Sonlu elemanlar yöntemiyle dişli kırılma analizi
Spur gear crack analysis using finite element method
Yazar: AYKUT KUNDİ
Danışman: DOÇ. DR. FATİH KARPAT
Uludağ Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Günümüzde dişli kutuları ve aktarma organları hayatın ve endüstrinin her alanına girmiştir. Dişli kutularının ana elemanları olan dişlilerde diş kırılmaları bu sistemlerin çalışmasını doğrudan etkileyebilir veya düzensiz ve verimsiz çalışmasına neden olabilir. Bu tip dişlilerdeki olası diş kırılma problemlerini tespit edebilmek ve yüksek fiziksel test maliyetlerinden kazanç sağlanabilmek adına günümüzde nümerik ve sonlu analiz yöntemlerine başvurulmaya başlanmıştır.
Bu tez kapsamında farklı geometrilere sahip dişlilerde diş dibinde oluşturulan başlangıç çatlaklarının ilerleme yönleri sonlu elemanlar yöntemi ve numerik yöntemler kullanılarak doğrusal kırılma mekaniği teorisi çerçevesinde incelenmiştir. Diş basınç açısı ve diş dibi çatlak pozisyonları değiştirilerek gerilme şiddet faktörleri değişimleri ayrı ayrı incelenmiş ve bu değişkenlerin çıktıları birbiri ile karşılaştırılımıştır.
Dişli diblerindeki çatlakların ilerleme analizleri sırasında gerilme şiddet faktörü hesaplanması için ANSYS analiz programı ve çatlak ilerleme açısının belirlenmesi sırasında Paris-Erdoğan çatlak yönü belirleme teorisi denklemleri kullanılmıştır.
Tez kapsamında elde edilen sonuçların, diş dibi çatlak ilerlemesinin önceden tahmin edilmesi ya da engellenmesi ve dişli basınç açısının ve/veya diş dibi çatlak pozisyonun gerilme şiddet faktörüne etkisinin değerlendirilmesinde kullanılması amaçlanmıştır.
Analizlerde başlangıç çentiği θ açısı 90o, 45o,0o olarak belirlendi ve 20o-20o ve 20o-30o derece dişli basınç açılı diş profilleri kullanıldı. Bu girdiler doğrultusunda yapılan hesaplamalarda başlangıç çentik açısı arttıkça gerilme şiddet faktörünün arttığı ve 20o-30o derece basınç açılı dişli profillerinin diş dibinde daha düşük değerli gerilme şiddet faktörü oluştuğu tespit edildi. Bu bilgiler doğrultusunda dişli boyutlarını değiştirmeden diş profilini asimetrik seçerek dişlilerin daha yüksek gerilmeler altında kullanılabileceği tespit edilmiştir.

Anahtar Kelimeler: Kırılma Mekaniği, Dişli çarklar, Dişli kırılması, Gerilme şiddet faktörü, çatlak, FEM, Ansys

Abstract:
Nowadays, gear box, power transmission units are widely used in every division of our life and industry. Failure of gear, as one of the main part of gear boxes, may directly affect the operation of these systems or may cause irregular and inefficient operation. In order to be able to detect possible gear breakage failures and avoid high cost physical test runs, numerical and finite element methods (FEM) have begun to be used today.
With the scope of this thesis, crack propagation in the tooth foot of spur gears with various geometries by using finite element methot (FEM) and numerical methot within framework of linear fracture mechanics theory was examined. Variations in stress intensity factors were examined separately by changing the tooth pressure angle and the position of the initial cracks in the tooth foot and results were compared with each other.
During crack propagation analysis in the tooth foot of spur gears, ANSYS analysis program were used to calculate the stress intensity factor and during prediction of angle of crack direction Paris-Erdoğan crack direction determination equation theory were used.
The results obtained within the scope of the thesis are aimed at predicting/preventing crack propagation and is intended to be used in assessing the effect of pressure angle and/or initial crack position on stress intensity factors.
In the analyzes, the initial angle of crack was determined as 90o, 45o,0o and 20o-20o , 20o-30o gear pressure angle were used. Calculations, regarding to inputs, shows that as the initial crack angle increases, the stress intensity factor increases as well and it was found that the gear profiles with 20o-30o pressure angle had a lower stress intensity factor comparing to gear profiles with 20o-20o pressure angle. As conclusion, it has been observed that gear teeth can be used under higher stresses by choosing asymmetrical tooth profile without changing gear dimensions in the direction of this information

Key Words: Fracture mechanics, Gear box, Gear Crack, Stress intensity factor, Fracture, FEM, Ansys