OTEKON’14 7. Otomotiv Teknolojileri Kongresi 26 – 27 Mayıs 2014, BURSA DÜZ DİŞLİ ÇARK HASAR ANALİZİ Muzaffer Erdoğan*, İbrahim Yavuz*, Ali Erçetin** * Afyon Kocatepe Üniversitesi, Teknoloji Fakültesi, Otomotiv Müh. Böl., AFYONKARAHİSAR ** Bingöl Üniversitesi, Mühendislik-Mimarlık Fakültesi, Makine Müh. Böl., BİNGÖL [email protected]; [email protected]; [email protected] ÖZET Dişli çark, hareketi değiştirmek veya iletmek için kullanılan, üzerinde çeşitli profillerde diş açılmış bir makine elemanıdır. Farklı boyut, malzeme ve uygulamalarda olsalar da dişli çarklar hemen her makinede miller arasında şekil bağıyla kuvvet ve hareket ileten elemanlar olarak çalışmaktadırlar. Bu çalışmaları esnasında dişli çarklar hasara uğrayabilmektedirler. Dişlilerin genellikle aşınarak hasara uğradığı ve çok az kırıldığı görülmektedir. Bu çalışmada kırılarak hasara uğramış düz dişli profiline sahip bir makine dişlisinin kırık yüzey incelemeleri, kimyasal analiz, mikro yapı analizlerine ve parçanın kırılma sebebi üzerine araştırmalara yer verilmiştir. Anahtar kelimeler: Düz dişli hasar analizi, dişli kırılması, dişli hasar çeşitleri. SPUR GEAR FAILURE ANALYSIS ABSTRACT Gear wheel, which is used to change the movement or transmission, is a machine element tapped in on the various profiles. Different sizes, materials and applications, even though almost every machine gears with shafts look at ways of conducting elements work as force and motion. During this study, gears may be damaged. Often damaged gear is worn and very little broken with what is encountered. In this study, analysis which is belong to a broken spur gear are given like fracture surface, chemical analysis and such as micro-structure which is belong to a broken spur gear and breaking research on the causes of gears are given. Keywords: Spur gear failure analysis, gear breakage, types of gear damage. önlemleri kapsamaktadır. Teknolojik ve ekonomik sebepler, dişlilerin boyutlarının küçük tutulması yönünde etken olmaktadır. Bu noktada dişli çarklarda sürtünme ve aşınma kayıpları önemli bir problem olarak ciddi biçimde maddi kayıplara sebep olmaktadır. Dişli çark malzemesinden istenen önemli özellikler; yüzey sertliği, kırılma tokluğu, yorulma dayanımı, darbeli yüklere dayanım, aşınma ve korozyona karşı dirençtir [2]. 1. GİRİŞ Dişli çarklar, tarihi gelişimi çok eskilere dayanan makine elemanlarıdır. Mekanik gücün iletiminde mühendislik ve maliyet avantajlarını bir arada sunan dişli çarklar, saat mekanizmaları gibi hassas cihazlardan, otomobil, takım tezgahları, uçak ve uzay teknolojisine kadar birçok geniş alanda kullanılmaktadır [1]. Dişli çarkların endüstride yaygın olarak kullanılmaya başlanmasından itibaren çeşitli analitik ve deneysel metotlarla dişler üzerinde gerilmeler ve hasarlar incelenmektedir. Yıllardır süregelen araştırmalar, dişlerin mukavemetini arttırmak üzere, uğradıkları hasar çeşitlerini ve nedenlerini, bunlara karşı alınabilecek 2. DİŞLİ ÇARKLARDA HASAR ÇEŞİTLERİ VE SEBEPLERİ Dişli çarklar zor koşullarda çalıştıkları için belirli bir süre sonra bazı hasar şekilleri meydana gelebilmektedir. Yapılan çalışmalarda bu hasarların genellikle; aşınma, 1 kırılma, plastik akma, yüzey yorulmasından kaynaklanan ve imalat sırasında oluşan hasarlara bağlı olarak meydana gelebildiği anlaşılmıştır [3]. Dişlilerde meydana gelen aşınma çeşitleri genellikle çalışma koşullarına göre değişiklik gösterir. Temas eden iki diş yüzeyi arasında yağ filminin yetersiz veya hiç olmaması neticesinde dişli temas yüzeylerinde oluşan sürtünmeden dolayı meydana gelmektedir [3,4]. Çarkın dişlerini eğilmeye zorlayan kuvvetler, diş kökündeki kavislerde ve diş kökü ile diş profilinin kesiştiği noktalarda en yüksek gerilmelere sebep olur. Çatlak, dişin çekmeye zorlanan tarafındaki kök kavisinden başlar, dişe paralel veya dik yönde tamamen kırılmaya yol açana kadar yavaşça ilerler. Kesit, kademeli olarak zayıfladıkça, çatlak her yükün çevriminde biraz daha ilerler ve belirli bir süre dişli kırılmaya maruz kalır [3,5]. Eş çalışan diş yüzeyleri arasındaki yüksek temas basınçları ile yuvarlanma ve kayma olayları sonucu meydana gelen istem dışı soğuk şekillenme ile dişlilerde plastik akma oluşur. Yüzey ve yüzey altı malzemesinin akarak deforme olması sonucu oluşan bir hasar tipidir. Genellikle yumuşak malzemelerde görülmesine rağmen, ağır yük altındaki semente edilmiş dişli yüzeylerinde de ortaya çıkabilmektedir [3]. Aşırı basınç altında fazla sayıda yük tekrarının ardından diş yüzeyinde veya yüzey altında oluşan küçük çatlakların gelişip birleşmesiyle meydana getirdikleri malzeme parçacığının kopup ayrılması sonucu dişli çarklarda yüzey yorulması ortaya çıkar [3]. İmalat aşaması olarak dişli çarklar, malzeme olarak genellikle sementasyon veya ıslah çeliğinden imal edilirler. İmalat işlemleri esnasında bazı hasarlar oluşabilmektedir. Bu hasarlar serleştirme esnasında meydana gelen çatlaklar ve taşlama sırasında oluşan çatlaklardır [3]. Dişli çarklarda oluşan hasarlar üzerine yapılan araştırma çalışmalarından, Aslantaş vd.[6], düz dişlilerde farklı sürtünme katsayıları için yapılan çözümlemelerle yüzey altında meydana gelen gerilmelerin, hasar oluşumu üzerindeki etkisini araştırmışlardır. Jonk vd.[7], iki aylık bir çalışma sonrasında hasara uğrayan bir düz dişli çarkın hasar analizini incelemişler ve hasar sebebinin yanlış sementasyon işlemi yapılmasından kaynaklandığını belirtmişlerdir. Belsak ve Flasker [8], dişlilerin diş köklerindeki çatlak tespiti üzerine çalışmalarında; bir diş kökündeki çatlağın en az arzu edilen durum olduğunu ve genellikle dişlilerin çalışması esnasında hasar sebebinin kaynağı olduğunu belirtmişlerdir. Amarnath vd.[9], bir düz dişli sisteminde dişlinin diş sertliği, aşınma ve yağ film kalınlığındaki azalma etkileri üzerine hızlandırılmış test koşulları altında deneysel çalışmalar yapmışlardır. Zhiwei Yu ve arkadaşı [10], dizel bir motorun 20CrMnTi çeliğinden imal edilmiş helisel avara dişlisinin metalürjik özelliklerini ve kırılma nedenini araştırmışlardır. Zhiwei Yu ve arkadaşı başka bir çalışmasında ise [11], dizel kamyona ait hasara uğramış krank mili dişlisinin sertlik, mikroskobik ve SEM sonuçlarını gözlemlemiş ve sonuçları değerlendirmiştir. Akinci vd.[12], bir dümene bağlı döner düz dişlinin sıyrılması ve plastik deformasyonu üzerine incelemelerde bulunmuşlardır. Asi [13], bir otobüse ait AISI 8620 çeliğinden imal edilmiş helisel dişli çarkın kimyasal bileşim, sertlik, metalografik muayene sonuçlarıyla yorulma hasarı yönünden incelemiştir. Fonte vd.[14], hasara uğramış iki helisel dişli çarkın malzeme yapısını mikroskobik ve SEM analiziyle incelemişler ve sonuçları değerlendirmişlerdir. Dişli çarklar çalışma koşullarının da etkisiyle aşırı yüke maruz kaldıklarında diş dibinden veya gövdeden kırılarak hasara uğrayabilmektedirler. Bu çalışmada hasara uğramış düz dişli çarkın hasar analizi, dişli çarkın içerdiği kimyasal alaşımlar, SEM gözlem analizi ve mikroskobik incelemeler yapılmış, dişli çarkın hasara uğrama nedenleri araştırılmış ve elde edilen sonuçlar değerlendirilmiştir. Şekil 1’ de hasara uğrayan dişlinin genel görünüşleri gösterilmektedir. Dişli çark göbekten dişli eksenine dik eksen boyunca kırılmış ve dişli çarkın bazı dişlerinde de kırıklar mevcuttur. İncelediğimiz dişli çarkın yüzeyinde çalışmaya bağlı yorulmalar, ezilmeler, aşınmalar ve korozyon gözlenmektedir. Bunlar yapının genelinde bozulmaya ve işlev kaybına neden olmuştur. Şekil 1. Hasarlı dişli çark örneği 3. DİŞLİ ÇARK HASAR ANALİZİ 3.1 Kimyasal Analiz Kimyasal olarak malzemenin iç yapısı incelediğinde; Fe-C-Si Mn alaşımıdır. Genellikle % 0.25-0.60 C ve %0.266 Si % 1.59 Mn içerirler. Yapılan spektral analiz sonucunda Tablo 1’ de malzemenin içyapısındaki elementlerin yüzdelik kimyasal bileşim oranları gösterilmektedir. Spektral analiz sonucundan elde edilen veriler doğrultusunda yapılan literatür taramasında dişli çark malzemesi olarak manganlı çelikler sınıfına giren AISI 1340 çeliği olduğu tespit edilmiştir [15]. Malzemeye 980 N yük altında vickers sertlik ölçme yöntemi kullanılarak belirlenen ortalama sertlik değeri 315 HV olarak ölçülmüştür. Literatür bilgilerine göre manganlı çeliklerin sertlik değerleri 210-280 HV arasında değiştiği görülmektedir. Bu fark çeliklerin ısıl işlem sonunda soğutma ortamından kaynaklanmaktadır [15]. 2 Tablo 1. Düz dişli çarka ait kimyasal bileşim Element % Bileşim Element % Bileşim C 0.419 Co 0.00799 Si 0.266 Cu 0.0691 Mn 1.59 Sn 0.00160 P 0.0192 Al 0.00430 S 0.0311 Ti 0.00190 Cr 0.0970 Pb 0.00134 Ni 0.0529 Zn 0.00130 Mo 0.00991 Ce 0.00239 V 0.00686 Fe 97.4 W 0.00610 yüzeyin sünek bir kırılma özelliği göstermiştir. Sünek kırılmaya neden olan alaşım elementleri ve perlit taneleri arasında oluşan ferrit fazının neden olduğudur[13]. Dişli çark malzemesinin delik çevresinde artan ani yüklenmeler sonucu eksene parelel olarak kırıldığı tespit edilmiştir[14,15]. Dişli malzemesinde, C atomlarının segregasyonlarından dolayı tane içi gevrek kırılmaya; tane sınırlarında oluşan ferrit fazından dolayı sünek kırılma özelliği göstermiştir[16]. Malzemenin aşırı yükleme sonucu yorgunluk belirtileri, SEM görüntülerinde görüldüğü gibi değişen yön ve doğrultuda kırıldığı gözlenmektedir[17,18]. Tablo 1’ den de anlaşılacağı üzere elimizdeki hasara uğramış dişli çark malzemesi % 0.419 C , % 0.266 Si , % 1.59 Mn ve muhtelif oranlarda diğer alaşım elementlerini içermektedir. 3.2 Optik Mikroskop Analizi Hasara uğramış dişli çarkın optik mikroskop görüntüleri Şekil 2’de görülmektedir. Metalografik olarak dağlanan dişli çarkın içyapısı perlit tanelerinden oluşmaktadır. Ayrıca taneler arasında oluşan ferrit fazına rastlanmaktadır [16]. Fakat mikro yapı görüntülerinde görüldüğü gibi malzemenin dökümü sırasında tane içerisinde kümelenmiş siyah bölgelerin C elementlerinin segregasyonlarını göstermektedir (Şekil 2). Tane içerisinde oluşmuş C segregasyonları, malzemenin ani darbelere karşı dayanımının düşmesine neden olmuştur [17]. Deneysel çalışmada içyapısı incelenen dişli çark, orta karbonlu alaşımlı çelik malzemesinden üretilmiştir. Bu malzeme korozyona ve aşınmaya karşı dirençli, yorulmaya ve deformasyona karşı yüksek dayanım özelliği göstermektedir. Aynı zamanda, çalışma sırasında ortaya çıkan ani yüklere karşı dayanıklı bir malzemedir. Şekil 3. Temizlenmiş yüzeyin SEM görüntüsü-1 Şekil 4. Aşınmış yüzeyin SEM görüntüsü-2 4. SONUÇ Dişli çarkın diş yüzeylerindeki hasar tipi abrasif aşınma ve plastik deformasyon şeklindedir. Hasarlı parça düz dişli profiline sahiptir. Dişli mangan ve silisyum alaşımlı çelik malzemeden imal edilmiştir. Tasarımda hata görülememiş olup literartür taramasına göre malzemede sertlik değeri yüksek çıkmıştır. İmalat sırasında dişli malzemesinde, C atomlarının segregasyonlarından dolayı tane içi gevrek kırılmaya; tane sınırlarında oluşan ferrit fazından dolayı sünek kırılma özelliği göstermiştir. SEM incelemelerinde görüldüğü gibi diş yüzeylerinde çatlaklar meydana gelmiş olup muhtemelen makine çalışma şartlarının uygun a b Şekil 2. Optik mikroskop görüntüleri: a)100x, b)500x 3.3 Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) Analizi Dişli çark malzemesinin kırılan yüzeyinin sem görüntüleri Şekil 3 ve Şekil 4’de görülmektedir. Dişli çark malzemesi Fe-C-Mn alaşımı olduğu için kırılan 3 olmaması ve dişlinin aşırı sertleştirilmesi nedeniyle ani bir şekilde kırılarak hasara uğradığı düşünülmektedir. 15. http://www.matweb.com/search/DataSheet.aspx ?MatGUID=176d43ca213b4727b41edc9bd0cc5 664, 08.01.2014. 16. W. Hormaza, L. Mateus, A. Maranon, “Failure Analysis of a Cylinder Sleeve From a Turbocharged Diesel Engine”, Engineering Failure Analysis 16 (2009) 1355–1365. 17. H. Bayrakçeken, S. Tasgetiren, F. Aksoy, Failures of Single Cylinder Diesel Engines Crank Shafts, Engineering Failure Analysis 14 (2007) 725–730. 18. Failure Analysis and Prevention, ASM Hand Book – 4, Volume:11, Chapter 5 – 471. 19. 14. J. Toribio a, V. Kharin a, F.J. Ayaso a, B. González a, J.C. Matos b, D. Vergara a, M. Lorenzo C., “Failure Analysis of a Lifting Platform for Tree Pruning”, Engineering Failure Analysis 17 (2010) 739–747. 20. Zhiwei Yu, Xiaolei Xu, “Failure Analysis of a Diesel Engine Crankshaft”, Engineering Failure Analysis 12 (2005) 487–495. 21. A,M, Lancha. M, Serrano, D, Gomez Briceno , “Failure Analysis of a Condensate Pump Shaft”, Engineering Failure Analysis 6-1999, 337-353. 22. Y. Reboh, S. Griza, A. Reguly, T.R. Strohaecker, “Failure Analysis of Fifth Wheel Coupling System”, Engineering Failure Analysis 15 (2008) 332–338. 23. Fengjun Lv, Quan Li, Guoru Fu, “Failure Analysis of an Aero-Engine Combustor Liner”, Engineering Failure Analysis 17 (2010) 1094–1101. KAYNAKLAR 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. İşel B., 2007, “Dişliler için yüzey yorulması test cihazı geliştirilmesi ve yağ sıcaklığının etkisinin araştırılması”, Yüksek Lisans Tezi, Afyon Kocatepe Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Can A.Ç., 2006, “Makine Elemanları Tasarımı”, Birsen Yayınevi, İstanbul Kızılaslan K., İşel B., Yavuz İ., 2010, “Dişli çarklarda meydana gelen hasar türleri”, Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi, Cilt 7, Sayı 1, Sayfa 119-129 Aslantaş K., 2003, “Östemperlenmiş Küresel Grafitli Dökme Demirden İmal Edilen Düz Dişlilerde Yüzey Yorulma Hasarlarının Analizi”, Doktora Tezi, Gazi Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara Başaran B., 2001, “Helisel Dişli Çarklarda Pitting Oluşumunun Deneysel İncelenmesi”, Yüksek Lisans Tezi, Gazi Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara. Aslantaş K., Taşgetiren S., Dündar K., 2002, “Düz dişlilerde sürtünme kuvvetinin hasar oluşumu üzerindeki etkisinin araştırılması”, Mühendislik Bilimleri Dergisi, Cilt 8, Sayı 1, Sayfa 33-40 Jonk J., Slabbert G.A., 2013, “Analysis of a failed spur gear from a Vibro-Hammer”, Engineering Failure Analysis, Volume 34, Pages 511-518 Belsak A., Flasker J., 2007, “Detecting cracks in the tooth root of gears”, Engineering Failure Analysis, Volume 14, Pages 1466-1475 Amarnath M., Sujatha C., Swarnamani S., 2009, “Experimental studies on the effects of reduction in gear tooth stiffness and lubricant film thickness in a spur geared system”, Tribology International, Volume 42, Pages 340-352 Yu Z., Xu X., 2006, “Failure analysis of an idler gear of diesel engine gearbox”, Engineering Failure Analysis, Volume 13, Pages 1092-1100 Yu Z., Xu X., 2010, “Failure investigation of a truck diesel engine gear train consisting of crankshaft and camshaft gears”, Engineering Failure Analysis, Volume 17, Pages 537-545 Akinci I., Yilmaz D., Çanakci M., 2005, “Failure of a rotary tiller spur gear”, Engineering Failure Analysis, vol. 12, Pages 400-404 Asi O., 2006, “Fatigue failure of a helical gear in a gearbox”, Engineering Failure Analysis, vol. 13, Pages 1116-1125 Fonte M., Reis L., Freitas M., 2011, “Failure analysis of a gear wheel of a marine azimuth truster”, Engineering Failure Analysis, Volume 18, Pages 1884-1888 4
© Copyright 2024 Paperzz
