واحد تهران جنوب

 استاد :جناب آقای دکتر قاسمی

موضوع :بررسی شکست خستگی در قطعه پینیون

تهيه و تنظيم :حسن سمیعی

1393 بهار

- تعریف خستگی1

- تئوری شکست2

- آزمون های خستگی3

روش هاي جلوگيري از رشد ترك و - 4

كندگي در - 5افزايش عمر خستگي

دندانه هاي چرخ دنده

پینیون تحلیل شکست قطعه- 6

رئوس مطالب :

3

تعریف خستگی

خس*تگی فرآین*د موضع*ی و پی*ش رونده تغیی*ر دائم*ی س*اختار در نقط*ه ی*ا نقاطیاز جسم است

که براساس اعمال تنش یا کرنش تناوبی فعال گشته اشاعه و پایدار رش*د ترک، ایجاد ب*ه منج*ر کاف*ی س*یکل تعدادی از پ*س و

تدریجی و پایدار ترک.تئوری شکست به ابعاد بحرانی و شکست نهایی قطعه می گردد

دلي*ل عمده خطرناك بودن شكس*ت خس*تگي اي*ن اس*ت ك*ه بدون آگاه*ي قبل*ي وقابل رويت بودن رخ مي دهد.

خس*تگي ب*ه ص*ورت شكس*تي ب*ا ظاه*ر ترد، بدون هيچگون*ه تغيي*ر شك*ل ن*ا خال*ص درشكست نتيجه ميشود.

معموالس*طح شكس*ت در مقياس ماكروس*كوپي بر جه*ت تن*ش كشش*ي اص*ليعمود است.

سMMMه عامMMMل عمده براي وقوع شكسMMMت خسMMMتگي ضروري هستند. اين عوامل عبارتند از

تن*ش كشش*ي حداكثري ب*ه مقدار بس*يار 1(زياد

تغييرات ب*ه ح*د كاف*ي زياد ي*ا نوس*اني در 2(تنش وارده

.زياد بودن چرخه هاي تنش وارده3(عالوه بر اي**ن متغيرهاي ديگري مانن**د تمرك**ز تن**ش، خوردگ**ي، دم**ا، بار اضاف**ي، س*اختار متالورژيك*ي، تنشهاي باقيمانده و تنشهاي مرك*ب ه*م وجود دارن*د ك*ه شراي*ط

را براي ايجاد خستگي تقويت مي كنند

معموال س**طح شكس**ت خس**تگي از ظاه**ر س**طح شكس**ت تشخي**ص دادهميشود، ك**ه از ي**ك ناحي**ه هموار حاص**ل از عم**ل س**ايش ب**ا اشاع**ه ترك در مقط*ع و ي*ك ناحي*ه ناهموار ك*ه در هنگام عدم تحم*ل بار توس*ط مقط*ع، در

قطعه به صورت نرم شكسته شده است تشكيل مي شود. غالب*ا پيشرف*ت شكس*ت توس*ط ي*ك دس*ته حلق*ه نشان داده م*ي شود، ك*ه از

.نقطه شروع شكست به طرف داخل پيشرفت مي كند

آزمايشهاي خس**تگي فلزات در دماهاي كمت**ر از دماي اتاق نشان م**ي ده**د ك**ه استحكام خستگي با كاهش دما زياد مي شود.

ب*ا اينك*ه فوالده*ا در حال*ت خس*تگي در دماي ك*م ب*ه شيار حس*استر م*ي شون*د، هي*چ دليل*ي براي نشان دادن وقوع هرگون*ه تغيي*ر ناگهان*ي در خواص خس*تگي در دماهاي كمت*ر از دماي انتقال تردي ب*ه نرم*ي وجود ندارد. اي*ن واقعي*ت ك*ه ب*ا كاه*ش دم*ا اس*تحكام خس*تگي نس*بتا بيشت*ر از اس*تحكام كشش*ي افزاي*ش م*ي ياب*د، ب*ا نشان دادن شكس**ت خس**تگي در دماي اتاق ك**ه ب**ا تشكي**ل و تمرك**ز جاي خال**ي همراه

..است، توجيه مي شود

اثر دما بر خستگي

آزمونهاي خستگي :آزمون خس*تگي، آزمون*ي ديناميك*ي اس*ت ك*ه رفتار نس*بي مواد را تح*ت نيرو هاي تكرار شونده ي*ا ك*م و زياد شونده تعيي*ن م*ي كند. در اي*ن آزمون شرايط*ي مشاب**ه شراي**ط كاركرد براي اجزاي ماشي**ن ك**ه تح**ت نيروهاي لرزش**ي ي**ا نوس*اني قرار دارن*د ب*ه وجود م*ي آي*د . مقدار تن*ش )كش*ش، فشار، خم*ش ي*ا پيچ*ش( ب*ا دس*تگاه و بس*ته ي*ه نمون*ه ي مورد آزمون تعيي*ن م*ي شود. نيروي اعمال شده بر نمون*ه طي آزمون مرتب*ا بي*ن دو مقدار تغيي*ر م*ي كن*د، كه حداكث*ر نيرو معموال كمت*ر از اس*تحكام تس*ليم ماده اس*ت. چرخ*ه هاي تن*ش ت*ا شكس*ت

.نمونه يا رسيدن به تعداد چرخه ي معين ادامه مي يابد س*يكل اس*ت 10000000در آزماي*ش خس*تگي، معموال ح*د تحم*ل آه*ن و فوالد . دور باشد500000000ولي براي آلياژهاي غير آهني اين مقدار ممكن است

سه آزمايش خستگي معروف عبارتند از :آزماي**ش ميل**ه ي چرخان ،آزماي**ش ب**ا ميل**ه ي ارتعاش**ي و آزماي**ش خس**تگي

كشش فشارقطعات اصلي يك ماشين آزمايش خستگي عبارتند از:

ي*ك محرك مكانيك*ي ،هيدروليك*ي ي*ا مغناطيس*ي براي وارد كردن س*يكلهاي 1(تكراري تنش به نمونه

ي*ك وس*يله اندازه گيري تنشهاي ماكزيم*م و مينيم*م وارد شده در جريان ي*ك 2(دور

يك شمارنده براي نشان دادن تعداد دورهاي تنشي وارد شده بر نمونه3(يك وسيله ي توقف خودكار ماشين آزمايش ، وقتي كه نمونه مي شكند.

:روش هاي جلوگيري از رشد ترك و افزايش عمر خستگيرش*د ترك بس*تگي ب*ه شراي*ط تن*ش متمرك*ز شده در نوك ترك دارد . جلوگيري از

:رشد ترك در اثر تنش پسماند فشاري بر دو عامل استوار استترك هرگ**ز رش**د نميكن**د مگ**ر اينك**ه تنش**ي كشش**ي در نوك ترك ي**ا نزدي**ك آ**ن

متمركز شده و باعث باز شدن دهانه آن گردد.ت**ا زمان**ي ك**ه تنش**ي فشاري در نوك ترك وجود داشت**ه باش**د ، دهان**ه ترك باز

نخواهد شد .در اث*ر س*اچمه زن*ي )نوع*ي فرآين*د كار س*رد ك*ه در آ*ن س*طح قطع*ه توس*ط س*اچمه هاي كروي بمباران م*ي شود. هرس*اچمه نظي*ر ي*ك چك*ش عم*ل ميكن*د و موج*ب گودي و فرورفتگ*ي در ناحي*ه تماس م*ي شود(. دهان*ه ميكروترك هاي س*طحي و خل*ل و فرجه*ا بس*ته شده و تنش*ي فشاري در آ*ن ه*ا ايجاد شده ك*ه مان*ع از باز

شدن دهانه ترك و در نهايت رشد ترك ميگردد.

نحوه ارئه داده ها:دراین آزمایش تنش دامنه مختلف هرسیکل دربرابر تعداد سیکل تاشکست

رسم می شود.

مفهوم نمودار وداده ها :این نموداربیان می کند که :

-دریک تنش دامنه اعمالی خاص طی چند سیکل می شکند.1اعمال شود 2 می تواند قطع*ه ب*ه حداکثرتنش*ی خاص س*یکل تعداد -دری*ک

تاقطعه نشکند.با افزایش تنش اعمالی تعداد دورتا شکست کاهش می یابد.

كندگي در دندانه هاي چرخ دنده : hertzian )كندگ**ي عبارتس**ت از شكس**ت خس**تگي حاص**ل از تن**ش هاي تماسي

stresses ك*ه باع*ث م*ي شود قس*مت هاي*ي از س*طح دندان*ه چرخ دنده بص*ورت حفره )كنده شود. بر اس*اس شدت خس*ارتي ك*ه ب*ه س*طح خورده اس*ت م*ي توان كندگ*ي را ب*ه

سه دسته تقسيم كرد: 0.8 ت*ا 0.4 - كندگ*ي اولي*ه : در اي*ن كندگ*ي، قط*ر حفره ه*ا بس*يار كوچ*ك و در ح*د 1

ميليمت*ر م*ي باشد. اي*ن كندگ*ي در نقاط*ي رخ م*ي ده*د ك*ه تن*ش از ح*د مجاز تجاوز نماي*د و بدي**ن وس**يله تماي**ل دارد ت**ا ب**ا كندن اي**ن نقاط از روي س**طح، بار را دوباره پخ**ش نمايد. بدي*ن ترتي*ب ب*ا پخ*ش هموارت*ر بار، عم*ل كندگ*ي كاه*ش يافت*ه و در نهاي*ت متوق*ف

pittingم**ي شود. ب**ه همي**ن دلي**ل ب**ه اي**ن نوع كندگ**ي، كندگ**ي تصحيح كننده )corrective.نيز گويند )

(:destructive pitting ) - كندگي مخرب2 اي*ن نوع كندگ*ي نس*بت ب*ه كندگ*ي اولي*ه شديدت*ر و قط*ر حفره هاي كندگ*ي ني*ز بزرگت*ر اس*ت و وقت*ي بوجود م*ي آي*د ك*ه تن*ش س*طحي در مقايس*ه ب*ا ح*د دوام ماده بزرگ باش*د . در اي*ن نوع كندگ*ي در ص*ورتي ك*ه بار كاه*ش نياب*د كندگ*ي بطور پيوس*ته ادام*ه م*ي ياب*د ت*ا

جائي كه چرخ دنده بايد از سرويس خارج شود.(:spalling - كندگي خرد كننده )3

اي*ن نوع كندگ*ي حال*ت شديدت*ر كندگ*ي مخرب اس*ت ك*ه كندگ*ي ه*ا داراي قط*ر بزرگتري بوده و ناحي*ه قاب*ل توجه*ي را در برم*ي گيرد. كندگ*ي خرد كننده معموال پ*س از كندگ*ي مخرب روي م*ي ده*د و عل*ت آ*ن خس*تگي س*طحي س*طوح باقيمانده )س*طوح كنده نشده توس*ط كندگ*ي مخرب( و ي*ا راه يافت*ن حفره هاي حاص*ل از كندگيهاي مخرب ب*ه يكديگ*ر

مي باشد.وقوع كندگ*ي مخرب ي*ا خرد كننده حاك*ي از عدم تحم*ل تن*ش هاي تماس*ي توس*ط س*طح م**ي باش**د در بعض**ي موارد افزاي**ش س**ختي ماده ي**ا اس**تفاده از موادي ك**ه كربوره ي**ا نيتريده شده ان*د ب*ه جاي مواد فعل*ي م*ي توان*د اي*ن مشك*ل را ح*ل كن*د در غي*ر اي*ن ص*ورت ي*ك طراح*ي مجدد باي*د انجام شود كه در آ*ن ضخام*ت دندان*ه ي*ا فاصله مراكز دو چرخ دنده

افزايش مي يابد )افزايش فاصله مراكز بار انتقالي را كاهش مي دهد(

شماتیک انواع پینیون های سالم

پینیونتصویر قطعه سالم

چرخ18تصویرپینیون شکسته شده

تشریح عملکرد قطعه:چرخ(میباشد.18قطعه ای که ما بررسی میکنیم پینیون دیفرانسیل عقب ماک )

چرخ پینیون ه*ا ب*ا چرخ دنده ه*ا درگیراس*ت ک*ه باع*ث 18دردیفرانس*یل عق*ب وجلوی حرکت چرخها

میشود.که نحوه بارگذاری ان درشکل زیرنشان داده شده است:

تحلیل شکست قطعه:چرخ میباش**د ک**ه س**طح 18قطع**ه موردبررس**ی م**ا پینیون دیفرانس**یل عق**ب ماک

مقطع شکست وناحیه های ان درشکل مشخص شده است: 1ترک ناحیه

ک**ه ب**ه س**ختی درقطعات مهندس**ی قاب**ل مشاهده اس**ت وهمانطورک**ه درشک**ل مشخ*ص اس*ت س*طح ان ص*اف میباش*د وترک دران ناحی*ه حال*ت قائ*م ی*ا عمود دارد

میباشد1ونشان دهنده ان است که شروع یا جوانه زنی ترک درناحیه :2ترک ناحیه

ک*ه مشخص*ه بارز ان خطوط هالل*ی ی*ا س*احلی میباش*د وب*ه خوب*ی درشک*ل مشخ*ص است

ناحیه شکست سریع:س*طح مقط*ع شکس*ت س*ریع از دوس*طح دیگرروشنتروناص*افتراست ک*ه درشک*ل

واضح استچرخ م*ا ازس*ه ناحی*ه نزدی*ک س*طح دچارشکس*ت شده اس*ت ک*ه میتوان*د ب*ه 18پینیون

دلی*ل تکان خوردنهاولرزشهای شدی*د درجاده باشد. ک*ه بای*د ازای*ن کار حت*ی االمکان جلوگیری شود ویامیتوان سطح پینیون را سخت کاری کرد

ترک ناحیه شکست 1ناحیه

سریعخطوط شعاعی

خطوط ساحلی

ناحیه ۲شکست