اصلاح دنده و تحلیل تماس درگیری: هسته انتقال دقیق

1. چرا چرخدنده‌ها نیاز به اصلاح دارند؟

• خطاهای ساخت و نصب : انحراف های ابعادی در پردازش چرخدنده یا عدم ترازبندی در مونتاژ باعث عدم یکنواختی در شگفت می شود.
• تغییر شکل الاستیک : تحت بار، چرخدنده ها و محورها خم یا پیچ می خورند و منجر به تغییر محل تماس می شوند.
• برخورد دینامیکی : در هنگام قفل کردن و باز کردن شگفت، تغییرات ناگهانی در موقعیت تماس باعث ایجاد ضربه می شود که لایه روغن را از بین می برد و حتی در دماهای بالا باعث خراش سطح دندانه می شود.

2. انواع اصلاح چرخدنده

جزئیات کلیدی تغییرات رایج

• تغییر ردیف دندانه : در راستای عرض دندانه متمرکز می‌شود. شکافتن (تغییر شکل استوانه‌ای) متداول‌ترین نوع است – این کار یک شکل اندک «استوانه‌ای» روی سطح دندانه ایجاد می‌کند تا جبران کننده خم شدن محور تحت بار باشد و تماس یکنواخت را تضمین کند. فرمول مقدار معمول شکافتن به شرح زیر است: \(C_β = 0.5 × 10^{-3}b + 0.02m_n\) (که در آن b = عرض دندانه بر حسب میلی‌متر؛ \(m_n\) = ماژول نرمال بر حسب میلی‌متر است).
• تغییر پروفیل دندانه : در راستای ارتفاع دندانه بهینه‌سازی می‌کند. شامل اصلاح طولانی (از آغاز/پایان گیرودن تا انتقال دندانه تکی به دوگانه) و اصلاح کوتاه (با نصف طول اصلاح طولانی) می‌شود. چرخدنده‌های فلزی عموماً از اصلاح کوتاه برای بهره‌وری بهتر استفاده می‌کنند، در حالی که چرخدنده‌های پلاستیکی اغلب از اصلاح طولانی استفاده می‌کنند.
• تغییر ترکیبی : ترکیبی از اصلاح مسیر دندانه و پروفیل دندانه است. برای سناریوهای پیچیده مانند گیربکس‌های انرژی بادی، این روش تعادلی بین توزیع بار، کاهش ضربه و پایداری دینامیکی ایجاد می‌کند و نتایج بهتری نسبت به اصلاح تکی فراهم می‌کند.

3. اصول طراحی برای اصلاح مؤثر

1. اصل جبران بارگذاری : میزان تغییر ≈ تغییر شکل الاستیک + خطای ساخت، اطمینان از برازش کامل سطح دندانه تحت بار واقعی.
2. اصل همواری دینامیکی : خطا در انتقال قله به قله ≤ 1 میکرومتر/درجه، کاهش تحریک ارتعاشی.
3. اصل تعادل تماس : نسبت مساحت تماس ≥ 60 درصد، جلوگیری از تمرکز تنش.

4. تحلیل تماس مESHing: ارزیابی اثرات تغییر

تئوری‌ها و روش‌های کلیدی

• تئوری تماس هرتز : محاسبه عرض تماس نیمکتی و توزیع تنش بین سطوح دندانه، که پایه‌ای برای تحلیل تنش می‌باشد.
• روش‌های تحلیل عددی :
  • روش تحلیلی: سریع اما تقریبی، مناسب برای تخمین اولیه.
  • روش المان محدود: دقت بالا، ایده‌آل برای تحلیل دقیق تنش.
  • روش المان مرزی: کارآمد برای محاسبه تنش تماسی.
  • دینامیک چند جسمی: ارزیابی عملکرد دینامیکی سیستم تحت شرایط کاری.

شاخص‌های ارزیابی کلیدی

• حداکثر تنش تماسی (σHmax) : مربوط به عمر خستگی سطح دندانه.
• فاکتور شکل ناحیه تماس (λ) : نسبت طول به عرض منطقه تماس، که یکنواختی بار را منعکس می‌کند.
• خطای انتقال (TE) : فاصله اضافی مورد نیاز برای جفت‌شدن دنده به دلیل تغییر شکل/خطاها، که منبع اصلی ارتعاش محسوب می‌شود.

5. اثرات عملی از تغییر: مطالعات موردی

• جعبه دنده بادی (عرض دندانه 200 میلی‌متری) : با افزایش مقدار کانوینگ (0→30 میلی‌متر)، حداکثر تنش تماس از 1250 مگاپاسکال به 980 مگاپاسکال کاهش یافت و شتاب ارتعاش از 15.2 متر بر مجذور ثانیه به 9.5 متر بر مجذور ثانیه کاهش یافت.
• جعبه دنده خودرو (مدول 3.5) : تغییر پروفیل سهموی ضربه را 35% و سر و صدا را 3.2 دسی‌بل کاهش داد؛ تغییر منحنی مرتبه بالا کاهش 52% در ضربه را به دست آورد.
• دنده‌های هوافضایی : اصلاح کامپوزیتی ناهمواری تنش تماسی را از 58% به 22%، خطای انتقال از 2.4 میکرومتر به 1.1 میکرومتر و انرژی ارتعاشی در 2000 دور در دقیقه را به میزان 68% کاهش داد.

6. کاربرد و تأیید مهندسی

• روش اثر استاتیکی : استفاده از رنگ سرب قرمز (ضخامت 10-20 میکرومتر) تحت گشتاور نامی 30% برای مشاهده لکه‌های تماسی.
• سیستم‌های آزمایش دینامیکی : سنسورهای جابجایی نوری فیبری (دقت 0.1 میکرومتر) و دماسنج‌های مادون قرمز با سرعت بالا (نمونه‌برداری 1 کیلوهرتزی) در مانیتور کردن زنگ زدن واقعی به صورت زنده.

• کاهنده‌های خودروهای برقی : اصلاح نامتقارن پروفیل (+5 میکرومتر در سمت بارگیر) و فیلهای انتهای دندانه به اندازه 30°×0.2 میلی‌متر باعث کاهش 7.5 دسی‌بل (A) در میزان نویز و بهبود 0.8% در راندمان شد.
• گیربکس‌های دریایی : شیاردهی بزرگ (40 میکرومتر) و اصلاح زاویه هلیکس جبرانی (β'=β+0/03°) یکنواختی تنش تماسی را به کمتر از 15٪ بهبود بخشیده و عمر مفید را 2/3 برابر افزایش داده است.

نتیجه‌گیری

• میزان بهینه شیاردهی معمولاً 1/2 تا 1/5 برابر تغییر شکل الاستیک است.
• اصلاح ترکیبی نسبت به اصلاح تکی 30 تا 50٪ عملکرد بهتری دارد.
• اصلاح باید مبتنی بر طیف واقعی بار باشد و توسط آزمون‌های لکه تماسی تأیید شود.