acél fogaskerekek súrlódása *

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].

ket 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: z1=z2=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 DOCAMID 6G öntött poliamid 6, nátrium

Saját jelölés 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 DOCAPET TF DOCALIT

poliacetál POM C poli(etilén-tereftalát) + teflon PETP PTFE textilbakelit bakelit

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, trende*A

Az egyfog-kapcsolódási szakaszt (BD szakasz) a fõpont két részre osztja (1. ábra), ahol a súrlódási erõ irányt vált. A fog teljes terhelése (Fn) állandó, mivel a terhelõ nyomatékot biztosító Fg is állandó. A súrlódási erõ a mért tengelyerõ (Fx) nagyságát megváltoztatja. A fõpontig a tengelyerõ értékét növeli, utána csökkenti. Az egyfog-kapcsolódás alatt a csúszósúrlódás szempontjából három esetet különböztetünk meg:

munkát az OTKA NI 62729 kutatási szerzõdés támogatta István Egyetem, Gépészmérnöki Kar, Gépipari Technológiai Intézet, Gödöllõ

**Szent

236

2008. 45. évfolyam, 6. szám

µfu-max a fõpont után ébredõ, lokális, maximális súrlódási tényezõ, µfu-átl a fõpont utáni átlagos súrlódási tényezõ. 3. Fogkapcsolódás modell vizsgálatok eredményei és értékelésük

1. ábra. Egyfogpár-kapcsolódás és erõhatások

1. a BC szakaszban |Fs|>0, 2. a C fõpontban és változó nagyságú környezetében Fs=0, meghatározó mértékben gördülési folyamat, 3. a CD szakaszban |Fs|>0. A mérések során az Fy tengelyerõ értéke, a mérõrendszer tudatos tervezésével összhangban, megközelítõleg zérusnak adódott, így a további számításoknál elhanyagolható. Az 1. ábra szerint az erõk egyensúlyára felírható: Fx = Fs · cosα

(1)

A súrlódási erõ: Fs =

Fx cos α

[N]

(2)

ahol Fx a mért tengelyerõ [N], α a kapcsolószög [°]. A mérési adatokból számított súrlódási tényezõ értéke: μ=

Fs

(3)

Fn μ=

Fs Fn ·cos α

A fõponti átgördüléshez köthetõ súrlódási tényezõ irányváltás elõtti, egyfogpár-kapcsolódási szakaszban mért lokális maximális súrlódási tényezõ értékének jelölése µfe-max. A súrlódási irányváltás után is mérhetõ abszolút értékben egy lokális µfu-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 µfe-átl és µfu-átl. Összegezve: µfu-max a fõpont elõtt ébredõ lokális, maximális súrlódási tényezõ, µfe-átl a fõpont elõtti átlagos súrlódási tényezõ,

2008. 45. évfolyam, 6. szám

(4)

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

2. ábra. Egyfogpár-kapcsolódás szakaszán, az elsõ ciklusban tapasztalható fogsúrlódás (M=1,1 Nm, ω=0,1/s, 1. ciklus)

237

értékeket és trendeket eredmé2. táblázat. nyeztek a bejáratás kezdeti szaSúrlódási értékek összefoglalása kaszában, de a fõpont elõtti és (bejáratás kezdete, 1,1 Nm terhelõ nyomaték, ω=0,1 s–1) utáni súrlódási rangsor megFõpont körüli Súrlódási Fõpont elõtti ≈Δμ Fõpont utáni ≈Δμ egyezik. Anyag rangsor % % lokális μ maximumok – A legkedvezõbb súrló1 POM C 42 40 – dást a POM C eredményezte, 2 PA 6G Mg 60 40 – gyakorlatilag a fõpont elõtti lo3 Textilbakelit 39 37 ± kális maximumok nem ugranak 4 PETP/PTFE 46 33 + ki a csúszási szakaszok súrló5 PA 6G 82 22 + dási értékeihez képest. A 6 6PA 66 GF30 66 22 + POM C hallható zajszintje a + kiugró, ± felfedezhetõ, – nem meghatározó eltérés 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 3. ábra. Fogsúrlódás a 2000. ciklusban (M=1,1 Nm, ω=0,1/s) képest. A tribológiai mérés a fogaskerék hajtás – A fõpont elõtti és utáni súrlódási viselkedésben tasorán folyamatos volt, ezért több kapcsolódási cikluspasztalható eltérés stabilizálódik. számnál értékeltük az adatokat. A továbbiakban a 2000. – A PETP/PTFE súrlódása a legkedvezõbb, bár a lokapcsolódási ciklushoz tartozó eredményeket ismertetkális maximumok felismerhetõk, míg a POM C esetében jük (3. ábra), melyek jelentõsen eltérõ állapotot szemlélez szinte nem értelmezhetõ. tetnek a kezdeti bejáratáshoz képest. – A poliamid közül a PA 6G Mg viselkedik a leg– A ciklusszám folyamatos növelése a textilbakelit instabil futását eredményezi. A mért súrlódást hanghatás kedvezõbben. Az üvegszál erõsítésû PA 66 súrlódása csökken a natúr PA 6G-hez képest. és rezonancia jelensége kísérte. – 2000 ciklus megtétele után még mindig felismer– A 2000. ciklusnál már jól elkülöníthetõen szétválhetõ a PA 6G viszonylag széles fõpont körüli csúszásnak az egyes anyagpárosításokhoz tartozó súrlódási trenmentes zónája. dek, mely egyértelmû tájékoztatást ad a tartós fogaskeA 3. táblázat alapján megállapítható, hogy a súrlódárékpár használat hatásfokára. si sorrend a bejáratás kezdeti szakaszához képest alapve3. táblázat. Súrlódási értékek összefoglalása (bejáratott, steady-state állapot, 1,1 Nm terhelõ nyomaték, ω=0,1 s–1) Súrlódási rangsor 1 2 3 4 5 6

anyagok POM C PETP/PTFE PA 6G PA 66 GF 30 PA 6G Mg Textilbakelit

Fõpont elõtt ≈Δμ, % lokális μ maximum 48 – 53 + 35 ± 44 ± 66 + 760 +

Súrlódási rangsor 1 2 3 4 5 6

anyagok PETP/PTFE POM C PA 6G Mg PA 66 GF 30 PA 6G Textilbakelit

Fõpont után ≈Δμ, % lokális μ maximum 38 – 34 – 72 ± 46 + 30 + 400 +

+ kiugró, ± felfedezhetõ, – nem meghatározó eltérés

238

2008. 45. évfolyam, 6. szám

4. ábra. A fõpont elõtti lokális súrlódási maximumok alakulása a ciklusszám függvényében

6. ábra. A fõpont utáni 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 4.–7. 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

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

2008. 45. évfolyam, 6. szám

239

– 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 ál-

240

landó 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., 1997. [2] Kozma, M.: Tribológia alapjai, Veszprémi Egyetem, Szakmérnöki Jegyzet, 1997. [3] Kozma, M.: A fogaskerekek súrlódási vesztesége, Gép, október-november (2004). [4] Kragelszkij; Mihin: Gépszerkezetek súrlódás- és kopásszámítása. Mûszaki Könyvkiadó, 1987. [5] Bárány, J.: Fogaskerékszámítás a TMK-ban, Mûszaki Könyvkiadó, 1967. [6] www.quattroplast.hu

2008. 45. évfolyam, 6. szám