Development of a spur gear tooth flank optimization method for minimizing surface fatigue

Koronaios, Panagiotis; Κορωναίος, Παναγιώτης

dc.contributor.author	Koronaios, Panagiotis	en
dc.contributor.author	Κορωναίος, Παναγιώτης	el
dc.date.accessioned	2021-10-01T09:20:48Z
dc.date.available	2021-10-01T09:20:48Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/53917
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.21615
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Optimization	en
dc.subject	Pitting	en
dc.subject	Surface fatigue	en
dc.subject	Flank design	en
dc.subject	Spur gears	en
dc.subject	Βελτιστοποίηση	el
dc.subject	Επιφανειακή κόπωση	el
dc.subject	Μετωπικοί οδοντωτοί τροχοί	el
dc.subject	Σχεδιασμός κατατομών	el
dc.title	Development of a spur gear tooth flank optimization method for minimizing surface fatigue	en
dc.title	Ανάπτυξη μεθόδου βελτιστοποίησης κατατομών μετωπικών οδοντωτών τροχών για την ελαχιστοποίηση της εμφάνισης επιφανειακής κόπωσης	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Structural Analysis and Design	en
heal.language	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2021-07-16
heal.abstract	Gears are used under demanding operating conditions which lead to a continuous change of the tooth surface. There are various wear and fatigue mechanisms through gear’s life circle that can lead them to failure. Increasing operation time might have as a result the development of ‘pitting’ which is appearances of fatigue on the surface of the tooth flank. The development of pitting is possible to ensue growing micro-cracks in the tooth surface causing intense stresses. According to Hertz’s theory, which is presented thoroughly in this thesis, these stresses are directly related to the equivalent curvature of the bodies in contact. As a result of this analysis, methods to reduce pitting are proposed including redesign of the gear pair geometry. However, there are some geometrical criteria and constraints that must be met according to theory of gearing such as the law of gearing or pitch compatibility. Furthermore, constrains is predominant part of the present analysis. The optimization of gear profiles is attempted with genetic algorithms, Fmincon method (gradient based method) and with steepest descent method (deterministic optimization) -in MATLAB/SIMULINK environment- for both closed contact path and open contact path. The profile of pinion or rack gear is modeled with 4th degree B-Splines and the optimization algorithm determines the optimum positions of the control points in order to minimize the equivalent curvature of the conjugate flanks at each point. This analysis leads to the comparison of the three optimization methods given the results provided and their computational cost. An optimum solution corresponding to a typical one-stage speed reducer was reached and the performance of the optimized gear pair was found to surpass the performance of involute and sine-rack of similar geometry in terms of both root strength and pitting resistance. Finally, a finite element analysis completes this thesis comparing the best optimization result with the involute gears.	en
heal.abstract	Οι οδοντωτοί τροχοί χρησιμοποιούνται υπό απαιτητικές συνθήκες που συχνά οδηγούν στην καταστροφή τους λόγω των μηχανισμών φθοράς στους οποίους υπόκεινται. Υπάρχουν διάφοροι μηχανισμοί φθοράς και κόπωσης και ένας από τους πλέον σημαντικούς είναι η ανάπτυξη εκκοιλάνσεων επί της επιφάνειας της κατατομής. Αυτό το φαινόμενο συχνά προκαλεί μικρό-ρωγμές στην επιφάνεια του οδόντα προκαλώντας έντονες καταπονήσεις και τάσεις. Σύμφωνα με τη θεωρία του Hertz που παρουσιάζεται διεξοδικά, αυτές οι τάσεις σχετίζονται άμεσα με την ισοδύναμη καμπυλότητα των σωμάτων που έρχονται σε επαφή. Ως αποτέλεσμα αυτής της ανάλυσης, προτείνονται μέθοδοι για τη μείωση της ισοδύναμης καμπυλότητας και συνεπώς της καταπόνησης των κατατομών, συμπεριλαμβανομένου του επανασχεδιασμού της γεωμετρίας των οδοντοτών τροχών. Ωστόσο, υπάρχουν ορισμένα γεωμετρικά κριτήρια και περιορισμοί που πρέπει να πληρούνται σύμφωνα με τη θεωρία των οδοντώσεων, όπως μεταξύ άλλων ο βασικός νόμος οδοντώσεων (ΒΝΟ) ή η συμβατότητα του βήματος. Επιπλέον, οι περιορισμοί είναι βασική πτυχή της παρούσας εργασίας. Η βελτιστοποίηση των κατατομών επιχειρείται με γενετικούς αλγόριθμους, με τον αλγόριθμο Fmincon (gradient based optimization) και με την μέθοδο της απότομης καθόδου (steepest descent) (ντετερμινιστική βελτιστοποίηση) στο περιβάλλον της MATLAB/SIMULINK τόσο για κλειστή τροχιά επαφών όσο και για ανοικτή τροχιά επαφών. Μοντελοποιείται είτε το πινιόν είτε ο κανόνας, ανάλογα τι εξυπηρετεί καλύτερα στην κάθε περίπτωση, με B-Splines 4ου βαθμού, ενώ, ο αλγόριθμος δέχεται ως είσοδο τη θέση των σημείων ελέγχου και καθορίζει την ισοδύναμη καμπύλη καμπυλότητας σε ολόκληρη την κατατομή σύμφωνα με τη θεωρία του Hertz. Αυτή η ανάλυση οδηγεί στη σύγκριση των τριών μεθόδων βελτιστοποίησης δεδομένων των αποτελεσμάτων που παρέχονται και του υπολογιστικού κόστους τους. Επιτεύχθηκε μια βέλτιστη λύση που αντιστοιχεί σε ένα ζεύγος οδοντωτών τροχών που η ισοδύναμη καμπυλότητα είναι σημαντικά βελτιωμένη σε σχέση με τους οδοντωτούς τροχούς εξειλιγμένης και ημιτονοειδούς κανόνα όσον αφορά τόσο την αντοχή όσο και στην εμφάνιση εκκοιλάνσεων. Τέλος, τα αποτελέσματα επιβεβαιώνονται με τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων και συγκρίνεται η βέλτιστη λύση με αυτή τα αντίστοιχα γρανάζια εξειλιγμένης.	el
heal.advisorName	Spitas, Vasilis	en
heal.advisorName	Σπιτάς, Βασίλειος	el
heal.committeeMemberName	Spitas, Vasilis	en
heal.committeeMemberName	Koulocheris, Dimitris	en
heal.committeeMemberName	Provatidis, Christophoros	en
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών. Τομέας Μηχανολογικών Κατασκευών και Αυτομάτου Ελέγχου. Εργαστήριο Στοιχείων Μηχανών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	143 σ.	en
heal.fullTextAvailability	false