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.
درمراحل رشد سایش در دندانه های چرخدنده ای با سختی قابل ماشینکاری داریم. 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. 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.
باید توجه داشت 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 تقسیم می شود. بطور کلی مستعدترین مکان ها برای این نوع سایش، سر و ته دندانه می باشد. 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.
شامل 45 اسلاید powerpoint
دانلود پاورپوینت بررسی عوامل شکست و خستگیهای چرخدنده ها
