مروری بر روش‌های بررسی و عملکرد چرخدندههای پلیمری
محورهای موضوعی : آموزش پلیمرها: وضعیت کنونی و آیندهرسول محسن زاده 1 , احسان نوزاد بناب 2
1 - دانشگاه تبریز
2 - گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه فنی و حرفه ای، تهران، ایران.
کلید واژه: چرخدنده پلیمری, عملکرد چرخدنده, واماندگی ,
چکیده مقاله :
چرخ‌دنده‌ها در مقایسه با سایر دستگاه‌های انتقال قدرت می‌توانند گشتاورهای متنوعی را با نسبت سرعتِ ثابت منتقل کنند. چرخدندههای فلزی علی‌رغم استحکام بالا دارای معایبی مانند خوردگی شیمیایی، نیاز به روان‌کاری مستمر، هزینه راه‌اندازی و تعمیرات زیاد و ایجاد آلودگی صوتی و محیطی هستند. در سال‌های اخیر، پلیمرها به دلیل سبک بودن، مقاومت خوردگی بالا، تولید آسان و کار در شرایط خشک، در کاربردهای زیادی مانند تجهیزات اندازه‌گیری و دارویی، لوازم جانبیِ رایانه‌ها، چاپگرهای اداری و خودپردازها، جایگزین مواد فلزی شده‌اند. کمبود استانداردهای مربوط به عملکرد چرخدندههای پلیمری باعث شد تا محققان برای بررسی رفتار چرخ‌دنده‌ای پلیمرها از آزمون چرخدنده استفاده کنند. در بین تحقیقات انجام گرفته، تمرکز محققان در بخش‌های متفاوت از جمله تعیین گشتاور بحرانی یا به تعریفی دیگر، ظرفیت تحمل بار، رفتار چرخدنده در گشتاورهای پایین‌تر و بالاتر از گشتاور بحرانی، مقاومت خستگی چرخدنده، رفتار سایشی چرخدنده در مقیاس میکرو و ماکرو و همچنین مقاومت حرارتی چرخدنده جلب شده است. علاوه‌براین، اختلاف روش و ارائه روش‌های نوین برای بررسی عوامل اشاره شده به منظور بررسی عملکرد چرخدنده در تحقیقات صورت گرفته، قابل مشاهده است. به طور کلی، جنس پلیمر، گشتاور و دور کاری از عوامل تأثیرگذار بر واماندگی چرخدندههای پلیمری تشخیص داده شده‌اند. در این پژوهش، روش و نتایج تحقیقات انجام شده بر روی انواع چرخدندههای ساخته شده با مواد پلیمری پرکاربرد ارائه شده است. به گونه‌ای که تلاش شده با مقایسه عملکرد انواع چرخ‌دنده‌ها، بتوان به یک جمع‌بندی کلی در مورد کاربرد آنها رسید.
Plastic gears are widely used in various industries. The advantages of these gears include their lightness, automation, low noise, easy production and low cost. However, the high wear rate, limited working temperature and low mechanical strength in polymer gears, compared to metal types, limit their application. Therefore, extensive research has been done on the performance of polymer gears in order to identify the failure mechanisms. Among the conducted researches, the researchers focus on different parts such as determining the critical torque or in other words, load bearing capacity, gear behavior at lower and higher torques than the critical torque, gear fatigue resistance, gear wear behavior on a micro and macro scale, as well as The thermal resistance of the gear is drawn. In addition, the difference in methods and the provision of new methods for checking the mentioned factors in order to check the performance of the gear can be seen in the research. In general, the type of polymer, torque and work cycle have been recognized as factors influencing the wear of polymer gears. In this research, the method and results of the research conducted on various types of gears made with commonly used polymer materials are presented. In such a way that by comparing the performance of all types of gears, it is possible to reach a general conclusion about their use.
1. Juvinall R.C. and Marshek K.M., Fundamentals of Machine Component design, John Wiley & Sons New York, 2006.
2. Davis J.R., Gear Materials, Properties, and Manufacture. ASM International, 2005.
3. Kirupasankar S., Gurunathan C., and Gnanamoorthy R., Transmission Efficiency of Polyamide Nanocomposite Spur Gears, Materials & Design, 39, 338-343, 2012.
4. Mohsenzadeh R., Soudmand B., and Shelesh-Nezhad K., Failure Analysis of POM Ternary Nanocomposites for Gear Applications: Experimental and Finite Element Study, Engineering Failure Analysis, 140, 106606, 2022.
5. Mohsenzadeh R., Soudmand B., and Shelesh-Nezhad K., A Combined Experimental-numerical Approach for Life Analysis and Modeling of Polymer-based Ternary Nanocomposite Gears, Tribology International, 107654, 2022.
6. Kim C.H., Durability Improvement Method for Plastic Spur Gears, Tribology International, 39, 11, 1454-1461, 2006.
7. Pogačnik A. and Tavčar J., An Accelerated Multilevel Test and Design Procedure for Polymer Gears, Materials & Design, 65, 961-973, 2015.
8. Zhang Y., A Physical Investigation of Wear and Thermal Characteristics of 3D Printed Nylon Spur Gears, Tribology International, 141, 105953, 2020.
9. Li W., An Investigation on the Wear Behaviour of Dissimilar Polymer Gear Engagements, Wear, 271, 9-10, 2176-2183, 2011.
10. Mao K., The Wear and Thermal Mechanical Contact Behaviour of Machine Cut Polymer Gears, Wear, 332, 822-826, 2015.
11. Singh P.K. and A.K. Singh, An Investigation on the Thermal and Wear Behavior of Polymer Based Spur Gears, Tribology International, 118, 264-272, 2018.
12. Sarita B. and Senthilvelan S., Effects of Lubricant on the Surface Durability of an Injection Molded Polyamide 66 Spur Gear Paired with a Steel Gear, Tribology International, 137, 193-211, 2019.
مروری بر روش‌های بررسی و عملکرد چرخدندههای پلیمری خالص
رسول محسن‌زاده*1، احسان نوزاد بناب1
*گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه فنی و حرفه ای، تهران، ایران.
چکیده
چرخ‌دنده‌ها در مقایسه با سایر دستگاه‌های انتقال قدرت می‌توانند گشتاورهای متنوعی را با نسبت سرعتِ ثابت منتقل کنند. چرخدندههای فلزی علی‌رغم استحکام بالا دارای معایبی مانند خوردگی شیمیایی، نیاز به روان‌کاری مستمر، هزینه راه‌اندازی و تعمیرات زیاد و ایجاد آلودگی صوتی و محیطی هستند. در سال‌های اخیر، پلیمرها به دلیل سبک بودن، مقاومت خوردگی بالا، تولید آسان و کار در شرایط خشک، در کاربردهای زیادی مانند تجهیزات اندازه‌گیری و دارویی، لوازم جانبیِ رایانه‌ها، چاپگرهای اداری و خودپردازها، جایگزین مواد فلزی شده‌اند. کمبود استانداردهای مربوط به عملکرد چرخ‌دنده‌ای مواد پلیمری آن باعث شد تا محققان برای بررسی رفتار چرخ‌دنده‌ای پلیمرها از آزمون چرخدنده استفاده کنند. در بین تحقیقات انجام گرفته، تمرکز محققان در بخش‌های متفاوت از جمله تعیین گشتاور بحرانی یا به تعریفی دیگر، ظرفیت تحمل بار، رفتار چرخدنده در گشتاورهای پایین‌تر و بالاتر از گشتاور بحرانی، مقاومت خستگی چرخدنده، رفتار سایشی چرخدنده در مقیاس میکرو و ماکرو و همچنین مقاومت حرارتی چرخدنده جلب شده است. علاوه‌براین، اختلاف روش و ارائه روش‌های نوین برای بررسی فاکتورهای اشاره شده در جهت بررسی عملکرد چرخدنده در تحقیقات صورت گرفته، قابل مشاهده است. به طور کلی، جنس پلیمر، گشتاور و دور کاری از عوامل تأثیرگذار بر واماندگی چرخدندههای پلیمری تشخیص داده شده‌اند. در این پژوهش، روش و نتایج تحقیقات انجام شده بر روی انواع چرخدندههای ساخته شده با مواد پلیمری پرکاربرد ارائه شده است. به گونه‌ای که تلاش شده با مقایسه عملکرد انواع چرخ‌دنده‌ها، بتوان به یک جمع‌بندی کلی در مورد کاربرد آنها رسید.
کلید واژه: چرخدنده پلیمری، عملکرد چرخدنده، واماندگی
پست الکترونیک مسئول مکاتبات:
* r_mohsenzadeh@tvu.ac.ir
1- مقدمه
چرخ‌دنده‌ها یکی از تجهیزات کارآمد و پرکاربرد در زمینه انتقال قدرت محسوب می‌شوند. اهمیت انتقال قدرت توسط چرخ‌دنده‌ها در ماشین‌های دقیق و کاربردهایی که در آنها دقت درگیری چرخدندههای محرک و متحرک اهمیت دارد، بسیار زیاد است [1]. چرخ‌دنده‌ها در صنعت خودرو، حمل‌ونقل، صنایع دریایی، دستگاه‌های شکل‌دهی، لوازم برقی، دوچرخه، صنعت اسباب‌بازی و سایر صنایع به کار می‌روند [2]. چرخدندههای پلاستیکی به طور وسیع در در کاربردهای زیادی مانند تجهیزات اندازه‌گیری و دارویی، لوازم جانبیِ رایانه‌ها، چاپگرهای اداری و خودپردازها، جایگزین مواد فلزی شده‌اند [3]. مزایای این چرخ‌دنده‌ها شامل سبکی، خودروانکاری، ایجاد صدای کم، تولید آسان و هزینه پایین آن‌هاست [4]. با این وجود، نرخ سایش زیاد، دمای کاری محدود و مقاومت مکانیکی پایین در چرخدندههای پلیمری، در مقایسه با انواع فلزی، کاربرد آنها را محدود می‌سازد [5]. از این‌رو، تحقیقات گسترده‌ای در زمینه عملکرد چرخدندههای پلیمری به منظور شناسایی مکانیزمهای واماندگی، انجام شده‌است. مطالعه عملکرد چرخ‌دنده‌ای پلیمرها شامل بررسی دمای سطح، مکانیزمهای سایش و واماندگی و نیز دوام آنها تحت آزمون چرخدنده است. عواملی شامل استحکام مکانیکی، استحکام سایشی، رفتار شکست، رفتار ویسکوالاستیک و استحکام در دمای بالا بر عملکرد چرخ‌دنده‌ای مواد تاثیرگذار هستند [6]. با استفاده از آزمون چرخدنده می‌توان سایش دنده، طول عمر چرخدنده، مقدار تغییر شکل و نیز افزایش دمای دنده را اندازه گرفت [7]. در این پژوهش به انواع روش‌های استفاده شده برای بررسی عملکرد چرخدندههای پلیمری خالص و نتایج آنها به تفصیل شرح داده می‌شود.
2- عملکرد چرخدندههای پلیمری خالص
ماو و همکاران [8]، عملکرد چرخ‌دنده‌ای پلیمرهای پلی‌استال و نایلون را مورد بررسی قرار دادند. بدین منظور، از دستگاه آزمون چرخدنده با قابلیت اندازه‌گیری پیوسته سایش دنده استفاده شد و دمای دنده‌ها با بکارگیری دوربین مادون قرمز ثبت شد. مشخصات دستگاه آزمون چرخدنده استفاده شده در تحقیق مورد نظر در شکل 1 مشاهده می‌شود. آزمون‌های اولیه روی سیستم‌های پلی‌استال-پلی‌استال و نایلون-نایلون تحت سرعت ثابت 1000 دور بر دقیقه و گشتاورهای، به ترتیب، 1/16-7 و 20-5 نیوتن-متر انجام شد. برای پلی‌استال و در گشتاورهای بیشتر از 9 نیوتن-متر، نرخ سایش افزایش زیادی یافت. با رسیدن مقدار سایش چرخدنده پلی‌استال به بیشتر از 40 درصد ضخامت دنده، دمای سطح دنده افزایش یافته و واماندگی به دلیل تغییر شکل دنده (در اثر نرم شدن) اتفاق افتاد و مکانیزم واماندگی سایش حرارتی عنوان شد. شکل 2 نمایی از پروفیل سایش دنده پلی‌استال تحت گشتاورهای 7 و 10 نیوتنمتر را نشان میدهد. در مقایسه با پلی‌استال، نرخ سایش در چرخدندههای نایلون-نایلون کمتر بوده و افزایش گشتاور تأثیر زیادی بر نرخ سایش نداشت. در گشتاورهای کمتر از 10 نیوتنمتر، واماندگی در چرخدندههای نایلون-نایلون رخ نداد ولی در گشتاورهای بالای 10 نیوتنمتر، شکست در ناحیه گام و در چرخدنده محرک مشاهده شد. دلیل شکست دنده از جنس نایلون نزدیک ناحیه گام به افزایش دمای دنده در این ناحیه نسبت داده شد که باعث کاهش استحکام دنده در گام دنده شده و شکست آن را باعث شد. دلیل رخداد شکست در چرخدندههای محرک به جهت اصطکاک لغزشی و سایش در دنده‌ها نسبت داده شد که رو به بیرون از ناحیه گام بوده و باعث ایجاد فرورفتگی در این منطقه شد (شکل 2-الف). در نتیجه ایجاد فرورفتگی، استحکام دنده در ناحیه گام کاهش یافته و تمرکز تنش افزایش یافت که این پدیده منجر به تسریع شکست در دنده محرک شد.
شکل 1- دستگاه آزمون چرخ دنده پلیمری با قابلیت اندازه گیری پیوسته سایش [8]
شکل 2- فرم سایش دنده در چرخدنده های پلی‌استال (الف)پس از 105 2× دور و تحت گشتاور 7 نیوتن-متر و (ب) پس از 105 × 5/1 دور تحت گشتاور 10 نیوتن-متر [8]
لی و همکاران [9]، مکانیزم سایش و واماندگی را در دو سیستم نایلون (محرک)- پلی‌استال (متحرک) و پلی‌استال (محرک)-نایلون (متحرک) بررسی کردند. با بکارگیری نایلون به عنوان چرخدنده محرک، چرخدنده پلی‌استال (متحرک) به دلیل نرخ سایش بالا دچار واماندگی شد. از سوی دیگر، در سیستم چرخ‌دنده‌ای پلی‌استال (محرک)-نایلون (متحرک)، عملکرد سایشی بسیار بهبود یافت که این روند نشان داد که نوع جفت درگیر (برحسب محرک یا متحرک بودن)، تأثیر زیادی بر عملکرد چرخ‌دنده‌ای داشت. با بکارگیری روش اجزاء محدود مشخص شد که فشار تماسی حین شروع درگیری بین دو دنده (وضعیت هجوم)، بیشتر از همین فشار در پایان درگیری (وضعیت عقب‌نشینی) بود. این رفتار باعث شد که ریشه دنده در چرخدنده محرک، و نوک دنده در چرخدنده متحرک، سایش بیشتری نسبت به سایر مناطق داشته باشند. هنگامی که چرخدنده پلی‌استال نقش متحرک را داشت، سایش زیاد نوک دنده باعث افزایش زاویه فشار و تسریع سایش نوک دنده شد (شکل 3) و به دلیل مقاومت پایین‌تر پلی‌استال نسبت به سایش حرارتی و در مقایسه با نایلون، ترکیب نایلون- پلی‌استال عملکرد ضعیفی را از خود نشان داد. از سوی دیگر، ترکیب پلی‌استال -نایلون عملکرد بسیار بهتری داشت زیرا سایش در قسمت ریشه بسیار کمتر از نوک دنده بود و با توجه به مقاومت سایشی بیشتر نایلون، سایش نوک دنده در چرخدنده متحرک بسیار کمتر از زمانی بود که پلی‌استال نقش چرخدنده متحرک را داشت.
شکل 3- الف) واماندگی چرخدنده پلی‌استال تحت سایش شدید و (ب) افزایش زاویه فشار با سایش دنده که منجر به تشدید نیروی اصطکاک و سایش دنده می شود [9]
ماو و همکاران [10] عملکرد چرخدندههای پلیمری ماشین‌کاری شده از جنس پلی‌استال را در سیستم درگیری پلی‌استال- پلی‌استال بررسی کرده و با انواع تزریق شده مقایسه کردند. آزمایشات در محدوده گشتاور 9-6 نیوتنمتر و با سرعت 1000 دور بر دقیقه انجام شدند. از یک روش بارگذاری تدریجی یا پله‌ای برای تعیین گشتاور بحرانی استفاده شد. در این روش، تنها از یک جفت چرخدنده استفاده شده و چرخ‌دنده‌ها تحت یک گشتاور ثابت و در مدت زمان ثابت و محدود قرار گرفتند و در مرحله بعد، گشتاور به اندازه یک واحد (5/0 نیوتنمتر) افزایش یافته و در مدت مشابه اعمال شد و این فرآیند تا واماندگی چرخدنده ادامه یافت. مزیت این روش تعیین گشتاور بحرانی با بکارگیری یک آزمون (و در مدت چند ساعت) به جای آزمون‌های متعدد تحت گشتاور ثابت (و به مدت چندین هفته) بود. نتایج آزمون نشان داد که سایش چرخدنده پلی‌استال تحت گشتاور 9 نیوتنمتر افزایش ناگهانی یافته و پلیمر دچار واماندگی شد. نوع سایش تحت این گشتاور از نوع سایش چسبان ذکر شد که دلیل آن به بروز حرارت اصطکاکی در سطح دنده نسبت داده شد. به دلیل حرارت اصطکاکی بالا پس از گشتاور بحرانی، سایش حرارتی در سطح دنده غالب شده و باعث واماندگی دنده شد. نتیجه بر این شد که در گشتاورهای کمتر از مقدار بحرانی، نرخ سایش بسیار کمتر از حالتی بود که دنده تحت گشتاورهای بیشتر از مقدار بحرانی قرار داشت. دلیل این امر افزایش ناگهانی دمای دنده تحت گشتاور بحرانی و نزدیک شدن آن به دمای ذوب پلی‌استال عنوان شد. نتایج نشان داد که رفتار سایشی و مکانیزمهای واماندگی در چرخدندههای پلی‌استال ماشین‌کاری شده، مشابه چرخدندههای تزریق‌شده در فرآیند قالب‌گیری تزریقی بود.
سینگ و همکاران [11] مکانیزمهای سایش و واماندگی در سه نوع پلیمر مختلف شامل اکریلونیتریل بوتادین استایرن (ABS)، پلی‌اتیلن سنگین و پلی‌استال را حین درگیری با چرخدنده فولادی و تحت گشتاور و دورهای مختلف بررسی کردند. از یک دستگاه آزمون چرخدنده مجهز به حسگر غیرتماسی مادون قرمز استفاده شد که در شکل 4 مشاهده می‌شود. همان‌طور که در شکل مشخص است، از یک چرخدنده فولادی به عنوان چرخدنده متحرک استفاده شد. نتایج اندازه‌گیری دما نشان داد که با افزایش گشتاور، دمای سطح دنده بالا رفته و بیشترین افزایش دما در چرخدنده پلی‌استال و کمترین مقدار افزایش دما در چرخدنده پلی‌اتیلن مشاهده شد که دلیل این امر ضریب اصطکاک بالاتر پلی‌استال، نسبت به دو پلیمر دیگر عنوان شد. عامل دیگر افزایش دمای بیشتر پلی‌استال به زبری سطح بالاتر آن، بر اساس نتایج زبری سنجی از سطح دنده‌ها، نسبت داده شد که منجر به تولید حرارت اصطکاکی بیشتری در سطح دنده شد. همچنین بررسی رفتار چرخدندههای پلیمری تحت دور و گشتاورهای مختلف نشان داد که افزایش دمای ناشی از افزایش گشتاور 8-7 مرتبه بیشتر از افزایش دمای ناشی از بالا بردن سرعت آزمون بود. نتایج آزمون سایش نشان داد که افزایش دور آزمون باعث کاهش سایش دنده شد که دلیل این امر به کاهش زمان تماس میان دو دنده و در نتیجه افزایش نرخ کرنش دنده نسبت داده شد. با افزایش نرخ کرنش، سختی و استحکام ماده بالا رفته و در نتیجه مقاومت آن به سایش افزایش خواهد یافت. با مقایسه نرخ سایش پلیمرهای مختلف مشخص شد که ABS بیشترین و پلی‌استال کمترین نرخ سایش را در تمامی گشتاورها داشتند. دلیل این روند به تردی و شکنندگی بالای ABS نسبت داده شد که بازیابی الاستیک ضعیفی در برابر تغییر شکل از خود نشان داد. همچنین، استحکام ضربه کمتر ABS نسبت به دو پلیمر دیگر عاملی مؤثر برای افزایش نرخ سایش ذکر شد. علی‌رغم افزایش دمای بیشتر چرخدنده پلی‌استال نسبت به سایر نمونه‌ها، نرخ سایش آن کمتر بود. این رفتار به استحکام بالای پلی‌استال (حتی در دماهای بالا) ارتباط داده شد که حالت الاستیک و سفتی خود را با افزایش دما حفظ کرد. افزون بر این، مقاومت سایشی بالای پلی‌استال، نسبت به دو پلیمر دیگر، باعث کاهش بیشتر نرخ سایش برای این پلیمر شد. دوام چرخ‌دنده‌ها و مکانیزمهای واماندگی آنها تحت گشتاور 4/1 نیوتن-متر و سرعت 900 دور بر دقیقه، بررسی شد. مقایسه دوام چرخدندههای پلیمری نشان داد که پلی‌استال بیشترین و ABS کمترین دوام را داشتند که این روند به مقاومت سایشی و حرارتی بالای پلی‌استال مرتبط دانسته شد. بررسی مودهای واماندگی چرخ‌دنده‌ها نیز نشان داد که ABS تحت سایش شدید قرار گرفته و از ناحیه گام دنده دچار شکست شد. پلی‌اتیلن، که مقاومت سایشی بالاتری داشت، تحت ترک خستگی در ناحیه ریشه دچار شکست شد که این نوع شکست به سایش تدریجی پای دنده و نرم‌شدن آن در دمای بالا نسبت داده شد که خم شدن دنده حول ناحیه ریشه را رقم زد. با انحراف دنده حول ریشه، برخورد ضربه‌ای میان دو جفت چرخدنده درگیر افزایش یافته و این پدیده باعث ایجاد ترک در ناحیه ریشه شد که این ترک‌ها در چرخه‌های بعدی گسترش یافته و شکست ریشه را ایجاد کردند. چرخدندههای پلی‌استال تعداد دور حداکثر تعیین‌شده برای هر آزمون را طی کرده و به دلیل مقاومت سایشی بالا، دچار واماندگی نشدند.
شکل 4- دستگاه آزمون چرخدنده و بکارگیری دماسنج غیرتماسی مادون قرمز برای اندازه‌گیری دمای کاری چرخ‌دنده‌ها [11]
ساریتا و همکاران [12]، مکانیزمهای واماندگی سطح دنده در سیستم چرخ‌دنده‌ای پلی‌آمید 66- فولاد را تحت گشتاورهای 8/1، 5/3، 4 و 5/4 نیوتن-متر بررسی کردند. افزایش گشتاور از 8/1 به 5/4 نیوتن-متر، دمای سطح دنده را حدود 32 درصد افزایش داد. مطابق شکل 5-الف و تحت گشتاور 8/1 نیوتن-متر، حفره‌زنی سطح در نزدیکی ناحیه گام و تحت شرایط خشک غالب بود. حضور ترک‌های زیرسطحی در نواحی گام و سردنده ناشی از اعمال بار خستگی در سطح تماس دنده عنوان شد. تشکیل حفره‌های بزرگ در ناحیه گام منجر به کاهش سطح تماس و اعمال بار اضافی به سطح سردنده شد ولی در ناحیه پای دنده، سایش خفیف بود. از سوی دیگر و تحت گشتاور 5/3 نیوتن-متر، دمای سطح دنده بالا رفته و تشکیل ترک‌های زیرسطحی را تسریع کرد که دلیل آن کاهش استحکام پلیمر در دمای بالا عنوان شد (شکل 5-ب). در ناحیه پای دنده، سایش بالای دنده و تغییر شکل پلاستیک مشاهده شد که دلیل این امر به وقوع پدیده تأخیر دورانی نسبت داده شد. این پدیده در اثر اختلاف مدول الاستیک میان پلیمر و فولاد ایجاد می‌شود که در آن چرخش چرخدنده فولادی به دلیل خمش دنده پلیمری با تأخیر مواجه می‌شود. دلیل خم شدن دنده، ضربه زدن دنده فولادی به دنده پلیمری حین درگیری است که باعث ایجاد ارتعاشات شده و تأخیر دورانی را باعث می‌شود. در نتیجه این پدیده و به دلیل تغییر شکل زیاد دنده پلیمری، تماس زودرس و چند باره در ناحیه پای دنده رخ داده و این روند باعث افزایش براده‌برداری از سطح پای دنده توسط نوک سخت دنده فولادی در شروع تماس میان دو دنده می‌شود. در شکل 5-ب همچنین می‌توان نرم‌شدن موضعی سطح تماس در ناحیه گام را مشاهده نمود که به تماس تک دنده و تغییر جهت سایش لغزشی در گام دنده ارتباط داده شد. همچنین، ترک‌های زیرسطحی نیز در ناحیه سردنده مشاهده شدند که این ترک‌ها به تدریج ادغام شده و تشکیل ترک‌های بزرگ‌تر را دادند. در ناحیه پای دنده نیز آثار سایشی عمیق مشخص بود. مکانیزمهای واماندگی تحت گشتاور 4 نیوتن-متر مشابه با گشتاور 5/3 نیوتن-متر بوده و تنها تفاوت در شدت بیشتر واماندگی در 4 نیوتن-متر بود. مطابق شکل 5-ج، سایش شدید و تغییر شکل پلاستیک در پای دنده مشاهده شد و نرم شدن موضعی براده‌های سایشی و تجمع آنها در ناحیه گام واضح بود. همچنین، ترک‌های سطحی در گام دنده و ترک‌های زیرسطحی در لبه سر دنده و با عمق بیشتر از حالت قبل، مشاهده شد. تحت گشتاور 5/4 نیوتن-متر، واماندگی حرارتی پلیمر در گام دنده و سایش حرارتی در پای دنده واضح بود و تحت دمای بالا دنده، که فراتر از دمای شیشه‌ای پلیمر بود، تخریب ماده در ناحیه گام صورت پذیرفت (شکل 5-د).
|
|
|
|
شکل 5- مکانیزم های واماندگی در سیستم چرخ دنده ای پلی آمید66-فولاد تحت (الف) گشتاور 8/1 نیوتن-متر و دور 105 ×6/8، (ب) گشتاور 5/3 نیوتن-متر و دور 105 ×8/2، (ج) گشتاور 4 نیوتن-متر و دور 105 ×4/1، و (د) گشتاور 5/4 نیوتن-متر و دور 105 ×4/0 [12]
3- نتیجه گیری
چرخ‌دنده‌ها از جمله اجزای پر کاربرد برای انتقال دور و قدرت در انواع مکانیرم‌ها استفاده می‌شود. چرخدندههای پلیمری به دلیل هزینه‌های تولید کم، خودروانکاری، کارکرد کم صدا و همچنین وزن کم، مورد توجه صنعت قرار گرفته است. نایلون و پلی‌استال، دو پلیمر پرکاربرد برای ساخت چرخدندههای پلیمری هستند. با‌این‌حال، تحقیقات بر روی مواد دیگری از جمله پلی اتیلن و اکریلونیتریل بوتادین استایرن صورت گرفته است. با توجه به تحقیقات اشاره شده در بخش 2، می‌توان نتیجه گرفت که نایلون به دلیل مقاومت حرارتی بالاتر از دیگر مواد، ظرفیت تحمل بار بالاتر دارد. با‌این‌وجود، این پلیمر به دلیل داشتن ماهیت آبدوستی، در محیط‌های مرطوب جذب آب کرده و منجر به افت خواص مکانیکی این پلیمر می‌شود. بنابراین، کاربرد این نوع جنس چرخدنده در محیط مرطوب توصیه نمی‌شود. پلی‌استال نیز با اینکه مقاومت حرارتی کمتر از نایلون دارد، ولی، به دلیل بالاتر بودن مقاومت سایشی این پلیمر نسبت به نایلون در گشتاورهای پایین‌تر، عمر بیشتر از نایلون دارد.
منابع
1. Juvinall R.C. and K.M. Marshek, Fundamentals of machine component design. Vol. 83. John Wiley & Sons New York, 2006.
2. Davis J.R., Gear materials, properties, and manufacture. ASM International, 2005.
3. Kirupasankar S., C. Gurunathan, and R. Gnanamoorthy, Transmission efficiency of polyamide nanocomposite spur gears, Materials & Design, 39, 338-343, 2012.
4. Mohsenzadeh R., B. Soudmand, and K. Shelesh-Nezhad, Failure analysis of POM ternary nanocomposites for gear applications: Experimental and finite element study, Engineering Failure Analysis, 140, 106606, 2022.
5. Mohsenzadeh R., B. Soudmand, and K. Shelesh-Nezhad, A combined experimental-numerical approach for life analysis and modeling of polymer-based ternary nanocomposite gears, Tribology International, 107654, 2022.
6. Kim C.H., Durability improvement method for plastic spur gears, Tribology International, 39, 11, 1454-1461, 2006.
7. Pogačnik A. and J. Tavčar, An accelerated multilevel test and design procedure for polymer gears, Materials & Design 65, 961-973, 2015.
8. Zhang Y., et al., A physical investigation of wear and thermal characteristics of 3D printed nylon spur gears, Tribology International, 141, 105953, 2020.
9. Li W., et al., An investigation on the wear behaviour of dissimilar polymer gear engagements, Wear, 271, 9-10, 2176-2183, 2011.
10. Mao K., et al., The wear and thermal mechanical contact behaviour of machine cut polymer gears, Wear, 332, 822-826, 2015.
11. Singh P.K. and A.K. Singh, An investigation on the thermal and wear behavior of polymer based spur gears, Tribology International, 118, 264-272, 2018.
12. Sarita B. and S. Senthilvelan, Effects of lubricant on the surface durability of an injection molded polyamide 66 spur gear paired with a steel gear, Tribology International, 137, 193-211, 2019.