رفتن به مطلب

ارسال های توصیه شده

چكیده :

 

در این مقاله عوامل خستگی و شكست دندانه های چرخدنده مورد بررسی قرار گرفته است. عواملی كه باعث خستگی دندانه و در نهایت شكست آن می شوند عبارتند از : 1ـ شكست حاصل از ممان های خمشی 2ـ سایش 3ـ كندگی 4ـ خراش كه هر یك از عوامل خود به چند دسته تقسیم می شوند. این عوامل ممكن است بر اثر نقص هایی باشد كه در خود دندانه وجود دارد یا ممكن است بوسیله عملكرد سایر قطعاتی كه در مجموعه چرخدنده ای بكار رفته اند ایجاد شوند. وقتی با یك دندانه آسیب دیده مواجه می شویم براحتی نمی توان در مورد علت آسیب قضاوت كرد زیرا این امر مستلزم تجربه كافی و تحقیقات دقیق می باشد. با این حال در این مقاله سعی شده است بصورت كلی با این پدیده ها آشنا شویم.

 

واژه های كلیدی :

سایش، خستگی سطحی، تغییر شكل پلاستیك، شكست

 

 

مقدمه :

طراحان چرخدنده همیشه از این موضوع تعجب می كنند كه چرا بعضی از چرخدنده ها بهتر و بیشتر از آنچه در فرمول های طراحی انتظار می رفت كار می كنند در حالیكه تعدادی دیگر حتی وقتی در داخل محدوده طراحی، بارگذاری شده اند ناگهان دچار شكست می شوند. به همین دلیل لازم است كه عوامل خستگی چرخدنده به دقت بررسی شود. انجمن چرخدنده سازان آمریكا (AGMA) خستگیهای چرخدنده را به 5 دسته كلی زیر تقسیم می نماید:

 

1ـ سایش (wear)

2ـ خستگی سطحی

3 ـ تغییر شكل پلاستیك (plastic flow)

4ـ شكست دندانه

5ـ شكست های خستگی كه 2 یا چند عامل فوق را با هم دارند.

 

هر یك از این دسته ها خود به چند نوع و شكل مختلف تقسیم می شود كه در نهایت یك مهندس كه در زمینه چرخدنده كار می كند با 18 شكل مختلف از خستگی چرخدنده مواجه می شود. به همین دلیل در مواجه با یك چرخدنده آسیب دیده باید تلفیقی از علم و هنر آنالیز صحیح را بكار برد. اگر آنالیز خستگی بطور صحیحی انجام نشود ممكن است علت خستگی چیزی غیر از علت اصلی تشخیص داده شود كه در این صورت طراح را به سمت ساخت یك مجموعه چرخدنده ای بزرگتر از آنچه كه نیاز است هدایت می كند در حالیكه طراحی جدید نیز ممكن است دارای همان عیب قبلی باشد زیرا عامل اصلی تخریب هنوز تصحیح نشده است. به عنوان مثال یك چرخدنده كه در سرعت بالا كار می كند ممكن است برای ماهها دارای ارتعاش قابل قبولی باشد اما ناگهان علائم ارتعاش با دامنه بالا پدیدار می شود. تحقیقات دقیق روشن می كند در مدتی كه چرخدنده كار می كرده دندانه ها دچار سایش شده اند و در نتیجه فاصله بین دندانه ها افزایش یافته كه همین عامل باعث افزایش دامنه ارتعاش چرخدنده شده است. پس مشكل اصلی سایش دندانه ها است نه ارتعاش و ارتعاش باید به عنوان یك عامل ثانویه در نظر گرفته شود. نكته مهم دیگری كه باید در نظر گرفته شود این است كه گاهی طراحی چرخدنده صحیح است ولی چرخدنده بر اثر رفتار سایر قطعاتی كه در مجموعه چرخدنده ای شركت دارند یا سایر عوامل (محیط، خطای نصب و استقرار و …) دچار خستگی ناخواسته می شود. به عنوان مثال فرض كنید محور یك توربین توسط یك اتصال كوپلینگ به محور پینیون وصل شده است، در صورتیكه این اتصال در انتقال نیرو دارای خطای زیادی باشد یعنی نیرو را طوری انتقال دهد كه 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 شكست می شوند. بنابراین راه حل طراحی مجدد پینیون یا تعویض یاتاقان محور آن نیست بلكه باید در وضعیت اتصال (coupling) تجدید نظر كرد.

 

با این مقدمه به سراغ انواع خستگی هایی كه در یك چرخدنده رخ می دهد می رویم. تذكر این نكته ضروری است كه منظور از شكست خستگی در یك چرخدنده، گسیختگی (جدا شدن) دندانه نمی باشد بلكه هر عاملی كه باعث شود چرخدنده از شرایط كاری مطلوب خارج گردد به عنوان یك نوع شكست خستگی محسوب می شوند. لذا سایش نیز برای چرخدنده نوعی شكست خستگی محسوب می شود.

 

 

 

 

لینک به دیدگاه

1ـ سایش (wear) :

 

از نقطه نظر یك مهندس چرخدنده، سایش عبارتست از زدوده شدن یكنواخت یا غیر یكنواخت فلز از روی سطح دندانه. علل اصلی سایش دندانه‌، تماس فلز به علت نامناسب بودن ضخامت لایه روغن، ذرات ساینده موجود در روغن كه با شكستن لایه روغن باعث سایش سریع یا ایجاد خراش می گردند و سایش شیمیایی به علت تركیب روغن و مواد افزوده شده است به آن می باشند. سایش باعث كم شدن ضخامت دندانه و تغییر شكل پروفیل آن می گردد كه در نتیجه شكل پروفیل دندانه از حالت مطلوب (مثلا منحنی اینولوت) خارج شده و خواص آن از بین می رود. سایش بخصوص در چرخدنده هایی كه باید برای مدت نامحدود با سرعت بالا كار كنند یك پدیده بسیار مهم است. البته سایش همیشه یك عامل منفی نیست بلكه وجود مقدار بسیار ظریفی سایش باعث اصلاح دندانه های درگیر با هم و هماهنگ شدن آنها می شود. پولیش كــــردن (polishing) كه یك نوع عملیات پرداخت بسیار ظریف است نیز به معنای سائیدن قطعه به مقدار بسیار كمی می باشد.

 

كاهش بار انتقالی و افزایش كیفیت روغنكاری برای بهبود این وضعیت بسیار مفید خواهد بود. توجه كنید كه سایش را می توان مقدمه ظهور سایر شكست ها در دندانه دانست. بر اثر سائیده شدن دندانه ضخامت آن كاهش می یابد. لذا علاوه بر كاهش مقاومت خمشی، در آغاز درگیری ضربه زیادی بر دندانه وارد می شود كه ممكن است باعث شكست دندانه شود. علاوه بر آن تغییر شكل پروفیل دندانه باعث تمركز تنش در بعضی نقاط روی سطح دندانه می شود كه ممكن است باعث كندگی و یا شكست دندانه شود. در صورتی كه علت سایش وجود مواد خارجی مانند براده های ماشین كاری ، باقیمانده های سنگزنی و یا موادی كه به طریقی وارد فضای كاری چرخدنده ، شده اند باشد به این سایش، اصطكاك ساینده (abrasive wear) گویند. اما در صورتی كه عامل سایش مواد شیمیایی موجود در روانساز یا مواد آلوده كننده ای مانند آب، نمك رطوبت محیطی و … باشد به آن اصطكاك خورنده (corrosvie wear) گویند. اما شاید مهمترین سایش، سایشی باشد كه ناشی از شكسته شدن موضعی لایه روغن به علت حرارت بیش از حد، می باشد كه باعث تماس فلز با فلز و اصطكاك چسبنده به شكل یك جوش و یا پارگی و یا خراش می شود كه اصطلاحا به این نوع سایش scuffing گویند كه خود به چند نوع نقسیم می شود. بطور كلی مستعدترین مكان 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 ویسكوزیته روغن، افزایش سختی چرخدنده، پرداخت خوب سطح دندانه و در بعضی مواقع اصلاح پروفیل دندانه و تاج گذاری دندانه (crowing) كه در این روش وسط دندانه به صورت یك برآمدگی، بالا می آید و بدین ترتیب بیشتر بار توسط این قسمت منتقل می شود را نام برد.

 

 

2ـ تغییر شكل پلاستیك (plastic flow) :

 

این نوع شكست وقتی حاصل می شود كه سطوح تماس تسلیم شده و تحت بار سنگین تغییر شكل دهند. معمولا این نوع شكست در نوك و در دو انتهای (طرفین) دندانه رخ می دهد. اما در مواقعی كه نیروهای لغزشی در سطح دندانه زیاد باشند تغییر شكل در سراسر دندانه مشاهده می شود. بطوریكه سطح دندانه بصورت موج موج در می آید. (به این نوع تغییر شكل پلاستیك rippling گویند) برای جلو گیری از تغییر شكل دندانه می توان بار اعمالی را كم كرده یا بر سختی دندانه افزود. نوع دیگری از تغییر شكل پلاستیك كه 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 كه به این نوع تغییر شكل Ridging (شیار شیار شدن یا چروك شدن) گویند.

 

 

3ـ شكست دندانه :

 

شكست دندانه چرخدنده، شكستی است كه در آن تمام یا قسمت قابل توجهی از یك دندانه بر اثر بارگذاری بیش از حد، ضربه یا اغلب بر اثر تنش های خمشی مكرری كه بیش از مقدار حد دوام ماده چرخدنده است، از چرخدنده جدا می شود. این نوع از شكست حاصل خستگی خمشی دندانه تحت بار خمشی وارد بر آن می باشد. در بررسی شكست دندانه بررسی چند موضوع ضروری است :

 

 

1ـ3ـ نقطه كانونی :

 

نقطه كانونی، نقطه ای است كه شكست از آنجا آغاز می شود. این نقطه ممكن است یك شیار یا پارگی در ناحیه منحنی ریشه (Root fillet) ، یكی از تركهایی كه 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 كه ترك در حال رشد است روغن به درون آن نفوذ كرده و هر گاه دندانه وارد درگیری می شود فشار هیدرولیكی زیادی تولید می كند كه این فشار باعث تخریب و اشاعه ترك به زیر سطح دندانه چرخدنده می شود.

 

 

3ـ3ـ شكست براثر بارگذاری بیش از حد مجاز (over load Breakage) :

اگر شكست دندانه به علت بارگذاری بیش از حد مجاز یا بر اثر ضربه رخ داده باشد معمولا سطح شكسته شده به صورت ریش ریش است، حتی اگر دندانه كاملا سخت شده باشد. با این حال سطح شكست شبیه رشته های یك ماده پلاستیكی است كه جدا جدا پیچانده شده اند.

 

 

4ـ3ـ موقعیت شكست :

 

معمولا شكست دندانه های چرخدنده از ناحیه منحنی ریشه بخصوص در منطقه پیوستن منحنی ریشه به منحنی پروفیل دندانه، آغاز می شود. (یك تیر یك سردرگیر در تكیه گاه دارای ضعیف ترین مقطع است). گاهی اوقات كندگی خط گام به قدری شدید است كه باعث شروع شكست دندانه از خط گام می شود. گاهی اوقات نیز انطباق تداخلی ناخواسته ای كه بین دندانه های درگیر رخ می دهد یا تنش های پسماند عملیات حرارتی باعث می شود كه شكست در ناحیه ریشه در وسط دو دندانه آغاز شود. در برخی موارد نیز نقص های ساختاری كه در عملیات آهنگری (forging) قطعه ایجاد شده باعث می شود كه دندانه از نقطه ای غیر قابل پیش بینی بشكند.

لینک به دیدگاه

4ـ كندگی در دندانه های چرخدنده (pitting) :

كندگی عبارتست از شكست خستگی حاصل از تنش های تماسی (hertzian stresses) كه باعث می شود قسمت هایی از سطح دندانه چرخدنده بصورت حفره كنده شود. بر اساس شدت خسارتی كه به سطح خورده است می توان كندگی را به سه دسته تقسیم كرد:

 

 

1ـ4 ـ كندگی اولیه :

در این كندگی، قطر حفره ها بسیار كوچك و در حد 0.4 تا 0.8 میلیمتر می باشد. این كندگی در نقاطی رخ می دهد كه تنش از حد مجاز تجاوز نماید و بدین وسیله تمایل دارد تا با كندن این نقاط از روی سطح، بار را دوباره پخش نماید. بدین ترتیب با پخش هموارتر بار، عمل كندگی كاهش یافته و در نهایت متوقف می شود. به همین دلیل به این نوع كندگی، كندگی تصحیح كننده (corrective pitting) نیز گویند.

 

 

2ـ4 ـ كندگی مخرب (destructive pitting) :

این نوع كندگی نسبت به كندگی اولیه شدیدتر و قطر حفره های كندگی نیز بزرگتر است و وقتی بوجود می آید كه تنش سطحی در مقایسه با حد دوام ماده بزرگ باشد. در این نوع كندگی در صورتی كه بار كاهش نیابد كندگی بطور پیوسته ادامه می یابد تا جائی كه چرخدنده باید از سرویس خارج شود.

 

 

3ـ4 ـ كندگی خرد كننده (spalling) :

این نوع كندگی حالت شدیدتر كندگی مخرب است كه كندگی ها دارای قطر بزرگتری بوده و ناحیه قابل توجهی را در برمی گیرد. كندگی خرد كننده معمولا پس از كندگی مخرب روی می دهد و علت آن خستگی سطحی سطوح باقیمانده (سطوح كنده نشده توسط كندگی مخرب)‌ و یا راه یافتن حفره های حاصل از كندگیهای مخرب به یكدیگر می باشد. وقوع كندگی مخرب یا خرد كننده حاكی از عدم تحمل تنش های تماسی توسط سطح می باشد در بعضی موارد افزایش سختی ماده یا استفاده از موادی كه كربوره یا نیتریده شده اند به جای مواد فعلی می تواند این مشكل را حل كند در غیر این صورت یك طراحی مجدد باید انجام شود كه در آن ضخامت دندانه یا فاصله مراكز دو چرخدنده افزایش می یابد (افزایش فاصله مراكز بار انتقالی را كاهش می دهد)در درگیری میان چرخدنده و پینیون، پینیون از استعداد بیشتری برای كندگی برخوردار است زیرا معمولا ‌به علت كوچكتر بودن نسبت به چرخدنده، تعداد دور بیشتری می زند و در نتیجه بیشتر در معرض تنش های سطحی قرار می گیرد. ثانیا در صورتی كه پینیون به عنوان راننده (driver) بكار رود (كه اغلب چنین است) جهت نیروهای لغزش از خط گام به سمت طرفین خط گام می باشد كه این عامل باعث می شود ماده در ناحیه خط گام تحت كشش قرار گرفته و آماده ترك شود. (برای توضیحات بیشتر به منبع دوم مراجعه فرمائید)

 

 

نتیجه :

 

با توجه به مباحث فوق،‌ نمودار تجربی نشان داده شده در شكل 6 را به عنوان حاصل بحث مورد توجه قرار دهیم. این نمودار حاصل آزمایش و انجام تستهای تجربی بر روی یك چرخدنده نوعی می باشد كه نتایج آن برای سایر چرخدنده ها نیز قابل تعمیم است. در این نمودار كه برحسب گشتاور و سرعت خطی گام رسم شده 5 ناحیه مختلف را مشاهده می كنید. در ناحیه اول، از آنجا كه سرعت چرخدنده آن قدر زیاد نیست كه بتواند لایه روغن هیدرو دینامیكی را تشكیل دهد. لذا این ناحیه اغلب با خستگی سایشی مواجه می شود. در ناحیه سوم با اینكه سرعت برای تشكیل یك لایه روغن مناسب است اما سرعت به قدری بالا است كه حرارت ناشی از آن باعث شكسته شدن لایه روغن شده و در نتیجه پدیده خراش (scoring) یا جوش خوردگی رخ می دهد. در ناحیه چهارم كندگی رخ می دهد. این پدیده از آنجا كه یك نوع شكست خستگی است لذا وابسته به زمان و بار اعمالی می باشد و در صورتی كه 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 شكسته شدن دارد. علت اصلی شكست در این ناحیه ضعیف شدن سطح مقطع دندانه بر اثر سایش، تغییر شكل پروفیل دندانه و تمركز تنش در برخی نقاط بخصوص در ناحیه‏ ریشه بر اثر سایش یا شوك و ضربه وارد به دندانه بر اثر سایش و بالاخره خستگی خمشی می باشد. بنابراین طراح باید سعی كند برای یك عمر نامحدود، شرایط كاری چرخدنده را در ناحیه دوم قرار دهد.

 

 

منبع

لینک به دیدگاه

به گفتگو بپیوندید

هم اکنون می توانید مطلب خود را ارسال نمایید و بعداً ثبت نام کنید. اگر حساب کاربری دارید، برای ارسال با حساب کاربری خود اکنون وارد شوید .

مهمان
ارسال پاسخ به این موضوع ...

×   شما در حال چسباندن محتوایی با قالب بندی هستید.   حذف قالب بندی

  تنها استفاده از 75 اموجی مجاز می باشد.

×   لینک شما به صورت اتوماتیک جای گذاری شد.   نمایش به صورت لینک

×   محتوای قبلی شما بازگردانی شد.   پاک کردن محتوای ویرایشگر

×   شما مستقیما نمی توانید تصویر خود را قرار دهید. یا آن را اینجا بارگذاری کنید یا از یک URL قرار دهید.

×
×
  • اضافه کردن...