M a n u f a c t u r e

مکانیک ، ساخت و تولید ، فرآیندهای تولید ، طراحی صنعتی

مواد چرخدنده ها ، خواص و رفتار آن ها

فولاد

انواع مختلف فولاد کاربرد فراوانی در ساخت چرخدنده دارند که این به دلیل حیطه ی وسیع و تغییر پذیر مشخصات همراه با قابل دسترس بودن و توانایی ترکیب استحکام بالا و قیمت کم در واحد کیلو گرم . انواع وسیع فولاد که بکار می روند از فولاد های کربنی ساده تا فولاد های پر آلیاژ درجه بندی می شوند . باز فولادهای بکاررفته خود در مقدار کربن متفاوت اند . انتخاب نهایی ، البته با توجه به فاکتور هایی چون مقدار استحکام ، اندازه ی مورد نیاز چرخدنده ، شرایط کار و سایر ملاک های طراحی انجام می شود .

فاکتور بسیار مهم برای طراحی یک مجموعه چرخدنده سختی چرخدنده های ترکیبی است که در مجموعه تحت فشار قرار می گیرند .با تغییر دادن مقدار سختی چرخدنده ها از کم به زیاد امکان تقلیل حجم مجموعه به نصف میسر می شود و به این وسیله وزن نیز به 8/1 مقدار اولیه می رسد که در نتیجه ، طراحی خلاصه تر و صرفه جویی بیشتر و هزینه ها کمتر می گردد که شامل مواد و فضای مورد نیاز است . 

تا آنجایی که به سختی ارتباط دارد چرخدنده های فولادی به دو گروه کلی تقسیم می شوند:

آن هایی که تحت سخت کاری سطحی قرار گرفته اند و آن هایی که سخت سازی کامل شده اند . سخت کاری سطحی تنها سطح دندانه ها را سخت می کند و هسته ی چرخدنده تقریبا نرم باقی می ماند . سخت کاری سطحی توسط پروسه های معمولی چون کربورایزینگ ، نیتریدینگ ، سخت کاری شعله ای و القایی انجام می شود . ظرفیت نیرو مربوط به چرخدنده ها اساسا به چیزی به نام دوام سطح وابسته است . دوام سطح را مقاومت در مقابل سایش نیز می گویند و آن توانایی مقاومت سطح چرخدنده در مقابل یک نوع خستگی به نام پیتینگ ( تخلخل سطحی ) که در اثر تنش های تماسی به وجود می آید است .

دوام سطح نتیجه ی استحکام فشاری است که این به نوبه ی خود به طور مستقیم با سختی در رابطه است . استحکام فشاری بالا ظرفیت بار را افزایش می دهد بدلیل اینکه بار مجاز روی دندانه ها با توان دوم استحکام فشاری تغییر می کند . پس می توان نتیجه گیری کرد استحکام فشاری با سختی متناسب است همچنین  دوام سطح بیشتر در گرو داشتن استحکام فشاری بالا است . از این رو طراحان باید بکوشند تا به سختی های بالا دست یابند اما در اینجا محدودیتی که وجود دارد این است که در سختی بالا فولاد ترد و شکننده می شود . طراحان باید میان سختی و انعطاف پذیری توازن برقرار کنند .

غالبا چرخدنده های سطح سخت شده در مقایسه با چرخدنده های کامل سخت شده تحمل بار بیشتری دارند اما چرخدنده های کامل سخت شده در عمل آرام تر و بی صدا ترند . و نیز دارای دوام بیشتر و هزینه ی کمتراند در عین حال در مقابل تغییر شکل آسیب پذیرند و برای حرکت های پرسرعت پیشنهاد نمی شوند . به علاوه بدون سنگ زنی این چرخدنده ها نمی بایست در مواردی که دقت بسیار مهم است بکار روند . این چرخدنده ها دارای استحکام مرکزی بیشترند بدلیل مقدار کربن بیشتر اما به همین دلیل دارای چقرمگی و مقاومت به سایش کمتر اند . سختی به طور معمول بین 30-55 راکول سی تغییر می کند . این چرخدنده ها غلابا برای استحکام معتدل و مقاومت به ضربه مفید اند . در حرارت دهی دوباره ، چرخدنده های سخت شده ی فولادی تمپر می شوند تا ملشین کاری دندانه ها راحت تر صورت گیرد . بدین وسیله مقداری از سختی کاسته می شود اما سایر خواص به قشری و مرزی تغییر می کنند .

بدلیل نرمی نسبی هسته ، چرخدنده های سطح سختی شده دارای چقرمگی داخلی اند که این به چرخدنده ها مقاومت در مقابل ضربه و شک را می دهد .

در اینجا انواع روش های سخت سازی سطحی فقط نام برده می شود.

  • کربورایزینگ
  • نیتریدینگ
  • القایی
  • شعله ای

 

فولاد ریختگی برای چرخدنده ها

هنگامی که چرخدنده ها از فولاد ریختگی ساخته شوند فولاد بکار رفته باید با الزامات و خواص شیمیایی که در قوانین مربوط به فولاد چرخدنده ها قرار می گیرند مطابقت کند .  معمولا ، چنین فولادی در کوره ی باز یا الکتریکی ساخته می شود . باید توجه شود که تمام فولاد های ریخته شده برای چرخدنده باید بطور کامل نرماله یا آنیل گردد . دما و زمان عملیات حرارتی باید مناسب انتخاب شود تا در نهایت ساختار های دانه ای بدون عملیات حرارتی شده باقی نماند . ما تا کنون در مورد فولاد کربنی بحث کرده ایم . از زمره ی فولاد های آلیاژی منگنز – نیکل با درصد بالا مقاومت در مقابل حرارت ، سایش و تنش های خمشی بالایی ارایه می دهند . فولاد های ضد زنگ مارتنزیتی برای چرخدنده ها زمانی بکار می روند که خواص مکانیکی بالا همراه با مقاومت در مقابل خوردگی لازم و ضروری است . وقتی که چرخدنده ای با سطح مقطع بزرگ باید سخت شود فولاد های آلیاژی پیشنهاد می شود زیرا عناصر آلیاژی سختی پذیری لازم را به قطعه کار می دهند . واقعیت این است فولاد های آلیاژی به نسبت فولاد های کربنی بیشتر تابع و مهیای روش های عملیات حرارتی اند همچنین در مورد چرخدنده هایی با سطح مقطع و شکل ویژه نتایج زیان باری ندارند .

عموما در مصارف صنعتی فولاد های کربنی ساده ی عملیات حرارتی شده بسیار معمول ترند از فولاد های آلیاژی که این به دلیل هزینه ی زیاد این آلیاژها در بسیاری از ملاحظات طراحی و شرایط کاری .

فولاد های کربنی ساده برای بسیاری از کاربرد های صنعتی بسیار مفید و اقتصادی اند . هنگامی که فولاد آلیاژی عملیات حرارتی شده را با فولاد کربنی عملیات حرارتی شده مقتیسه می کنیم فولاد آلیازی فواید زیر را به ما می دهد :

 

1- درصد کربن و شرایط کوئنچ شدن یکسان است ، فولاد های آلیاژی توان تولید سطح و عمق سخت شده ی بیشتری دارند .

2-  فولاد آلیاژی دارای نقطه تسلیم بالا تر و کاهش و افزایش سطح بیشتری است بنابراین دارای چقرمگی بیشتری است .

3-  در دماهای پایین کوئنچ ممکن است به یک سطح سخت شده ی یکسان برسیم بعلاوه قطعات فولاد های آلیاژی کمتر در معرض تغییر شکل قرار می گیرند .

4-  سایز دانه ها ریزتر است در نتیجه مقاومت در مقابل ضربه و سایششان بیشتر است .

5- توانایی ماشین کاری بالا و سختی بیشتر نسبت به فولاد کربنی ساده .

عناصر آلیاژی مختلف خواص متفاوتی را به فولاد می دهند . کاراکترهای مربوط به این عناصر به طور خلاصه در زیر شرح داده می شود . در اینجا فقط تاثیر عناصر آلیاژی مطرح است و مقدار و درصد کربن را ثابت در نظر می گیریم .

نیکل  -   باعث افزایش سختی و استحکام ، و کاهش مرزی شکل پذیری .

کرومیوم – سختی و استحکام را بالا می برد حتی بالا تر از مقداری که با نیکل بدست می آید اما کاهش شکل پذیری در اینجا زیاد است .

وانادیوم  - افزایش سختی و استحکام و چکش خواری . مقاومت در مقابل ضربه زیاد ولی ماشین کاری آن سخت است .

منگنز  - تاثیرش مانند وانادیوم است .

مولیبدینوم  - استحکام را بالا می برد ولی روی شکل پذیری تاثیری ندارد . خواص خوبی از لحاظ شکل پذیری به آلیاژ می دهد .

کروم – نیکل  -  این ترکیب استحکام بالایی را نتیجه می دهد ، شکل پذیری بیشتر و مقاومت به سایش اما ماشین کاری خوبی ندارد و عملیات حرارتی آن سخت است .

کروم – وانادیوم  - تقریبا مشابه ترکیب ترکیب کروم نیکل است اما سختی پذیری ، استحکام ضربه ای و مقاومت در مقابل سایش بهتری دارد .

کروم – مولیبدنیوم  - از لحاظ عملی شبیه فولاد مولیبدنی ساده است اما عمق سختی پذیری بیشتر است و مقاومت به سلیش بیشتری دارد . ماشین کاری خوب و عملیات حرارتی مطمئن دارد .

نیکل – مولیبدن- مشابه خواص فولاد های کروم مولیبدنیوم است . چکش خواری بیشتر اما ماشین کاری آن خیلی خوب نیست .

 

آهن ریختگی

چرخدنده های ساخته شده از آهن ریختگی ارزان است و ظرفیت ضربه ی زیادی دارد . وقتی چرخدنده ها دارای شکل پیچیده می شوند در موارد مشخص آهن ریختگی تنها انتخاب است . آهن ریختگی نسبت به فولاد ضعیف تر و ترد تر است . گرافیت زیادی که در آهن ریختگی وجود دارد نقش روانکاری را انجام می دهد و از سایش دندانه ها جلوگیری می کند . هنگامی که ظرفیت بار بیشتر و استحکام در برابر تنش های تماسی مطرح است ممکن است از گرافیت کروی و یا چدن مالیبل استفاده شود . در سال هلی اخیر چرخ دنده های سینتر شده توسط فرایند های متالورژی پودر از پودر آهن ساخته شده که دارای هزینه ی کم ماشین کاری است و در جایی که استحکام آنقدر مورد نیاز نیست بکار می روند . این چرخدنده ها دارای مقاومت سایشی و روانکاری ساده اند .

 

فلزات غیر آهنی

در میان فلزات غیر آهنی که در ساخت چرخدنده کاربرد دارند آلیاژ برنز دارای بیشترین استفاده است. انواع مختلف برنزها به عنوان ماده ی خام برای چرخدنده بکار می رود و این بخاطر مقاومت خوب آن در مقابل نیرو های برشی است که به طور مثال در حلزون و چرخ حلزون وجود دارد .همچنین مانند چدن ، برنز ها نیز به سهولت می توانند برای دست یابی به اشکال پیچیده در صورت لزوم ریخته شوند .

فسفر برنز برای حلزون و چرخ حلزون پیشنهاد می شود که همراه با سختی بالا و دقت فراوان است و معمولا برای بار متوسط و سرعت متوسط تا زیاد بکار می رود .

قلع برنز ها استحکام خوب و سختی و ارتجاعیت مناسبی دارند و برای حلزون و چرخ حلزون در موارد مختلف بکار می روند . سیلیکون برنز ها دارای خواص مشابه با فسفر برنز ها هستند . در کنار اینها سرب برنز ؛ منگنز برنز ؛ آلومینیوم برنز و نیکل برنز نیز کاربرد بسیاری به عنوان مواد چرخدنده پیدا کرده اند .

 

مواد غیر فلزی

علاوه بر انتخاب چرخ دنده های فلزی گاهی اوقات به سبب آرام کار کردن و بی صدایی چرخ دنده ها را از مواد نساجی یا چوب و یا فیبر و یا پوست خام تهیه می نمایند . وزن این نوع چرخ دنده کم بوده و چرخ دنده های تهیه شده از مواد نساجی نیز غیر قابل نفوذ آب می باشند و در مقابل روغن دوام دارند  که معمولا آن ها بچرخ دنده های بی صدا معروفند.

کار چرخ دنده های ساخته شده از مواد نساجی مثل نووتکست و رزیتکست که عبارتند از قشر نخ متراکمی که با صمغ مصنوعی تحت حرارت و فشار زیاد پرس شده رضایت بخش است و لنکنوفل که عبارت است از الیاف چوبی که با صمغ مصنوعی تحت حرارت زیاد پرس شده باشد .

چرخ دنده های نساجی و فیبری برای دستگاه های راه انداز بکار برده نمی شود زیرا در غیر این صورت دنده های آن ها خواهد شکست .

موارد استعمال این نوع چرخ دنده ها برای انتقال سرعت های زیاد و فشار کم در حالی که جنس چرخ دنده ی درگیر با آن ها از فلز انتخاب گردد مناسب می باشد .

 


منبع:

HANDBOOK of GEAR TECHNOLOGY

 

+ نوشته شده در  جمعه پنجم مرداد 1386ساعت 19:20  توسط محمد شفاعی بجستانی  |