10.

ANGRENAJE I TRANSMISII CU ROI DINATE

Angrenajele sunt cele mai simple mecanisme cu roi dinate care transmit micarea de rotaie ntre doi arbori i sunt frecvent utilizate n construcia reductoarelor de uz general, n transmisiile automobilelor i tractoarelor, la maini unelte, utilaje tehnologice, maini agricole i din industria alimentar etc. Principalele avantaje ale acestora sunt: capacitate portant ridicat, deci un gabarit relativ redus; raport de transmitere constant; randament ridicat; siguran n exploatare i durabilitate ridicat; consum redus de lubrifiant. Dintre dezavantaje se pot enumera: necesitatea unei precizii de execuie i de montaj ridicate; zgomot n funcionare; tehnologie pretenioas i cost ridicat.

10.1. CAUZELE DETERIORRII ANGRENAJELORCalculul de rezisten al angrenajelor are drept scop s prentmpine deteriorarea acestora. Cauzele care conduc la deteriorarea angrenajelor pot fi cauze funcionale proiectare i/sau exploatare necorespunztoare sau tehnologice tehnologie de fabricaie i/sau tratamentul aplicat necorespunztoare. Analiza acestor cauze conduce la concluzia c deteriorarea angrenajelor este determinat de cauze multiple, care se succed n timp, respectiv de deteriorarea altor organe de maini cum ar fi arbori, cuplaje, lagre etc. Aciunea repetat a sarcinii pe dinte, datorit intrrii acestuia n angrenare, respectiv ieirii lui din angrenare, conduce la o solicitare complex care poate s determine deteriorarea angrenajului i scoaterea acestuia din funciune. Dinii se pot deteriora n afara defectelor constructive, de material i de tratament prin rupere sau prin deteriorarea flancurilor active.

10.1.1. Ruperea dinilorEste cea mai periculoas form de deteriorare a danturii, deoarece bucile rupte din dini pot produce deteriorarea i a altor organe de maini din transmisie. Ruperea dinilor este cauzat de oboseala materialului sau de suprasarcinile care apar n transmisie. Ruperea dinilor prin oboseal este principala cauz de deteriorare a angrenajelor executate din oel cu duritate mare a flancurilor active (> 45 HRC). Aciunea repetat a sarcinii pe dinte are ca efect solicitarea dintelui dup un ciclu pulsator sau, n cazul roilor intermediare,

-76dup un ciclu alternant simetric. Variaia ciclic, de la zero la valoarea maxim a tensiunii de ncovoiere F, poate conduce la oboseala materialului i la apariia unor microfisuri (fig. 10.1, a) la baza dintelui, pe partea fibrelor ntinse, favorizate i de concentratorul de tensiuni reprezentat de raza de racordare a dintelui la corpul roii. n timp, microfisura se mrete i micoreaz seciunea de ncastrare a dintelui la corpul roii, ducnd la ruperea acestuia. De regul, seciunea de rupere este sub form de V (fig. 10.1, b), mai adnc n cazul dinilor solicitai alternant simetric, dar poate fi i aproape plan. Linia de rupere a dintelui are o nclinare diferit, de la roat la roat, valoarea medie a acesteia fiind de 30o fa de orizontal. Pentru a prentmpina ruperea dinilor prin oboseal la baza acestora, se pot lua urmtoarele msuri: mrirea modulului danturii; utilizarea de roi cu dantur deplasat pozitiv, ceea ce conduce la mrirea bazei dintelui; mrirea razei de racordare a dintelui la corpul roii, prin utilizarea de freze cu protuberan;

a Fig. 10.1

b

efectuarea unui calcul la solicitarea de ncovoiere prin oboseal i limitarea tensiunilor efective la valori admisibile. Ruperea dinilor datorit suprasarcinilor are loc ca urmare a aciunii unor sarcini de vrf sau de oc, sub aciunea crora tensiunile de ncovoiere care apar n dinte depesc limita de curgere a materialului. Se poate rupe ntregul dinte sau, n cazul danturilor nclinate, numai o parte din dinte. n fig. 10.2 se prezint o roat dinat ai cror dini au fost deformai plastic, ca urmare a unor suprasolicitri; se pot observa fisurile de la baza dinilor, ca urmare a depirii limitei de curgere a materialului, respectiv locul rmas dup ruperea unui dinte.

-77-

Fig. 10.2 Fig. 10.3 Pentru a prentmpina ruperea datorit suprasarcinilor, se efectueaz un calcul de verificare, considernd c suprasarcina acioneaz static. Ruperea unor poriuni de dinte (fig. 10.3) apare n cazul unor erori de execuie i a unor arbori elastici, mai ales la danturile cu unghi mare de nclinare (danturi n V), cnd sarcina se concentreaz pe anumite poriuni de dinte, poriuni ce se rup. Pentru a prentmpina ruperea unor poriuni de dinte se mrete precizia de execuie a roilor dinate i/sau rigiditatea arborilor.

10.1.2. Deteriorarea flancurilor active ale dinilorPrincipalele cauze care conduc la deteriorarea flancurilor active ale dinilor sunt: ciupirea flancurilor active, exfolierea, griparea, uzarea abraziv etc. Ciupirea flancurilor active ale dinilor, cunoscut i sub denumirea de pitting, este o form de deteriorare prin oboseal de contact a stratului superficial al dintelui. Ciupirea este principala cauz de deteriorare a angrenajelor executate din oeluri cu duritate redus i care funcioneaz bine unse, n carcase nchise. n zona de contact dintre dini apar att tensiuni normale ct i tensiuni tangeniale, variabile dup un ciclu pulsator. ncrcarea dinilor produce, totodat, i o deformaie a stratului superficial de pe flancurile dinilor n contact. n timp, dup un numr de solicitri ale flancului dintelui, materialul obosete i determin apariia, pe suprafeele flancurilor active, a unor microfisuri de oboseal. Microfisurile iniiale (fig. 10.4, a) apar n sensul forelor de frecare ), n dreptul cilindrului de rostogolire. Uleiul, care ader la flancurile dinilor, va fi presat n fisurile aprute (fig. 10.4, b) pe flancurile active i va crea o suprapresiune care va duce la desprinderea de mici buci de material (v. fig. 10.4, c). n acest fel, pe flancurile active ale dinilor apar ciupituri, care nrutesc condiiile de angrenare.

)

La roata conductoare, dinspre cercul de rostogolire spre capul i piciorul dintelui, iar la roata condus, n sens invers.

-78a b Fig. 10.4 c

Ciupiturile, de form i dimensiuni diferite (fig. 10.5), se dezvolt mai nti spre piciorul dintelui i apoi spre capul acestuia, rezistena dintelui la apariia de ciupituri fiind proporional cu raza de curbur a flancului dintelui. Dac n urma rodajului ciupiturile sunt de mrime mic, n numr relativ redus i fr s se dezvolte n continuare, se poate afirma c angrenajul nu va fi deteriorat ca urmare a apariiei ciupiturilor (v. fig. 10.5, a). Dac dup rodaj ciupiturile progreseaz ca numr i mrime, atunci apariia de ciupituri va constitui principala form de deteriorare a angrenajului (v. fig. 10.5, b).

a Fig. 10.5

b

Pentru a prentmpina apariia ciupiturilor pe flancurile dinilor, se pot lua urmtoarele msuri: mrirea duritii superficiale a flancurilor active ale dinilor, prin tratamente termice sau termochimice; mrirea razelor de curbur ale profilului dinilor, prin deplasri pozitive de profil; efectuarea unui calcul la solicitarea de contact (presiune hertzian) i limitarea tensiunilor efective la valori admisibile. Exfolierea stratului superficial de pe flancurile active ale dinilor este o form de deteriorare prin oboseal a angrenajelor i apare n cazul durificrii superficiale, prin cementare, nitrurare, nitrocarburare etc., a danturii roilor. Practic, exfolierea se manifest prin desprinderea de material de pe suprafaa dintelui (fig. 10.6) ca urmare a unor microfisuri de oboseal aprute la grania dintre stratul durificat i stratul de baz. Principalele cauze ale exfolierii sunt grosimea prea mic a stratului durificat i tensiunile interne care apar datorit trecerii de la o zon foarte dur (stratul superficial al dintelui) la o zon de duritate redus (miezul dintelui). Pentru a

Fig. 10.6

-79prentmpina deteriorarea flancurilor active ale dinilor prin exfoliere, se recomand alegerea unor tehnologii i tratamente adecvate materialului i dimensiunilor roilor dinate. Griparea este o form a uzrii de adeziune i apare la angrenajele puternic ncrcate, care funcioneaz la viteze mari, la temperaturi ridicate sau cu viteze de alunecare mari dintre dini. Griparea se manifest prin microsuduri care apar ntre dini, ca urmare a unui contact direct ntre flancuri. Acest contact apare ca urmare a expulzrii, pariale sau totale, a stratului de lubrifiant existent ntre dini datorit presiunii mari determinat de ncrcarea mare, de temperatura de funcionare ridicat, de rugozitatea mare a flancurilor i de concentrarea sarcinii, ca urmare a impreciziilor de execuie i a deformrii elastice a dinilor. Microsudurile locale dintre flancuri se rup, la funcionarea n continuare a angrenajului, i apar, pe flancurile active ale dinilor, zgrieturi i benzi de gripare (fig. 10.7), orientate n direcia alunecrii dintre dini. Griparea este favorizat i de ungerea insuficient a angrenajului i de vscozitatea necorespunztoare a uleiului.

Fig. 10.7

Fig. 10.8

Pentru a evita deteriorarea flancurilor active ale dinilor prin gripare se recomand urmtoarele msuri: mbuntirea ungerii prin alegerea unui lubrifiant corespunztor, aditivat mpotriva griprii; reducerea temperaturii de funcionare a angrenajului prin rcirea uleiului, nervurarea carcasei etc.; mrirea preciziei de execuie i montaj i reducerea rugozitii flancurilor active; mrirea rigiditii arborilor; efectuarea unui calcul mpotriva griprii ). Uzarea abraziv este principala form de deteriorare a angrenajelor care funcioneaz la viteze mici, a angrenajelor care funcioneaz n medii impure, a angrenajelor deschise i a angrenajelor care funcioneaz n carcase nchise, dar cu deficiene la sistemul de ungere i la cel de etanare. Impuritile, care provin din exterior, din materialul desprins n urma apariiei ciupiturilor sau din forfecarea microsudurilor de gripare, ajung ntre flancurile dinilor n contact i acioneaz ca nite mici scule achietoare, ndeprtnd material de pe flancurile active ale dinilor. )

De regul, nu se face acest calcul pentru angrenajele cilindrice i conice, ci numai pentru angrenajele melcate.

-80n urma procesului de uzare abraziv, forma evolventic a dintelui se modific (fig. 10.8) i se mrete jocul dintre flancurile active, iar angrenarea devine incorect, cu ocuri mari i zgomot; se poate ajunge la ruperea dinilor sau la imposibilitatea funcionrii angrenajului ca urmare a scurtrii dinilor, cnd nu se mai asigur continuitatea micrii. Pentru a evita deteriorarea flancurilor active prin uzare abraziv, se recomand mbuntirea sistemului de ungere i a celui de etanare. Analiza cauzelor care produc deteriorarea angrenajelor reliefeaz urmtoarele concluzii: deteriorarea angrenajelor are loc, n principal, ca urmare a apariiei ciupiturilor pe flancurile active ale dinilor sau a ruperii prin oboseal, la baza acestora; rezult c angrenajele trebuie s se calculeze la solicitarea de contact i la cea de ncovoiere; deteriorarea dinilor este influenat de mai muli factori constructivi i funcionali; ca atare, metodica de calcul adoptat pentru angrenaje trebuie s ia n considerare aceti factori, prin corectarea sarcinii de calcul i a rezistenelor admisibile; necesitatea alegerii materialelor din care se execut roile dinate funcie de duritatea superficial obinut dup tratament i de tensiunile limit la solicitarea de contact i cea de ncovoiere. Metodica de calcul prezentat n acest curs, pentru angrenajele cilindrice i pentru cele conice i hipoide, este metoda ISODIN, deoarece aceasta ia n considerare un numr mare de factori care condiioneaz durabilitatea angrenajului i rezistena acestuia la cele dou solicitri principale contactul i ncovoierea i se bazeaz pe multe determinri experimentale.

10.2. OELURI UTILIZATE N CONSTRUCIAROILOR DINATERoile dinate se execut dintr-o gam foarte larg de materiale pentru a satisface condiiile diverse n care funcioneaz. Roile dinate utilizate n construcia reductoarelor de turaie, a transmisiilor automobilelor i tractoarelor se execut numai din oeluri tratate termic sau termochimic. Din acest motiv, n acest subcapitol se trateaz numai aceste oeluri i tratamentele aplicate. Oelurile utilizate n construcia roilor dinate sunt oeluri laminate sau forjate. Din punct de vedere al proprietilor mecanice i al prelucrabilitii, oelurile utilizate n construcia roilor dinate se mpart n dou mari grupe: oeluri moi, cu duritatea superficial mai mic de 350 HB; oeluri dure, cu duritatea superficial mai mare de 350 HB.

Caracteristic oelurilor moi este faptul c prelucrarea danturii se face dup tratamentul termic, iar n cazul oelurilor dure, prelucrarea danturii se face nainte de tratamentul termic, dup tratament efectundu-se doar finisarea danturii prin rectificare.

-81Caracteristicile mecanice ale oelurilor utilizate n construcia roilor dinate depind, n mare msur, de calitatea arjei, a semifabricatului i a tratamentului termic sau termochimic aplicat. Din aceste puncte de vedere, oelurile se mpart n trei grupe de calitate: ML, MQ i ME. Calitatea ML corespunde unor oeluri care posed caliti reduse, calitatea MQ corespunde unor oeluri care sunt obinute de productori cu experien, cu cheltuieli corespunztoare, iar calitatea ME impune cerine care trebuie ndeplinite cnd se cere o mare siguran n funcionare. Principalele cerine care trebuie ndeplinite de fiecare calitate sunt prezentate la descrierea oelurilor respective. Tratamentele termice pentru roi dinate sunt: recoacere, clire i revenire, iar tratamentele termochimice aplicate oelurilor sunt cementare, nitrurare i carbonitrurare.

10.2.1. RecoacereaRecoacerea este tratamentul termic prin care se urmrete aducerea materialului roii dinate ntr-o stare de echilibru i se aplic, in general, roilor obinute prin forjare. Exist mai multe tipuri de recoaceri (recoacerea obinuit, recoacerea de normalizare, recoacerea de detensionare), cea mai utilizat fiind recoacerea de normalizare numit i normalizare. Scopul normalizrii este numai de a diminua sau nltura tensiunile interne aprute n urma procesului tehnologic de forjare sau matriare i de a obine o granulaie fin. Dintre avantajele normalizrii se pot enumera: durata redus a tratamentului termic, deoarece rcirea se face n aer; obinerea unei perlite mai fine (sorbit), cu duritate mai mare dect cea rezultat n urma recoacerii complete. Ca tratament final, normalizarea se aplic oelurilor nealiate, utilizate doar n construcia unor reductoare de turaie care transmit sarcini mici, la viteze mici. Mrcile de astfel de oeluri utilizate n construcia roilor dinate sunt: OLC 45, OLC 50, OLC 55 i OLC 60. Normalizarea se aplic i la oelurile aliate, nainte de alte tratamente termice (clire) sau termochimice (cementare sau carbonitrurare). Recoacerea de detensionare sau de nmuiere se aplic oelurilor aliate nainte de tratamentele termice, i are drept scop reducerea sau eliminarea tensiunilor interne din material. Recoacerea de detensionare const n nclzirea nceat a materialului pn la temperatura de 500 600oC, meninerea la aceast temperatur pn la omogenizarea ntregii piese, apoi rcirea acesteia foarte lent pn la temperatura de 100 200oC i, n final, o rcire n aer.

10.2.2. ClireaEste tratamentul termic prin care oelul sufer transformri n stare solid, urmnd aducerea acestuia din stare de echilibru n stare de neechilibru. Clirea se poate face n mai multe feluri, cele mai utilizate proceduri pentru oelurile utilizate la roi dinate sunt: clirea n profunzime, clirea izoterm, clirea superficial etc.

-82Clirea n profunzime se aplic oelurilor cu coninut de carbon mai mare de 0,25% i are drept scop obinerea unei structuri martensitice, de duritate i rezisten ridicate. Duritatea este influenat de coninutul de carbon i de clibilitatea oelurilor, duritatea maxim obinndu-se la un coninut de carbon de minim 0,6%. Stabilirea temperaturii de nclzire i a vitezei de rcire (ap, aer sau ulei) se face n funcie de coninutul de carbon, de tipul oelului, carbon sau aliat, i de complexitatea piesei. Clirea superficial se aplic oelurilor aliate cu coninut de carbon mai mare de 0,3% i are drept scop mrirea rezistenei stratului superficial al dinilor prin obinerea unor structuri dure pe suprafaa acestora. Pentru realizarea clirii superficiale se nclzete local stratul superficial al dinilor, rcirea fcndu-se cu jet de ap. nclzirea se poate face cu flacr oxiacetilenic, flacr cu gaz sau prin cureni de nalt frecven (CIF), metod larg utilizat datorit productivitii ridicate i calitii obinute. Instalaiile cu CIF trebuie s permit o adaptare exact i verificat a adncimii de clire i s evite supranclzirea (temperatura de nclzire s fie sub 1000oC).

10.2.3. RevenireaStructura martensitic obinut dup clire este o structur nestabil, dur i fragil. Revenirea este tratamentul termic care se aplic oelurilor care sufer transformri fizice i prin care se schimb starea nestabil i fragil ntr-o stare mai stabil i mai puin fragil. Revenirea const n nclzirea piesei clite pn la o anumit temperatur, meninerea la aceast temperatur pentru egalizarea nclzirii piesei pe seciune i rcirea ulterioar n aer liber. Temperatura de revenire este foarte important din punct de vedere al meninerii proprietilor mecanice i duritii piesei. Astfel, cu creterea temperaturii de revenire, scade duritatea i rezistena la rupere a oelului respectiv, dar totodat scad tensiunile interne i fragilitatea. n construcia roilor dinate, se utilizeaz oeluri al cror tratament termic este format din clire urmat de revenire nalt (500 ... 600C). Aceast combinaie este cunoscut sub denumirea de mbuntire i se aplic oelurilor cu coninut mediu de carbon (> 0,25%) i uneori i oelurilor cu coninut mai redus de carbon ( 0,2%). Duritatea obinut dup mbuntire este < 350 HB, oelurile cu coninut de carbon mai mare de 0,25 % numindu-se oeluri de mbuntire. Oelurile de mbuntire fac parte din grupa oelurilor moi, principalele mrci de astfel de oeluri utilizate n construcia roilor dinate de la reductoare sunt: 40 Cr 10, 26 MoCr 11, 34 MoCr 11, 51 VMnCr 11, 40 CrNi 12, 30 MoCrNi 20 etc. Clirea superficial este urmat imediat de o revenire joas, la temperaturi de 160 ... 220C, n cuptoare cu aer, cu distribuia uniform a temperaturii. Prin aceasta se obine, n general, o duritate superficial ridicat i un miez tenace, dar mult mai moale. Deformaiile n urma clirii sunt mici i nu este absolut necesar s se aplice rectificarea danturii.

-83Rezistena la solicitarea de contact a dinilor clii crete, comparativ cu rezistena dinilor rezultat n urma tratamentului de mbuntire. Rezistena la solicitarea de ncovoiere se mrete n cazul n care se clete i zona de racordare a dinilor la corpul roii. n cazul unor danturi cu moduli mici, zona de racordare a dinilor la corpul roii nu se clete i rezistena la ncovoiere scade destul de mult. n plus, trecerea de la zona clit la zona neclit este un puternic concentrator de tensiuni la piciorul dintelui. n toate cazurile, pentru mrirea rezistenei la ncovoiere, nainte de clire se aplic un tratament de mbuntire. Duritatea superficial i a miezului se msoar n trei seciuni ale dintelui, la distana de un modul de fiecare capt i la mijlocul limii dintelui. O mare atenie se acord duritii stratului de trecere de la zona clit la miez. Dac duritatea acestei zone este mai mic dect a miezului, aceast duritate va fi considerat ca fiind duritatea miezului. Oelurile clite superficial fac parte din grupa oelurilor dure, duritatea dup clire fiind cuprins ntre 4858 HRC iar duritatea miezului fiind cea obinut de oel n urma mbuntirii.

10.2.4. Cementarea (carburarea)Cementarea este tratamentul termochimic prin care se mbogete stratul superficial al dinilor n carbon i se aplic oelurilor cu coninut redus de carbon (