بخشی از مقاله
چکیده
امروزه کاهش وزن در چرخدنده ها و سیستم های انتقال قدرت از دغدغه های اصلی تولیدکنندگان و طراحان چرخدنده است که برای رسیدن به این هدف استفاده از روش های سبک سازی و مواد با وزن کم مانند انواع کامپوزیت ها را در برنامه خود قرار دادند. کامپوزیت های زمینه فلزی در سالهای اخیر به علت وزن کم، استحکام و سفتی زیاد، مدول ویژه بالا و مقاومت سایشی بسیار عالی توسعه بسیار زیادی یافته اند .
در حال حاضر این کامپوزیت ها در صنایع هوافضا، صنایع نظامی و خودروسازی و برای ساخت قطعات جنگنده ها و ماهواره ها، قطعات اتومبیل و غیره به کار می روند.در این تحقیق با توجه به اهمیت پارامتر ضریب شدت تنش در مکانیک شکست ، مدل سازی یک چرخدنده ساده ترک دارکامپوزیت زمینه فلزی در نرم افزار المان محدود آباکوس با روش انتگرال J انجام شد ومقادیر ضریب شدت تنش به دست آمده با نوع فولادی مقایسه شد .
-1 مقدمه :
امروزه کاهش وزن سیستمهای انتقال قدرت یکی از دغدغه های اصلی تولید کنندگان است و برای دستیابی به این هدف استفاده از مواد سبکتر و چرخدنده با پهنا1 نازکتر در اولویت است که در پهنای خیلی نازک هم ممکن است به مشکلات خستگی خمشی دچار شویم . خستگی خمشی یک نوع گسیختگی است که در آن به دلیل بارهای متناوب وتکراری در دندانه ها ترک ایجاد می شود. بسته به نوع بار و هندسه چرخدنده یا شدت خرابی ، یک ترک ممکن است در راستای دندانه یا پهنا گسترش پیدا کند. ازخستگی خمشی دندانه های چرخدنده می توان با طراحی مناسب جلوگیری کرد.
مسائلی مانند ضخامت ناکافی پهنا، مواد اولیه بی کیفیت ساخت ، شرایط بارگذاری شدید ، ناهم محوری، کارنزدیک فرکانس رزونانس، خوردگی و پوسته پوسته شدن می توانند باعث شروع ترک شود.[2] یکی از مواد صنعتی پرکاربرد جهت ساخت چرخدنده های سبک مواد مرکب یا همان کامپوزیت ها می باشند. تنوع زیاد این مواد و امکان ساخت مواد مهندسی با خصوصیات مکانیکی متفاوت و همچنین دارا بودن نسبت استحکام به وزن بالا باعث شده است تا این مواد رفته رفته جای مواد فلزی را در صنایع مختلف بگیرند.
[3] مطابق با تعریف، کامپوزیتها موادی هستند که از دو یا چند جز که از نظر فیزیکی یا شیمیایی قابل تمایز ازیکدیگر باشند، تشکیل شده اند . بنابراین خواص نهایی ماده کامپوزیتی و رفتار فیزیکی و مکانیکی آن تحت تاثیر سه عامل عمده است که عبارتند از : زمینه، تقویت کننده و فصل مشترک اتصال بین زمینه و تقویت کننده. در نتیجه ممکن است تحت شرایط بارگذاری یکسان، ماده کامپوزیتی نسبت به ماده غیر کامپوزیتی رفتار متفاوتی نشان بدهد که این تفاوت به علت وجود ذرات تقویت کننده، فصل مشترک اتصال و خصوصیات ذاتی آنها می باشد.
[4] کامپوزیت ها عموما در سه نوع پایه پلیمری ،پایه فلزی و پایه سرامیکی در صنعت شناخنه شده هستند که از این میان کامپوزیت های زمینه فلزی و نوع آلومنیومی در سال های اخیر به علت وزن کم، استحکام و سفتی زیاد، مدول ویژه بالا و مقاومت سایشی بسیار عالی توسعه بسیار زیادی یافته اند .در حال حاضر این کامپوزیت ها در صنایع هوافضا، صنایع نظامی و خودروسازی و برای ساخت قطعات جنگنده ها و ماهواره ها، قطعات اتومبیل و غیره به کار می روند.
[2] از این بین، کامپوزیت های زمینه فلزی تقویت شده با ذرات جهت بهبود استحکام، مقاومت سایشی، بازده ساختاری و کنترل خواص فیزیکی مانند چگالی و ضریب انبساط حرارتی از شرایط بهتری برخوردارند.6]،[5کامپوزیت های زمینه فلزی تقویت شده با ذرات نه فقط به دلیل خواص مکانیکی ذکر شده بلکه به دلیل در دسترس بودن و هزینه کم این تقویت کننده ها مورد توجه قرار می گیرند .علاوه بر این، از مشکلات مربوط به تقویت کننده های پیوسته در کامپوزیت های زمینه فلزی مانند آسیب فیبر، غیریکنواختی ریزساختاری، تماس فیبر با فیبر و واکنشهای گسترده سطحی جلوگیری می شود.
[7] در کامپوزیت های زمینه فلزی گستره وسیعی از فلزات و آلیاژ ها مانند آلیاژهای آلومنیوم ، آلیاژهای مس ، چدن ، فولاد ، آلیاژهای منیزیم ، سوپر آلیازهای پایه نیکل ، آلیازهای تیتانیوم ، آلیاژهای روی و.... کاربرد دارند. استحکام ، سختی و سایر خواص مکانیکی آلومنیوم نسبت به فلزاتی چون آهن ، نیکل و تیتانیوم ضعیفت تر می باشد لذا از آلومنیوم صرفا به صورت آلیاژی یا زمینه کامپوزیت و یا ترکیبی از این دو استفاده می شود تا از خواص مکانیکی بهتری برخوردار باشد. بر همین اساس کامپوزیت های زمینه فلزی MMCs و بخصوص کامپوزیتهای زمینه آلومنیوم AMC طی دو دهه گذشته بسیار مورد توجه قرار گرفته است.9]،[8 مسائلی که در آن گسیختگی از پهنا چرخدنده شروع می شود توسط آلبرشت بررسی شده اند.
گسیختگی هایی که به دلیل ضخامت ناکافی پهنا اتفاق افتاده است به دلیل خستگی ، شروع ترک در ریشه دندانه ورشد آن در سراسر پهنا است. یک ترک تنها از دندانه شروع و رشد پیدا می کند نه پهنا و می توان با شناسایی آن از وقوع خسارت شدید جلوگیری کرد. متدها و روش های معمول طراحی چرخدنده و آنالیز آن در استانداردهای انجمن چرخدنده سازان آمریکا2 ،ایزو 3، دین 4و.....بیان شده است وهمچنین روش هایی برای تخمین ظرفیت بار روی دندانه نیز گفته شده است.
[2] اگر چه این استانداردها چیزی در مورد محل شروع ترک یا عمر باقیمانده چرخدنده ذکر نمی کند، اما مکانیک شکست5 روی ساختارهای ترک دار، پیش بینی مقاومت و عمر ساختار ترک داراعمال شده است و این کار اول بار توسط احمد و لو روی دندانه های چرخدنده و تخمین جهت رشد ترک انجام شد.[10] هوندا و کانوی همچنین از مکانیک شکست برای شبیه سازی رشد ترک در دندانه ، محاسبه بار آستانه6 ، تخمین ضریب شدت تنش و محاسبه عمر دندانه استفاده کردند[11] فلاسکر و جزرنیک هم مکانیک شکست را روی دندانه چرخدنده برای تخمین ضریب شدت تنش 7در چرخدنده ها استفاده کردند.[12]
ترکهای تولید شده در تقویت کننده های SiC و AL2O3 در زمینه های فلزی به صورت گسترده مطالعه شده اند.اکثر این مطالعات در کامپوزیت های فلزی با آلیاژهای Al صورت گرفته است .چهار منبع اصلی برای تولیدترک ها شناخته شده است که عبارتند از:
-1 شکست ذرات تقویت کننده : ذرات تقویت کننده معمولا بسیار ترد هستند .آنها در مراحل اولیه خستگی می شکنند که معمولا اولین سیکل بارگذاری است و به سرعت تولید میکروترک هایی در زمینه احاطه کننده می کنند . این به علت تمرکز کرنش بالا در اطراف میکروترک های تولید شده در ذرات تقویت کننده با زمینه است .این مکانیزم مکانیزمی است که معمولا در کامپوزیتهای تقویت شده با ذرات یا فایبرهای AL2O3 دیده می شود.
