تبلیغات
وب سایت تخصصی نقشه کشی صنعتی - عوامل خستگی و شکست دندانه های چرخدنده

هدف از راه اندازی این وب سایت این است که گامی در پیشرفت دانشجویان رشته نقشه کشی صنعتی برداشته باشیم

حمید رضا بوچانی

جستجو

 

عوامل خستگی و شکست دندانه های چرخدنده

1389/08/8   23:29


برای خواندن کامل مقاله به ادامه مطلب بروید 

در این مقاله عوامل خستگی و شکست دندانه های چرخدنده مورد بررسی قرار گرفته است. عواملی که باعث خستگی دندانه و در نهایت شکست آن می شوند عبارتند از : 1ـ شکست حاصل از ممان های خمشی 2ـ سایش 3ـ کندگی 4ـ خراش که هر یک از عوامل خود به چند دسته تقسیم می شوند.
این عوامل ممکن است بر اثر نقص هایی باشد که در خود دندانه وجود دارد یا ممکن است بوسیله عملکرد سایر قطعاتی که در مجموعه چرخدنده ای بکار رفته اند ایجاد شوند. وقتی با یک دندانه آسیب دیده مواجه می شویم براحتی نمی توان در مورد علت آسیب قضاوت کرد زیرا این امر مستلزم تجربه کافی و تحقیقات دقیق می باشد. با این حال در این مقاله سعی شده است بصورت کلی با این پدیده ها آشنا شویم.
واژه های کلیدی :
سایش، خستگی سطحی، تغییر شکل پلاستیک، شکست


مقدمه :
طراحان چرخدنده همیشه از این موضوع تعجب می کنند که چرا بعضی از چرخدنده ها بهتر و بیشتر از آنچه در فرمول های طراحی انتظار می رفت کار می کنند در حالیکه تعدادی دیگر حتی وقتی در داخل محدوده طراحی، بارگذاری شده اند ناگهان دچار شکست می شوند.
به همین دلیل لازم است که عوامل خستگی چرخدنده به دقت بررسی شود.
انجمن چرخدنده سازان آمریکا (AGMA) خستگیهای چرخدنده را به 5 دسته کلی زیر تقسیم می نماید:
1ـ سایش (wear)
2ـ خستگی سطحی
3 ـ تغییر شکل پلاستیک (plastic flow)
4ـ شکست دندانه
5ـ شکست های خستگی که 2 یا چند عامل فوق را با هم دارند.
هر یک از این دسته ها خود به چند نوع و شکل مختلف تقسیم می شود که در نهایت یک مهندس که در زمینه چرخدنده کار می کند با 18 شکل مختلف از خستگی چرخدنده مواجه می شود. به همین دلیل در مواجه با یک چرخدنده آسیب دیده باید تلفیقی از علم و هنر آنالیز صحیح را بکار برد. اگر آنالیز خستگی بطور صحیحی انجام نشود ممکن است علت خستگی چیزی غیر از علت اصلی تشخیص داده شود که در این صورت طراح را به سمت ساخت یک مجموعه چرخدنده ای بزرگتر از آنچه که نیاز است هدایت می کند در حالیکه طراحی جدید نیز ممکن است دارای همان عیب قبلی باشد زیرا عامل اصلی تخریب هنوز تصحیح نشده است. به عنوان مثال یک چرخدنده که در سرعت بالا کار می کند ممکن است برای ماهها دارای ارتعاش قابل قبولی باشد اما ناگهان علائم ارتعاش با دامنه بالا پدیدار می شود. تحقیقات دقیق روشن می کند در مدتی که چرخدنده کار می کرده دندانه ها دچار سایش شده اند و در نتیجه فاصله بین دندانه ها افزایش یافته که همین عامل باعث افزایش دامنه ارتعاش چرخدنده شده است. پس مشکل اصلی سایش دندانه ها است نه ارتعاش و ارتعاش باید به عنوان یک عامل ثانویه در نظر گرفته شود. نکته مهم دیگری که باید در نظر گرفته شود این است که گاهی طراحی چرخدنده صحیح است ولی چرخدنده بر اثر رفتار سایر قطعاتی که در مجموعه چرخدنده ای شرکت دارند یا سایر عوامل (محیط، خطای نصب و استقرار و …) دچار خستگی ناخواسته می شود. به عنوان مثال فرض کنید محور یک توربین توسط یک اتصال کوپلینگ به محور پینیون وصل شده است، در صورتیکه این اتصال در انتقال نیرو دارای خطای زیادی باشد یعنی نیرو را طوری انتقال دهد که نیروهای شعاعی و محوری بیشتر از آنچه در طراحی در نظر گرفته شده به پینیون وارد شود در آنصورت پینیون و یاتاقان محور آن به سرعت دچار سایش یا حتی شکست می شوند. بنابراین راه حل طراحی مجدد پینیون یا تعویض یاتاقان محور آن نیست بلکه باید در وضعیت اتصال (coupling) تجدید نظر کرد.
با این مقدمه به سراغ انواع خستگی هایی که در یک چرخدنده رخ می دهد می رویم. تذکر این نکته ضروری است که منظور از شکست خستگی در یک چرخدنده، گسیختگی (جدا شدن) دندانه نمی باشد بلکه هر عاملی که باعث شود چرخدنده از شرایط کاری مطلوب خارج گردد به عنوان یک نوع شکست خستگی محسوب می شوند. لذا سایش نیز برای چرخدنده نوعی شکست خستگی محسوب می شود.

1ـ سایش (wear) :
از نقطه نظر یک مهندس چرخدنده، سایش عبارتست از زدوده شدن یکنواخت یا غیر یکنواخت فلز از روی سطح دندانه.
علل اصلی سایش دندانه‌، تماس فلز به علت نامناسب بودن ضخامت لایه روغن، ذرات ساینده موجود در روغن که با شکستن لایه روغن باعث سایش سریع یا ایجاد خراش می گردند و سایش شیمیایی به علت ترکیب روغن و مواد افزوده شده است به آن می باشند. سایش باعث کم شدن ضخامت دندانه و تغییر شکل پروفیل آن می گردد که در نتیجه شکل پروفیل دندانه از حالت مطلوب (مثلا منحنی اینولوت) خارج شده و خواص آن از بین می رود. سایش بخصوص در چرخدنده هایی که باید برای مدت نامحدود با سرعت بالا کار کنند یک پدیده بسیار مهم است. البته سایش همیشه یک عامل منفی نیست بلکه وجود مقدار بسیار ظریفی سایش باعث اصلاح دندانه های درگیر با هم و هماهنگ شدن آنها می شود. پولیش کــــردن (polishing) که یک نوع عملیات پرداخت بسیار ظریف است نیز به معنای سائیدن قطعه به مقدار بسیار کمی می باشد.
در شکل 1 مراحل رشد سایش در دندانه های چرخدنده ای با سختی قابل ماشینکاری نشان داده شده است. در مرحله اول سایش در حد پرداخت دندانه ها می باشد که کمترین مقدار آن در حدود خط گام رخ می دهد. علاوه بر آن کندگیهای ریزی در نزدیک ریشه دندانه مشاهده می شود. در مرحله دوم در سردندانه تغییر شکل پلاستیک که البته مقدار آن بسیار کوچک است آغاز می گردد. علاوه بر اینکه سایش و کندگی در نزدیک ریشه بیشتر شده است و این روند تا مرحله چهارم ادامه می یابد. همانطور که مشاهده می کنید در تمامی این مراحل منطقه نزدیک خط گام از کمترین سایش برخوردار است. (زیرا از نظر تئوری در نقطه گام غلتش محض و از نظر عملی مقدار ناچیزی لغزش وجود دارد) به همین علت در مرحله چهارم، منطقه خط گام بیشتر بار را انتقال خواهد داد که این عمل باعث افزایش تنش های تماسی در منطقه خط گام و اغلب منجر به کندگی این ناحیه می گردد. در نتیجه چرخدنده دچار شکست شده و از حالت کاری مطلوب خارج خواهد شد. کاهش بار انتقالی و افزایش کیفیت روغنکاری برای بهبود این وضعیت بسیار مفید خواهد بود. توجه کنید که سایش را می توان مقدمه ظهور سایر شکست ها در دندانه دانست. بر اثر سائیده شدن دندانه ضخامت آن کاهش می یابد. لذا علاوه بر کاهش مقاومت خمشی، در آغاز درگیری ضربه زیادی بر دندانه وارد می شود که ممکن است باعث شکست دندانه شود. علاوه بر آن تغییر شکل پروفیل دندانه باعث تمرکز تنش در بعضی نقاط روی سطح دندانه می شود که ممکن است باعث کندگی و یا شکست دندانه شود. در صورتی که علت سایش وجود مواد خارجی مانند براده های ماشین کاری ، باقیمانده های سنگزنی و یا موادی که به طریقی وارد فضای کاری چرخدنده ، شده اند باشد به این سایش، اصطکاک ساینده (abrasive wear) گویند. اما در صورتی که عامل سایش مواد شیمیایی موجود در روانساز یا مواد آلوده کننده ای مانند آب، نمک رطوبت محیطی و … باشد به آن اصطکاک خورنده (corrosvie wear) گویند. اما شاید مهمترین سایش، سایشی باشد که ناشی از شکسته شدن موضعی لایه روغن به علت حرارت بیش از حد، می باشد که باعث تماس فلز با فلز و اصطکاک چسبنده به شکل یک جوش و یا پارگی و یا خراش می شود که اصطلاحا به این نوع سایش scuffing گویند که خود به چند نوع نقسیم می شود. بطور کلی مستعدترین مکان ها برای این نوع سایش، سر و ته دندانه می باشد. (برای توضیحات بیشتر به منبع دوم مراجعه نمائید.) از روش های جلو گیری از این نوع سایش می توان افزایش ویسکوزیته روغن، افزایش سختی چرخدنده، پرداخت خوب سطح دندانه و در بعضی مواقع اصلاح پروفیل دندانه و تاج گذاری دندانه (crowing) که در این روش وسط دندانه به صورت یک برآمدگی، بالا می آید و بدین ترتیب بیشتر بار توسط این قسمت منتقل می شود را نام برد.
2ـ تغییر شکل پلاستیک (plastic flow) :
این نوع شکست وقتی حاصل می شود که سطوح تماس تسلیم شده و تحت بار سنگین تغییر شکل دهند. معمولا این نوع شکست در نوک و در دو انتهای (طرفین) دندانه رخ می دهد. اما در مواقعی که نیروهای لغزشی در سطح دندانه زیاد باشند تغییر شکل در سراسر دندانه مشاهده می شود. بطوریکه سطح دندانه بصورت موج موج در می آید. (به این نوع تغییر شکل پلاستیک rippling گویند) برای جلو گیری از تغییر شکل دندانه می توان بار اعمالی را کم کرده یا بر سختی دندانه افزود. نوع دیگری از تغییر شکل پلاستیک که به علت سرعت لغزشی بالا در حلزون ها و چرخ حلزون ها و چرخدنده های هیپوئید مشاهده می شود شیار شیار شدن سطح دندانه است که به این نوع تغییر شکل Ridging (شیار شیار شدن یا چروک شدن) گویند.
3ـ شکست دندانه :
شکست دندانه چرخدنده، شکستی است که در آن تمام یا قسمت قابل توجهی از یک دندانه بر اثر بارگذاری بیش از حد، ضربه یا اغلب بر اثر تنش های خمشی مکرری که بیش از مقدار حد دوام ماده چرخدنده است، از چرخدنده جدا می شود. این نوع از شکست حاصل خستگی خمشی دندانه تحت بار خمشی وارد بر آن می باشد.
در بررسی شکست دندانه بررسی چند موضوع ضروری است :
1ـ3ـ نقطه کانونی :
نقطه کانونی، نقطه ای است که شکست از آنجا آغاز می شود. این نقطه ممکن است یک شیار یا پارگی در ناحیه منحنی ریشه (Root fillet) ، یکی از ترکهایی که بر اثرعملیات حرارتی در سطح قطعه بوجود می آید و یا نقطه اتصال بین منحنی ریشه دندانه به منحنی پروفیل دندانه (این نقطه از نظر تئوری ضعیف ترین نقطه در مقابل تنش های خمشی است) باشد.
2ـ3ـ خورندگی مخرب (Fretting corrosion) :
در طول زمانی که ترک در حال رشد است روغن به درون آن نفوذ کرده و هر گاه دندانه وارد درگیری می شود فشار هیدرولیکی زیادی تولید می کند که این فشار باعث تخریب و اشاعه ترک به زیر سطح دندانه چرخدنده می شود.
3ـ3ـ شکست براثر بارگذاری بیش از حد مجاز (over load Breakage) :
اگر شکست دندانه به علت بارگذاری بیش از حد مجاز یا بر اثر ضربه رخ داده باشد معمولا سطح شکسته شده به صورت ریش ریش است، حتی اگر دندانه کاملا سخت شده باشد. با این حال سطح شکست شبیه رشته های یک ماده پلاستیکی است که جدا جدا پیچانده شده اند.
4ـ3ـ موقعیت شکست :
معمولا شکست دندانه های چرخدنده از ناحیه منحنی ریشه بخصوص در منطقه پیوستن منحنی ریشه به منحنی پروفیل دندانه، آغاز می شود. (یک تیر یک سردرگیر در تکیه گاه دارای ضعیف ترین مقطع است). گاهی اوقات کندگی خط گام به قدری شدید است که باعث شروع شکست دندانه از خط گام می شود. گاهی اوقات نیز انطباق تداخلی ناخواسته ای که بین دندانه های درگیر رخ می دهد یا تنش های پسماند عملیات حرارتی باعث می شود که شکست در ناحیه ریشه در وسط دو دندانه آغاز شود. در برخی موارد نیز نقص های ساختاری که در عملیات آهنگری (forging) قطعه ایجاد شده باعث می شود که دندانه از نقطه ای غیر قابل پیش بینی بشکند.
4ـ کندگی در دندانه های چرخدنده (pitting) :
کندگی عبارتست از شکست خستگی حاصل از تنش های تماسی (hertzian stresses) که باعث می شود قسمت هایی از سطح دندانه چرخدنده بصورت حفره کنده شود. بر اساس شدت خسارتی که به سطح خورده است می توان کندگی را به سه دسته تقسیم کرد:
1ـ4 ـ کندگی اولیه :
در این کندگی، قطر حفره ها بسیار کوچک و در حد 0.4 تا 0.8 میلیمتر می باشد. این کندگی در نقاطی رخ می دهد که تنش از حد مجاز تجاوز نماید و بدین وسیله تمایل دارد تا با کندن این نقاط از روی سطح، بار را دوباره پخش نماید. بدین ترتیب با پخش هموارتر بار، عمل کندگی کاهش یافته و در نهایت متوقف می شود. به همین دلیل به این نوع کندگی، کندگی تصحیح کننده (corrective pitting) نیز گویند.
2ـ4 ـ کندگی مخرب (destructive pitting) :
این نوع کندگی نسبت به کندگی اولیه شدیدتر و قطر حفره های کندگی نیز بزرگتر است و وقتی بوجود می آید که تنش سطحی در مقایسه با حد دوام ماده بزرگ باشد. در این نوع کندگی در صورتی که بار کاهش نیابد کندگی بطور پیوسته ادامه می یابد تا جائی که چرخدنده باید از سرویس خارج شود.
3ـ4 ـ کندگی خرد کننده (spalling) :
این نوع کندگی حالت شدیدتر کندگی مخرب است که کندگی ها دارای قطر بزرگتری بوده و ناحیه قابل توجهی را در برمی گیرد. کندگی خرد کننده معمولا پس از کندگی مخرب روی می دهد و علت آن خستگی سطحی سطوح باقیمانده (سطوح کنده نشده توسط کندگی مخرب)‌ و یا راه یافتن حفره های حاصل از کندگیهای مخرب به یکدیگر می باشد.
وقوع کندگی مخرب یا خرد کننده حاکی از عدم تحمل تنش های تماسی توسط سطح می باشد در بعضی موارد افزایش سختی ماده یا استفاده از موادی که کربوره یا نیتریده شده اند به جای مواد فعلی می تواند این مشکل را حل کند در غیر این صورت یک طراحی مجدد باید انجام شود که در آن ضخامت دندانه یا فاصله مراکز دو چرخدنده افزایش می یابد (افزایش فاصله مراکز بار انتقالی را کاهش می دهد)در درگیری میان چرخدنده و پینیون، پینیون از استعداد بیشتری برای کندگی برخوردار است زیرا معمولا ‌به علت کوچکتر بودن نسبت به چرخدنده، تعداد دور بیشتری می زند و در نتیجه بیشتر در معرض تنش های سطحی قرار می گیرد. ثانیا در صورتی که پینیون به عنوان راننده (driver) بکار رود (که اغلب چنین است) جهت نیروهای لغزش از خط گام به سمت طرفین خط گام می باشد که این عامل باعث می شود ماده در ناحیه خط گام تحت کشش قرار گرفته و آماده ترک شود. (برای توضیحات بیشتر به منبع دوم مراجعه فرمائید)
نتیجه :
با توجه به مباحث فوق،‌ نمودار تجربی نشان داده شده در شکل 6 را به عنوان حاصل بحث مورد توجه قرار دهیم. این نمودار حاصل آزمایش و انجام تستهای تجربی بر روی یک چرخدنده نوعی می باشد که نتایج آن برای سایر چرخدنده ها نیز قابل تعمیم است. در این نمودار که برحسب گشتاور و سرعت خطی گام رسم شده 5 ناحیه مختلف را مشاهده می کنید. در ناحیه اول، از آنجا که سرعت چرخدنده آن قدر زیاد نیست که بتواند لایه روغن هیدرو دینامیکی را تشکیل دهد. لذا این ناحیه اغلب با خستگی سایشی مواجه می شود. در ناحیه سوم با اینکه سرعت برای تشکیل یک لایه روغن مناسب است اما سرعت به قدری بالا است که حرارت ناشی از آن باعث شکسته شدن لایه روغن شده و در نتیجه پدیده خراش (scoring) یا جوش خوردگی رخ می دهد. در ناحیه چهارم کندگی رخ می دهد. این پدیده از آنجا که یک نوع شکست خستگی است لذا وابسته به زمان و بار اعمالی می باشد و در صورتی که نتش های تماسی بیش از حد دوام ماده باشد در هر سرعتی بالاخره رخ خواهد داد. لذا این ناحیه در تمامی نواحی بالای حد دوام مشاهده می شود. در ناحیه پنجم دندانه بیشترین استعداد را برای شکسته شدن دارد. علت اصلی شکست در این ناحیه ضعیف شدن سطح مقطع دندانه بر اثر سایش، تغییر شکل پروفیل دندانه و تمرکز تنش در برخی نقاط بخصوص در ناحیه‏ ریشه بر اثر سایش یا شوک و ضربه وارد به دندانه بر اثر سایش و بالاخره خستگی خمشی می باشد. بنابراین طراح باید سعی کند برای یک عمر نامحدود، شرایط کاری چرخدنده را در ناحیه دوم قرار دهد.


نوشته شده توسط : علی رضایی