FORME SI CAUZE DETERMINANTE ALE SCOATERII DIN FUNCTIUNE A ANGRENAJELOR CILINDRICE

In vederea unei proiectari corecte a angrenajelor este necesar sa se cunoasca formele de deterioare a danturii, cauzele care le determina, precum si masurile de marire a capacitatii portante a angrenajelor.

Datorita actiunii cumulate a miscarii relative si a contactului fortat, repetat al dintilor in procesul de angrenare, angrenajele sunt supuse unor solicitari complexe, care pot conduce la deteriorarea rotilor dintate, si in final la scoaterea din functiune a acestora. Complexitatea solicitarilor din angrenaje este evidentiata prin metode de analiza foto-elastica, in fig.1. Se observa ca tensiunile maxime ale dintelui in angrenare corespund zonei de contact a acestuia, cu flancul dintelui conjugat (punctul de aplicatie al fortei de angrenare F_n) si zonei de racordare a dintelui pe coroana rotii. In concordanta cu aceasta analiza a tensiunilor dintelui in angrenare, se constata ca principalele forme de deterioare a angrenajelor sunt ruperea dintilor si deterioarea suprafetei active a flancurilor, sintetizate in tabelul 1, impreuna cu cauzele determinante.

Tabelul 1

Aceste forme de deterioare a angrenajelor se pot conditiona si determina una pe cealalta. Analiza solicitarilor rotilor dintate trebuie efectuata corelat cu analiza formelor de distrugere pe care aceste aceste solicitari le determina, dar evidentiind si factorii tehnologici si de exploatare care pot determina sau agrava deteriorarea sau uzarea elementelor angrenajelor.

1 RUPEREA DINTILOR

Ruperea dintilor reprezinta forma cea mai periculoasa de distrugere a angrenajelor, intrucat are caracter imprevizibil si evolutie rapida, cu consecinte distructive asupra ansamblului transmisiei. Din punctul de vedere al cauzelor care provoaca ruperea dintilor, se disting: ruperea datorita oboselii materialului si ruperea datorita suprasarcinilor statice.

1.1 Ruperea dintelui datorita oboselii materialului

Ruperea dintelui datorita oboselii materialului constituie principala cauza a scoaterii din functiune a rotilor dintate realizate din otel, care au flancurile active durificate superficial, in general cu duritati mai mari decat 45HRC. La aceste angrenaje, dupa o anumita perioada de functionare, se constata aparitia, in zona de racordare a dintelui pe coroana rotii dintate, a unor microfisuri de oboseala (fig. 2), amorse ale ruperii dintilor. Aparitia acestor microfisuri de oboseala este cauzata de depasirea rezistentei la oboseala a materialului. S-a evidentiat tensometric ca aceasta zona de la baza dintelui, aflata la intersectia flancului cu o tangenta la acesta, care formeaza cu axa dintelui un unghi de 30^o, reprezinta zona cea mai incarcata a dintelui. In functionare, acesta zona este supusa unei solicitari variabile, in general pulsatorie, sau uneori alternant-simetrice. In plus, acesata zona este caracterizata si de existenta concentratorului de tensiune reprezentat de raza de racordare.

Fisurile initiale din zona de racordare a flancului evolventic pe coroana rotii apar nu numai datorita depasirii rezistentei la oboseala a materialului rotii ci si ca urmare a unor defecte ale materialului: incluziuni, defecte de prelucrare, crestaturi produse la debavurare sau rectificare si a celor de tratament termic. Fisurile de oboseala apar, initial, in zona dintelui supusa unor tensiuni de intindere.

Evitarea ruperii dintilor datorita oboselii materialului impune realizarea unui calcul corect de proiectare, menit sa limiteze tensiunile maxime la valori admisibile, simultan cu adoptarea unor masuri care sa conduca la cresterea rezistentei la oboseala a piciorului dintelui, cum ar fi: utilizarea de materiale cu rezistenta ridicata; utilizarea de danturi cu module mari si deplasari de profil pozitive, care maresc baza dintelui; racordarea flancului dintelui cu coroana rotii prin intermediul unor raze de racordare cat mai mari, pentru reducerea concentratorului de tensiune; aplicarea de tratamente termice sau mecanice care prin durificarea si ecruisarea zonelor de racordare pot introduce tensiuni de compresiune in stratul superficial, cu efect de marire a rezistentei la oboseala a bazei dintelui.

1.2 Ruperea dintilor cauzata de suprasarcini statice

Aceasta forma de distrugere a angrenajelor poate aparea atat ca o rupere fragila la danturile cu duritate mare a flancurilor, cat si sub forma unei ruperi prin deformare plastica, la danturile cu duritate mica. Ruperea se produce la baza dintelui la rotile cu dantura dreapta, dar pot aparea si ruperi ale unor portiuni din dinte la rotile dintate cu dantura inclinata (fig.3), angrenaje la care dintii intra progresiv in angrenare si la rotile dintate caracterizate printr-o repartitie neuniforma a sarcinii pe latimea danturii, datorita unor erori de executie si montaj sau a elasticitatii arborilor. Deteriorarea angrenajelor prin aceasta forma de distrugere apare ca urmare a actiunii suprasarcinilor sau socurilor mari in incarcarea angrenajelor, cauzata de blocarea masinilor sau a unor mecanisme din compunerea acestora.

In general, aceasta forma de distrugere a angrenajelor nu apare ca urmare a unei deficiente de proiectare, ci datorita unei exploatari necorespunzatoare.

2 DETERIORAREA SUPRAFETEI ACTIVE A FLANCURILOR

Aceasta forma de distrugere a angrenajelor consta din modificarea locala a flancurilor active ale dintilor, cu implicatii directe asupra nerespectarii legii de angrenare si ca urmare, functionarea este insotita de socuri si vibratii care pot genera chiar ruperea dintilor. Se vor prezenta in continuare formele sub care apare deteriorarea suprafetei active a flancurilor si conditiile determinante, de functionare ale angrenajului.

2.1 Uzarea de oboseala

Uzarea de oboseala se manifesta in cuplele cinematice formate de dintii rotilor, prin aparitia de ciupituri si exfolieri ale flancurilor active ale acestora.

Uzarea prin ciupituri (pitting-ul) este forma de uzare de oboseala care poate determina frecvent scoaterea din functiune a angrenajelor, in special a celor realizate din materiale cu duritati mici si mijlocii (HB < 3500Mpa). Tensiunile de contact, variabile datorita modului de transmitere a sarcinii, provoaca oboseala straturilor superficiale si aparitia de microfisuri, amorse ale formarii ciupiturilor (gropitelor) pe suprafata activa a flancurilor.

Tensiunile tangentiale determinate de contactul dintilor si cele cauzate de fortele de frecare dintre flancuri, genereaza de asemenea microfisuri de oboseala. Fortele de frecare fiind orientate diferit la cele doua roti, datorita sensului diferit al alunecarilor tangentiale (fig. 4, a), la flancul rotii conducatoare apare o tendinta de intindere a stratului superficial, favorabila formarii microfisurilor de oboseala. Numarul de cicluri de solicitare corespunzator rotii conducatoare fiind, de obicei, mai mare decat cel al rotii conduse (z₁ < z₂), favorizeaza, de asemenea, aparitia pitting-ului cu preponderenta la pinion.

Dupa aparitia microfisurilor de oboseala, lubrifiantul patrunde in acestea, si datorita presiunilor normale de contact este refulat cu presiune mare in interiorul microfisurilor (fig. 4, b) determinand smulgeri de material care duc la aparitia de ciupituri sau gropite. Acestea apar initial in zona de pe flancul dintelui, aflata sub cilindrul de rostogolire - stadiul initial de pitting (fig. 5, a).

Fig.5

Fenomenul se dezvolta relativ rapid cuprinzand, in stadiul avansat (fig.5, b), o zona mult mai intinsa a dintelui. Cresterea numarului de ciupituri si a dimensiunilor acestora conduce la distrugerea suprafetei de contact, disparitia ungerii, cresterea sarcinii dinamice, a zgomotului produs de angrenaj si implicit la scoaterea din functiune a acestuia.

Pitting-ul genereaza si alte forme de deteriorare a angrenajelor:

uzarea abraziva cauzata de particulele de material desprinse din flancurile dintilor;

ruperi ale dintilor datorita modificarii distributiei de sarcina si a sectiunii dintelui.

Trebuie mentionat ca, spre deosebire de fenomenul de pitting progresiv cauzat de oboseala straturilor superficiale, in perioada de rodaj, poate sa apara o forma incipienta de pitting, datorata contactului dintre varfurile microneregularitatilor. Aceasta forma de pitting se caracterizeaza prin dimensiuni relativ reduse ale gropitelor si prin evolutie limitata, urmata, in majoritatea situatiilor, de disparitia gropitelor ca urmare a uzarii abrazive, caracteristica perioadei de rodaj.

Marirea rezistentei angrenajului la aceasta forma de uzare vizeaza influentarea acelor factori care favorizeaza aparitia si dezvoltarea pitting-ului. Ca urmare, principalele cai de reducere a pericolului aparitiei pitting-ului sunt:

reducerea tensiunilor de contact, prin marirea razelor de curbura ale flancurilor, pe baza unor deplasari de profil adecvate;

utilizarea unor materiale cu duritate marita, realizata prin tratamente termice sau termochimice adecvate;

realizarea unei precizii de executie marite;

imbunatatirea conditiilor de ungere, prin utilizarea unor lubrifianti aditivati, cu vascozitate ridicata.

Exfolierea constituie o alta forma de uzare de oboseala a stratului superficial, specifica angrenajelor durificate superficial prin cementare sau calire superficiala. Se manifesta prin desprinderea unor portiuni ale stratului superficial, dur, de pe miezul moale al dintelui. In comparatie cu pitting-ul, exfolierea apare izolat, pe unul sau cativa dinti, dar cavitatile formate sunt mai mari si mai adanci.

Cauzele aparitiei exfolierii sunt:

defecte de material;

grosime prea mica a stratului durificat;

rezistenta prea mica a miezului;

tensiuni interne prea mari dupa tratamentul termic sau termochimic;

incarcari excesive in functionarea angrenajului.

Evident, rezistenta dintelui scade datorita acestei forme de uzare, particulele desprinse generand uzare de abraziune si micsorand sectiunea dantelui. Se poate evita o astfel de forma de uzare, prin adoptarea unor tehnologii de executie a tratamentelor termice adecvate materialului si dimensiunilor rotilor dintate.

2.2 Uzarea de adeziune

Uzarea de adeziune la angrenaje apare, in special, sub forma griparii suprafetelor de contact ale flancurilor dintilor. Se manifesta, in general, in cazul angrenajelor puternic incarcate care functioneaza la viteze periferice mari. Datorita alunecarilor mari care apar intre dinti cauzate de vitezele periferice mari, a concentrarilor mari de sarcini sau a rugozitatii flancurilor, stratul de lubrifiant dintre flancuri poate fi expulzat total sau partial, ajungandu-se la un contact direct intre flancuri. Contactul direct, sarcinile mari si temperatura ridicata, cauzata de fortele de frecare, conduc la formarea unor microsuduri intre flancurile dintilor aflati in angrenare, care se rup, datorita miscarii relative a flancurilor. Punctele de sudura, astfel formate, produc pe flancul dintelui conjugat zgarieturi si benzi de gripare, orientate pe directia alunecarii (fig. 6).

Griparea, proces de uzare cu evolutie rapida, se declanseaza in zonele de intrare si iesire a dintilor din angrenare, unde apar mai frecvent intreruperi ale peliculei de lubrifiant, fiind favorizata de urmatorii factori:

ungere insuficienta;

vascozitate necorespunzatoare a lubrifiantului;

rugozitate mare a flancurilor dintilor;

viteze de alunecare mari, proportionale cu viteza periferica;

abateri importante de pas si profil;

deformatii mari ale arborilor, care conduc la concentrari locale mari ale sarcinii;

deformatii termice superioare jocului dintre dinti.

Evitarea griparii se poate realiza prin:

imbunatatirea conditiilor de ungere si racire;

utilizarea unor lubrifianti aditivati;

marirea preciziei de executie si montaj;

marirea rigiditatii arborilor;

cresterea duritatii superficiale a rotior dintate;

micsorarea rugozitatii flancurilor dintilor;

tratarea chimica a flancurilor, prin sulfinizare sau fosfatare aplicate dupa cementare sau nitrurare, cu efect de reducere a fortelor de frecare dintre suprafetele de contact.

2.3 Uzarea abraziva

Aceasta forma de deteriorare este specifica angrenajelor care:

a.     

au duritate mica a flancurilor (HB< 3500 MPa) si lucreaza la viteze mici, viteze care nu creaza conditiile unei ungeri fluide;

b.     nu sunt neprotejate prin carcase;

c.         fac parte din transmisii cu deficiente la sistemul de ungere si/sau de etansare.

Uzarea de abraziune apare ca urmare a patrunderii unor particule straine, abrazive, intre flancurile dintilor. Initial, are loc modificarea sectiunii dintelui in zona de cap a acestuia (fig.7, a), apoi, uzarea de abraziune se manifesta pe tot flancul dintelui (fig.7, b), determinand, in final, ruperi de portiuni ale dintelui sau chiar de dinti. Particulele abrazive, la angrenajele inchise in carcase, pot proveni din exterior, atunci cand sistemul de etansare este imperfect, din forfecarea unor puncte de sudura, aparute in urma fenomenului de gripare, sau din desprinderi de material de pe flancul dintilor, in urma aparitiei ciupiturilor si a exfolierilor.

Uzarea de abraziune poate fi limitata prin asigurarea unei etansari corecte si a unei lubrificatii adecvate.

2.4 Deformarea plastica

Curgerea plastica a flancurilor dintilor este forma de deteriorare care apare la rotile dintate executate din oteluri moi (HB< 2000 MPa), lente, puternic incarcate, functionand cu ungere insuficienta. Tensiunile tangentiale cauzate de fortele de frecare mari, care isi schimba sensul in zona polului angrenarii, determina aparitia de adancituri pe flancul dintilor rotii conducatoare si de proeminente pe flancul dintilor rotii conduse (fig.8).

Evitarea deformarii plastice a flancurilor dintilor se poate realiza prin:

imbunatatirea conditiilor de ungere;

marirea duritatii superficiale a flancurilor;

reducerea sarcinilor de contact.

3 IMPLICATIILE FORMELOR DE DISTRUGERE

ASUPRA CALCULULUI DE REZISTENTA AL ANGRENAJELOR

Analiza formelor de deteriorare si a frecventei aparitiei acestora, in raport cu conditiile de functionare, arata ca principalele lor cauze de aparitie, pentru domeniul vitezelor uzuale in constructia de masini, sunt tensiunile de contact si tensiunile de incovoiere. Se impune deci:

calculul angrenajelor la cele doua solicitari, contact si incovoiere;

alegerea de materiale cu comportare adecvata la aceste solicitari,

evidentierea in calcule a majoritatii factorilor care favorizeaza deteriorarea datorita tensiunilor de contact sau incovoiere;

stabilirea unor masuri constructive si tehnologice care sa reduca influenta factorilor de mai sus asupra uzarii si deteriorarii angrenajelor.

Evidentierea calitativa a domeniilor in care o forma sau alta de deterioarare a danturii este preponderenta, poate fi facuta pe baza diagramelor din fig.9, care marcheaza, in functie de viteza periferica, dependenta capacitatilor portante pe unitate de lungime a danturii, caracteristice diverselor forme de deteriorare a acesteia. Prin capacitate portanta se defineste sarcina maxima corespunzatoare rezistentei admisibile a materialului rotii dintate la solicitarea respectiva. Se observa ca:

pentru materialele nedurificate cu HB< 3500 MPa (fig9, a), in domeniul vitezelor medii, uzuale in constructia de masini, capacitatea portanta a angrenajului este determinata de deteriorarea flancului prin pitting;

pentru angrenajele cu rotile executate din materiale durificate superficial, cu HB > 3500 MPa, in acelasi domeniu de variatie a vitezei periferice a rotilor (fig.9, b) limitarea capacitatii portante este data de ruperea prin oboseala a dintilor;

in ambele situatii, in domeniul vitezelor mici, limitarea este data de uzarea abraziva;

in domeniul vitezelor mari, pentru ambele tipuri de material, capacitatea portanta a angrenajului este limitata de gripare.

Diferenta relativ mica dintre limitele impuse de gripare si cele date de presiunea de contact (pitting) sau de incovoiere (ruperea prin oboseala a dintilor), justifica extinderea si pentru domeniul vitezelor mari a calculului la solicitarile respective, corelata cu alegerea judicioasa a materialelor, a lubrifiantului si a sistemului de ungere, precum si cu limitarea temperaturii de functionare, determinante pentru aparitia griparii.