Mase plastice pentru roți dințate

I. PROIECAREA ORGANELOR DE MAŞINI DIN

MASE PLASTICE

Angrenajele din mase plastice s-au poziţionat ca alternative serioase pentru cele metalice într-o varietate mare de aplicaţii. Utilizarea lor a fost extinsă de la puuteri mici, transmisii de precizie la transmisii cu putere mai mare. Ca să împingă limitele acceptabile de aplicabilitate a angrenajelor din plastic, proictanţii au trebuit să afle mai multe despre comportarea maselor plastice şi cum să profite de caracteristicile lor unice.

Angrenajele din plastic asigură un numar de avantaje faţă de cele metalice. Sunt mai uşoare, au inerţie mai mică şi funcţionează mai silenţios. Deseori nu necesită lubrefiere şi pot conţine lubrefianţi solizi ca PTFE sau silicon. Deseori sunt mai iaftine şi li se pot adăuga alte trăsături necesare în ansamblu şi sunt rezistente în multe medii corozive.

Primele aplicaţii ale termoplasticelor ca angrenaje au fost angrenaje din nylon şi acetal pentru sarcini şi viteze mici. Cum avantajele termoplasticelor au devenit evidente, au devenit disponibile materiale cu performanţe mai bune, proiectanţii utilizînd masele plastice în aplicaţii mai severe. Utilizarea ranforsarii şi lubrefianţilor solizi în aceste materiale le-au extins gama de aplicaţii.

Utilizarea materialelor termoplastice este limitată (incomodată) de lipsa sarcinii limită şi a datelor despre uzură. Datele pentru materiale metalice au fost adunate şi confirmate pentru numeroase aplicaţii şi sunt înţelese de proiectanţi. Intrarea termoplasticelor ca materiale pentru roţi dinţate nu a dat suficient timp pentru acumularea datelor iar interpolarea este riscantă, fară o informaţie bazată.

Există cîteva recomandări pentru estimarea fezabilităţii în producerea angrenajelor din masă plastică. Majoritatea metodelor de calcul derivă din cele pentru materiale metalice şi nu iau în considerare comportarea particulară a termoplasticelor.

I.1. Proiectarea angrenajelor din plastic pe baza analizei tensiunilor

Realizarea şi testarea prototipului este costisitoare şi se recomandă o metodă de calcul care să concentreze soluţiile.

1.1. Tensiunea de încovoiere pe dinte

Tensiunea de încovoiere pe dintele standard, încărcat la vârf poate fi calculată cu ecuaţia lui Lewis.

(I.1)

Sb – tensiunea de încovoiere

F – forţa tangenţială pe cercul de rostogolire

Pd – pasul pe cercul de rostogolire

f – lăţimea danturii

y – factorul Lewis pentru angrenaje din plastic, la încărcarea pe vîrf

Testele au arătat că încărcarea cea mai severă apare la încărcarea tangenţială pe cercul de rostogolire şi cînd numărul de perechi de dinţi în angrenare este aproape 1. O altă abordare, dacă se cunoaşte puterea care trebuie transmisă, este

(I.2)

HP – puterea (în cai putere)

D – diametrul de rostogolire

w – turaţia rot/min

O altă variantă a ecuaţiei lui Lewis include viteza pe cercul de rostogolire şi un factor de serviciu.

(I.3)

y – factorul de formă la vârful dintelui

V – viteza pe cercul de rostogolire (fpm)

CS – factor de servicviu

Factori tipici de serviciu care descriu calitatea momentului de tensiune la intrare şi de durata de lucru a angrenajului sunt.

Tabelul I.1

Tipul sarcinii 24 h/zi 8.10 h/zi Intermitent 3 h/zi Ocazional 0,5 h/zi

Stabil 1,25 1,00 0,80 0,50

Uşoare şocuri 1,50 1,25 1,00 0,80

Medii 1,75 1,50 1,25 1,00

Severe 2,00 1,75 1,50 1,25

Pentru oricare din eciaţii se poate introduce tensiunea admisibilă Sab şi se poate obţine geometria roţilor. Acesată tensiune se determină din teste pe material, pe o roată cu forma standard a dinţilor. O tensiune admisibilă are deja încorporat un factor (coieficient) de siguranţă. Pentru orice material tensiunea admisibilă este dependentă de mulţi factori incluzînd: - numărul de cicluri de solicitare – N,

- mediul de lucru,

- viteza pe cercul de rostogolire,

- roata pereche,

- lubrefierea.

1.2. Factorul (coieficientul) de siguranţă

Cum tensiunea admisibilă este egală cu valoarea rezistenţei (la solicitarea respectivă) divizată printr-un coieficient de siguranţă (Sab=S/n), la roţi dinţate trebuie facută o discuţie. Siguranţa se referă la capacitatea elementului de maşină să-şi îndeplinească funcţia pentru durata de viaţă fără să cadă. Trebuie definite funcţia, durata de viaţă şi căderea elementului pentru o aplicaţie înainte ca să fie selectat factorul de siguranţă.

Coieficienţii de siguranţă pot fi definiţi în multe feluri, totuşi ei sunt legaţi de ceea ce este permis sau admisibil faţă de procesul de distrugere. Un coieficient de siguranţă poate fi aplicat în teri moduri de bază. Întregul coieficient se aplică proprietăţii materialului cum ar fi rezistenţa sau se aplică sarcinii, sau se pot folosi coieficienţi separaţi pentru sarcină şi proprietatea de material.

Ultimul caz este cel mai folosit pentru că fiecare sarcină poate fi investigată şi apoi să se aplice coeficentul de siguranţă pentru a determina sarcina maximă admisă. Fiecare sarcină maximă este apoi fofosită pentru a analiza tensiunea astfel încât să nu se depaşească valoarea admisă. Limita admisibilă se determină prin aplicarea unui coieficient de siguranţă la rezistenţa specifică a materialului.

Coeficentul de siguranţă a sarcinii poate fi determinat într-o manieră trdiţională. Dar coeficentul de siguranţă pentru materialele plastice este dificil de determinat, deoarece rezistenţa unui plastic nu este constantă, ci o distribuţie statistică sub anumite condiţii de solicitare. În consecinţă inginerii trebuie să înţeleagă condiţiile de ieşire din uz, de exemplu, temperatura, viteza de modificare a tensiunilor şi durata de încărcare. Cunoştinţe despre prelucrare sunt necesare pentru a înţelege limitele de sudare (gripare), efectele anizotropice, tensiunile reziduale şi variantele de procesare. Cunoştinţele despre material sunt cele mai importante deoarece cu cât sunt mai bine înţelese comportările în condiţiile ieşirii din uz cu atât va fi mai bine stabilit coeficentul de siguranţă (într-un interval mai mic) rezultînd o geometrie optimă. Se recomandă un coieficient de siguranţă de minim 2 chiar şi cînd aplicaţia a fost atent analizată.

Dacă nu sunt accesibile date prestabilite ale tensiunilor şi de obicei aşa se întîmplă pentru plastice, atunci proiectantul trebuie să fie foarte atent şi să ia în considerare factorii discutaţi mai sus. Chiar dacă există sau nu experianţă, este esenţială prelucrarea unui prototip şi testarea angrenajului în condiţii similare celor de lucru. Două materiale care au tensiuni (limită) prestabilite sunt nylonul 6/6 şi acetalul. Ele au fost larg utilizate pentru roţi dinţate şi majoritatea furnizorilor au avut timp să genereze aceste valori.