Cerinte ale unui dinte de roata dintata

Cerinte ale unui dinte de roata dintata

Desi rotile dintate pot fi executate dintr-o multitudine de materiale, se pare ca cele realizate din oteluri aliate tratate termic prin carburare (carbonitrurare) urmata de calire si revenire joasa au cea mai mare capacitate de preluare a solicitarilor. Depinzand intr-o masura considerabila de durata de viata impusa, rotile carburate pot suporta tensiuni de contact de peste 2.000N/mm² si tensiuni de incovoiere de peste 600N/mm². Pe masura extinderii cerintei unor asemenea nivele de tensiuni va creste importanta cunoasterii factorilor care definesc selectia otelurilor si a procedeelor de executie (prelucrari mecanice, tratamente termice) a acestor organe de masini.

Pentru a produce roti dintate de inalta calitate la un pret de cost cat mai scazut, trebuie cunoscute cerintele impuse unui dinte. Acesta constituie elementul de rezistenta care preia eforturile ce urmeaza a fi transmise de la motor la arborele care efectueaza lucrul util al mecanismului din care face parte angrenajul. In principiu, dintele este supus la urmatoarele tipuri de solicitari: solicitari statice (incovoiere), solicitari dinamice (de oboseala prin incovoiere si soc), solicitari de frecare intre suprafetele de contact (presiune de contact avand caracter ciclic, uzare, incalzire) si actiunea chimica a mediului de lucru (lubrifiant).

Daca o roata dintata este supusa unor sarcini relativ mici in functionare (in principal solicitari de uzare), va fi suficienta doar o durificare a flancurilor dintilor. Cu toate acestea, trebuie avuta in vedere distributia tensiunilor pe conturul dintelui. Din figura 6.1 se poate constata ca tensiunile de la baza dintelui au o importanta deosebita.

Forta normala F se descompune intr-o componenta tangentiala F_t si una radiala F_r. Componenta tangentiala produce la baza dintelui tensiuni maxime de intindere in A si maxime de compresiune in B (epura I); la randul sau, componenta radiala produce tensiuni de compresiune la baza dintelui (epura II). Prin insumare rezulta ca in punctul A apar tensiuni de intindere de valoare maxima, iar in punctul B, tensiuni de compresiune de valoare maxima (epura III). Dintre tensiunile rezultante, periculoase sunt numai cele de intindere, aplicate in regiunea din jurul punctului A, deoarece ele tind sa "desfaca" dintele de obada, pe cand cele de compresiune din regiunea punctului B, tind sa "indese" dintele in obada.

In realitate, dintele nu este solicitat static, ci dinamic, in sensul ca la intrarea in angrenare si chiar in cursul angrenarii apar socuri; pe de alta parte, erorile de executie si de montaj si eventualele deformatii elastice ale ansamblului de transmisie (arbore, lagare, etc.) conduc la incarcari neuniforme pe lungimea dintilor. De asemenea, trebuie sa se tina seama de faptul ca angrenarea nu se face practic doar pe un singur dinte si deci sarcina se repartizeaza pe mai multi dinti care participa simultan la transmiterea fortelor (indeosebi la roti cu dinti inclinati). In fine, racordarea de la baza dintilor joaca rolul unei "crestaturi" care conduce la concentrarea tensiunilor si deci la aparitia unor "varfuri" de tensiuni in aceasta zona.

Durificarea prin calire de suprafata sau prin tratamente termochimice de nitrurare, carburare, carbonitrurare precum si ecruisarea racordarii neurmate de prelucrari mecanice, favorizeaza aparitia unor tensiuni remanente de compresiune (figura 6.2) care vor mari rezistenta la oboseala a dintelui.

Procesul de oboseala prin incovoiere conduce la amorsarea ruperii dintelui in zona tensiunilor de intindere (zona A, figura 6.1). Ulterior, fisura se propaga prin baza dintelui (rupere ductila cu aspect fibros) si in final se produce ruperea brusca, de regula cu aspect cristalin-stralucitor (figura 6.3).

O suprafata mare a ruperii fragile apare atunci cand rezistenta la oboseala a materialului a fost mica sau cand solicitarea la incovoiere a fost mai mare decat cea calculata. Totodata, ruperea fragila poate fi si consecinta unei suprasolicitari dinamice intamplatoare care depaseste rezistenta sectiunii eficace la radacina dintelui. In ultima instanta, aspectul suprafetei de rupere a dintelui prin incovoiere depinde de corelatia dintre caracterul starii tensionale dezvoltate in sectiunea de rupere si caracteristicile de rezistenta mecanica ale materialului. Starea tensionala depinde de raportul dintre tensiunile maxime tangentiale (t_max) si normale (s_max) care actioneaza in materialul dintelui.

Cu cat raportul este mai mare, cu atat starea tensionala este mai "moale" iar ruperea va fi ductila; la valori mici ale acestui raport apar stari tensionale "rigide", ruperea avand un caracter preponderent fragil.

Cercetarile au aratat ca sub actiunea solicitarilor de incovoiere ciclica pot apare trei aspecte ale ruperii (figura 6.4): concava, convexa si convexa cu treapta.

Daca dintele este executat dintr-un otel aliat pentru carburare avand calibilitate mare si valori de duritate in strat de 56 58HRC, iar in miez de 35 45HRC, ruperea se va amorsa in strat chiar in zona de racordare solicitata la intindere dupa care va urmari o traiectorie curbilinie concava atat in strat cat si in miez (figura 6.4 a). Este de presupus ca o asemenea rupere se produce si in cazul dintilor din oteluri pentru imbunatatire durificati global la peste 40HRC.

Daca dintele este executat din oteluri pentru carburare cu calibilitate mare in strat si scazuta in miez (o duritate de peste 60HRC in strat si sub 30HRC in miez) sau din oteluri pentru imbunatatire calite ulterior in stratul de suprafata (peste 55HRC in strat si sub 25HRC in miez), modul de propagare a fisurii se modifica. Fisura se va amorsa in strat (material rigid fata de solicitare) si se va propaga perpendicular pe profil sub actiunea tensiunilor normale. In schimb, miezul se va comporta ca un material "moale" fata de solicitare astfel ca ruperea va continua in acesta dupa o traiectorie care initial este tangenta la profil in zona interfetei strat-miez si ulterior devine curbilinie convexa (figura 6.4 b). O asemenea rupere a fost denumita convexa cu treapta.

Daca dintele este executat din oteluri pentru imbunatatire care dupa tratamentul termic secundar au o structura sorbitica de revenire cu duritate de pana la 30HRC pe intreaga sectiune, ruperea se va produce numai dupa o traiectorie curbilinie convexa (figura 6.4 c). Pe linia de contact dintre doi dinti aflati in angrenare (figura 6.5) apar tensiuni de compresiune numite tensiuni de contact. Valoarea maxima a acestora se obtine in polul angrenarii, pe cercul primitiv, unde viteza de alunecare este nula si presiunea hidrodinamica nu se poate dezvolta (uleiul nu poate fi "impins" intre suprafetele aflate in contact).

Caracterul solicitarii la presiune de contact este ciclic respectiv pulsatoriu astfel ca suprafetele in frecare (flancurile dintilor) sunt de fapt solicitate la oboseala prin contact.

In acest caz deteriorarea flancurilor dintilor are loc prin ciupire (pitting). Aparitia ciupiturilor se datoreste in primul rand faptului ca peste miscarea de rostogolire a flancurilor dintilor in contact se suprapune o miscare de alunecare. Miscarile relative ale rotilor in angrenaje depind de tipul rotii (conducatoare, condusa) precum si de pozitia fata de cercul primitiv (tabelul 6.1 si figura 6.6).

Alunecarea conduce la aparitia unor forte de frecare orientate in sensul opus miscarii pe suprafata capului dintelui (alunecari pozitive) atat in roata conducatoare (la inceputul angrenarii) cat si in cea condusa (la sfarsitul angrenarii) si in sensul miscarii pe suprafata bazei dintelui (alunecari negative). Fortele de frecare pot genera fisuri care pornesc de la suprafata spre interior, inclinate sub un anumit unghi fata de suprafata. Aceste fisuri se largesc continuu prin patrunderea uleiului sub presiune si cuprind un anumit volum de material care este apoi extras formandu-se o ciupitura. In figura 6.7 si 6.8 se prezinta schematic pozitia fisurilor si modul de aparitie a ciupiturilor. De regula, ciupiturile se formeaza sub actiunea alunecarilor negative care apar atat in roata conducatoare cat si in cea condusa pe suprafata piciorului dintelui si care tind sa "desfaca" microfisurile formate.

Odata generate, ele se ramifica in mai multe directii astfel ca o anumita portiune din suprafata flancului dintelui va fi smulsa.

Principalele tipuri de distrugeri sub actiunea oboselii de contact sunt: ciupirea de suprafata, ciupirea subfaciala (la o anumita adancime de suprafata) si exfolierea (desprinderea unor bucati mai mari de material).

Cel mai mare pericol de distrugere prin ciupire apare la roata conducatoare deoarece aceasta poseda de regula un numar mai mic de dinti cu raze de curbura mai reduse. Acesta este motivul pentru care in general roata conducatoare are o duritate mai ridicata decat cea condusa.

Desi circa 70 din transmisiile prin roti dintate ies din functiune datorita oboselii prin contact, mai pot apare si alte tipuri de uzare a flancurilor si anume:

prin abraziune, sub actiunea unor particule dure ajunse intre suprafetele in contact sau a proeminentelor existente pe dintele mai dur;

prin aderenta, in absenta unei ungeri corespunzatoare timp indelungat;

prin coroziune, sub actiunea chimica a unor substante din mediul de lucru al suprafetelor in contact.