Polimer/acél fogaskerekek súrlódása *

Átírás

1 Tribológia Polimer/acél fogaskerekek súrlódása * KERESZTES RÓBERT ** PhD hallgató DR. KALÁCSKA GÁBOR ** egyetemi docens 1. Bevezetés A fémes alkatrészek helyettesítése mûszaki mûanyaggal egyre gyakoribb a siklócsapágyak, tömítések, görgõk és fogazott gépelemek (fogaskerekek) esetében. Az így létrehozott polimer/acél tribológiai rendszerek a felületek között ébredõ fémes adhézió elkerülésének egyik lehetõségét jelentik. További elõnyük a fémekkel szemben, hogy külsõ kenés nélkül is mûködhetnek, zajszintjük alacsonyabb, kiváló a mechanikai csillapításuk, kicsi a tömegük. A hajtástechnikában alkalmazott siklócsapágyak, fogaskerekek méretei, anyagai, kialakításai függnek a hajtásrendszer jellemzõitõl (teljesítmény, hõmérséklet, esetleg élelmiszerhigiénia). Mindezek elõsegíthetik a mûanyag alkatrészek felhasználását [1]. Az egymással kapcsolódó és elmozduló fogaskerék felületek tribológiai viselkedése rendkívül összetett folyamatok eredménye, melyet számos tényezõ befolyásol. Ahhoz, hogy a polimerek az alkalmazott rendszerekben elõnyös tribológiai tulajdonságokkal rendelkezzenek, helyesen kell kiválasztani az anyagokat, továbbá megfelelõ méretezést és mûködési feltételeket kell biztosítani. A fogaskerekek esetében a kapcsolódás jellegzetes vonása a csúszó és a gördülõ súrlódás különleges kombinációja az érintkezõ fogak között. Az itt fellépõ tribológiai folyamatok törvényszerûségeinek ismerete elengedhetetlen, mivel az egymáson csúszó és gördülõ elemek érintkezõ felületein keletkezõ súrlódás és kopás, valamint azok irányítása, kenése döntõ mértékben meghatározzák a fogaskerék kapcsolatok mûködését és a hajtás energetikai viszonyait [2]. 2. Fogkapcsolódás modell vizsgálatok A fogaskerék kapcsolatok súrlódásának vizsgálatához laboratóriumi modellt, mérõrendszert fejlesztettünk ki. A mérõrendszer segítségével, evolvens fogazat esetén, az egyfogpár-kapcsolódás szakaszán az ébredõ súrlódást határoztuk meg. Korábban a fogaskerék kapcsolatokat állandó súrlódási tényezõ feltételezésével tervezték [3, 4]. Méréseinkkel igazoltuk, hogy a polimer/acél fogaskerék hajtásokban a súrlódási tényezõ a kapcsolóvonal mentén nem állandó. Törvényszerûségeket, trendeket fogalmaztunk meg a változó súrlódásra, és áttételesen az abból származó fogazott hajtás hatásfokára. Mérõrendszerünkben állandó terhelõ nyomatéknál, ciklikusan mértük a kiválasztott fogpár súrlódási jellemzõit. A kapcsolódó evolvens fogaskerekek adatai: fogszám: z 1 =z 2 =12, modul: m=10 mm, kapcsolószög: α=20, fogszélesség: b=5 mm (a polimer fogaskerék ív esetén). Az adatokból kitûnik, hogy alámetszett kerekekrõl van szó. Ezt kompenzáltuk a fejkör átmérõ módosításával az elõírtak szerint [5]. Az acél fogaskerék anyaga S 355. A fogaskerék huzalszikra forgácsolással készült, a gyártási pontosság ±0,01 mm volt. A polimer 3 fogú fogasíveket CNC marógépen, kontúrmarással készítettük, vastagsága 5 mm volt. A vizsgált polimereket és jelölésüket az 1. táblázat mutatja [6]. 1. táblázat. A fogkapcsolódás modell vizsgálatoknál használt próbatestek anyaga Termék megnevezés Teljes megnevezés Saját jelölés DOCAMID 6G öntött poliamid 6, nátrium PA 6G Na DOCAMID 6G H öntött poliamid 6, magnézium PA 6G Mg DOCAMID 66 GF30 extrudált poliamid 66 + üvegszál PA 66 GF30 DOCACETAL C poliacetál POM C DOCAPET TF poli(etilén-tereftalát) + teflon PETP PTFE DOCALIT textilbakelit bakelit Az egyfog-kapcsolódási szakaszt (BD szakasz) a fõpont két részre osztja (1. ábra), ahol a súrlódási erõ irányt vált. A fog teljes terhelése (F n ) állandó, mivel a terhelõ nyomatékot biztosító F g is állandó. A súrlódási erõ a mért tengelyerõ (F x ) nagyságát megváltoztatja. A fõpontig a tengelyerõ értékét növeli, utána csökkenti. Az egyfog-kapcsolódás alatt a csúszósúrlódás szempontjából három esetet különböztetünk meg: * A munkát az OTKA NI kutatási szerzõdés támogatta ** Szent István Egyetem, Gépészmérnöki Kar, Gépipari Technológiai Intézet, Gödöllõ évfolyam, 6. szám

2 µ fu-max a fõpont után ébredõ, lokális, maximális súrlódási tényezõ, µ fu-átl a fõpont utáni átlagos súrlódási tényezõ. 1. a BC szakaszban F s >0, 2. a C fõpontban és változó nagyságú környezetében F s =0, meghatározó mértékben gördülési folyamat, 3. a CD szakaszban F s >0. A mérések során az F y tengelyerõ értéke, a mérõrendszer tudatos tervezésével összhangban, megközelítõleg zérusnak adódott, így a további számításoknál elhanyagolható. Az 1. ábra szerint az erõk egyensúlyára felírható: F x = F s cosα (1) A súrlódási erõ: Fx Fs = cosα [N] (2) ahol F x a mért tengelyerõ [N], α a kapcsolószög [ ]. A mérési adatokból számított súrlódási tényezõ értéke: F μ = F s n Fs μ = Fn cosα 1. ábra. Egyfogpár-kapcsolódás és erõhatások (3) (4) 3. Fogkapcsolódás modell vizsgálatok eredményei és értékelésük Több terhelési szinten mértünk, közleményünkben az 1,1 Nm terhelés (0,1 s 1 szögsebesség) esetén mért súrlódási eredményeket ismertetjük. A 2. ábra a vizsgált mûszaki polimer fogaskerék fogak és acél fog közt a kapcsolóvonal mentén ébredõ súrlódási tényezõ értékeit mutatja a bejáratás kezdetén, vagyis az elsõ kapcsolódási ciklusban. A szakirodalmakban számított fogsúrlódás elméleti egyenesei valóságban összetettebb felületi folyamatokra utalnak, ha a 2. ábra eredményeit megvizsgáljuk. Eszerint, adott fogpárok esetén, állandó terhelõ nyomaték mellett a kapcsolóvonal menti súrlódási tényezõ nem lesz állandó. Ez a jelenség még feltûnõbb a súrlódás kezdeti szakaszában (running-in), ahol az egyes anyagpárok között is jelentõs különbségek adódnak. Amennyiben a fõpont környezetében a súrlódás lokális maximuma határozottan kiemelkedik a csúszási szakaszok súrlódási értékeitõl, ott a folyamat stick-slip hajlama is azonosítható. Ha ez a lokális maximum a legkisebb csúszási sebességekhez tartozó súrlódás alig, vagy egyáltalán nem tér el a csúszási szakaszok súrlódási értékeitõl, ott a stick-slip hajlam is kicsi, azaz a fogaskerékpár futásának zajszintje is alacsonyabb. Ez a mérési eredmény a szubjektív megfigyelésekkel összhangban van. Az 1,1 Nm-es terhelõ nyomaték (ez jelentette a kis terhelési szintet) elsõ ciklusára vonatkozóan megállapítottuk: Az egyes anyagpárok súrlódási tényezõje nem állandó az egyfogpár-kapcsolódás szakaszán (2. táblázat). Az egyes anyagpárok jelentõsen eltérõ súrlódási A fõponti átgördüléshez köthetõ súrlódási tényezõ irányváltás elõtti, egyfogpár-kapcsolódási szakaszban mért lokális maximális súrlódási tényezõ értékének jelölése µ fe-max. A súrlódási irányváltás után is mérhetõ abszolút értékben egy lokális µ fu-max, mely a fõponti irányváltás miatt negatív elõjelû. A fõponti átgördülés elõtt és után, a dinamikus csúszási súrlódási szakaszon értelmeztük az átlagos súrlódási tényezõket, melyek jelölése µ fe-átl és µ fu-átl. Összegezve: µ fu-max a fõpont elõtt ébredõ lokális, maximális súrlódási tényezõ, µ fe-átl a fõpont elõtti átlagos súrlódási tényezõ, 2. ábra. Egyfogpár-kapcsolódás szakaszán, az elsõ ciklusban tapasztalható fogsúrlódás (M=1,1 Nm, ω=0,1/s, 1. ciklus) évfolyam, 6. szám 237

3 Súrlódási rangsor Anyag értékeket és trendeket eredményeztek a bejáratás kezdeti szakaszában, de a fõpont elõtti és utáni súrlódási rangsor megegyezik. A legkedvezõbb súrlódást a POM C eredményezte, gyakorlatilag a fõpont elõtti lokális maximumok nem ugranak ki a csúszási szakaszok súrlódási értékeihez képest. A POM C hallható zajszintje a legalacsonyabb volt. A fõpont körüli csúszásmentes zóna a PA 66 GF30 esetén a legnagyobb, mindehhez társulnak a határozottan kiugró lokális maximum értékek. Ez azt jelenti, hogy ezen az alacsony terhelési szinten nem a deformációkból ered a fõpont körüli csúszásmentes zóna nagysága (mivel a PA 66 GF30 rugalmassági modulusza a legnagyobb), hanem a felületi adhézió és a kezdeti felületi érdességek (megmunkálásból eredõ állapot) hatása domináns. A magnézium katalizálású öntött poliamid meglepõ módon kedvezõbben viselkedett a nátrium katalizálással készített termékhez képest. A tribológiai mérés a fogaskerék hajtás során folyamatos volt, ezért több kapcsolódási ciklusszámnál értékeltük az adatokat. A továbbiakban a kapcsolódási ciklushoz tartozó eredményeket ismertetjük (3. ábra), melyek jelentõsen eltérõ állapotot szemléltetnek a kezdeti bejáratáshoz képest. A ciklusszám folyamatos növelése a textilbakelit instabil futását eredményezi. A mért súrlódást hanghatás és rezonancia jelensége kísérte. A ciklusnál már jól elkülöníthetõen szétválnak az egyes anyagpárosításokhoz tartozó súrlódási trendek, mely egyértelmû tájékoztatást ad a tartós fogaskerékpár használat hatásfokára. 2. táblázat. Súrlódási értékek összefoglalása (bejáratás kezdete, 1,1 Nm terhelõ nyomaték, ω=0,1 s 1 ) Fõpont elõtti Δμ % + kiugró, ± felfedezhetõ, nem meghatározó eltérés Fõpont utáni Δμ % Fõpont körüli lokális μ maximumok 1 POM C PA 6G Mg Textilbakelit ± 4 PETP/PTFE PA 6G PA 66 GF ábra. Fogsúrlódás a ciklusban (M=1,1 Nm, ω=0,1/s) A fõpont elõtti és utáni súrlódási viselkedésben tapasztalható eltérés stabilizálódik. A PETP/PTFE súrlódása a legkedvezõbb, bár a lokális maximumok felismerhetõk, míg a POM C esetében ez szinte nem értelmezhetõ. A poliamid közül a PA 6G Mg viselkedik a legkedvezõbben. Az üvegszál erõsítésû PA 66 súrlódása csökken a natúr PA 6G-hez képest ciklus megtétele után még mindig felismerhetõ a PA 6G viszonylag széles fõpont körüli csúszásmentes zónája. A 3. táblázat alapján megállapítható, hogy a súrlódási sorrend a bejáratás kezdeti szakaszához képest alapve- 3. táblázat. Súrlódási értékek összefoglalása (bejáratott, steady-state állapot, 1,1 Nm terhelõ nyomaték, ω=0,1 s 1 ) Súrlódási Fõpont elõtt Súrlódási Fõpont után rangsor anyagok Δμ, % lokális μ maximum rangsor anyagok Δμ, % lokális μ maximum 1 POM C 48 1 PETP/PTFE 38 2 PETP/PTFE POM C 34 3 PA 6G 35 ± 3 PA 6G Mg 72 ± 4 PA 66 GF ± 4 PA 66 GF PA 6G Mg PA 6G Textilbakelit Textilbakelit kiugró, ± felfedezhetõ, nem meghatározó eltérés évfolyam, 6. szám

4 4. ábra. A fõpont elõtti lokális súrlódási maximumok alakulása a ciklusszám függvényében tõen megváltozott, elkülöníthetõ trendek fogalmazhatók meg a fõpont elõtti és utáni súrlódási folyamatokra. További segítséget nyújtanak az értékeléshez az 1,1 Nm terhelésû és 0,1 s 1 szögsebességû mérési rendszerrõl a ábrák oszlopdiagramjai, ahol több közbensõ ciklusszámhoz tartozó eredmények jelennek meg (1, 100, 500, 1000, 2000 ciklusszám). A fõpont elõtti lokális maximumokat tekintve nem volt olyan anyag, mely tartós csökkenést mutatott, azaz a stick-slip hajlam csökkent volna a használattal arányosan. A legtöbb anyagnál az oszlopdiagramok kádgörbével burkolhatók. Ez alól a POM C kivétel, mert folyamatosan nõtt a súrlódása, bár abszolút értékben kedvezõ értékeket adott. A POM C-hez hasonló trendet eredményezett a magnézium katalizálású öntött poliamid 6 (PA 6G Mg). A textilbakelit viselkedése nem mutatott klasszikus törvényszerûséget. A PA 6G és PA 66 GF30 esetén feltûnõ, hogy a bejáratás elején kiugróan magas a fõpont elõtti súrlódás lokális maximuma. Az 5. ábra a fõpont elõtti súrlódási átlagértékek alakulását ismerteti. Szembetûnõ, hogy a textilbakelit nem 6. ábra. A fõpont utáni lokális súrlódási maximumok alakulása a ciklusszám függvényében hasonlítható össze a többi mûszaki mûanyaggal, súrlódása nagyon kedvezõtlen kis terhelésen a ciklusszám függvényében. A korábbi megállapításokkal összhangban a POM C és a PETP/PTFE eredményezte a legkisebb súrlódást. A 6. ábrán a fõpont utáni lokális súrlódási maximum értékek szerepelnek, melyek összehasonlíthatók a fõpont elõtti értékekkel abszolút értékben és trendekben egyaránt. A PETP/PTFE esetén igen kedvezõ jelenség figyelhetõ meg. A ciklusszám függvényében a súrlódási maximum érték csökken, azaz a fogaskerékpár futása egyenletesebbé válik, könnyebben indul meg a fogfelületek csúszása. Hasonló jelenség tapasztalható a POM C-nél is, de a csökkenés mértéke nem olyan jelentõs, mint a PETP/ PTFE esetén. Kiegyensúlyozott, enyhén csökkenõ súrlódást mutat a PA 6G Mg. A fõpont elõtti helyzettel összehasonlítva a PA 6G és a PA 66 GF30 továbbra is kiugró szélsõ értéket mutat a bejáratás kezdeti szakaszában. A fõpont elõtti helyzethez képest a mérési adatok a fõpont után nagyobb szóródást mutatnak. 5. ábra. A fõpont elõtti átlagos súrlódási tényezõk alakulása a ciklusszám függvényében 7. ábra. A fõpont utáni átlagos súrlódási tényezõk alakulása a ciklusszám függvényében évfolyam, 6. szám 239

5 A súrlódási sorrend trend viszont nem változik a lokális maximumokat tekintve. A 7. ábra a fõpont utáni csúszás számított átlagos súrlódási értékeit tartalmazza. Ha összehasonlítjuk az 5. ábra eredményeivel (fõpont elõtti átlagértékek), akkor feltûnõ, hogy az átlagolt számítás szerint a kigördülés szakaszában a textilbakelit nem rosszabb, mint a többi mûszaki mûanyag, ugyanakkor a tényleges idõfüggvények mást mutattak. Megfigyelhetõ, hogy a PETP/PTFE súrlódása 2000 ciklusnál már kedvezõbbé válik, mint a POM C esetében, a PA 66 GF 30 súrlódása viszonylag meredeken csökken, ami a fõpont elõtti szakaszban egyáltalán nem volt tapasztalható, a PA 6G Mg és a POM C között szignifikáns különbség nem tapasztalható, a trend inkább csökkenõ. Ezzel szemben a fõpont elõtt a POM C súrlódása szignifikánsan jobb a PA 6G Mg-hez képest, és mindkét anyagnál enyhén növekszik a súrlódás. 4. Összefoglalás Evolvens fogprofilú fogaskerekek kapcsolódása során fellépõ erõk meghatározására mérõrendszert és mérési módszert dolgoztunk ki. A mérõrendszer az egyfogpár-kapcsolódás szakaszán méri az érintkezõ fogak között ébredõ súrlódási ellenállást. A polimer/acél fogpárok közötti súrlódási tényezõ állandó terhelõ nyomaték és fogaskerék fordulatszám esetén a kapcsolóvonal mentén nem állandó. Pontosítottuk az egyes anyagpárokhoz tartozó fõpont közeli gördülési tartomány nagyságát és annak változását az elhasználódás függvényében (vizsgálati ciklusok száma). Megállapítottuk, hogy a fogkapcsolódás során a fõpont környezetében a gördülés és a csúszás viszonya az anyagpárosítástól függ. A fõpont után a gördülési-tapadási átmeneti szakasz nagysága és a fõpont után elérhetõ lokális súrlódási maximum jellemzi az anyagpárosítás tapadó csúszási hajlamát (stick-slip), valamint a kis siklási sebességekre jellemzõ akadó csúszási hajlamot. Irodalomjegyzék [1] Antal, Gy.; Friedrich, G.; Kalácska, G.; Kozma, M.: Mûszaki mûanyagok gépészeti alapjai, Minerva-Sop Bt., [2] Kozma, M.: Tribológia alapjai, Veszprémi Egyetem, Szakmérnöki Jegyzet, [3] Kozma, M.: A fogaskerekek súrlódási vesztesége, Gép, október-november (2004). [4] Kragelszkij; Mihin: Gépszerkezetek súrlódás- és kopásszámítása. Mûszaki Könyvkiadó, [5] Bárány, J.: Fogaskerékszámítás a TMK-ban, Mûszaki Könyvkiadó, [6] évfolyam, 6. szám