واحد تهران جنوب استاد : جناب آقای دکتر قاسمی موضوع : بررسی شکست خستگی در قطعه پینیون

2. واحد تهران جنوب  استاد : جناب آقای دکتر قاسمی موضوع : بررسی شکست خستگی در قطعه پینیون تهيه و تنظيم : حسن سمیعی بهار 1393

3. رئوس مطالب : 1- تعریف خستگی 2- تئوری شکست 3-آزمون های خستگی 4- روش هاي جلوگيري از رشد ترك و افزايش عمر خستگي5- كندگي در دندانه هاي چرخ دنده 6- تحلیل شکست قطعهپینیون

4. تعریف خستگی • خستگی فرآیند موضعی و پیش رونده تغییر دائمی ساختار در نقطه یا نقاطی از جسم است • که براساس اعمال تنش یا کرنش تناوبی فعال گشته • و پس از تعدادی سیکل کافی منجر به ایجاد ترک، رشد پایدار و اشاعه تدریجی و پایدار ترک • به ابعاد بحرانی و شکست نهایی قطعه می­گردد. تئوری شکست • دليل عمده خطرناك بودن شكست خستگي اين است كه بدون آگاهي قبلي و قابل رويت بودن رخ مي دهد. • خستگي به صورت شكستي با ظاهر ترد، بدون هيچگونه تغيير شكل نا خالص در شكست نتيجه ميشود. • معمولاسطح شكست در مقياس ماكروسكوپي بر جهت تنش كششي اصلي عمود است.

5. معمولا سطح شكست خستگي از ظاهر سطح شكست تشخيص داده ميشود، كه از يك ناحيه هموار حاصل از عمل سايش با اشاعه ترك در مقطع و يك ناحيه ناهموار كه در هنگام عدم تحمل بار توسط مقطع، در قطعه به صورت نرم شكسته شده است تشكيل مي شود. • غالبا پيشرفت شكست توسط يك دسته حلقه نشان داده مي شود، كه از نقطه شروع شكست به طرف داخل پيشرفت مي كند. سه عامل عمده براي وقوع شكست خستگي ضروري هستند. اين عوامل عبارتند از • تنش كششي حداكثري به مقدار بسيار زياد • تغييرات به حد كافي زياد يا نوساني در تنش وارده • زياد بودن چرخه هاي تنش وارده. علاوه بر اين متغيرهاي ديگري مانند تمركز تنش، خوردگي، دما، بار اضافي، ساختار متالورژيكي، تنشهاي باقيمانده و تنشهاي مركب هم وجود دارند كه شرايط را براي ايجاد خستگي تقويت مي كنند

6. اثر دما بر خستگي آزمايشهاي خستگي فلزات در دماهاي كمتر از دماي اتاق نشان مي دهد كه استحكام خستگي با كاهش دما زياد مي شود. با اينكه فولادها در حالت خستگي در دماي كم به شيار حساستر مي شوند، هيچ دليلي براي نشان دادن وقوع هرگونه تغيير ناگهاني در خواص خستگي در دماهاي كمتر از دماي انتقال تردي به نرمي وجود ندارد. اين واقعيت كه با كاهش دما استحكام خستگي نسبتا بيشتر از استحكام كششي افزايش مي يابد، با نشان دادن شكست خستگي در دماي اتاق كه با تشكيل و تمركز جاي خالي همراه است، توجيه مي شود..

7. آزمونهاي خستگي : آزمون خستگي، آزموني ديناميكي است كه رفتار نسبي مواد را تحت نيرو هاي تكرار شونده يا كم و زياد شونده تعيين مي كند. در اين آزمون شرايطي مشابه شرايط كاركرد براي اجزاي ماشين كه تحت نيروهاي لرزشي يا نوساني قرار دارند به وجود مي آيد . مقدار تنش (كشش، فشار، خمش يا پيچش) با دستگاه و بسته يه نمونه ي مورد آزمون تعيين مي شود. نيروي اعمال شده بر نمونه طي آزمون مرتبا بين دو مقدار تغيير مي كند، كه حداكثر نيرو معمولا كمتر از استحكام تسليم ماده است. چرخه هاي تنش تا شكست نمونه يا رسيدن به تعداد چرخه ي معين ادامه مي يابد. • در آزمايش خستگي، معمولا حد تحمل آهن و فولاد 10000000 سيكل است ولي براي آلياژهاي غير آهني اين مقدار ممكن است 500000000 دور باشد. • سه آزمايش خستگي معروف عبارتند از : • آزمايش ميله ي چرخان ،آزمايش با ميله ي ارتعاشي و آزمايش خستگي كشش فشار • قطعات اصلي يك ماشين آزمايش خستگي عبارتند از: • يك محرك مكانيكي ،هيدروليكي يا مغناطيسي براي وارد كردن سيكلهاي تكراري تنش به نمونه • يك وسيله اندازه گيري تنشهاي ماكزيمم و مينيمم وارد شده در جريان يك دور • يك شمارنده براي نشان دادن تعداد دورهاي تنشي وارد شده بر نمونه • يك وسيله ي توقف خودكار ماشين آزمايش ، وقتي كه نمونه مي شكند.

8. روش هاي جلوگيري از رشد ترك و افزايش عمر خستگي: • رشد ترك بستگي به شرايط تنش متمركز شده در نوك ترك دارد . جلوگيري از رشد ترك در اثر تنش پسماند فشاري بر دو عامل استوار است : • ترك هرگز رشد نميكند مگر اينكه تنشي كششي در نوك ترك يا نزديك آن متمركز شده و باعث باز شدن دهانه آن گردد. • تا زماني كه تنشي فشاري در نوك ترك وجود داشته باشد ، دهانه ترك باز نخواهد شد . • در اثر ساچمه زني (نوعي فرآيند كار سرد كه در آن سطح قطعه توسط ساچمه هاي كروي بمباران مي شود. هرساچمه نظير يك چكش عمل ميكند و موجب گودي و فرورفتگي در ناحيه تماس مي شود). دهانه ميكروترك هاي سطحي و خلل و فرجها بسته شده و تنشي فشاري در آن ها ايجاد شده كه مانع از باز شدن دهانه ترك و در نهايت رشد ترك ميگردد.

9. نحوه ارئه داده­ها: دراین آزمایش تنش دامنه مختلف هرسیکل دربرابر تعداد سیکل تاشکست رسم می­شود. مفهوم نمودار وداده­ها : این نموداربیان می­کند که : 1-دریک تنش دامنه اعمالی خاص طی چند سیکل می­شکند. 2-دریک تعداد سیکل خاص حداکثرتنشی به قطعه می­تواند اعمال شود تاقطعه نشکند. با افزایش تنش اعمالی تعداد دورتا شکست کاهش می­یابد.

10. كندگي در دندانه هاي چرخ دنده : كندگي عبارتست از شكست خستگي حاصل از تنش هاي تماسي (hertzian stresses) كه باعث مي شود قسمت هايي از سطح دندانه چرخ دنده بصورت حفره كنده شود. بر اساس شدت خسارتي كه به سطح خورده است مي توان كندگي را به سه دسته تقسيم كرد: 1 - كندگي اوليه : در اين كندگي، قطر حفره ها بسيار كوچك و در حد 0.4 تا 0.8 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 (pitting corrective) نيز گويند.

11. 2 - 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 چرخ دنده بايد از سرويس خارج شود. 3 - كندگي 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 خرد كننده 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 كندگيهاي 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 چرخ دنده افزايش مي يابد (افزايش فاصله مراكز بار انتقالي را كاهش مي دهد)

12. شماتیک انواع پینیون های سالم

13. تصویر قطعه سالم پینیون تصویرپینیون شکسته شده 18چرخ

14. تشریح عملکرد قطعه: قطعه ای که ما بررسی میکنیم پینیون دیفرانسیل عقب ماک (18چرخ)میباشد. دردیفرانسیل عقب وجلوی 18چرخ پینیون ها با چرخ دنده ها درگیراست که باعث حرکت چرخها میشود.که نحوه بارگذاری ان درشکل زیرنشان داده شده است:

15. تحلیل شکست قطعه: قطعه موردبررسی ما پینیون دیفرانسیل عقب ماک 18چرخ میباشد که سطح مقطع شکست وناحیه های ان درشکل مشخص شده است ترک ناحیه1: که به سختی درقطعات مهندسی قابل مشاهده است وهمانطورکه درشکل مشخص است سطح ان صاف میباشد وترک دران ناحیه حالت قائم یا عمود دارد ونشان دهنده ان است که شروع یا جوانه زنی ترک درناحیه 1میباشد ترک ناحیه2: که مشخصه بارز ان خطوط هلالی یا ساحلی میباشد وبه خوبی درشکل مشخص است ناحیه شکست سریع: سطح مقطع شکست سریع از دوسطح دیگرروشنتروناصافتراست که درشکل واضح است پینیون18چرخ ما ازسه ناحیه نزدیک سطح دچارشکست شده است که میتواند به دلیل تکان خوردنهاولرزشهای شدید درجاده باشد. که باید ازاین کار حتی الامکان جلوگیری شود ویامیتوان سطح پینیون را سخت کاری کرد

16. ترک ناحیه 1 ناحیه شکست سریع خطوط شعاعی خطوط ساحلی ناحیه شکست ۲