عیوب چرخ دنده ها

انجمن چرخدنده سازان آمريكا (AGMA) خستگي¬هاي چرخدنده را به ۵ دسته كلي زير تقسيم مي نمايد:
۱٫ سايش (Wear)
۲٫ خستگی سطح (Fatigue of Surface)
۳٫ تغییر شکل پلاستیک (Plastic Deformation)
۴٫ شکست دندانه
۵٫ شکست های خستگی که دو یا چند عامل فوق را با هم دارند.
هر يك از اين دسته ها خود به چند نوع و شكل مختلف تقسيم مي شود كه در نهايت يك مهندس كه در زمينه چرخدنده كار مي كند با ۱۸ شكل مختلف از خستگي چرخدنده مواجه مي شود. به همين دليل در مواجه با يك چرخدنده آسيب ديده بايد تلفيقي از علم و هنر آناليز صحيح را بكار برد. اگر آناليز خستگي بطور صحيحي انجام نشود ممكن است علت خستگي چيزي غير از علت اصلي تشخيص داده شود كه در اين صورت طراح را به سمت ساخت يك مجموعه چرخدنده اي بزرگتر از آنچه كه نياز است هدايت مي كند در حاليكه طراحي جديد نيز ممكن است داراي همان عيب قبلي باشد زيرا عامل اصلي تخريب هنوز تصحيح نشده است. به عنوان مثال يك چرخدنده كه در سرعت بالا كار مي كند ممكن است براي ماه ها داراي ارتعاش قابل قبولي باشد اما ناگهان علائم ارتعاش با دامنه بالا پديدار شود .تحقيقات دقيق روشن مي كند در مدتي كه چرخدنده كار مي كرده دندانه ها دچار سايش شده اند و در نتيجه فاصله بين دندانه ها افزايش يافته كه همين عامل باعث افزايش دامنه ارتعاش چرخدنده شده است. پس مشكل اصلي سايش دندانه ها است نه ارتعاش و ارتعاش بايد به عنوان يك عامل ثانويه در نظر گرفته شود .نكته مهم ديگري كه بايد در نظر گرفته شود اين است كه گاهي طراحي چرخدنده صحيح است ولي چرخدنده بر اثر رفتار ساير قطعاتي كه در مجموعه چرخدنده اي شركت دارند يا ساير عوامل (محيط، خطاي نصب و استقرار و …) دچار خستگي ناخواسته مي شود. به عنوان مثال فرض كنيد محور يك توربين توسط يك اتصال كوپلينگ به محور پينيون وصل شده است، در صورتي كه اين اتصال در انتقال نيرو داراي خطاي زيادي باشد يعني نيرو را طوري انتقال دهد كه نيروهاي شعاعي و محوري بيشتر از آنچه در طراحي در نظر گرفته شده به پينيون وارد شود در آن صورت پينيون و ياتاقان محور آن به سرعت دچار سايش يا حتي شكست مي شوند. بنابراين راه حل طراحي مجدد پينيون يا تعويض ياتاقان محور آن نيست بلكه بايد در وضعيت اتصال (coupling) تجديد نظر كرد.
با اين مقدمه به سراغ انواع خستگي هايي كه در يك چرخدنده رخ مي دهد مي رويم. تذكر اين نكته ضروري است كه منظور از شكست خستگي در يك چرخدنده، گسيختگي و جدا شدن، دندانه نمي باشد بلكه هر عاملي كه باعث شود چرخدنده از شرايط كاري مطلوب خارج گردد به عنوان يك نوع شكست خستگي محسوب مي شود. لذا سايش نيز براي چرخدنده نوعي شكست خستگي محسوب مي شود.
۱٫سايش:
از نقطه نظر يك مهندس چرخدنده، سايش عبارتست از زدوده شدن يكنواخت يا غير يكنواخت فلز از روي سطح دندانه.
علل اصلي سايش دندانه‌، تماس فلز با فلز به علت نامناسب بودن ضخامت لايه روغن، ذرات ساينده موجود در روغن كه با شكستن لايه روغن باعث سايش سريع يا ايجاد خراش مي گردند و سايش شيميايي به علت تركيب روغن و مواد افزوده شده است به آن مي باشند. سايش باعث كم شدن ضخامت دندانه و تغيير شكل پروفيل آن مي گردد كه در نتيجه شكل پروفيل دندانه از حالت مطلوب (مثلا منحني اينولوت) خارج شده و خواص آن از بين مي-رود. سايش بخصوص در چرخدنده هايي كه بايد براي مدت نامحدود با سرعت بالا كار كنند يك پديده بسيار مهم است. البته سايش هميشه يك عامل منفي نيست بلكه وجود مقدار بسيار ظريفي سايش باعث اصلاح دندانه هاي درگير با هم و هماهنگ شدن آنها مي شود. پوليش كــــردن (polishing) كه يك نوع عمليات پرداخت بسيار ظريف است نيز به معناي سائيدن قطعه به مقدار بسيار كمي مي باشد. توجه كنيد كه سايش را مي توان مقدمه ظهور ساير شكست¬ها در دندانه دانست. بر اثر سائيده شدن دندانه ضخامت آن كاهش مي-يابد. لذا علاوه بر كاهش مقاومت خمشي، در آغاز درگيري ضربه زيادي بر دندانه وارد مي شود كه ممكن است باعث شكست دندانه شود. علاوه بر آن تغيير شكل پروفيل دندانه باعث تمركز تنش در بعضي نقاط روي سطح دندانه مي شود كه ممكن است باعث كندگي و يا شكست دندانه شود. در صورتي كه علت سايش وجود مواد خارجي مانند براده هاي ماشين كاري، باقيمانده هاي سنگ زني و يا موادي كه به طريقي وارد فضاي كاري چرخدنده شده اند، باشد. به اين سايش، اصطكاك ساينده (abrasive wear) گويند. اما در صورتي كه عامل سايش مواد شيميايي موجود در روانساز يا مواد آلوده كننده اي مانند آب، نمك رطوبت محيطي و … باشد به آن اصطكاك خورنده (corrosvie wear) گويند. اما شايد مهمترين سايش، سايشي باشد كه ناشي از شكسته شدن موضعي لايه روغن به علت حرارت بيش از حد، مي باشد كه باعث تماس فلز با فلز و اصطكاك چسبنده به شكل يك جوش و يا پارگي و يا خراش مي شود كه اصطلاحا به اين نوع سايش scuffing گويند كه خود به چند نوع نقسيم مي شود. بطور كلي مستعدترين مكان ها براي اين نوع سايش، سر و ته دندانه مي باشد. از روش هاي جلوگيري از اين نوع سايش مي توان افزايش ويسكوزيته روغن، افزايش سختي چرخدنده، پرداخت خوب سطح دندانه و در بعضي مواقع اصلاح پروفيل دندانه و تاج گذاري دندانه (crowning) كه در اين روش وسط دندانه به صورت يك برآمدگي، بالا مي آيد و بدين ترتيب بيشتر بار توسط اين قسمت منتقل مي شود را نام برد.

۲٫ تغيير شكل پلاستيك
اين نوع شكست وقتي حاصل مي شود كه سطوح تماس تسليم شده و تحت بار سنگين تغيير شكل دهند. معمولا اين نوع شكست در نوك و در دو انتهاي (طرفين) دندانه رخ مي دهد. اما در مواقعي كه نيروهاي لغزشي در سطح دندانه زياد باشند تغيير شكل در سراسر دندانه مشاهده مي شود. بطوريكه سطح دندانه بصورت موج موج در مي آيد. به اين نوع تغيير شكل پلاستيك rippling گويند. براي جلوگيري از تغيير شكل دندانه مي توان بار اعمالي را كم كرده يا بر سختي دندانه افزود. نوع ديگري از تغيير شكل پلاستيك كه به علت سرعت لغزشي بالا در حلزون ها و چرخ حلزون ها و چرخدنده هاي هيپوئيد مشاهده مي¬شود شيار شيار شدن سطح دندانه است كه به اين نوع تغيير شكلRidging ، شيار شيار شدن يا چروك شدن گويند.
۳٫ شكست دندانه
شكست دندانه چرخدنده، شكستي است كه در آن تمام يا قسمت قابل توجهي از يك دندانه بر اثر بارگذاري بيش از حد، ضربه يا اغلب بر اثر تنش¬هاي خمشي مكرري كه بيش از مقدار حد دوام ماده چرخدنده است، از چرخدنده جدا مي شود. اين نوع از شكست حاصل خستگي خمشي دندانه تحت بار خمشي وارد بر آن مي باشد. در بررسي شكست دندانه بررسي چند موضوع ضروري است:
۳-۱٫ نقطه كانوني:
نقطه كانوني، نقطه اي است كه شكست از آنجا آغاز مي¬شود. اين نقطه ممكن است يك شيار يا پارگي در ناحيه منحني ريشه (Root fillet) ، يكي از ترك هايي كه بر اثرعمليات حرارتي در سطح قطعه بوجود مي آيد و يا نقطه اتصال بين منحني ريشه دندانه به منحني پروفيل دندانه (اين نقطه از نظر تئوري ضعيف¬ترين نقطه در مقابل تنش¬هاي خمشي است) باشد.
۳-۲٫ خورندگي مخرب (Fretting Corrosion) :
در طول زماني كه ترك در حال رشد است روغن به درون آن نفوذ كرده و هر گاه دندانه وارد درگيري مي شود فشار هيدروليكي زيادي توليد مي كند كه اين فشار باعث تخريب و اشاعه ترك به زير سطح دندانه چرخدنده مي شود.

۳-۳٫ شكست براثر بارگذاري بيش از حد مجاز (Over load breakage) :
اگر شكست دندانه به علت بارگذاري بيش از حد مجاز يا بر اثر ضربه رخ داده باشد معمولا سطح شكسته شده به صورت ريش ريش است، حتي اگر دندانه كاملا سخت شده باشد. با اين حال سطح شكست شبيه رشته هاي يك ماده پلاستيكي است كه جدا جدا پيچانده شده اند .

۳-۴٫ موقعيت شكست:
معمولا شكست دندانه هاي چرخدنده از ناحيه منحني ريشه بخصوص در منطقه پيوستن منحني ريشه به منحني پروفيل دندانه، آغاز مي شود. يك تير يك سردرگير در تكيه گاه داراي ضعيف ترين مقطع است. گاهي اوقات كندگي خط گام به قدري شديد است كه باعث شروع شكست دندانه از خط گام مي شود. گاهي اوقات نيز انطباق تداخلي ناخواسته اي كه بين دندانه هاي درگير رخ مي دهد يا تنش-هاي پسماند عمليات حرارتي باعث مي شود كه شكست در ناحيه ريشه در وسط دو دندانه آغاز شود. در برخي موارد نيز نقص هاي ساختاري كه در عمليات آهنگري (forging) قطعه ايجاد شده باعث مي-شود كه دندانه از نقطه اي غير قابل پيش بيني بشكند.
۴٫ كندگي در دندانه هاي چرخدنده: (Pitting)
كندگي عبارتست از شكست خستگي حاصل از تنش هاي تماسي (hertzian stresses) كه باعث مي شود قسمت هايي از سطح دندانه چرخدنده بصورت حفره كنده شود. بر اساس شدت خسارتي كه به سطح خورده است مي توان كندگي را به سه دسته تقسيم كرد:
۴-۱٫ كندگي اوليه:
در اين كندگي، قطر حفره ها بسيار كوچك و در حد ۴/۰ تا ۸/۰ ميليمتر مي باشد. اين كندگي در نقاطي رخ مي دهد كه تنش از حد مجاز تجاوز نمايد و بدين وسيله تمايل دارد تا با كندن اين نقاط از روي سطح، بار را دوباره پخش نمايد. بدين ترتيب با پخش هموارتر بار، عمل كندگي كاهش يافته و در نهايت متوقف مي شود. به همين دليل به اين نوع كندگي، كندگي تصحيح كننده (corrective pitting) نيز گويند.
۴-۲٫ كندگي مخرب (Destructive Pitting)
اين نوع كندگي نسبت به كندگي اوليه شديدتر و قطر حفره هاي كندگي نيز بزرگتر است و وقتي بوجود مي آيد كه تنش سطحي در مقايسه با حد دوام ماده بزرگ باشد. در اين نوع كندگي در صورتي كه بار كاهش نيابد كندگي بطور پيوسته ادامه مي¬يابد تا جائي كه چرخدنده بايد از سرويس خارج شود.
۴-۳٫ کندگي خرد كننده: (Spalling)
اين نوع كندگي حالت شديدتر كندگي مخرب است كه كندگي ها داراي قطر بزرگتري بوده و ناحيه قابل توجهي را در برمي-گيرد. كندگي خردكننده معمولا پس از كندگي مخرب روي مي دهد و علت آن خستگي سطحي سطوح باقيمانده (سطوح كنده نشده توسط كندگي مخرب)‌ و يا راه يافتن حفره هاي حاصل از كندگي هاي مخرب به يكديگر مي باشد.
وقوع كندگي مخرب يا خرد كننده حاكي از عدم تحمل تنش هاي تماسي توسط سطح مي باشد در بعضي موارد افزايش سختي ماده يا استفاده از موادي كه كربوره يا نيتريده شده اند به جاي مواد فعلي مي تواند اين مشكل را حل كند در غير اين صورت يك طراحي مجدد بايد انجام شود كه در آن ضخامت دندانه يا فاصله مراكز دو چرخدنده افزايش مي يابد (افزايش فاصله مراكز بار انتقالي را كاهش مي دهد) در درگيري ميان چرخدنده و پينيون، پينيون از استعداد بيشتري براي كندگي برخوردار است زيرا معمولا ‌به علت كوچكتر بودن نسبت به چرخدنده، تعداد دور بيشتري مي زند و در نتيجه بيشتر در معرض تنش هاي سطحي قرار مي گيرد. ثانيا در صورتي كه پينيون به عنوان راننده (driver) بكار رود (كه اغلب چنين است( جهت نيروهاي لغزش از خط گام به سمت طرفين خط گام مي باشد كه اين عامل باعث مي شود ماده در ناحيه خط گام تحت كشش قرار گرفته و آماده ترك شود.