effect, a factor Cv known as Velocity factor or dynamic factor is considered.  Pxk s xCv  V  The design tangential force along with dynamic effect is given by  The  velocity  factor Cv  is  developed by  Barth.  It  depends on  the  pitch  line  velocity  and  the  workmanship in the manufacture and is given by  5 . 5 + V  C v = 5 . 5  F D =  F t xCv  =

106 

INTERNATIONAL JOURNAL OF APPLIED ENGINEERING RESEARCH, DINDIGUL  Volume 1, No1, 2010  © Copyright 2010 All rights reserved Integrated Publishing Association  RESEARCH ARTICLE                                                                                                            ISSN ­ 0976­4259 

For V > 20 m/s , Where FT = 274749.26 N, Ks = 2, V = 65.5m/s  5. 5 + 65 . 51  C v  =  = 2 . 47  5 . 5  FD = 274749.26x 2.4 = 679084.7315 N ,  According to Lewis equation, the beam strength of helical gear tooth is given by  FS = [σb].b.π.mn.yv and FS = (3500) x 42.8 x П x 18 x 0.4205 =3570318.5 N  Since, FS > FD, Our design is safe.  When the power is transmitted through gears, apart from static (steady) load produced by the  power, some dynamic loads are also applied on the gear tooth due to reasons like inaccuracies  of  tooth  profiles  and  deflections  of  tooth  under  load.  Considering  the  above  conditions  Buckingham derived equation to find out the maximum load acting on the gear tooth and is  given by FD = Ft + Fi, Where Fd = Maximum dynamic load, Ft = Static load produced by the  power, Fi = Incremental load due to dynamic action, Incremental load depends on the pitch  line  velocity,  face  width,  of  a  gear  tooth,  gear  materials,  accuracy of  cut  and  the  tangential  load and is given by  0 . 164 V m ( cb cos 2  b  + Ft ) Cos b Fi  = 0 . 164 V m  + 1 . 485  cb cos 2  b + F t  where, Vm = Pitch line velocity in m/s,b =   Face width of the gear tooth in mm  C =   Dynamic factor (or) Deformation factor in N/mm. Deformation factor “C”,     [15]  Here, C = 11860 x e, C = 11860 x 0.026, = 308.36 N/mm  Ft = 137572.60 N, m =  65.51 x 103 mm/sec ,b = 428.9 mm ,β = 25 0  Fd = Ft + Fi  0 . 164 V m ( cb cos 2  b  + F t ) Cos b Fd  = F t  + 0 . 164 V m  + 1 . 485  cb cos 2  b + F t  1540999543  F d  =  274749. 26 + = 273754 . 19 N  11315 . 76937  Since Fs > Fd, our design is safe.  One  of  the  most  predominant  gear  failures  is  the  failure  of  gear  tooth  due  to  pitting.  This  pitting  failure  occurs  when  the  contact  stresses  between  the  two  meshing  teeth  exceed  the  surface  endurance  strength  of  the  material.  In  order  to  avoid  this  type  of  failure  the  proportions  of  gear  tooth  and  the  surface  properties  such  as  surface  hardness  should  be  selected in such a way that the wear strength of the gear tooth is more than the effective load  between the meshing teeth.  Based on Hertz theory of contact stresses, Buckingham derived an equation for wear strength  of gear tooth which is given by  Fw =

d  1  .b.Q.Kw  cos  2  b 

where; Fw = Max or limiting load for wear in Newton’s

107 

INTERNATIONAL JOURNAL OF APPLIED ENGINEERING RESEARCH, DINDIGUL  Volume 1, No1, 2010  © Copyright 2010 All rights reserved Integrated Publishing Association  RESEARCH ARTICLE                                                                                                            ISSN ­ 0976­4259 

d1 = pitch circle diameter of pinion in mm, b = Face width of the pinion in mm, Q = Ratio  2i = 1  . 75  factor =  (  i  +  1  )  Kw =   2.553 N/mm2  [Table 25.37 JDB]  d1 = 357.4mm,  b = 428.9 mm  685180.942  8  d  .b.Q.Kw  = 834168 . 62 N  2 cos  b  Fw = =  cos  25  Fd = 273754.19 N since Fw > Fd our design in safe.  1 



3. Modelling  A model is generated using CATIA software and then it is retrieved into ANSYS using IGES  files. Helical Gear teeth as shown in fig:1 

Figure 1: Image showing the model prepared in CATIA  A complete helical gear is obtained as shown in figure 2

108 

INTERNATIONAL JOURNAL OF APPLIED ENGINEERING RESEARCH, DINDIGUL  Volume 1, No1, 2010  © Copyright 2010 All rights reserved Integrated Publishing Association  RESEARCH ARTICLE                                                                                                            ISSN ­ 0976­4259 

Figure 2 : Image showing the designed helical gear 

3.1 Analysis  Significant Development in analysis of  strength properties of gear transmission  follows  the  achievements  in computation design, simulation of  meshing and tooth contact analysis made  by  Lewiki,Handschuh.They  carried  out  2D  analyses  using  finite  element  method,  boundary  element  methods & Compared the results to experimental ones  validated  crack  simulation  based  on  calculated  stress  intensity    factors  and  mixed  mode  crack    angle    prediction.  In  practice,  simplified  formulas  are  usually  used  in  gear  transmission  design.  They  enables  estimation of stresses at tooth root with accuracy acceptable for engineering design. In every  case,  strength  properties  of  gear  transmissions  are  strongly  influenced  by  gear  geometry,  applied manufacturing processes, and dimensional accuracy of manufactured gears.  3.2 Gear Manufacturing  Gears are manufactured by various processes. These are, casting, stamping, rolling, extruding,  and  machining.  Gears  can  also  be  produced  by  powder  metallurgy.  Among  the  above  said  process, machining process in most commonly used. It is an accurate method. Basically gears  are produced by machining by a) Forming method. b) Generating method.  3.2.1 Forming Method  In this method a form cutter is used. The formed cutter may be single point cutting tool or a  multipoint  milling  cutter.  The  cutting  edges  formed  cutter  has  been  finished  to  the  shape  between the gear teeth being cut. Forming method is used for producing very  small number  of gears. Gears produced by forming are less accurate. Forming process is simple and cheaper.  This method is takes more time.  3.2.2 Gear Generating Process 109 

INTERNATIONAL JOURNAL OF APPLIED ENGINEERING RESEARCH, DINDIGUL  Volume 1, No1, 2010  © Copyright 2010 All rights reserved Integrated Publishing Association  RESEARCH ARTICLE                                                                                                            ISSN ­ 0976­4259 

This  method of  gear  manufacturing  is  based  on  the  fact  that  any  two  involute  gears  of  the  same  module  will  mesh  together.  Here  one of  the  meshing  gears  is  made  as the cutter.  The  other  gear  rotates  and  also  reciprocates  along  the  width  of  the  gear  blank.  Because  of  the  relative  rolling  motion  between  cutter  and  the  blank,  gear  teeth  are  generated  on  the  gear  blank. The gear may be generated by rack cutter, pinion cutter or a hob. Using the generated  method, profile of the gear teeth can be very accurately produced. The following generating  methods used for gear production are Gear shaping, Gear planning, Gear hobbing.  3.2.3 Gear Hobbing  It  is  a  process  of  generating  a  gear  by  means  of  a  rotating  cutter  called  hob.  The  hob  has  helical threads. Grooves are cut in the threads parallel to the axis. This will provide the edges.  Proper rake and clearance angle are ground on these cutting edges. The rotating hob acts like  a continuously moving rack as it cuts. The blank is mounted on a vertical arbour. The hob is  mounted  in  a  rotating  arbour.  The  hob  axis  is  tilted  the  hob  lead  angle  so  that  its  teeth  are  parallel to the axis of the gear blank. 

Then = (90º­1).Where 1 = helix angle of the hob thread.  NOTE: (hob lead angle = 90º­ hob  helix angle)  The hob is rotated at suitable cutting speed. It is fed across the blank face. The hob and blank  are  made  to  rotate  in  correct  relationship  to  each  other;  they  rotate  like  a  worm  and  worm  gear  in mesh. For one relation of the hob, the blank rotates by one tooth. (In case of single  start hob).  For helical gears, the axis of the hob is inclined to horizontally. Where a= θ + (90º­1). (If the  helix of the hob and the helix of the gear to be cut are different. One is right and another is  left handed.) a= θ ­ (90º­1) (if the helix of the hob and the helix of the gear to be cut are both right handed  or both is left handed.)  Where, a = helix angle of the helical gear to be cut.,1 = helix angle of the hob.  The  gear  hobbing  technique  is  used  for  generating  spur,  helical  and  worm  gears.  Gear  hobbing is used in automobiles, machine tools, various components, instruments, clocks and  other equipment.  In  the  present  the  helical  gears  were  produced  by  gear  hobbing  technique  and  finished  by  gear shaving operation.  The gear teeth generating process by milling machine is shown in fig 3

110 

INTERNATIONAL JOURNAL OF APPLIED ENGINEERING RESEARCH, DINDIGUL  Volume 1, No1, 2010  © Copyright 2010 All rights reserved Integrated Publishing Association  RESEARCH ARTICLE                                                                                                            ISSN ­ 0976­4259 

Figure 3: Image showing milling machine  The gear teeth generating process by hobbing process is shown figure 4 

Figure 4: Image showing the hobbing process  The gear finishing process is shown in the figure 5 

Figure 5: Image showing the gear finishing process

111 

INTERNATIONAL JOURNAL OF APPLIED ENGINEERING RESEARCH, DINDIGUL  Volume 1, No1, 2010  © Copyright 2010 All rights reserved Integrated Publishing Association  RESEARCH ARTICLE                                                                                                            ISSN ­ 0976­4259 

3.2.4 Finishing Process  Gears  manufactured  by  different  machining  processes  will  have  rough  surfaces.  The  machined  gears  may  have  errors  in  tooth  profiles,  concentricity  and  helix  angles.  For  quiet  and  smooth  running  of  gears,  these  errors  and  rough  surfaces  should  be  removed.  Gear  finishing operations are done for this purpose. The various gear finishing processes like gear  burnishing, gear shaving etc.  3.2.5 Gear Burnishing  Is a method of finishing of gear teeth which are not hardened. This is a cold working process.  This  method  is  used  to  improve  the  surface  finish  of  the  gear  teeth.  This  also  increases  the  hardness  at  the  teeth  surface.  The  teeth  of  burnishing  gears  are  very  hard,  smooth  and  accurate. They  are arranged at 120º position around the work gear. The gears are rotated in  one  direction  for  some  period.  Then  they  are  rotated  in  the  reverse  direction  for  the  some  period. The pressure is applied by the harder burnishing teeth on the work gear.  3.2.6 Gear Shaving  This is the most common method of gear finishing. In this method a very hard gear shaving  cutter is used to remove fine chips from the gear teeth. The shaving cutter may be in the form  of a rack or a pinion. The rotary method using pinion cutter is used on all types of gears. The  rotating  cutter  will  have  helical  teeth  of  about  15º  helix  angle.  The  cutter  has  a  number  of  serrations on its periphery. These act as cutting edges. In the rotary type of gear shaving the  work gear  is  held between centres and is free to rotate. The shaving cutter meshes  with the  work gear. The axis of the cutter is inclined to the gear at an angle equal to the helix angle of  the cutter (θ) when the cutter rotate, the cutter reciprocates in a direction parallel to the gear  axis.  The  cutting  edges  of  the  shaving  cutter  remove  burrs,  nicks  and  high  points  on  the  surface of the work gear. It can remove from the teeth flank, chips up to 0.1mm thick. 

4.  Results and discussions  Theoretical design is carried out using standard design formulae as per AGMA procedure and  carried out analyses by ANSYS and analysis carried out  using ANSYS .The following table.1  shows the comparison the theoretical design   values with ANSYS values.  Table1. Comparison of theoretical and ANSYS design values  S.No  Parameter 

Design values 

Ansys values 



Bending stress 

220.35N/mm 2 

205.576N/mm 2 



Compressive  stress 

150.303N/mm 2 

139.076/mm 2 



Von­misses  stress 

2000N/mm 2 

260.92N/mm 2

112 

INTERNATIONAL JOURNAL OF APPLIED ENGINEERING RESEARCH, DINDIGUL  Volume 1, No1, 2010  © Copyright 2010 All rights reserved Integrated Publishing Association  RESEARCH ARTICLE                                                                                                            ISSN ­ 0976­4259 



Deflection 

0.058752 mm 

From  the  table.1,  it  is  observed  that  the  bending  stress,  compressive  stress,  von­misses  stresses of ANSYS values are less than the design values. Hence the design is safe. Then the  gears are manufactured using gear hobbing technique and finished by gear shaving operation.  5. Conclusions  1.  Bending,  compressive,  Von­misses  stresses  were  obtained  by  theoretical  and  Ansys  software  for  Aluminum  alloy.  The  obtained  stresses  by  ANSYS  are  less  than  that  of  the  theoretical calculations.  2.  From  the  results,  it  is  observed  that  the  bending  and  compressive  stresses  of  aluminum  alloy (ceramics) are less than that of the other material like steel.  3. Aluminum alloy reduces the weight up to 55­67% compares to the other materials  4.  Aluminum  is  having  unique  property  (i.e.  corrosive  resistance),  good  surface  finishing,  hence it permits excellent silent operation.  5.  Weight  reduction  is  a  very  important  criterion,  in  order  to  minimize  the  UN  balanced  forces setup in the marine gear system, there by improves the system performance.  6. Hence aluminum alloy is best suited for marine gear in the high­speed applications.  7. The designed gear set have been manufactured using gear hobbing technique and finished by  gear shaving operation and tested for the strength of the gear teeth. 

Acknowledgements  First author is grateful to Dr.T.Srinivasulu, Principal VCE shamshabad and Dr.G.V.Rao Head  Mechanical  Engineering  Department  for  their  valuable  support.  He  is  also  thankful  to  the  management  of  the  institute  for  the  encouragement,  support,  and  co­operation  during  the  entire work.  6. References  1.  Emmanuel RIGAUD, Ecole Centrale de Lyon., 1999,”Modelling and analysis of Static  Transmission Error­effect of wheel body deformation and interactions between adjacent  loaded teeth,” hal – 00121847, Version 1­22 Dec 2006.  2.  Zeping Wei., 2004”Stresses and Deformations in Involute spur gears by Finite Element  method,” M.S, Thesis, College of Graduate Studies and research, University of Saskatchewan,  Saskatchewan.

113 

INTERNATIONAL JOURNAL OF APPLIED ENGINEERING RESEARCH, DINDIGUL  Volume 1, No1, 2010  © Copyright 2010 All rights reserved Integrated Publishing Association  RESEARCH ARTICLE                                                                                                            ISSN ­ 0976­4259 

3.  PSG,2008, “Design data,” Kalaikathir Achchagam publishers, Coimbatore India  4.  Joseph   E.Shigley.charles R.Mischike, 2003, Mechanical Engineering design, Tata  McGraw Hill.  5.  Andrzej kawalec, Jerzy Wiktor., 2006, “Comparative analysis of tooth root strength  Using ISO and AGMA  6.  Standards in spur and helical gears with FEM based verification,” ASME Journal of  Mechanical Design,Vol 128/114  7.  Lazar Chalik, DE, 1996, “Preloaded Gearing for high speed application” Vol 88, ASME  Power transmission &Gearing conference  8.  P.N.Rao, 2003, “Manufacturing Technology,” 2 nd  Edition, Tata Mc Grew Hill  9.  Metals Handbook, 1990, “ Properties and Selection: Nonferrous Alloys and   Special­  Purpose Materials,” ASM International Vol.2, 10th Ed.  10. R.E. Sanders, Technology Innovation in aluminum Products, The Journal of the Minerals,  53(2):21–25, 2001  11. Stephen F. Pollard, Boatbuilding with Aluminum, International marine/Ragged Mountain  Press; 1 edition, 1993

114