X
تبلیغات
به وبلاگ تخصصی ساخت و تولید خوش آمدید. - عوامل خستگي و شكست در چرخدنده ها

چكيده :
در اين مقاله عوامل خستگي و شكست دندانه هاي چرخدنده مورد بررسي قرار گرفته است. عواملي كه باعث خستگي دندانه و در نهايت شكست آن مي شوند عبارتند از : 1ـ شكست حاصل از ممان هاي خمشي 2ـ سايش 3ـ كندگي 4ـ خراش كه هر يك از عوامل خود به چند دسته تقسيم مي شوند.
اين عوامل ممكن است بر اثر نقص هايي باشد كه در خود دندانه وجود دارد يا ممكن است بوسيله عملكرد ساير قطعاتي كه در مجموعه چرخدنده اي بكار رفته اند ايجاد شوند. وقتي با يك دندانه آسيب ديده مواجه مي شويم براحتي نمي توان در مورد علت آسيب قضاوت كرد زيرا اين امر مستلزم تجربه كافي و تحقيقات دقيق مي باشد. با اين حال در اين مقاله سعي شده است بصورت كلي با اين پديده ها آشنا شويم.
واژه هاي كليدي :
سايش، خستگي سطحي، تغيير شكل پلاستيك، شكست
  
مقدمه :
طراحان چرخدنده هميشه از اين موضوع تعجب مي كنند كه چرا بعضي از چرخدنده ها بهتر و بيشتر از آنچه در فرمول هاي طراحي انتظار مي رفت كار مي كنند در حاليكه تعدادي ديگر حتي وقتي در داخل محدوده طراحي، بارگذاري  شده اند ناگهان دچار شكست مي شوند.
به همين دليل لازم است كه عوامل خستگي چرخدنده به دقت بررسي شود.

انجمن چرخدنده سازان آمريكا (AGMA) خستگيهاي چرخدنده را به 5 دسته كلي زير تقسيم مي نمايد:

 1ـ سايش (wear)

 2ـ  خستگي سطحي

 3 ـ تغيير شكل پلاستيك (plastic flow)

 4ـ شكست دندانه

 5ـ شكست هاي خستگي كه 2 يا چند عامل فوق را با هم دارند.

هر يك از اين دسته ها خود به چند نوع و شكل مختلف تقسيم مي شود كه در نهايت يك مهندس كه  در  زمينه  چرخدنده  كار  مي كند  با  18 شكل مختلف از خستگي چرخدنده مواجه مي شود. به همين دليل در مواجه با يك  چرخدنده آسيب ديده بايد تلفيقي از علم و هنر آناليز صحيح را بكار برد. اگر آناليز خستگي بطور صحيحي انجام نشود ممكن است علت خستگي چيزي غير از علت اصلي تشخيص داده شود كه در اين صورت طراح را به سمت ساخت يك مجموعه چرخدنده اي بزرگتر از آنچه كه نياز است هدايت مي كند در حاليكه طراحي جديد نيز ممكن است داراي همان عيب قبلي باشد زيرا عامل اصلي تخريب هنوز تصحيح نشده است. به عنوان مثال يك چرخدنده كه در سرعت بالا كار مي كند ممكن است براي ماهها داراي ارتعاش قابل قبولي باشد اما ناگهان علائم ارتعاش با دامنه بالا پديدار مي شود. تحقيقات دقيق روشن مي كند در مدتي كه چرخدنده كار مي كرده دندانه ها دچار سايش شده اند و در نتيجه فاصله بين دندانه ها افزايش يافته كه همين عامل باعث افزايش دامنه ارتعاش چرخدنده شده است. پس مشكل اصلي سايش دندانه ها است نه ارتعاش و ارتعاش بايد به عنوان يك عامل ثانويه در نظر گرفته شود. نكته مهم ديگري كه بايد در نظر گرفته شود اين است كه گاهي طراحي چرخدنده صحيح است ولي چرخدنده بر اثر رفتار ساير قطعاتي كه در مجموعه چرخدنده اي شركت دارند يا ساير عوامل (محيط، خطاي نصب و استقرار و …) دچار خستگي ناخواسته مي شود. به عنوان مثال فرض كنيد محور يك توربين توسط يك اتصال كوپلينگ به محور پينيون وصل شده است، در صورتيكه اين اتصال در انتقال نيرو داراي خطاي زيادي باشد يعني نيرو را طوري انتقال دهد كه نيروهاي شعاعي و محوري بيشتر از آنچه در طراحي در نظر گرفته شده به پينيون وارد شود در آنصورت پينيون و ياتاقان محور آن به سرعت دچار سايش يا حتي شكست مي شوند. بنابراين راه حل طراحي مجدد پينيون يا تعويض ياتاقان محور آن نيست بلكه بايد در وضعيت اتصال (coupling) تجديد نظر كرد.

با اين مقدمه به سراغ انواع خستگي هايي كه در يك چرخدنده رخ مي دهد مي رويم. تذكر اين نكته ضروري است كه منظور از شكست خستگي در يك چرخدنده، گسيختگي (جدا شدن) دندانه نمي باشد بلكه هر عاملي كه باعث شود چرخدنده از شرايط كاري مطلوب خارج گردد به عنوان يك نوع شكست خستگي محسوب مي شوند. لذا سايش نيز براي چرخدنده نوعي شكست خستگي محسوب مي شود.
 
1ـ سايش (wear) :
از نقطه نظر يك مهندس چرخدنده، سايش عبارتست از زدوده شدن يكنواخت يا غير يكنواخت فلز از روي سطح دندانه.
علل اصلي سايش دندانه‌، تماس فلز به علت نامناسب بودن ضخامت لايه روغن، ذرات ساينده موجود در روغن كه با شكستن لايه روغن باعث سايش سريع يا ايجاد خراش مي گردند و سايش شيميايي به علت تركيب روغن و مواد افزوده شده است به آن مي باشند. سايش باعث كم شدن ضخامت دندانه و تغيير شكل پروفيل آن مي گردد كه در نتيجه شكل پروفيل دندانه از حالت مطلوب (مثلا منحني اينولوت) خارج شده و خواص آن از بين مي رود. سايش بخصوص در چرخدنده هايي كه بايد براي مدت نامحدود با سرعت بالا كار كنند يك پديده بسيار مهم است. البته سايش هميشه يك عامل منفي نيست بلكه وجود مقدار بسيار ظريفي سايش باعث اصلاح دندانه هاي درگير با هم و هماهنگ شدن آنها مي شود. پوليش كــــردن (polishing) كه يك نوع عمليات پرداخت بسيار ظريف است نيز به معناي سائيدن قطعه به مقدار بسيار كمي مي باشد.

در شكل 1 مراحل رشد سايش در دندانه هاي چرخدنده اي با سختي قابل ماشينكاري نشان داده شده است. در مرحله اول سايش در حد پرداخت دندانه ها مي باشد كه كمترين مقدار آن در حدود  خط گام رخ مي دهد. علاوه بر آن كندگيهاي ريزي در نزديك ريشه دندانه مشاهده مي شود. در مرحله دوم در سردندانه تغيير شكل پلاستيك كه البته مقدار آن بسيار كوچك است آغاز مي گردد. علاوه بر اينكه سايش و كندگي در نزديك ريشه بيشتر شده است و اين روند تا مرحله چهارم ادامه مي يابد. همانطور كه مشاهده مي كنيد در تمامي اين مراحل منطقه نزديك خط گام از كمترين سايش برخوردار است. (زيرا از نظر تئوري در نقطه گام غلتش محض و از نظر عملي مقدار ناچيزي لغزش وجود دارد) به همين علت در مرحله چهارم، منطقه خط گام بيشتر بار را انتقال خواهد داد كه اين عمل باعث افزايش تنش هاي تماسي در منطقه خط گام و اغلب منجر به كندگي اين ناحيه مي گردد. در نتيجه چرخدنده دچار شكست شده و از حالت كاري مطلوب خارج خواهد شد. كاهش بار انتقالي و افزايش كيفيت روغنكاري براي بهبود اين وضعيت بسيار مفيد خواهد بود. توجه كنيد كه سايش را مي توان مقدمه ظهور ساير شكست ها در دندانه دانست. بر اثر سائيده شدن دندانه ضخامت آن كاهش مي يابد. لذا علاوه بر كاهش مقاومت خمشي، در آغاز درگيري ضربه زيادي بر دندانه وارد مي شود كه ممكن است باعث شكست دندانه شود. علاوه بر آن تغيير شكل پروفيل دندانه باعث تمركز تنش در بعضي نقاط روي سطح دندانه مي شود كه ممكن است باعث كندگي و يا شكست دندانه شود. در صورتي كه علت سايش وجود مواد خارجي مانند براده هاي ماشين كاري ، باقيمانده هاي سنگزني و يا موادي كه به طريقي وارد فضاي كاري چرخدنده ، شده اند باشد به اين سايش، اصطكاك ساينده (abrasive wear)  گويند. اما در صورتي كه عامل سايش مواد شيميايي موجود در روانساز يا مواد آلوده كننده اي مانند آب، نمك رطوبت محيطي و … باشد به آن اصطكاك خورنده (corrosvie wear) گويند. اما شايد مهمترين سايش، سايشي باشد كه ناشي از شكسته شدن موضعي لايه روغن به علت حرارت بيش از حد، مي باشد كه باعث تماس فلز با فلز و اصطكاك چسبنده به شكل يك جوش و يا پارگي و يا خراش مي شود كه اصطلاحا به اين نوع سايش scuffing گويند كه خود به چند نوع نقسيم مي شود.  بطور كلي مستعدترين مكان ها براي اين نوع سايش، سر و ته دندانه مي باشد. (براي توضيحات بيشتر به منبع دوم مراجعه نمائيد.) از روش هاي جلو گيري از اين نوع سايش مي توان افزايش ويسكوزيته روغن، افزايش سختي چرخدنده، پرداخت خوب سطح دندانه و در بعضي مواقع اصلاح پروفيل دندانه و تاج گذاري دندانه (crowing) كه در اين روش وسط دندانه به صورت يك برآمدگي، بالا مي آيد و بدين ترتيب بيشتر بار توسط اين قسمت منتقل مي شود را نام برد.

2ـ تغيير شكل پلاستيك (plastic flow) :
اين نوع شكست وقتي حاصل مي شود كه سطوح تماس تسليم شده و تحت بار سنگين تغيير شكل دهند. معمولا اين نوع شكست در نوك و در دو انتهاي (طرفين) دندانه رخ مي دهد. اما در مواقعي كه نيروهاي لغزشي در سطح دندانه زياد باشند تغيير شكل در سراسر دندانه مشاهده مي شود. بطوريكه سطح دندانه بصورت موج موج در مي آيد. (به اين نوع تغيير شكل پلاستيك rippling گويند) براي جلو گيري از تغيير شكل دندانه مي توان بار اعمالي را كم كرده يا بر سختي دندانه افزود. نوع ديگري از تغيير شكل پلاستيك كه به علت سرعت لغزشي بالا در حلزون ها و چرخ حلزون ها و چرخدنده هاي هيپوئيد مشاهده مي شود شيار شيار شدن سطح دندانه است كه به اين نوع تغيير شكل Ridging (شيار شيار شدن يا چروك شدن) گويند.

3ـ شكست دندانه :
شكست دندانه چرخدنده، شكستي است كه در آن تمام يا قسمت قابل توجهي از يك دندانه بر اثر بارگذاري بيش از حد، ضربه يا اغلب بر اثر تنش هاي خمشي مكرري كه بيش از مقدار حد دوام ماده چرخدنده است، از چرخدنده جدا مي شود. اين نوع از شكست حاصل خستگي خمشي دندانه تحت بار خمشي وارد بر آن مي باشد.

در بررسي شكست دندانه بررسي چند موضوع ضروري است :

1ـ3ـ نقطه كانوني :
نقطه كانوني، نقطه اي است كه شكست از آنجا آغاز مي شود. اين نقطه ممكن است يك شيار يا پارگي در ناحيه منحني ريشه (Root fillet) ، يكي از تركهايي كه بر اثرعمليات  حرارتي در سطح قطعه بوجود مي آيد و يا نقطه اتصال بين منحني ريشه دندانه به منحني پروفيل دندانه (اين نقطه از نظر تئوري ضعيف ترين نقطه در مقابل تنش هاي خمشي است) باشد.

2ـ3ـ خورندگي مخرب (Fretting corrosion) :
در طول زماني كه ترك در حال رشد است روغن به درون آن نفوذ كرده و هر گاه دندانه وارد درگيري مي شود فشار هيدروليكي زيادي توليد مي كند كه اين فشار باعث تخريب و اشاعه ترك به زير سطح دندانه چرخدنده مي شود.

3ـ3ـ شكست براثر بارگذاري بيش از حد مجاز (over load Breakage) :
اگر شكست دندانه به علت بارگذاري بيش از حد مجاز يا بر اثر ضربه رخ داده باشد معمولا سطح شكسته شده به صورت ريش ريش است، حتي اگر دندانه كاملا سخت شده باشد. با اين حال سطح شكست شبيه رشته هاي يك ماده پلاستيكي است كه جدا جدا پيچانده شده اند.

4ـ3ـ موقعيت شكست :
معمولا شكست دندانه هاي چرخدنده از ناحيه منحني ريشه بخصوص در منطقه پيوستن منحني ريشه به منحني پروفيل دندانه، آغاز مي شود. (يك تير يك سردرگير در تكيه گاه داراي ضعيف ترين مقطع است). گاهي اوقات كندگي خط گام به قدري شديد است كه باعث شروع شكست دندانه از خط گام مي شود. گاهي اوقات نيز انطباق تداخلي ناخواسته اي كه بين دندانه هاي درگير رخ مي دهد يا تنش هاي پسماند عمليات حرارتي باعث مي شود كه شكست در ناحيه ريشه در وسط دو دندانه آغاز شود. در برخي موارد نيز نقص هاي ساختاري كه در عمليات آهنگري (forging) قطعه ايجاد شده باعث مي شود كه دندانه از نقطه اي غير قابل پيش بيني بشكند.

4ـ كندگي در دندانه هاي چرخدنده (pitting) :
كندگي عبارتست از شكست خستگي حاصل از تنش هاي تماسي (hertzian stresses) كه باعث مي شود قسمت هايي از سطح دندانه چرخدنده بصورت حفره كنده شود. بر اساس شدت خسارتي كه به سطح خورده است مي توان كندگي را به سه دسته تقسيم كرد:

1ـ4 ـ كندگي اوليه :
در اين كندگي، قطر حفره ها بسيار كوچك و در حد 0.4 تا 0.8 ميليمتر مي باشد. اين كندگي در نقاطي رخ مي دهد كه تنش از حد مجاز تجاوز نمايد و بدين وسيله تمايل دارد تا با كندن اين نقاط از روي سطح، بار را دوباره پخش نمايد. بدين ترتيب با پخش هموارتر بار، عمل كندگي كاهش يافته و در نهايت متوقف مي شود. به همين دليل  به اين نوع كندگي، كندگي تصحيح كننده (corrective pitting) نيز گويند.

2ـ4 ـ كندگي مخرب (destructive pitting) :
اين نوع كندگي نسبت به كندگي اوليه شديدتر و قطر حفره هاي كندگي نيز بزرگتر است و وقتي بوجود مي آيد كه تنش سطحي در مقايسه با حد دوام ماده بزرگ باشد. در اين نوع كندگي در صورتي كه بار كاهش نيابد كندگي بطور پيوسته ادامه مي يابد تا جائي كه چرخدنده بايد از سرويس خارج شود.

3ـ4 ـ كندگي خرد كننده (spalling) :
اين نوع كندگي حالت شديدتر كندگي مخرب است كه كندگي ها داراي قطر بزرگتري بوده و ناحيه قابل توجهي را در برمي گيرد. كندگي خرد كننده معمولا پس از كندگي مخرب روي مي دهد و علت آن خستگي سطحي سطوح باقيمانده (سطوح كنده نشده توسط كندگي مخرب)‌ و يا راه يافتن حفره هاي حاصل از كندگيهاي مخرب به يكديگر مي باشد.

وقوع كندگي مخرب يا خرد كننده حاكي از عدم تحمل تنش هاي تماسي توسط سطح مي باشد در بعضي موارد افزايش سختي ماده يا استفاده از موادي كه كربوره يا نيتريده شده اند به جاي مواد فعلي مي تواند اين مشكل را حل كند در غير اين صورت يك طراحي مجدد بايد انجام شود كه در آن ضخامت دندانه يا فاصله مراكز دو چرخدنده افزايش مي يابد (افزايش فاصله مراكز بار انتقالي را كاهش مي دهد)در درگيري ميان چرخدنده و پينيون، پينيون از استعداد بيشتري براي كندگي برخوردار است زيرا معمولا ‌به علت كوچكتر بودن نسبت به چرخدنده، تعداد دور بيشتري مي زند و در نتيجه بيشتر در معرض تنش هاي سطحي قرار مي گيرد. ثانيا در صورتي كه پينيون به عنوان راننده (driver) بكار رود (كه اغلب چنين است) جهت نيروهاي لغزش از خط گام به سمت طرفين خط گام مي باشد كه اين عامل باعث مي شود ماده در ناحيه خط گام تحت كشش قرار گرفته و آماده ترك شود. (براي توضيحات بيشتر به منبع دوم مراجعه فرمائيد)

نتيجه :
با توجه به مباحث فوق،‌ نمودار تجربي نشان داده شده در شكل 6  را به عنوان حاصل بحث مورد توجه قرار دهيم. اين نمودار حاصل آزمايش و انجام تستهاي تجربي بر روي يك چرخدنده نوعي مي باشد كه نتايج آن  براي ساير چرخدنده ها نيز قابل تعميم است. در اين نمودار كه برحسب گشتاور و سرعت خطي گام رسم شده 5 ناحيه مختلف را مشاهده مي كنيد. در ناحيه اول، از آنجا كه سرعت چرخدنده آن قدر زياد نيست كه بتواند لايه روغن هيدرو ديناميكي را تشكيل دهد. لذا اين ناحيه اغلب با خستگي سايشي مواجه مي شود. در ناحيه سوم با اينكه سرعت براي تشكيل يك لايه روغن مناسب است اما سرعت به قدري بالا است كه حرارت ناشي از آن باعث شكسته شدن لايه روغن  شده و در نتيجه پديده خراش (scoring) يا جوش خوردگي رخ مي دهد. در ناحيه چهارم كندگي رخ مي دهد. اين پديده از آنجا كه يك نوع شكست خستگي است لذا وابسته به زمان و بار اعمالي مي باشد و در صورتي كه نتش هاي تماسي بيش از حد دوام ماده باشد در هر سرعتي بالاخره رخ خواهد داد. لذا اين ناحيه در تمامي نواحي بالاي حد دوام مشاهده مي شود. در ناحيه پنجم دندانه بيشترين استعداد را براي شكسته شدن دارد. علت اصلي شكست در اين ناحيه ضعيف شدن سطح مقطع دندانه بر اثر سايش، تغيير شكل پروفيل دندانه و تمركز تنش در برخي نقاط بخصوص در ناحيه‏ ريشه بر اثر سايش يا شوك و ضربه وارد به دندانه بر اثر سايش و بالاخره خستگي خمشي مي باشد. بنابراين طراح بايد سعي كند براي يك عمر نامحدود، شرايط كاري چرخدنده را در ناحيه دوم قرار دهد.

منابع :
1_ Gear Hand book–Darle W.Dudley–Mc Graw–Hill–1993 (chapter 12)
2_ Practical Gear Hand book–Darle W. Dudley–Mc Graw–Hill 1983 (chapter 7)
3_ Testing Automotive Materials and components–D. n. H. Wright 1993 (chapters 2,3,7,8,9
(



تاريخ : شنبه هفدهم دی 1390 | 14:45 | نویسنده : محمدرضا فرید |
.: Weblog Themes By VatanSkin :.