No description available.

Hypoid gears have been used extensively in automobiles, aerospace, marine and other applications for decades. The special advantages of hypoid gears come with inherent contact complexities of varying curvature and sliding in both profile and lengthwise direction. Spalling failure is catastrophic and needs to be addressed with deeper roots in gear design. Analytical methods present several limitations. Iterative development from experimentation is expensive and time consuming with different nonlinear parameters difficult to interpret. This thesis aims to develop a method to calculate contact fatigue life for initiation of spalling using finite element methods. Experiments have played a major role in understanding the causal factors for failure, determining the fatigue life and to study the major system design parameters. A failure analysis of the fractured flank is performed. It clarified the design causal factors for failure and the mechanism of failure. Pinion being the vulnerable part is the focus of this thesis, a finite element model was developed on ANSOL HFM and the residual stresses were superposed on MSC Marc. A finite element fatigue analysis is performed on FEMFAT and the component fatigue life is determined. The calculated fatigue life is compared with physical testing results using Weibull statistical analysis in combination with probabilistic bearing life models to formulate emphatical correlation methods. The goal of this thesis is to establish a method to estimate fatigue life by taking up example of computing subsurface fatigue life of a hypoid pinion. The influence factors like the method of contact analysis, different types of residual stresses due to case hardening and shot peening, fatigue criteria, friction, material properties are studied in this thesis to develop a conscience for the methodology to computing contact fatigue life. The bulk material properties based on hardness represented fatigue properties more accurately. Scaled normal stress in critical plane fatigue criteria was found more suitable for contact analysis with pre-stresses and multi-axial non-proportional contact stress state on FEMFAT. Finite element based contact analysis method was found to be more suitable for subsurface fatigue life estimation despite the inherent advantages of the hybrid surface integral method and its accurate representation of friction. It was found that inclusion of friction in model did not change the fatigue life significantly, showing that the influence of hardness, surface topographies lubrication and contact temperature on shear stresses are too large to be neglected. Contact fatigue life increased by a factor of 4.4 times due to shot peening of gears in comparison with case hardening indicating the influence of residual stresses. For the estimation of fatigue life at the initiation of failure, a complete correlation with the fatigue test results could not be achieved and reasons for deviations were clearly identified. The area of damage indicated by this computation method correlated with the damage observed during tests. The observations and calculations indicated premature failure of pinion with explanation of mechanism of failure of pinion flank using contact conditions. / Hypoidväxlar har använts i stor utsträckning i bilar, flyg-, marin- och andra applikationer under årtionden. De speciella fördelarna med hypoidväxlar kommer med inneboende kontaktkomplexitet med varierande krökning och glidning i både profil och längdriktning. Spallingfel är katastrofala och måste hanteras med grundlig redskapsdesign. Analytiska metoder har flera begränsningar. Iterativ utveckling baserad på experiment är dyrt och tidskrävande med olika icke-linjära parametrar som är svåra att tolka. Denna avhandling syftar till att utveckla en metod för att beräkna kontaktutmattningslivslängden för initiering av spalling med finitaelementmetoden. Experiment har spelat en viktig roll för att förstå orsaksfaktorerna för fel, bestämma utmattningslivslängden och för att studera de viktigaste systemdesignparametrarna. En felanalys av den skadade kuggflanken utfördes, vilket förtydligade felens orsaksfaktorer och den underliggande felmekanismerna. Driften är fokus för denna avhandling, en finitaelementmodell utvecklades med ANSOL-HFM och restspänningarna överlagrades med FEM-verktyget MSC-Marc. En slutlig elementutmattningsanalys utfördes med FEMFAT och komponentens utmattningstid bestämdes. Den beräknade utmattningslivslängden korrelerades med fysiska provningsresultat genom att tillämpa statistisk Weibullanalys i kombination med probabilistiska livslängdsmodeller. Målet med denna avhandling är att utveckla en metod för att uppskatta utmattningslivslängden och att tillämpa metoden för att beräkna bulkmaterialets utmattningslivslängd för ett hypoidrev. Påverkningsfaktorer som metoden för kontaktanalys, olika typer av restspänningar på grund av ythärdning och kulblästring, utmattningskriterier, friktion, materialegenskaper studeras i denna avhandling för att utveckla denna metod för att prediktera kontaktutmattningslivslängden. Bulkmaterialegenskaperna för hårdhet representerade utmattningsegenskaperna mera exakt. Skalad normalspänning i kritiska planutmattningskriterier befanns vara mer lämplig för kontaktanalys med förspänningar och multi-axiell icke-proportionell kontaktspänningsstatu än andra egenskaper med FEMFAT. Metodbaserad kontaktanalysmetod visade sig vara mer lämplig för uppskattning av ytutmattningslivslängd trots de inneboende fördelarna med hybridytaintegralmetoden och dess mera exakta friktionsrepresentation. Det visade sig att inkludering av friktion i modellen inte markant förändrade livslängden, vilket visade att påverkan av hårdhet, smörjning av ytorna och kontakttemperatur på skjuvspänningarna är för stor för att försummas. Kontaktutmattningslivslängden ökade med en faktor 4,4 gånger på grund av kugghjulning jämfört med ythärdning, vilket indikerar restspänningspåverkan. För att uppskatta utmattningslivslängden vid inledningen av ytfel kunde en fullständig korrelation med utmattningstestresultaten inte uppnås och orsakerna till avvikelser identifierades tydligt. Det skadade område som indikeras av denna beräkningsmetod korrelerade väl med den skada som observerades under testerna. Observationerna och beräkningarna indikerade tidigt fel i kuggen med förklaring av mekanismen för fel hos kuggflanken med hjälp av aktuellt kontaktförhållande.

La nitruration gazeuse est utilisée par les fabricants d’engrenages pour traiter la surface des dentures. En effet, l’augmentation de la dureté et l’introduction de contraintes résiduelles de compression contribuent à retarder voire inhiber l’initiation et la propagation des fissures superficielles de fatigue de contact. Cependant la majorité des aciers alliés présentent des réseaux de précipités de carbures dans la couche nitrurée. Ceux-ci ont la particularité de se retrouver aux joints de grains relativement parallèles à la surface, ce qui leurs ont attribué les surnoms de «liserés de carbures». Associés à une phase dure et fragile, ces carbures constituent des zones d’hétérogénéités. Par ailleurs, la norme pour la qualité des matériaux d’engrenages autorise une large gamme de tailles de grains, conduisant à diverses microstructures pour les couches nitrurées des aciers alliés. En effet, la morphologie des réseaux de carbures après nitruration dépend entre autres de la taille de grain de l’acier. De par le manque de travaux sur l’impact réel de ces précipités sur la fatigue de contact, la présente étude propose des analyses d’essais. Les essais consistent à reproduire de l’écaillage initié en surface sur des éprouvettes dont les couches nitrurées, issues d’un seul traitement thermochimique, présentent les mêmes propriétés mécaniques (dureté et contraintes résiduelles) mais différentes propriétés microstructurales (tailles de grains et morphologies de carbures). Les analyses ont permis de proposer des mécanismes d’initiation de micro-fissures induites en proche surface sous les conditions d’essai appliquées. Les sites d’initiation dépendent de la taille de grain de l’acier et peuvent en particulier s’établir au niveau des carbures intergranulaires. L’étude des réseaux de fissures couplée à l’analyse des contraintes résiduelles a permis d’établir des scénarii de propagation des fissures dans les couches nitrurées. Sous les conditions de contact appliquées, l’apparition de déformation plastique entraîne, par accommodation des variations de volume, la relaxation des contraintes résiduelles compressives initialement présentes dans le matériau, aux profondeurs les moins sollicitées. Ces contraintes étant moins compressives, elles libèrent les micro-fissures déjà présentes en proche surface. Dès lors, la propagation au travers des carbures qui s’apparentent à des sites privilégiés pour la croissance des fissures en cours de fatigue est possible. En particulier, ces précipités entraînent les fissures vers le cœur lorsqu’ils sont en forte densité dans les couches nitrurées, tandis que l’endommagement reste superficiel lorsque l’éloignement entre les précipités est trop important. Enfin, la continuité et la longueur des carbures augmentent localement la vitesse de propagation des fissures. Ceci se traduit par l’apparition plus rapide de l’écaillage initié en surface pour les couches nitrurées de microstructures grossières. / Gas nitriding is a thermochemical surface treatment widely used by gear manufacturers to improve the rolling contact fatigue endurance of their components. Indeed, increasing the hardness and introducing compressive residual stresses to the geartooth surfaces inhibit or delay crack initiation and propagation. However, most of the alloyed steel nitrided layers show the presence of intergranular carbide networks. The precipitation of these carbides specifically occurs at parallel grain boundaries during the treatment and, being a carbon-rich phase, they are associated to tough and fragile heterogeneities. Besides, standards for gear material quality recommend a broad range of steel grain sizes which lead to various possible microstructures on gear components after nitriding. Indeed, the intergranular carbide network morphology depends on the steel grain size. Since there is no evidence regarding the real effect of the carbides on rolling contact fatigue, this work presents experimental investigations carried out on a twin-disc machine. The tests consist in reproducing surface-initiated pitting on specimens whose nitrided layers, obtained by a unique thermochemical surface treatment, display similar mechanical properties (hardness and compressive residual stresses) but different microstructures (grain sizes and carbide network morphologies). The first analysis resulted in suggesting the micro-crack nucleation mechanisms. In this study, the test conditions were chosen to induce these micro-cracks near the disc surfaces. For a given contact stress field, nucleation sites depend on the steel grain size and can take place at intergranular carbides. Investigations of crack networks led on cross sections and 3D observations by means of high energy X-ray computed tomography, coupled with compressive residual stress evolution analysis, help the authors proposing the rolling contact fatigue crack propagation scenarios in nitrided layers. When contact shear stresses locally exceed the material micro-yield shear stress limit, micro-deformations arise and add compressive residual stresses to the treated layers. To accommodate these volume variations the compressive residual stresses, initially induced by nitriding, release at depths where contact stresses are lower. The pre-existing residual stresses being less compressive, micro-cracks near the surface can propagate through the carbides that act as preferential crack growth sites. When the nitrided layers display high carbide density, the intergranular precipitates drag the cracks toward the core, whereas rolling contact fatigue failures are limited to the near surface when the distance between the precipitates is too important. Finally, the length and the continuity of the carbides, linked to the steel grain size, locally increase the crack propagation speed. This gives rise to a lower endurance to surface-initiated pitting in coarse microstructures.

L'usure ondulatoire des rails associée aux vibrations de torsion des essieux de métro a été mise en évidence il y a près d'un demi siècle. L'utilisation d'absorbeurs dynamiques comme solution potentielle à ce problème a été suggérée pour la première fois dans le projet américain du TCRP "Rail Corrugation Mitigation in Transit" en 1998. Cette thèse, réalisée dans le cadre du projet européén "Wheel-rail CORRUGATION in Urban transport", a pour objectif de concevoir un absorbeur dynamique et d'étudier son influence sur la réduction de l'usure ondulatoire liée aux vibrations de torsion. Dans le cadre de ce travail, d'autres types d'usure ondulatoire ont également été traités par des absorbeurs dynamiques.<p><p>Les trois premiers chapitres de cette thèse sont dédiés à la description des différents types d'usure ondulatoire et à la présentation des méthodes de prédiction. La méthode de dimensionnement des absorbeurs dynamiques est présentée au chapitre 4, ainsi que quelques perspectives de leur efficacité à réduire l'usure ondulatoire. Dans le chapitre 5, un tronçon réel du RER parisien a été étudié. D'une part les prédictions obtenues par différentes méthodes ont été comparées aux mesures sur site. D'autre part, le bénéfice résultant de l'utilisation d'un absorbeur dynamique a été étudié numériquement. Dans le chapitre 6, le cas de l'usure ondulatoire liée aux vibrations de torsion a été étudié spécifiquement. Un absorbeur dynamique a été développé pour réduire ce type d'usure ondulatoire. Son efficacité a été évaluée théoriquement et numériquement, avec un modèle multi-corps flexible du véhicule et de la voie. Dans le chapitre 7, un absorbeur dynamique visant à réduire les vibrations de torsion d'un essieu de métro à échelle réduite a été construit au laboratoire. Son efficacité a été validée expérimentalement en reproduisant les conditions d'apparition des vibrations de torsion de l'essieu sur le banc d'essais du Laboratoire des Technologies Nouvelles de l'INRETS. La correspondance entre les prédictions d'usure à échelle réduite et à échelle réelle a été établie. Une demande de brevet a été déposée par le Laboratoire des Structures Actives pour ce système (N° 06120344.4). / Doctorat en sciences appliquées / info:eu-repo/semantics/nonPublished

[EN] The aim of the present Thesis is to develop models for the study of very high-frequency phenomena associated with the coupling dynamics of a railway vehicle with the track. Through these models, this Thesis intends to address squeal noise as a particular case of rolling noise when the train negotiates a small radius curve. Wheel/rail interaction is the predominant source of noise emission in railway operations. Rolling contact couples the wheel and the rail through a very small area, characterised by strongly non-linear and non-steady state dynamics that differentiates rolling noise from any other noise problem. Wheel/rail contact problem is studied based on Kalker's variational theory and the local falling behaviour of the coefficient of friction is introduced by means of a regularisation of Coulomb's law. Its implementation shows that the influence of the falling friction on the creep curves can be assumed negligible, thus rolling contact is finally modelled using a constant coefficient of friction. Flexibility is introduced in railway substructures through the Finite Element (FE) method in order to cover the high-frequency range. This work adopts a rotatory wheelset model that takes computational advantage of its rotational symmetry. It also develops a cyclic flexible rail model that fixes the translational contact force in a spatial point of the mesh through a technique called Moving Element (ME) method. A modal approach is used to reduce significantly the number of degrees of freedom of the global problem and a diagonalisation technique permits to decouple the resulting modal equations of motion in order to increase the computational velocity of the time integrator. Simulations in curving conditions in the time domain are carried out for constant friction conditions in order to study if the proposed interaction model can reproduce squeal characteristics for different curve radii and coefficients of friction. / [ES] El objetivo de la presente Tesis es desarrollar modelos para el estudio de fenómenos de muy alta frecuencia asociados a la dinámica acoplada de un vehículo ferroviario con la vía. A través de estos modelos, esta Tesis pretende abordar el fenómeno de los chirridos como un caso particular de ruido de rodadura en condiciones de curva cerrada. La interacción rueda/carril es la fuente predominante de ruido en las operaciones ferroviarias. El contacto es el responsable del acoplamiento entre la rueda y el carril a través de un área muy pequeña caracterizada por una dinámica fuertemente no lineal y no estacionaria. El problema de contacto rueda/carril se estudia mediante la teoría variacional de Kalker y la caída local del coeficiente de fricción se introduce por medio de una regularización de la ley de Coulomb, que muestra que su influencia sobre las curvas de fluencia se puede despreciar. Como consecuencia, el coeficiente de fricción se considera constante. La flexibilidad se introduce en las subestructuras ferroviarias a través del método de los Elementos Finitos (EF) para cubrir el rango de las altas frecuencias. La Tesis adopta un modelo de eje montado rotatorio que toma ventaja computacional de su simetría rotacional. También desarrolla un modelo de carril flexible y cíclico que fija la fuerza de contacto en un punto espacial de la malla mediante el método de los Elementos Móviles (EM). Se utiliza un enfoque modal para reducir significativamente el número de grados de libertad del problema global; las ecuaciones de movimiento resultantes en coordenadas modales se desacoplan mendiante una técnica de diagonalización para aumentar la velocidad computacional del integrador temporal. Las simulaciones en condiciones de curva en el dominio del tiempo se llevan a cabo en condiciones de fricción constante con el objetivo de estudiar si el modelo de interacción propuesto puede reproducir las características del chirrido en curva para diferentes radios de curva y coeficientes de fricción. / [CAT] L'objectiu de la present Tesi és desenvolupar models per a l'estudi de fenòmens de molt alta freqüència associats amb la dinàmica acoblada d'un vehicle ferroviari amb la via. Aquests models permeten simular el soroll de rodament encara que, en particular, aquest treball es proposa abordar el fenomen del soroll grinyolant produït quan el tren negocia un radi de curvatura estret. La interacció roda/carril és la font predominant de l'emissió de soroll en les operacions ferroviàries. El contacte acobla la roda i el carril a través d'una àrea molt reduïda que es caracteritza per una dinàmica fortament no lineal i no estacionària. El problema de contacte roda/carril s'estudia mitjançant la teoria variacional de Kalker i el descens local del coeficient de fricció s'introdueix per mitjà d'una regularització de la llei de Coulomb, què demostra que la seua influència en les corbes de fluència es pot suposar insignificant. Per tant, s'utilitza un coeficient de fricció constant per a modelar el contacte. La flexibilitat s'introdueix en les subestructures de ferrocarril a través del mètode d'Elements Finits (EF) per tal de cobrir el rang d'alta freqüència. La present tesi adopta un model d'eix muntat rotatori que s'aprofita de la seua la simetria rotacional per a augmentar la eficiència computacional. També desenvolupa un model de carril flexible i cíclic que fixa la força de contacte en un punt espacial de la malla a través del mètode dels Elements Mòbils (EM). S'empra un enfocament modal per reduir significativament el nombre de graus de llibertat del problema global, al temps que s'implementa una tècnica diagonalització que permet desacoblar les equacions modals de moviment per a augmentar la velocitat computacional de l'integrador temporal. Les simulacions en les condicions de corba en el domini del temps es duen a terme per a condicions de fricció constant per tal d'estudiar si el model d'interacció proposat pot reproduir les característiques del soroll grinyolant per a diferents radis de corba i coeficients de fricció. / Giner Navarro, J. (2017). Advances Techniques for Time-Domain Modelling of High-Frequency Train/Track Interaction [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/90637