Uszkodzenia zębów ślimacznicy

Obliczenia wytrzymałościowe uzębienia muszą dać odpowiedź na pytanie, czy dana przekładnia ślimakowa jest w stanie w przewidywanych warunkach obciążenia pracować bez narażenia jej uzębienia na jakiekolwiek uszkodzenie, w ciągu okresu czasu zwanego żywotnością przekładni. Dlatego też, pomimo że nie wszystkie uszkodzenia zębów mają swe źródło w źle dobranych wymiarach uzębienia, dobrze jest przed przystąpieniem do omawiania obliczeń wytrzymałościowych, zapoznać się z częściej spotykanymi w przekładniach ślimakowych uszkodzeniami zębów.

Spotyka się zasadniczo dwa rodzaje uszkodzeń zębów: złamanie zęba oraz zniszczenie względnie uszkodzenie jego powierzchni.

Złamanie zęba może nastąpić albo na skutek przekroczenia granicy wytrzymałości doraźnej materiału, albo na skutek przekroczenia granicy wytrzymałości zmęczeniowej. Wypadki przekroczenia granicy wytrzymałości doraźnej spotyka się stosunkowo rzadko i należy je przypisać wystąpieniu jakiegoś dużego, jednorazowego przeciążenia. Znacznie częściej natomiast spotkać się można ze złamaniem zęba, które nosi charakter zmęczeniowy. Jest więc wynikiem wielokrotnego przeciążenia.

Przypadek złamania zmęczeniowego przedstawiono na rys. powyżej. Widoczne są tu pęknięcia na zębach jeszcze nie wyłamanych. Pęknięcia powstają u podstawy zęba, to znaczy w miejscach, gdzie występuje największy moment gnący i gdzie na skuiek zmiany przekroju zachodzi duże spiętrzenie naprężeń.

Ogólnie biorąc przyczynami wyłamywania zębów mogą być: zbyt małe w stosunku do przenoszonego obciążenia wymiary uzębienia, błędy wykonania lub wady materiałowe.

Wpływ wymiarów uzębienia na wielkość przenoszonego obciążenia jest zupełnie oczywisty. Ustalenie jednak związków liczbowych między tymi wielkościami nie jest już takie proste, jakby się to na pozór mogło wydawać. Jeszcze trudniejsze jest ustalenie związków liczbowych między przenoszonym obciążeniem i dokładnością wykonania, chociaż wpływ jaki wywiera dokładność wykonania uzębienia na wielkość przenoszonego obciążenia wydaje się zupełnie oczywisty. Dokładność wykonania decyduje przecież o tym, czy współpraca zębów jest właściwa. Błędy prostopadłości osi ślimaka do osi ślimacznicy oraz błędy kształtu uzębienia, włączając w nie również i błędy mimośrodowości, wywołują spiętrzenie obciążenia. Co za tym idzie — błędy te wywołują powiększenie lokalnie występujących naprężeń. Taki sam skutek mają również i odkształcenia, jakim pod wpływem przenoszonego obciążenia ulegają zęby, wałki oraz — jeśli nie jest on dostatecznie sztywny — to nawet i sam korpus przekładni.

Dużą rolę w wytrzymałości zębów na złamanie odgrywa kształt powierzchni przejściowej zębów. Im mniejsze jest zaokrąglenie u podstawy zęba, tym większe jest spiętrzenie naprężeń, a tym samym i większe niebezpieczeństwo złamania zęba. Bardzo szkodliwe są również tzw. naprężenia własne, powstałe w wyniku zabiegów technologicznych, zwłaszcza obróbki cieplnej. Niewłaściwa obróbka cieplna na równi z wadami materiału może być przyczyną złamania zęba.

Złamanie zęba może być nie tylko wynikiem jakiejś jednej przyczyny. Może ono powstać w wyniku działania kilku różnych przyczyn.

Wśród spotykanych najczęściej uszkodzeń powierzchni zębów można natomiast rozróżnić następujące podstawowe ich odmiany: ścierne zużycie zębów, uszkodzenia powierzchni o charakterze zmęczeniowym, czyli tzw. wżery zmęczeniowe, uszkodzenia powierzchni o charakterze zgrzewnym, czyli tzw. zatarcie się zębów, rysy na powierzchni zębów i wreszcie odwarstwianie się powierzchni zębów.

Zużycie ścierne powierzchni zębów, o ile zachodzi ono dostatecznie wolno, trzeba uważać za zupełnie normalny objaw. Spotyka się jednak przyspieszone ścieranie zębów. Zjawisko takie przypisać należy albo zbyt miękkim i za mało odpornym na ścieranie materiałom, albo złemu olejeniu, albo wreszcie spiętrzeniu obciążenia na skutek niedokładności wykonania lub występujących w czasie pracy odkształceń.

Niedokładność wykonania lub odkształcenia, które wywołują spiętrzenie obciążenia, prowadzą zawsze do szybkiego zniszczenia zębów. Natomiast od wielkości błędów względnie od wielkości odkształceń, a więc tym samym od stopnia spiętrzenia obciążenia, zależy forma zniszczenia. Najłagodniejszą formą jest oczywiście przyspieszone ścieranie zębów. Większe błędy lub większe odkształcenia powodują poważniejsze uszkodzenia powierzchni zębów albo nawet ich wyłamanie.

Wżery zmęczeniowe (po angielsku — pitting) są tą formą uszkodzenia, której przypisuje się przekroczenie powierzchniowej wytrzymałości zmęczeniowej materiału. Przypuszcza się bowiem, że na skutek nacisku międzyzębnego zachodzi podobny rozkład naprężeń, jaki ma miejsce w ściskanych walcach. Zgodnie więc z teorią Hertza największe naprężenie występuje nieco pod powierzchnią zęba. W wyniku przekroczenia granicy wytrzymałości zmęczeniowej powstają w materiale drobne zrazu pęknięcia. Z pęknięć tych tworzą się następnie szczeliny. W szczeliny dostaje się olej, który działając jako klin odłupuje cząstki metalu. W wyniku tych zjawisk na powierzchni tworzą się wżery, podobne do śladów po ospie (rys. poniżej). Warto przy tym podkreślić, że pomimo swego niewątpliwie zmęczeniowego charakteru wżery tego rodzaju powstają tylko w obecności oleju. Bez uwzględnienia więc roli oleju nie można wytłumaczyć zjawiska powstawania wżerów zmęczeniowych.

Forma wżerów zmęczeniowych może być bardzo rozmaita. Wżery zmęczeniowe w postaci bardzo delikatnych drobnych jakby nakłuć, bez tendencji do dalszego pogarszania stanu powierzchni, nie są groźne. Takie wżery mogą świadczyć nawet o dobrym, bo maksymalnym wykorzystaniu materiału, jeśli chodzi o dobór nacisku międzyzębnego. Wżery tego rodzaju mogą powstawać już w początkowym okresie pracy przekładni. Zwykle zanikają one w miarę ściernego zużycia się zębów. Zjawisko to tłumaczy się tym, że w początkowym okresie pracy przekładnia nie jest jeszcze dotarta i jednostkowe naciski międzyzębne są z natury rzeczy wyższe. W miarę docierania się przekładni naciski jednostkowe maleją i wżery znikają. Z wyjątkiem jednak tej łagodnej formy drobnych wżerów, bez tendencji do dalstego rozprzestrzeniania się, wżery zmęczeniowe są poza tym objawem bardzo groźnym dla uzębienia. Stopniowo doprowadzają one powierzchnię zęba do całkowitego zniszczenia. Wżerów więc większych choćby jeszcze nielicznych nie wolno lekceważyć.

Powstawanie na powierzchni zębów wżerów zmęczeniowych świadczy o zbyt dużych naciskach jednostkowych, przy czym mogą one mieć swe źródło albo w zbyt małych wymiarach przekładni, albo w zbyt malej dokładności wykonania, albo w zbyt dużych odkształceniach, jakie zachodzą w obciążonej przekładni.

Niezależnie od nacisków jednostkowych pewien wpływ na powstawanie wżerów zmęczeniowych wywiera również i olej. W lepszych warunkach olejenia można zwiększyć naciski międzyzębne bez narażenia powierzchni zębów na zniszczenie. Powiększenie lepkości oleju może również okazać się korzystne. Większa lepkość oleju może zmniejszyć niebezpieczeństwo przedwczesnych wżerów zmęczeniowych.

Uszkodzenia powierzchni zębów o charakterze zgrzewnym przybierają formy również różnorodne. Najłagodniejszą formą są przypadki adhezji brązu do stali. Ze zjawiskiem tym można spotkać się albo wtedy, gdy ślimak jest zbyt miękki, albo gdy ślimacznica jest zbyt twarda. Dzięki silom adhezji brąz ze ślimacznicy przenosi się na ślimak, pokrywając jego zęby cieniutką warstewką.

Najgroźniejszą natomiast formą zniszczenia powierzchni zębów na skutek zgrzewania jest tak zwane zatarcie. Jeżeli ilość ciepła wydzielonego przy współpracy zębów jest zbyt duża, lub ilość odprowadzonego ciepła jest zbyt mała, to w punktach styku zębów powstaje zbyt wysoka temperatura. Przy dużych jednocześnie naciskach międzyzębnych doprowadza to do lokalnych zgrzein, które są natychmiast znowu rozrywane. W rezultacie jednak powierzchnia zębów traci gładkość, a to z kolei przyczynia się do dalszego podwyższenia temperatury w miejscach styku zębów i do nowych jeszcze większych zgrzein.

Jako główną przyczynę zatarcia zębów uważa się przekroczenie pewnej krytycznej temperatury, która wg Bloka jest temperaturą charakterystyczną dla określonego skojarzenia materiałów uzębienia oraz rodzaju oleju. Przekroczenie tej krytycznej temperatury jest, jak już wspomniano, wynikiem albo niedostatecznego odprowadzenia ciepła, albo zbyt dużej ilości wytwarzanego ciepła. Niedostateczne odprowadzenie ciepła może być z kolei spowodowane albo niedostatecznym olejeniem przekładni, lub brakiem chłodzenia.

Zbyt duża natomiast ilość wytwarzanego ciepła jest wynikiem albo zbyt dużej chropowatości zębów, albo złego oleju. Zatarciu zębów sprzyjają ponadto duże naciski międzyzębne oraz wysoka prędkość poślizgu. Projektując zatem wymiary przekładni oraz dobierając olejenie, trzeba brać również pod uwagę, termiczne obciążenie zębów.

Przykładem zatarcia zębów ślimacznicy na skutek zbyt wysokiej temperatury pracy przekładni jest ślimacznica na rys. poniżej. Przyczyną zniszczenia zębów było w tym przypadku zbyt skąpe olejenie.

Rysy oraz odwarstwianie się materiału na powierzchni zębów należą do zniszczeń, których źródło tkwi w samym procesie wytwarzania. Rysy na powierzchni zębów są wynikiem naprężeń wywołanych obróbką cieplną albo szlifowaniem. Spotyka się je najczęściej w ślimakach nawęglanych. W ślimakach tych występuje czasem również zjawisko odwarstwiania materiału (rys. poniżej). Przyczyn tego zjawiska może być wiele, a mianowicie zbyt mała wytrzymałość materiału rdzenia, zbyt cienka warstwa utwardzona, zbyt gwałtowny spadek twardości między warstwą utwardzoną i rdzeniem, rysy powstałe przy szlifowaniu naprężenie wywołane operacją prostowania i wreszcie siatka kryształów cementytu, utworzona w wyniku zbyt wysokiej temperatury przy nawęglaniu.