Finite element stress analysis of three-stage gear box

Abstract

The stress analysis of the three-stage gearbox is carried out by finite element analysis method using the Ansys commercial program. The triple reduction helical gearbox is made of AISI 5115 Steel (16MnCr5) and AISI 8620. Static structural and rigid dynamic analyzes are performed in this work. The three-stage helical gearbox is a three-stage gearbox transmitting 0.5 kW at 1390 rpm with a reduction ratio of 127.99:1. After setting the boundary conditions for helical gears, the analysis is performed. Rotational velocity is given to rotating gears for static structural analysis. Analyzing these types of gearboxes to be produced enables the product to be produced more consciously with optimum design parameters with its right safety coefficients. After the static analysis, dynamic analysis is also performed using the modal analysis option of Ansys software. After the mode shape analysis and natural frequency analysis are performed, the operation frequency values of the gearbox are calculated by considering the input and output rpm values in the gearbox. These calculated values are compared with the normal operating condition to see if there will be any resonance in the gear box design during normal operating conditions.

Keywords

• Three-stage gear box
• Finite element analysis
• Computer simulation
• Static analysis
• Modal analysis

Üç kademeli bir dişli kutusunun sonlu elemanlar ile gerilme analizi

Öz

Bu çalışmada üç kademeli bir dişli kutusunun sonlu elemanlar analizi kullanılarak gerilme analizi gerçekleştirilmiştir. Üç kademeli dişli kutusu AISI 5115 (16MnCr5) ve AISI 8620 çelikleri kullanılarak üretilmiştir. Bu çalışmada yapısal statik ve katı dinamik analizler gerçekleştirilmiştir. Göz önüne alınan üç kademeli helisel dişli kutusu 0.5 kW gücünü 1390 dev/dak da 127.99:1 dönüştürme oranı ile iletmektedir. Helisel dişliler için sınır şartları belirlendikten sonra analizler gerçekleştirilmiştir. Statik analizler için dönme hızları girilmiştir. Üretilecek olan dişli kutuları için bu tür analizlerin yapılması ürünleri optimum tasarım parametreleri ve doğru emniyet katsayıları göz önüne alınarak daha doğru bir şekilde üretilmelerine imkan tanımaktadır. Statik analizden sonra, ANSYS programının modal analiz seçeneği kullanılarak dinamik analizler gerçekleştirilmiştir. Serbest titreşim analizleri ile birlikte doğal frekans analizleri de gerçekleştirilmiş olup, giriş ve çıkış devir sayıları göz önüne alınarak dişli kutusunun normal çalışma frekansları belirlenmiştir. Dişli kutusunda normal çalışma koşularında bir hasarın oluşup oluşmayacağını belirlemek üzere hesaplanan bu değerler ile dişli kutusunun normal çalışma koşullarındaki değerleri kıyaslanmıştır.

Anahtar Kelimeler

• Üç kademeli dişli kutusu
• Sonlu elemanlar analizi
• Bilgisayar simülasyonu
• Statik analiz
• Modal analiz

Kaynakça

1. F. Petrescu, R. Petrescu, Gear’s Design for the Mechanism’s Highest Efficiency, Bucharest, Romania, 2005.
2. K. J. Bathe, Finite Element Procedures, Prentice-Hall, Pearson Education, Inc., Second Edition, 2014.
3. D. Yang, Z. Yu, L. Zhang, W. Cheng, “Modal Analysis of Automobile Brake Drum Based on ANSYS Workbench”, Advances in Computer Science Research, 75, 608-612, 2017 https://doi.org/ 10.2991/mcei-17.2017.129
4. B. S. Vikhe, Optimization of Industrial Gear Box Casing, International Research Journal of Engineering and Technology (IRJET), 3(12), 686-691, 2016.
5. M. Vijaykumar, M. Shivaraju, M. Srikanth, Vibration Analysis for Gearbox Casing Using Finite Element Analysis. The International Journal of Engineering And Science (IJES), 3(2), 18-36, 2014
6. V. Ramamurti, A Computer-aided Design of a Two-stage Gearbox, Advances in Engineering Software, 28(1), 73-82, 1997 https://doi.org/10.1016/s0965-9978(96)00042-7
7. P. D. Devan, C. R. Muruganantham, Determination of Natural Frequencies of Spur Gear in Portal Axle Gearbox, International Journal of Innovative Technology and Exploring Engineering (IJITEE), 8(9S2), 422-426, 2019.
8. I. Yesilyurt, F. Gu, A. D. Ball, Gear Tooth Stiffness Reduction Measurement Using Modal Analysis and Its Use in Wear Fault Severity Assessment of Spur Gears. NDT & E International. 36(5), 357-372, 2003, https://doi.org/10.1016/s0963-8695(03)00011-2

9. P. Weis, K’. Kučera, P. Pecháč, M. Močilan, Modal Analysis of Gearbox Housing with Applied Load. Procedia engineering. 192, 953-958, 2017, https://doi.org/10.1016/j.proeng.2017.06.164
10. R. G. Budynas, J. K. Nisbett, Shigley’s Mechanical Engineering Design, 9. Ed., New York 2011.
11. MatWeb, Material Property Data, http://www.matweb.com/search/datasheet.aspx?matguid=8979f7b4e06d49d691afef1abb837846&ckck=1 Accessed: 23 December 2019
12. ASM Aerospace Specification Metals Inc., http://asm.matweb.com/search/SpecificMaterial.asp?bassnum=M862AR, Accessed: 23 December 2019
13. ANSYS R19.1, Workbench User's Guide, 2019
14. M. A. Adnan, A. Shehata, Stress Analysis Validation for Gear Design, MSc Thesis, Blekinge Institute of Technology, Gothenburg, Sweden, 2018.