بخشی از مقاله
چکیده:
چرخدنده ساده یکی از ساده ترینانواع چرخدنده ها است که در دسترس است و عموماً برای انتقال قدرت بین محور های موازی استفاده می شوند . چرخدنده ساده همیشه اولین گزینه برای انتخاب است مگر در مواردی که سرعت های بالا ، بار گذاری های زیاد و یا تغییر راستای دوران مورد نیاز باشد آن وقت از انواع دیگر استفاده می شود . [10] به منظور کاهش وزن و بالا بردن استحکام دندانه ها درمقابل تنش خمشی ، از مواد کامپوزیتی استفاده می شود. این موضوع از این جهت حائز اهمیت است که از چرخدنده ها در بسیاری از ماشین آلات دوار صنعتی قابل استفاده هستند . طراحی چرخدنده ساده توسط یک نرم افزار طراحی به منظور تجزیه و تحلیل تنش خمشی در ریشه دندانه در دندانه ای ازجنس فولاد و دندانه ای کامپوزیتی از جنس کربن اپوکسی صورت گرفته و نهاتاًی تأثیر زوایای الیاف بررسی شده است .
-1 مقدمه و هدف
چرخدنده یکی از عمده وسایل انتقال قدرت و هم چنینن یکی از اجزاء دوار صنعتی است . در کاربرد های انتقال قدرت در اتومبیل یا هوافضا نیاز به وزن کم است دو مد شکست برای چرخدنده ها وجود دارد ، یکی شکست دندانه ها ناشی از تنش خمشی بیش از حد و دیگری کچلی سطحی یا سایش سطحی ناشی از تنش تماسی بیش از حد معمول این است که در چرخدنده های ساده بررسی هایی صورت می گیرد به منظور کاهش شکست یا افزایش سطح توان انتقال ، از طریق توسعه مواد کامپوزیتی جدید یا با اصلاح شکل هندسی دندانه چرخدنده.
هدف از این مقاله کاهش توزیع تنش خمشی در چرخدنده با استفاده از طراحی دندانه کامپوزیتی ساده در مقایسه با دندانه فولادی موجود می باشد. نرم افزاری که برای آنالیز استفاده شده آباکوس است . بارگذاری صورت گرفته استاتیکی از نوع توزیع فشار روی صورت دندانه است . نتایج نهایی برای مواد فولادی و کامپوزیتی با هم مقایسه شده. از این مقایسه ها کاهش توزیع تنش خمشی در ماده کامپوزیتی در ریشه دندانه دیده شد و همچنین در جهت گیری های مختلف برای الیاف تأثیر زاویه مشاهده شد و نهاتاًی زاویه بهینه حاصل گشت .
-2 تئوری و پیشینه تحقیق
ماهندران و همکارانشٌ، [1]، طراحی و آنالیز چرخدنده ساده کامپوزیتی را عملی کردند و مطالعاتی روی کاهش وزن و توزیع تنش برای فولاد ریخته گری شده و مواد کامپوزیت انجام دادند.آن ها اثرات ضربه و گشتاور را برای فولاد ریخته گری شده و مواد کامپوزیتی مورد بررسی قرار دادند. پرفسور دهاول وهمکارانشٍ [17]، مدل سازی وتجزیه وتحلیل تنش مواد کامپوزیتی برای چرخدنده ساده تحت شرایط بار گذاری استاتیکی را انجام دادند . هدف این پروژه این بودکه عملکرد چرخدنده را با استفاده از مواد جایگزین بهبود دهند.
مواد کامپوزیتی با استحکام کافی و کاهش وزن ، به عنوان یک جایگزین بهتر برای چرخدنده های فلزی شناخته شدند . دراین کار یک چرخدنده کامپوزیتی با 30% الیاف شیشه پرشده با پلی اتر اتر کتونَ جایگزین چرخدنده فلزی از آلیاژ فولاد شد . پراساد ُو همکارانش[18] ، طراحی وتجزیه و تحلیل چرخدنده ساده را عملی کردند و با جایگزینی چرخدنده های پلیمری بجای چرخدنده های فلزی در دستگاه آب نیشکر گیری ، کاهش وزن و سرو صدا را مشاهده کردند . بر اساس تجزیه وتحلیل استاتیکی چرخدنده نایلونی برای استفاده در دستگاه آب نیشکر گیری تحت شرایط بارگذاری محدود در مقایسه با چرخدنده ی چدنی مناسب تر بود.
وُهارا ِو همکارانش[19] ، تجزیه و تحلیل تنش در گیربکس کله گی ماشین تراش را توسط آنالیز المان محدود انجام دادند . حل تحلیلی تنش خمشی در مواد فلزی نظیر چدن و مواد غیر فلزی نظیر نایلون را با دو فرمول لوئیس و اگما محاسبه کردند. نتایج تحلیلی با نتایج روش المان محدود برای اعتبار سنجی مقایسه شد . از این مطالعه نتیجه گرفتند که نرم افزار المان محدود انسیس مقدار توزیع تنشی مطابق نتایج تئوری را می دهد . علاوه بر این مواد غیر فلزی می تواند به جای مواد فلزی استفاده شود زیرا مواد غیر فلزی مزایای زیادی چون هزینه کمتر ، خود روانکاری ، سروصدا و ارتعاشات کم و ساخت آسان را دربر دارد.
-3 مواد و روشها
-1-3کامپوزیت
مواد کامپوزیتی می توانند به عنوان ترکیبی از دو یا چند ماده باشند که منجر به بهتر شدن خواص آن در مقایسه با هر جزء تشکیل دهنده به تنهایی شود؛ این در حالی است که در آلیاژ های فلزی ، هر یک ازمواد، خواص مکانیکی ، فیزیکی و شیمایی خود را به تنهایی حفظ می کند .دو جزء تشکیل دهنده ی کامپوزیت ها یکی تقویت کننده و دیگری زمینه می باشد . مواد کامپوزیتی مزایایی را مثل استحکام و سفتی بالا ، ترکیبی با چگالی کم و جرم کاهش یافته در مقایسه با فلز هم حجم با خود ،دارا است .
فاز تقویت کننده استحکام و سفتی را فراهم می کند . در اغلب موارد ، تقویت کننده سخت تر ،قوی تر و سفت تر از زمینهاست . معمولاً تقویت کننده یک فیبر - الیاف پیوسته - یا به صورت ذرات - الیاف ناپیوسته - است. دیده شده است که مواد کامپوزیتی تشکیل شده از ذرات ، بسیار کم دوام تر و سست تر از کامپوزیت های با الیاف پیوستههستند ، اما آن ها معمولاً هزینه پایینی دارند . مواد کامپوزیتی با الیاف پیوستهمعمولاً یک جهت گیری خاص دارند این در حالی است که مواد کامپوزیتی با الیاف ناپیوستهعموماً جهت گیری های تصادفی دارند .
الیاف در مواد کامپوزیتی به علت قطر کم ، استحکام بالایی ایجاد می کنند زیرا در قطرهای کوچک ، نقایص - عموماً هم نقایص سطحی - به مراتب کمتر است از موادی که حجیم ساخته شده اند. به عنوان یک قاعده کلی ، هر چه قطر الیاف کوچکتر باشد استحکام بالا تر می رود ، اما اغلب هر چه قطر کمتر شود هزینه های ساخت افزایش می یابد . الیافها نوعاً شامل شیشه ،آرامید و کربن می شوند که ممکن است پیوسته یا ناپیوسته باشند.
فاز زمینه پیوسته است و می تواند پلیمری ، فلزی و یا سرامیکی باشد . پلیمرها استحکام وسفتی کمی دارند ، فلزها دارای استحکام و سفتی متوسطی هستند اما چکشخواری بالایی دارند ؛ این درحالی است که سرامیک ها استحکام و سفتی بالایی دارند اما تردند و شکننده . وظیفه ماده زمینه این است که الیاف را در جهت و فاصله مناسب نگه دارد و از آن ها در برابر سایش و محیط اطراف حفاظت کند .
-1-1-3 الیاف کربن:
هدف اصلی تقویت کننده این است که سطح بالاتری از استحکام و سفتی را به کامپوزیت بدهد . دریک کامپوزیت تقویت شده با الیاف پیوسته کربن ، الیافتقریباً تمام استحکام وسفتی را فراهم می کند . الیاف کربن رفتار تنش- کرنش خطی خود را تا نقطه شکست حفظ می کند ، افزایش استحکام به معنای افزایش تغییر طول تا نقطه شکست است . الیاف تجاری تغییر طول هایی تا 2.2% را از خود نشان می دهند این بدان معناست که توانایی آن ها بیش از کرنش مواد زمینه معمولی است .
الیاف کربن دارای طیف وسیعی از اشکال و خواص مکانیکی می باشند . اولین الیاف کربن تجاری به کمک تجزیه حرارتی مواد ابریشم مصنوعی تولید شده است . این فرآیند شامل مراحلکاملاً کنترل شده از عملیات حرارتی و تنش است ، تا ساختاری برای کاربرد خواسته شده به دست آید . همچنین الیاف کربنی از قیر پیشساز برای کاربرد های خاص تولید شده اند. الیاف تولید شده از قیرعموماً دارایمُدول وهدایت حرارتی بالایی هستند .
-2-1-3 رزین اپوکسی:
رزین اپوکسی به طورگسترده در کامپوزیت های رشته ای بافته شده، استفاده می شود . آن ها در مقابل حملات شیمیایی پایدار اند و چسبندگی عالی دارند و در طول پخت ، انقباض آهسته ای دارند و گاز های فرار را انتشار نمی دهند . با وجود این مزایا ، استفاده از اپوکسی هانسبتاً گران است . همچنین نمی توان از آنها انتظار دمایی فراتر از 140 درجه را داشت ، . [16 ]
