Dinamikus tribológiai rendszerek II.

Átírás

1 Dinamikus tribológiai rendszerek II. Polimer-acél fogaskerék hajtások túlterheléses kopása DR. KALÁCSKA GÁBOR * egyetemi docens KERESZTES RÓBERT * PhD hallgató ZSIDAI LÁSZLÓ * tanszéki mérnök EBERST OTTO ** PhD hallgató SEVER, POP ** tanszéki mérnök DR. KOZMA MIHÁLY *** egyetemi tanár DR. DE BAETS, PATRICK **** egyetemi tanár Tudományos kutatás 1. Bevezetés A fogaskerék hajtásokban ahol az üzemi igénybevétel megengedi egyre gyakrabban használnak mûanyag fogaskerekeket, mivel számos elõnyük van a fémekkel szemben: kenés nélkül is mûködhetnek, zajszintjük alacsony, kiváló a mechanikai csillapításuk, kicsi a tömegük, kedvezõ a súrlódásuk stb. Mindez elõsegíti a mûanyag fogaskerekek felhasználását. PhD program keretében a gyakorlatban elterjedt mûszaki polimerekbõl készült, acél fogaskerékkel párosított fogaskerekek kopását vizsgáltuk kenés nélkül, tiszta környezetben, valamint szilárd szemcsékkel szennyezett, poros közegben. A kutatási eredményekrõl cikksorozatban számolunk be. Ez a cikk a tiszta környezetben végzett vizsgálatokat ismerteti. Bemutatja a kiválasztott polimerek különbözõ modell vizsgálatokkal meghatározott kopás vizsgálatának eredményeit normál terhelési körülményekre. Öszszehasonlítja azokat a fokozottan terhelt fogaskerekek kopásvizsgálatának eredményeivel, és keresi az összefüggést a mûanyag fogaskerekek kopása és mechanikai jellemzõi között. Az eredmények lehetõvé teszik, hogy a mûanyag fogaskerekek kiválasztásakor ne csak a szilárdsági feltételeket, hanem a súrlódási és kopási viselkedést is figyelembe vegyék, és megfelelõ biztonsággal válasszák ki az adott feladat ellátására alkalmas mûanyag-acél fogaskerékpárt. 2. A mért anyagok S355 jelû szerkezeti acélból készült kerék hajtotta a mûanyag kereket. A vizsgált fogaskerekek a gyakorlatban elterjedt mûanyagokból készültek. A kiválasztott mûanyagokat az egész világon használják: a közép-európai régió mûszaki mûanyag féltermék (rúd, csõ, tábla) piaci eladásai és az anyagvásárlók visszajelzései alapján állíthatjuk, hogy az ipari célú mûanyag fogaskerekek gyártásának közel 90%-a a kiválasztott anyagminõségekbõl történik. A vizsgált fogaskerekeket Fellow fogazási eljárással (fogvéséssel) az alábbi mûanyag félkész termékekbõl állítottuk elõ (1. ábra): 6PLA: öntött poliamid 6 (PA6G), Na katalizálású, TX: PETP/PTFE kompozit, GF30: extrudált poliamid 66 30% üvegszál erõsítéssel, PA6Mg: öntött poliamid 6 (PA6G), Mg katalizálású, POM-C: polioximetilén kopolimer. * SZIE Gépgyártás és Javítástechnológia Tanszék ** Universitatea De Nord, Baia Mare, ICPM SA, Romania *** BME Gépszerkezettani Intézet **** University Gent, Belgium 1. ábra. A vizsgálati fogaskerekek, modul m=1,25 mm, osztókör átmérõ D=45 mm, fogak száma z=36, fogszélesség b=16 mm évfolyam, 11. szám M ÛANYA G É S 413

2 Az acél fogaskerék anyaga S355 jelû szerkezeti acél, normál állapotban, a fogazat felületi minõsége R a =2,5 µm. A felhasznált polimer fogaskerék anyagok fontosabb mechanikai jellemzõit a gyártók katalógusainak alapján az 1. táblázat foglalja össze. 2. Az ismert tervezési és anyag-kiválasztási háttér Korábbi munkáinkban mûszaki mûanyagok normál üzemi körülményeit modelleztük eltérõ feltételek esetén. Az egyszerû próbatest statikus vizsgálataitól eljutottunk a dinamikus modellezésig, melyhez vizsgáló berendezést fejlesztettünk ki nemzetközi összefogással. Néhány anyagot kiragadva a korábbi mérési eredmények közül, bemutatjuk az eddigi eredményeket és összevetjük ezeket a túlterheléses mérések eredményeivel. Meg kell jegyezni, hogy a Lewis-képlet a mechanikai terhelhetõséget a fogtõ kifáradási határfeszültsége alapján határozza meg, a kopás értékeire nem ad tájékoztatást. A 2., 3. és 4. ábrák elvi kapcsolatot szimbolizálnak a fajlagos kopás és a mechanikai terhelési kategóriák (I. IV.) között gyakorlati tapasztalatokra vonatkozóan. Az egyes kompozitok felületi viselkedése jelentõsen eltérhet adott terhelés esetén. A 2., 3. és 4. ábrákból látható, hogy a kopásállóság erõsen függ a mûködési körülményektõl (terhelés, sebesség, hõmérséklet), a mozgásformától, a felületi kapcsolattól. A kopásrezisztenciai sorrend változó, de adott tervezési feladathoz, több szempont figyelembe vételé- Anyagok Szakadási nyúlás, % Rugalmassági modulusz, MPa Keménység, HR M 1. táblázat. Anyagjellemzõk Folyási feszültség, MPa PA6-Mg Pa6-Na PA66GF POM-C PETP TX ábra. Statikus pin-on-disc mérések egyszerû próbatesttel 3. ábra. Dinamikus hatások modellezése egyszerû próbatesttel 414 M ÛANYA G É S évfolyam, 11. szám

3 4. ábra. Fog-kontakt egyszerû modell, vonalmenti érintkezés 5. ábra. Mérõpad fogaskerekekkel. 1 hajtó motor; 2 hajtó polimer fogaskerék; 3 hajtott acél fogískerék; 4 fékezõ motor; 5 alaplap vel a megfelelõ polimer kiválasztható fogaskerék anyagnak. Túlterhelés esetén viszont az anyagviselkedés nem ismert, ezért eredeti gépelemmel futó modellt építettünk. 3. A túlterhelés vizsgálathoz megépített mérõegység Az adhéziós fogaskerék vizsgálatok körülményei (5. ábra): hõmérséklet: 22 C; mûködési idõ: 70 óra/fogaskerék pár (12 nap 6 óra); fogaskerekek tengely távolsága: 45,1 mm (kompenzáció a=0,1 mm); tengelyek párhuzamossága: 0,04 mm; fordulatszám terheléssel: 1300 ford/min; forgatónyomaték: 6,1 Nm (a mérhetõ kopások érdekében nagyobb, mint amit a Lewis-féle képlet megenged). a rezgésdiagnosztikai méréseket elõször 10 perc bejáratás után mértük az új kerekeknél, majd a vizsgálatok végén, 70 óra mûködés után. A megengedett átvihetõ teljesítmény polimer fogaskerekekkel a Lewis összefüggés szerint: m y b d n f1 f2 σ P =, kw ahol m modul, mm, y fogalak tényezõ (irodalmi adat), b a teherviselõ fogszélesség, mm, d osztókör átmérõ, mm (d=m z), z fogszám, n fordulatszám, ford/min, f 1 sebesség tényezõ 0,75 f, 1 = + 0,25 1+ v v kerületi sebesség az osztókörön, m/s, σ megengedett fogtõfeszültség, N/mm 2, (irodalmi adat), f 2 üzemtényezõ (irodalmi adat). A mérésekhez beállított feltételek 830 W átvitt teljesítményt jelentenek, ez mind az öt kiválasztott polimer fogaskerék esetében a III. tartományt jelenti a 6. ábra szerint. 4. Eredmények és következtetések 4.1. Rezgésdiagnosztika Az összeszerelt hajtások rezgéserõsségét a 7. ábra mutatja. A rezgésdiagnosztika abszolút értékeit a szerelési beállítás 0,04 mm-es tûrésmezõje is befolyásolja. A évfolyam, 11. szám M ÛANYA G É S 415

4 megépített hajtások esetében jól látszik a bejáratás hatása, azaz a kezdeti viszonylag magasabb rezgéserõsség a 70 óra járatás után a kopások ellenére csökkent. Ez alól kivétel a PA66GF-30 típussal megvalósított hajtás, ahol rideg fémhez hasonlóan nõtt a rezgés a méréssorozatok végére, bár a mérések elején itt volt tapasztalható a legkisebb rezgéserõsség. A villanymotorral létrehozott hajtások zajszintjét, rezgéserõsségi fokozatok táblázatos rendszerével, az ISO 2372 szabvány minõsíti. A kenõanyag nélkül megvalósított kísérleti hajtások eredményei 7,1 mm/s alatt a megfelelõ tartományba esnek. 6. ábra. A mérések terhelési tartománya. I. mûszakilag elhanyagolható igénybevételi szint; II. a Lewis-féle számítás szerinti optimális igénybevételi szint; III. enyhén túlterhelt állapot nem javasolt konstrukció, erõsen túlterhelt fogazat 7. ábra. Rezgésdiagnosztikai eredmények 4.2. Kopásmérések A fogaskerekekre megadott tömeg%-os-kopás értékek csak a fogak eredeti tömegére vonatkoznak a jobb kifejezhetõség érdekében, a fogaskerekek lábköre alatti passzív tömeget nem veszik figyelembe. A vizsgálati rendszer eredményeibõl megállapítható (8. ábra), hogy tiszta, száraz adhéziós fogaskerék pár kapcsolatban a polimer fogaskerekek kopására kapott sorrendet követi a velük párban futó acél kerekek kopásának sorrendje. Ez alól kivételt képez a 30% üvegszál erõsítõ anyagot tartalmazó poliamid 66 kiugróan magas koptató hatása az acél fogaskeréken. A legkedvezõbb eredményeket Na és Mg katalizálású öntött poliamid biztosította. Köztük szignifikáns eltérés nem adódott. Az extrudált PA 66-ba bevitt üvegszál növelte az adhéziós kopást. A legkisebb kopásállósággal és legnagyobb fémkoptató hatással a POM kopolimer rendelkezett A polimerek szakadási nyúlásának hatása a polimer- és a velük párban futó A mért kopások (9. ábra), valamint a polimer anyagok szakadási nyúlása között nem mutatható ki közvetlen kapcsolat. Míg a szakadási nyúlás trendvonala monoton növekvõ, addig a kopás ingadozik egy átlagérték között. A trendvonallal nem korrelál a POM-C viszonylag magas kopásértéke. 8. ábra. Polimer- és a vele párban futott acél fogaskerekek tömeg%-os kopása. Vizsgálati paraméterek: t=70 üzemóra, n=1330/min, M=6,1 Nm, kenés nélküli hajtás, T=22 C 416 M ÛANYA G ÉS évfolyam, 11. szám

5 9. ábra. Polimer fogaskerekek tömeg%-os kopása az anyagok szakadási nyúlásával. Vizsgálati paraméterek: t=70 üzemóra, n=1330/min, M=6,1 Nm, kenés nélküli hajtás, T=22 C 10. ábra. Polimer fogaskerékkel párban futó acél kerék tömeg%-os kopása, valamint a polimer kerekek szakadási nyúlása. Vizsgálati paraméterek t=70 üzemóra, n=1330/min, M=6,1 Nm, kenés nélküli hajtás, T=22 C A polimer fogaskerekek koptató hatása (10. ábra) az acélon és a mûanyagok szakadási nyúlása között ellentétes irányú tendencia észlelhetõ a natur POM-C kivételével. A monoton növekvõ szakadási nyúlás csökkenõ acélkopást eredményez. A PA66 GF-30 kiugró koptató hatását az üvegszálak eredményezik A polimerek rugalmassági moduluszának hatása a polimer- és a velük párban futó A mért kopások (11. ábra), valamint a polimerek rugalmassági modulusza között nem mutatható ki közvetlen kapcsolat. Míg a rugalmassági modulusz trendvonala monoton nõ, addig a kopás ingadozik egy átlagérték körül. A trendvonallal nem korrelál a viszonylag magas kopású POM-C. A polimer fogaskerekek koptató hatása (12. ábra) az acélon és a mûanyagok rugalmassági modulusza között nehéz megfogalmazni bármiféle összefüggést. Az acél kopása egy átlagérték körül ingadozik. A trendvonalból kedvezõtlen értékeivel kilóg a POM-C és a PA66 GF- 30. A két öntött poliamid 6 kedvezõ értékei szembetûnõk. Ha az üvegszál kedvezõtlen hatását nem vesszük figyelembe, akkor a kopás trendvonala közel vízszintes, vagy enyhén csökkenõ lenne évfolyam, 11. szám M ÛANYA G ÉS 417

6 11. ábra. Polimer fogaskerekek tömeg%-os kopása és az anyagok rugalmassági modulusza. Vizsgálati paraméterek: t=70 üzemóra, n=1330/min, M=6,1 Nm, kenés nélküli hajtás, T=22 C 12. ábra. Polimer fogaskerékkel párban futó acél kerék tömeg%-os kopása, valamint a polimer kerekek rugalmassági modulusza. Vizsgálati paraméterek: t=70 üzemóra, n=1330/min, M=6,1 Nm, kenés nélküli hajtás, T=22 C 13. ábra. Polimer fogaskerekek tömeg%-os kopása és az anyagok keménysége. Vizsgálati paraméterek: t=70 üzemóra, n=1330/min, M=6,1 Nm, kenés nélküli hajtás, T=22 C 418 M ÛANYA G ÉS évfolyam, 11. szám

7 A polimerek keménységének hatása a polimer- és a velük párban futó A mért kopások, valamint a polimer anyagok felületi keménysége (13. ábra) között nem mutatható ki egyértelmû kapcsolat. Míg a felületi keménység trendvonala monoton növekvõ, addig a kopás ingadozik egy átlagérték körül. A trendvonallal nem korrelál a POM-C viszonylag magas kopásértéke. A polimer fogaskerekek koptató hatása az acélon és a mûanyagok felületi keménysége (14. ábra) között hasonló kapcsolatot találunk, mint a rugalmassági modulusznál. Az acél kopása egy átlagérték körül ingadozik. Az enyhén emelkedõ trendvonalból kilóg kedvezõtlen értékeivel a POM-C és a PA66 GF-30. A két öntött poliamid 6 kedvezõ értékei szintén szembetûnõk. Ha az üvegszál kedvezõtlen hatását nem vesszük figyelembe, akkor a kopás trendvonala közel vízszintes lehetne A polimerek folyási feszültségének hatása a polimer- és a velük párban futó A mért kopások, valamint a polimerek folyási feszültsége (15. ábra) között ellentétes irányú tendencia észlelhetõ. A folyási feszültség trendvonala monoton növekvõ, míg az acél kopásában csökkenõ tendencia figyelhetõ meg. A polimer fogaskerekek koptató hatása az acélon és a mûanyagok folyási feszültsége (16. ábra) között nincs 14. ábra. Polimer fogaskerékkel párban futó acél kerék tömeg%-os kopása, valamint a polimer kerekek keménysége. Vizsgálati paraméterek: t=70 üzemóra, n=1330/min, M=6,1 Nm, kenés nélküli hajtás, T=22 C 15. ábra. Polimer fogaskerekek tömeg%-os kopása és az anyagok folyási feszültsége. Vizsgálati paraméterek: t=70 üzemóra, n=1330/min, M=6,1 Nm, kenés nélküli hajtás, T=22 C évfolyam, 11. szám M ÛANYA G ÉS 419

8 16. ábra. Polimer fogaskerékkel párban futó acél kerék tömeg%-os kopása, valamint a polimerek folyási feszültsége. Vizsgálati paraméterek: t=70 üzemóra, n=1330/min, M=6,1 Nm, kenés nélküli hajtás, T=22 C 17. ábra. Polimer fogaskerekek tömeg%-os kopása, valamint K=(Re HR)/(E A) anyagtényezõ kapcsolata. Vizsgálati paraméterek: t=70 üzemóra, n=1330/min, M=6,1 Nm, kenés nélküli hajtás, T=22 C közvetlen kapcsolat. Az acél kopására figyelembe véve a POM-C és a PA66 GF-30 magas koptató értékeit másodfokú trendvonal illeszthetõ, melynek minimuma az öntött poliamid 6-nál van, ezzel szemben a folyási feszültség függvénye szigorúan monoton növekvõ A polimerek K=(R e HR)/(E A) anyagtényezõjének hatása a polimer- és a velük párban futó A polimerek gépelemként történõ használhatóságát meghatározó mechanikai jellemzõkbõl képezhetõ egy K dimenzió nélküli anyagtényezõ: K = [folyási feszültség, MPa] [keménység, HR M] [rugalmassági modulusz, E, MPa] [szakadási nyúlás] A tiszta, száraz adhéziós fogaskerék pár kapcsolatban a polimer fogaskerék kopása arányos az anyagjellemzõkbõl számított K anyagtényezõvel (17. ábra). A növekvõ K tényezõ növekvõ polimer kopást eredményezett. Ez alól egyértelmûen kivétel a POM-C, mely a mérések szerint több szempontból keménység, rugalmassági modulusz sem kezelhetõ együtt a poliamidokkal és a PET-tel. A POM-C viszonylag kis K értéke ellenére is erõsen kopik. Szintén arányosság áll fenn a polimer fogaskerék 420 M ÛANYA G ÉS évfolyam, 11. szám

9 18. ábra. Polimer fogaskerékkel párban futó acél kerék tömeg%-os kopása, valamint a polimer K=(Re HR)/(E A) anyagtényezõ kapcsolata. Vizsgálati paraméterek t=70 üzemóra, n=1330/min, M=6,1 Nm, kenés nélküli hajtás, T=22 C anyagok K anyagtényezõje és a velük párban futott acél fogaskerekek kopása között (18. ábra). A tendencia alól a POM-C kivétel ebben az összehasonlításban is. A növekvõ K érték növekvõ acélkopással járt. 5. Összefoglalás Az eredményeket az anyagjellemzõkkel összevetve lehetséges bizonyos anyagcsoportok (pl. PA, PET) túlterheléses kopási viselkedésére következtetni. Vannak viszont kémiailag kódolt, eltérõ tribológiai viselkedések pl. POM-C, melyek közel azonos mechanikai jellemzõk esetén is eltérõ tribológiai eredményt szolgáltatnak. Le kell leszögeznünk, hogy a sztochasztikusan túlterhelési veszélynek kitett fogazott hajtásokban az anyagkiválasztás szempontjai megváltoznak. Próbapadi méréssel feltérképezhetõ az anyagok viselkedése túlterhelés hatására. Biztonságtechnikai szempontokból nem mindegy, hogy egy polimer fogaskerék deformálódik egy nagyobb kopási rátával, vagy elkenõdik, elnyíródik, esetleg ridegen eltörik. A tervezéshez és az anyagkiválasztáshoz a túlterhelési veszéllyel üzemelõ hajtásokban azonban más kopásrezisztenciai sorrendet kell figyelembe venni, mint normál terhelhetõség esetén. A kutatási programot támogatja az OTKA T42511 számú projekt, valamint a Flamand-Magyar bilaterális TéT együttmûködés. Irodalom [1] Antal; Fledrich; Kalácska; Kozma: Mûszaki mûanyagok gépészeti alapjai, Minerva-Sop, [2] Teraglobus termékkatalógus, Budapest, [3] Vörös, I.: Gépelemek III. Budapest, [4] Pék, L.: Fémes és nem fémes szerkezeti anyagok. SZIE, Gödöllõ, [5] Kalácska, G.; Keresztes, R.; De Baets, P.: Tenth annual international conference on composites/nano engineering, Dynamic tribological testing of polymers. New Orleans, Louisiana, July [6] Zsidai, L.; De Baets, P.; Samyn, P.; Kalácska, G.: The tribological behavior of engineering plastics during sliding friction investigated with small-scale specimens, Wear 253, (2002). [7] Johnson, K. L.: Contact mechanics, Cambridge University Press, évfolyam, 11. szám M ÛANYA G ÉS 421