Fiabilitatea angrenajelor

Angrenajul este mecanismul elementar format din două roţi dinţate, care - prin interme­diul dinţilor aflaţi continuu şi succesiv în contact (angrenare) - transmite mişcarea de rotaţie şi momentul de torsiune între arborii pe care sunt montate roţile dinţate.

Datorită avantajelor pe care le prezintă, angre­najele au o largă utilizare în sistemele mecanice.

Dintre aceste avantaje, pot fi enumerate:

• raportul de transmitere constant;
• randamentul ridicat;
• gabaritul redus;
• siguranța în exploatare;
• durabilitatea ridicată;
• posibilitatea utilizării într-un domeniu larg de puteri, viteze si rapoarte de transmitere.

Dintre dezavantajele angrenajelor, pot fi menţionate:

• necesitatea unei precizii mari în execuție si montaj;
• tehnologie de fabricaţie pretenţioasă;
• existenţa vibraţiilor si zgomotului în funcţionare.

1. Formele şi cauzele deteriorării angrenajelor

În scopul proiectării corecte a angrenajelor, este necesar să se cunoască formele de deteriorare a acestora si, în special a danturilor, cauzele apari­ţiei acestora si măsurile ce trebuie luate în vederea              

Angrenajele sunt organe de masini cu solicitări complexe si urmare a acestui fapt, si formele de deteriorare ale acestora sunt multiple. Standardele internaţionale, cum ar fi, spre exemplu ISO 10825,ANSI/AGMA 1010-F14, dar si literatura tehnică în domeniu, fac o clasificare detaliată a principalelor forme de deteriorare a angrenajelor. Conform aces­tor surse bibliografice, există două forme principalede scoatere din uz a angrenajelor:        

• ruperea dintelui;         
• deteriorarea suprafeţei active a flancurilor dinţilor.

Tabelul de mai jos face o clasificare a prin­cipalelor forme de scoatere din uz (deteriorare) a angrenajelor.

TABELUL 1. Forme de scoatere din uz (deteriorare) a angrenajelor

Ruperea statică a dinţilor poate fi o rupere fragilă sau o rupere prin deformare plastică, fenomenulmanifestându-se la danturile cu duritate mică. Deteriorarea se produce datorită unor suprasarcini sau socuri mari, introduse de o blocare a masinii conduse. În general, ruperea statică a dinţilor nu este din cauza unei proiectări defectuoase, ci a condiţiilor de exploatare.

Ruperea dinţilor prin oboseală este principala cauză de deteriorare a angrenajelor din oţel cu flan­curi durificate superficial (HRC > 45).

În funcţionare, are loc o solicitare variabilă de încovoiere a dintelui după un ciclu pulsator. Când rezistenţa la oboseală de încovoiere a materialului este depăşită, la baza dinţilor, în zona de racordare (concentrarea tensiunilor), apar fisuri de oboseală pe flancul solicitat, care se dezvoltă treptat si, în final, conduc la ruperea prin oboseală a dintelui (foto 1).

• FOTO 1. Rupere prin oboseala a dinților

Oboseala de contact (pitting) este principala cauză a scoaterii din funcţionare a angrenajelor pre­lucrate foarte îngrijit, în special a celor din materiale cu durităţi mici si mijlocii (HB < 350), în condiţii de lubrifiere abundentă cu ulei.

Obosela de contact se manifestă prin desprinderi de material, pe flancurile active ale dinţilor formându-se ciupituri (foto 2).

• FOTO 2. Roata dințată cu pitting

Datorită presiunii pe flancul dintelui si a forţei de frecare de alunecare dintre flancuri, în stratul super­ficial pot apărea microfisuri care înaintează în mate­rial. În condiţii de lubrifiere abundentă, uleiul care aderă la suprafaţa flancurilor dinţilor va fi presat în fisurile de pe suprafaţa piciorului dintelui. Uleiul pre­sat acţionează ca o pană, ceea ce determină rupturi de material si deci formarea ciupiturilor (gropiţelor). Ciupiturile apar cu preponderenţă la pinion, care, în acelasi interval de timp, suferă un număr mai mare de cicluri de solicitare.

Griparea (uzura de aderenţă/ prindere) este mecanismul de deteriorare rapidă, prin uzură inten­sivă de aderenţă, a flancurilor active ale dinţilor (foto 3).

• FOTO 3. Dantură cu defect de gripare

Fenomenul apare la:

• angrenaje intens solicitate si cu viteze de alunecare mari între flancuri;
• angrenaje cu tratamente termice incorecte;
• angrenaje cu lubrifiere incorectă sau insuficientă.

Presiuni ridicate de contact si alunecări mari duc la creşterea locală a temperaturii (gripare termică) si distrugerea peliculei de lubrifiant, fapte care fa­vorizează apariţia unor microsuduri locale. Datorită mişcării relative a flancurilor, microsudurile astfel formate se smulg. La un nou contact se formează din nou microsuduri, brăzdând flancul dintelui cu duritate mai mică, pe direcţia alunecărilor relative.

Griparea are o evoluţie extrem de rapidă, declanşându-se, mai ales, în zonele de intrare sau ieşire din angrenare (unde întreruperile peliculei de lubrifiant sunt frecvente).

Diminuarea pericolului de gripare se poate face prin următoarele măsuri corective:

• egalizarea alunecărilor relative (prin alegerea unor deplasări de profil corespunzătoare);
• reducerea rugozităţii flancurilor dinţilor;
• creşterea preciziei de execuţie a danturilor;
• lubrifierea corectă a angrenejelor greu încărcate, prin utilizarea unor lubrifianţi aditivati EP (de extremă presiune).

Uzura abrazivă (foto 4) apare în următoarele condiţii:

• datorită prezenţei unor particule abrazive între flancurile dinţilor aflaţi în contact;
• datorită asperităţilor mai dure ale unuia din flancuri, care uzează flancul conjugat.
• se manifestă la angrenaje care lucrează la viteze mici, cu duritate mică a flancurilor (HB < 350).

• FOTO 4. Dantura cu uzura abraziva

Curgerea plastică a dinţilor apare la danturile cu solicitări de contact ridicate, în prezenţa frecării de alunecare şi rostogolire. Fenomenul se manifestă, atât la roţile dinţate executate din materiale cu rezis­tenţă mecanică scăzută (curgere plastică la rece - foto 5a), cât şi la cele durificate superficial, în condi­ţiile unei lubrifieri improprii (curgere plastică dato­rită supraîncălzirii - foto 5b).

• FOTO 5. Danturi cu curgere plasica (a - la rece, b – datorita supraîncalzirii)

2. Ungerea angrenajelor

În zona de interacţiune a dinţilor, există o mişcare relativă însoţită de frecări, care pot duce, pe de-o parte, la diverse forme de uzură, iar, pe de altă parte, la producerea de căldură. Pentru atenuarea acestor fenomene, se introduce un mediu lubrifiant între suprafeţele de frecare, care are ca scop evitarea contactului direct al flancurilor, ce ar duce la griparea acestora, cât şi pentru mărirea randamentului şi răcirea angrenajului.

Pentru ungerea angrenajelor, cel mai des utili­zate sunt unsorile şi uleiurile minerale. Lubrifiantul trebuie ales în aşa fel încât să nu degradeze roţile dinţate, etanşeităţile sau lagărele şi să prezinte o mare stabilitate în funcţionare. Trebuie avut în vedere şi faptul că portanţa peliculei de lubrifiant creşte cu vâscozitatea, motiv pentru care la angre­najele puternic solicitate la contact sunt recomandate uleiuri cu o vâscozitate mai mare, iar la angrenajele puţin încărcate sunt indicate uleiuri cu vâscozitate mai mică. În cazul în care angrenajul funcţionează în şocuri, menţinerea peliculei de lubrifiant este dificilă, motiv pentru care se va folosi un ulei cu o vâscozitate mai mare.

2.1  Alegerea sistemului de ungere

Ungerea angrenajelor se poate face, în principal, cu:

• unsoare (se poate realiza manual şi în carcasă):
• sistemele de ungere cu ulei, care pot fi:

- ungere prin barbotare;

- ungere sub presiune;

- ungere prin pulverizare.

Sistemul de ungere se alege în funcţie de viteza periferică a roţilor dinţate, în tabelul 2 fiind stabilite valori limită ale vitezelor periferice.

• TABELUL 2. Alegerea sistemului de ungere în funcție de viteza periferica a roților dințate

 2.1.1Ungerea prin barbotare

Barbotarea este aplicată în cazurile în care căldura rezultată în urma angrenării se poate disi­pa în mod corespunzător, prin radiaţie, iar viteza maximă periferică a roţilor dinţate este de 12 -15 m/s.

• FIGURA 6. Ungerea prin barbotare a angrenajelor

În acelaşi timp, asigurarea distribuţiei eficiente a uleiului depinde de dimensiunea angrenajului şi existenţa unei viteze periferice minime (figura 6).

Sunt valabile următoarele date orientative în privinţa adâncimii de imersare a roţii în ulei:

• nu trebuie să depăşească de 6 ori modulul;
• adâncimea minimă este de aproximativ un modul.

Sunt admise şi adâncimi de scufundare mai mari, în acest caz roata fiind protejată cu o apărătoare „antispumare”, pentru a nu produce supraîncălzirea uleiului, datorită barbotării intense (figura 7)

• FIGURA 7.Apărătoare „antispumare”

În cazul transmisiilor cu mai multe trepte, există posibilitatea asigurării unei ungeri doar parţiale a treptelor de transmitere, prin imersarea roţilor în ulei. În situaţii de acest fel, se recurge la una din următoarele soluţii construc­tive:

• utilizarea unor roţi dinţate parazite (executate de obicei din material plas­tic şi care se rotesc liber pe ax);
• compartimentarea băii de ulei (figura 8);
• distribuirea raportului total de transmitere astfel încât toate roţile dinţate conduse să ajungă în baia comună de ulei (cazul reductoarelor cu 2 sau 3 trepte).

• FIGURA 8.Compartimentarea băii de ulei

La transmisiile cu mai multe camere de nivel, este obligatoriu ca fiecare baie de ulei să fie prevăzută cu un sistem independent de golire a uleiului.

Verificarea nivelului de ulei din baie se poate realiza printr-un vizor sau o jojă situate în camera cu nivelul cel mai scăzut de ulei, această cameră umplându-se prin deversarea uleiului din camerele situate la nivele mai ridicate.

• FIGURA 9.Carcasă cu jgheab de colectare a uleiului

Cea mai sigură şi utilizată soluţie, în cazul reduc- toarelor cu camere de ulei având nivele diferite, este aceea de a amplasa vizoare sau joje de ulei pentru fiecare cameră în parte. Umplerea cu ulei a reductorului se va realiza prin camera de ulei cu nivelul cel mai ridicat. Pentru a fi asigurată o ungere corespunzătoare, în anumite situaţii limită sunt mon­tate discuri cu palete, care aruncă uleiul asupra zonei de angrenare şi pe pereţii superiori ai carcasei de unde să fie apoi colectat şi dirijat prin jgheaburi spre locurile ce necesită ungerea angrenajelor şi a lagărelor (figura 9).

2.1.2 Ungerea sub presiune

Ungerea sub presiune se aplică atunci când ungerea prin barbotare nu dă randament, atât din punctul de vedere al ungerii, cât şi al răcirii transmi­siei. Cu ajutorul unei instalaţii de ungere, uleiul este antrenat prin intermediul unei pompe şi direcţionat prin conducte în zona de contact a roţilor dinţate, la presiuni cuprinse între 0,8 şi 3 bar.

Volumul de ulei se stabileşte având în vedere necesitatea limitării temperaturii maxime a uleiului. Pentru a îndeplini această condiţie se admite recircularea întregului volum de ulei de 5-10 ori pe oră.

• FIGURA 10.Ungerea sub presiune a angrenajelor

Dacă forma constructivă a transmisiei nu per­mite utilizarea unei astfel de cantităţi de ulei, aceasta poate fi scăzută în mod excepţional până la 0,5-2,5 din debitul necesar circuitului, având în vedere că degradarea uleiului se va produce mai repede.

În general, utilizarea unei cantităţi mai mari de ulei în circuit conduce la mărirea capacităţii de transfer termic, a duratei de viaţă a uleiului şi a nive­lului de puritate a lubrifiantului deoarece particulele aflate în suspensie se pot decanta.

Pentru transmisii obişnuite, temperatura maximă a uleiului din baie poate fi admisă de 70-75°C. În cazul acesta, temperatura mediului ambiant este foarte importantă în aşa fel încât să se poată asigura o diferenţă de tempera­tură între mediu şi carcasa reductorului de circa 45°C.

Dacă circulaţia aerului din jurul carcasei nu este împiedicată, se poate aproxima o degajare de căldură de cca 1kW pe metru pătrat de suprafaţă liberă radiantă. În cazul în care se consideră că suprafaţa carcasei reductorului este prea mică, acesteia i se pot adăuga nervuri suplimentare (aripioare) pen­tru a mări această suprafaţă. De reţinut este faptul că, pentru un bun transfer termic, suprafaţa carcasei trebuie să fie curăţată de reziduurile materiale şi depunerile masive de praf.

2.1.3 Ungerea prin pulverizare (cu ceaţă de ulei)

Această metodă de ungere constă în pulverizarea foarte fină a uleiului cu ajutorul aerului comprimat. Amestecul conţine particule fine de ulei sub 3 microni, în raport de 200.000 părţi aer şi o parte ulei, este neexploziv şi nu face parte din compuşii organici volatili.

Ceaţa de ulei este un procedeu economic ce asigură o ungere superioară, nu conţine impurităţi,menţine calitatea uleiului pe o perioadă îndelungată, protejând lubrifiantul împotriva contaminării.

3. Calculul intensităţii de defectare a angrenajelor

În cazul transmisiilor cu roţi dinţate, intensitatea (rata) de defectare se poate calcula cu relaţia: 

Factorul de turatie se calculează cu relaţia:

, unde:

n [rot/min] - turaţia de lucru a roţii dinţate;

no [rot/min]- turaţia pentru care s-a proiectat roata dinţată.

Factorul de încărcare se calculează cu relaţia:

,unde:

F [N] - forţa tangenţială transmisă de roata dinţată;

Fo [N] - forţa tangenţială pentru care s-a proiectat roata dinţată.

• TABELUL 3. Factorul de servici Ka

unde α [rad] este unghiul de dezaliniere al arbo­relui care susţine roata dinţată.

Factorul de ungere se calculează cu relaţia:

,     unde: 

v [mm²/s]- vâscozitatea dinamică a uleiului utili­zat pentru ungerea roţii dinţate;

v₀ [mm²/s] -  vâscozitatea dinamică a uleiului de ungere pentru care s-a proiectat roata dinţată.

Factorul de temperatură se calculează cu relaţi­ile:  

 unde T[°C] este temperatura de funcționare a roii dințate.

Bibliografie

1. ANSI/AGMA 1010-F14, Appearance of Gear Teeth - Terminology of Wear and Failure.

2. ISO 10825: 2010, Gears. Wear and damage to gear teeth. Terminology.

3. Korka Z.,Fiabilitate şi diagnoză, Notiţe de curs, 2016.

Zoltan Korka este dr. ing., Lector Universitatea ,,Eftimie Murgu" din Reșița