| Sažetak | Pitting of worm wheel flanks is one of the main damage mechanisms that occur in worm pairs. Due to their geometry, worm pairs are sensitive to manufacturing errors, and their influence on damage mechanisms, namely pitting, has not yet been thoroughly studied. This doctoral thesis investigates the influence of worm pair dimensional accuracy on pitting formation and development. The goal was to correlate worm pair deviations with the occurrence of pitting and to predict worm wheel flanks susceptible to pitting based on measured deviations. Also, three-dimensional optical scans were employed in developing a finite element method model based on real worm pair geometry. The model was used to obtain contact patterns and load and stress distribution in worm pairs. If a specific worm wheel deviation distribution is present, it will govern the pitting formation and development. However, if worm threads have distinct differences, the unfavorable deviation present in one of the worm threads will induce the majority of pitting on worm wheel flanks. If there is no specific distribution of deviations, the locations of the most damaged and least damaged flanks can be explained by radial and axial runout. Besides deviations, established contact patterns have a large influence on pitting formation.
In worm pairs, a high degree of sliding paired with unfavorable oil-entraining geometry leads to poor lubrication conditions and lower overall efficiency compared to other gear types. In order to improve lubrication conditions in worm pairs, surface texturing was conducted through electropolishing at higher current densities which produced surface texture in the form of dimples and pits on a steel surface. Electropolishing, as a surface texturing method, was verified through model testing of an electropolished steel-bronze pair. Results showed a reduced coefficient of friction and faster running-in. Electropolishing was then applied to steel worms to investigate the effects of surface texturing in worm pairs. Obtained results indicated improved lubrication conditions as both worm pairs with electropolished worms showed higher overall efficiencies and higher initial bronze wear, demonstrating a faster running-in process. Surface texture with larger and shallower pits displayed better results in terms of efficiency and pitting. Overall results indicate that surface texturing improves lubrication conditions in worm pairs with possible promising applications in other machine elements characterized by highly loaded non-conformal contacts. |
| Sažetak (hrvatski) | Pužni parovi su strojni elementi koji se koriste u prijenosu snage i gibanja. Pužni par sastoji se od puža i pužnog kola. Puž je najčešće pogonski, dok je kolo gonjeni element pužnog para. Pužni parovi karakteristični su po visokom prijenosnom omjeru u jednom stupnju prijenosa te kompaktnoj izvedbi. Kao i ostali strojni elementi, podložni su mehanizmima oštećenja među kojima su najizraženiji klizno trošenje i rupičenje (eng. pitting). Rupičenje je posljedica umora površine uslijed velikog broja ciklusa izmjena opterećenja koji su popraćeni visokim kontaktnim pritiscima. Manifestira se u odvajanju i ispadanju čestica materijala s površine boka pužnog kola što dovodi do pojave rupica. Rupičenje je tip oštećenja koje je teško izbjeći čak i u pravilnom radu pužnog para. Pužno kolo može normalno raditi čak do 60% površine boka zuba oštećene rupičenjem. Općenito, mehanizam i razvoj rupičenja dobro je poznat te detaljno istražen u području zupčanika s ravnim zubima, no u području pužnih parova nedostaje saznanja o različitim materijalima, radnim uvjetima te utjecaju geometrije na sam nastanak i razvoj rupičenja. Kako je dosad u istraživanjima pokazano da je rupičenje izrazito neujednačeno te je teško uspostaviti određene zakonitosti, prvi cilj ovog istraživanja je pobliže povezati utjecaj grešaka izrade, odnosno dimenzijske točnosti pužnog para, s pojavom i razvojem rupičenja. Greške u izradi mogu nepovoljno utjecati na raspodjelu opterećenja i naprezanja te na sliku nošenja što u konačnici može utjecati na razmjer oštećenja bokova pužnog kola rupičenjem.
Drugi cilj ovog istraživanja temelji se na nepovoljnim uvjetima podmazivanja, a koji predstavljaju jedan od glavnih nedostataka pužnih parova. Nepovoljna geometrija pužnog para popraćena s pretežito kliznim gibanjem u zahvatu rezultira lošijim uvjetima podmazivanja. Nedostatno podmazivanje uzorkuje povećane gubitke u sustavu, ubrzano trošenje, a u ekstremnim slučajevima rezultira naglim zatajenjem pužnog para uslijed zaribavanja. Također, uvjeti podmazivanja jedan su od glavnih razloga manje iskoristivosti pužnih parova naspram ostalih tipova zupčanika. Rješenje u pogledu povećanja iskoristivosti i općenito boljeg podmazivanja dosad se pokušalo riješiti upotrebom novih materijala pužnih parova ili varijacijama u samoj geometriji. U ovom radu cilj je promjenom teksture površine poboljšati uvjete podmazivanja te time povećati iskoristivost pužnih parova. Umjetno stvorene teksture sastoje se od jamica koje mogu biti različitih oblika i dimenzija te raspoređene u specifičnim rasporedima. Uloge takvih tekstura prvenstveno se očituju u funkcijama kao što su: sekundarno podmazivanje, povećanje debljine uljnog filma, poboljšano odvođenje topline iz mjesta kontakta, zadržavanje čestica nastalih trošenjem i smanjenje trenja. Teksture na površinama kreiraju se procesima kao što su lasersko graviranje, jetkanje, sačmarenje ili mehaničko utiskivanje. Iako je primjena različitih površinskih tekstura čest predmet triboloških istraživanja, sama primjena i istraživanje tekstura na zupčanicima je vrla rijetka i ograničena. Razlog tomu su prvenstveno kompleksna geometrija i priroda dodira zupčanika u zahvatu popraćena visokim dodirnim pritiscima. Izuzev par istraživanja provedenih na čelnicima s ravnim zubima, primjena površinskih tekstura na pužnim parovima dosad je neistražena.
Kako bi se ispunila oba opisana cilja, istraživanje je započeto paralelno u oba smjera. Stvarna geometrija proizvedenih pužnih parova dobivena je pomoću trodimenzionalnog (3D) optičkog skeniranja. Dobiveni podaci sadrže informacije o potpunoj geometriji puža i pužnog kola iz kojih su se naknadnom programskom obradom odredila odstupanja stvarne geometrije od idealne, odnosno definirale devijacije izrađenih pužnih parova. Također, samo kućište pužnog prijenosnika je 3D optički skenirano kako bi se utvrdile eventualne greške odstupanja osi pužnog para. Paralelno je provedena evaluacija postojećih metoda za kreiranje površinskih tekstura. Odabir najprikladnije metode proveden je uzimajući u obzir geometriju pužnog para, jednostavnost i brzinu primjene, točnost proizvedene geometrije te u konačnici cijene samog postupka. Kao najprikladnija metoda odabrano je elektropoliranje pri povišenim gustoćama struje. Elektropoliranjem pri povišenim gustoćama struje dolazi do nastanka jamica i kanalića na površini obrađivanog uzorka stvarajući tako svojevrsnu površinsku teksturu. Za materijal primjene odabran je cementirani čelik, odnosno materijal puža. Kako u radu pužnog para dolazi do izrazitog trošenja brončanog kola zbog manje tvrdoće i lošijih mehaničkih svojstava (posebice u procesu uhodavanja), logično je bilo površinsku teksturu proizvesti na tvrđoj komponenti, odnosno čeličnom pužu. Iz istog razloga, tekstura proizvedena na čeličnom pužu trajat će znatno duže nego ista proizvedena na brončanom kolu. Verifikacija odabrane metode provedena je modelskim ispitivanjem na paru materijala čelik (16MnCr5)-bronca (CuSn12) koji je ujedno i najučestaliji par materijala pužnih parova. Rezultati ispitivanja ukazali su na smanjeni faktor trenja i ubrzano uhodavanje para elektropolirani čelik-bronca u usporedbi s konvencionalnim parom brušeni čelik-bronca. Kako je elektropoliranje polučilo pozitivne rezultate modelskog ispitivanja, odlučeno je da će se elektropoliranjem proizvesti površinska tekstura na pužu kako bi se utvrdio utjecaj promjene teksture površine na ponašanje pužnog para u radnim uvjetima.
Ispitivanje pužnih parova provedeno je u sklopu Laboratorija za elemente strojeva Fakulteta brodogradnje i strojarstva u Zagrebu. Ukupno je provedeno ispitivanje na šest pužnih parova (četiri pužna kola od materijala CuSn12, jedno pužno kolo od materijala AlSn6 i jedno pužno kolo od materijala CuAl10Fe5Ni5) od kojih su četiri obuhvaćena u analizu rupičenja (tri pužna kola od materijala CuSn12 i jedno pužno kolo od materijala AlSn6). Tijekom ispitivanja, vrijednosti opterećenja, brzine vrtnje te temperature ulja bile su konstantne te kontinuirano praćene. Dodatno, periodički se ispitivanje zaustavljalo kako bi se provelo fotografsko dokumentiranje bokova pužnog kola u svrhu određivanja površine boka zahvaćene rupičenjem. Za cijelo vrijeme ispitivanja posebna pozornost bila je usmjerena na praćenje iskoristivosti pužnog para.
Rezultati praćenja iskoristivosti korišteni su kao generalni pokazatelj poboljšanja uvjeta podmazivanja u pužnim parovima s elektropoliranim pužem. Svi pužni parovi obuhvaćeni ovim dijelom ispitivanja su bili od materijala čelik (16MnCr5)-bronca (CuSn12). Oba pužna para s elektropoliranim pužem imala su veću iskoristivost od konvencionalnog pužnog para. Spomenuto je posebice bilo vidljivo kod elektropoliranog puža s većim, ali plićim jamicama. Također, oba pužna para imala su veće trošenje brončanog kola, što je opet posebice bilo prisutno kod ranije spomenutog puža. Povećano trošenje može se pripisati periodu uhodavanja i kao takvo ne smatra se lošom pojavom. Dapače, pužni par s najvećim trošenjem imao je najvišu iskoristivost te najmanje rupičenje bokova. Povrh povećane iskoristivosti, jedan od pužnih parova s elektropoliranim pužem radio je s punom slikom nošenja koja se u pravilu izbjegava zbog onemogućenog ulaska ulja u područje zahvata što drastično povećava opasnost od pojave zaribavanja. Za potrebe usporedbe i potvrde teorije, provedeno je dodatno ispitivanje jednog konvencionalnog pužnog para s uspostavljenom punom slikom nošenja. Na navedenom pužnom paru došlo je do zaribavanja u dva navrata, prilikom čega je drugi put bio i katastrofalan te je rezultirao prijevremenim prekidom ispitivanja. Na temelju rezultata iskoristivosti i uspostave funkcionalne pune slike nošenja može se zaključiti da površinska tekstura proizvedena elektropoliranjem poboljšava uvjete podmazivanja pužnih parova.
Rupičenje je praćeno na ukupno četiri pužna para preko fotografija oštećenih bokova u relativno jednakim vremenskim intervalima. Zbog same geometrije istraživanih pužnih parova, svaki pojedini voj dvovojnog puža bio je konstantno u zahvatu s istim bokovima pužnog kola (parnim ili neparnim). Takva specifičnost pužnog para je donekle istaknula razlike u procesu rupičenja na pojedinim bokovima. Svaki od pužnih parova obrađen ja zasebno zbog specifičnosti koje su bile prisutne bilo u rasporedu grešaka, razlici ispitivanih materijala pužnog kola ili površinskoj teksturi puža (brušeni puž; elektropolirani puž). Rezultati rupičenja ukazuju na povezanost s greškama u izradi puža ili pužnog kola. Ukoliko postoji jasna razlika između dva voja puža, kao što je slučaj greške profila boka na jednom od puževa, tada će ta greška diktirati zakonitost pojave rupičenja na bokovima pužnog kola. Ako ne postoje razlike u vojevima puža, a postoji specifična raspodjela greške koraka pužnog kola, razvoj rupičenja bit će uvjetovan upravo specifičnom raspodjelom spomenute greške. Općenito je za očekivati da greška koraka igra veliku ulogu u nastanku rupičenja jer direktno utječe na raspodjelu opterećenja među zubima u zahvatu. Ukoliko ne postoji zakonitost ili specifičnost u raspodjeli neke od grešaka, već su greške stohastički distribuirane, razlike među zubima s najvećim i najmanjim udjelom rupičenja mogu se povezati s raspodjelom radijalne i aksijalne točnosti vrtnje. Općenito se u literaturi rupičenje predviđa pomoću broja ciklusa opterećenja te se razmatra u obliku prosječnog rupičenja svih bokova pužnog kola. U ovom istraživanju predstavljeni su linearni modeli koji opisuju rupičenje pojedinog boka pužnog kola pomoću broja ciklusa opterećenja i izmjerenih grešaka pužnog kola.
Koristeći 3D optičke skenove pužnih parova uspostavljen je numerički model pomoću metode konačnih elemenata. Model je korišten za analizu slike nošenja i raspodjele opterećenja i naprezanja na bokovima pužnog kola. Predloženi model verificiran je s aktualnom normom te validiran na temelju slika nošenja ostvarenih u eksperimentalnim istraživanjima. Rezultati dobiveni modelom ukazuju na velike razlike naspram teoretskih pretpostavki te upućuju na kontinuiranu promjenu slike nošenja uslijed trošenja bokova pužnog kola. Za razliku od modela koji u pravilu koriste idealnu geometriju promatranih komponenti, cilj ovog modela bilo je prikazati stanje pužnih parova temeljeno na stvarnoj geometriji te tako omogućiti realniju simulaciju uvjeta rada.
Posljednje poglavlje sažima provedeno istraživanje, sadrži zaključke i ograničenja istraživanja te prijedloge mogućih smjerova budućih istraživanja. Također, izneseni su znanstveni doprinosi ovog doktorskog rada. |
