بررسی عوامل خستگی و انواع شکست در چرخ دنده ها

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.

انجمن چرخدنده سازان آمریکا (AGMA) خستگی های 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.

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.

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.

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.