Keresztes Róbert Zsolt · 2012-08-10 · - 1 - Szent István Egyetem MŰSZAKI MŰANYAG/ACÉL CSÚSZÓPÁROK TRIBOLÓGIAI KUTATÁSA - polimer/acél fogfelületek súrlódása - Doktori

- 1 -

Szent István Egyetem

MŰSZAKI MŰANYAG/ACÉL CSÚSZÓPÁROK TRIBOLÓGIAI KUTATÁSA

- polimer/acél fogfelületek súrlódása -

Doktori (Ph.D.) értekezés

Keresztes Róbert Zsolt

Gödöllő 2009.

- 2 -

A doktori iskola

megnevezése: Műszaki Tudományi Doktori Iskola tudományága: Agrár Műszaki Tudomány vezetője: Dr. Farkas István, DSc egyetemi tanár, az MTA doktora Szent István Egyetem, Gépészmérnöki Kar Környezetipari Rendszerek Intézet Gödöllő

Témavezető: Dr. habil. Kalácska Gábor, CSc

egyetemi tanár, kandidátus Szent István Egyetem, Gépészmérnöki Kar Gépipari Technológiai Intézet Gödöllő

………………………………… ………………………………. Az iskolavezető jóváhagyása A témavezető jóváhagyása

Tartalomjegyzék

- 3 -

Tartalomjegyzék

ALKALMAZOTT JELÖLÉSEK......................................................................- 5 -

1. BEVEZETÉS, CÉLKITŰZÉSEK .................................................................- 7 -

1.1. A kutatómunka céljai .................................................................................- 9 -

2. SZAKIRODALMI ÁTTEKINTÉS .............................................................- 11 -

2.1. Műszaki polimerek...................................................................................- 11 - 2.1.1. Polimerek előállítása, csoportosítása ................................................- 11 - 2.1.2. Főbb műszaki polimerek...................................................................- 13 - 2.1.3. Polimerekre jellemző anyagtulajdonságok .......................................- 16 -

2.2. Polimerek gépészeti alkalmazása.............................................................- 18 - 2.2.1. Polimer gépelemek............................................................................- 18 - 2.2.2. Polimerek a mezőgépészetben ..........................................................- 20 - 2.2.3. Polimer fogaskerekek sajátosságai....................................................- 22 -

2.3. Tribológia alapjai .....................................................................................- 27 - 2.3.1. Súrlódás.............................................................................................- 29 - 2.3.2. Kopás ................................................................................................- 36 - 2.3.3. Tribológiai modellvizsgálatok ..........................................................- 41 -

2.3.3.1. Kisméretű próbatest vizsgálatok ................................................- 44 - 2.3.3.2. Nagyméretű próbatest vizsgálat .................................................- 46 - 2.3.3.3. Fogaskerék vizsgálatok..............................................................- 47 -

2.4. A szakirodalom kritikai összefoglalása....................................................- 56 -

3. KÍSÉRLETI MÓDSZEREK ÉS ESZKÖZÖK..........................................- 59 -

3.1. A modellvizsgálatok helyszíne ................................................................- 59 - 3.2. Kisméretű próbatestekkel végzett modellvizsgálatok..............................- 59 -

3.2.1. Berendezés ........................................................................................- 59 - 3.2.2. Vizsgálati paraméterek......................................................................- 62 - 3.2.3. Kisméretű próbatestek anyaga, kialakításuk.....................................- 63 - 3.2.4. Súrlódási erő és a súrlódási tényező meghatározása.........................- 64 -

3.3. Nagyméretű próbatestekkel végzett modellvizsgálatok...........................- 70 - 3.3.1. Berendezés ........................................................................................- 70 - 3.3.2. Vizsgálati paraméterek......................................................................- 71 - 3.3.3. Nagyméretű próbatestek anyaga, kialakításuk..................................- 71 - 3.3.4. Súrlódási erő és a súrlódási tényező meghatározása.........................- 72 -

3.4. Fogaskerék fogkapcsolódás modellvizsgálatok .......................................- 75 - 3.4.1. Berendezés ........................................................................................- 75 - 3.4.2. Vizsgálati paraméterek......................................................................- 76 - 3.4.3. A fogkapcsolódásnál fellépő Hertz feszültség meghatározása .........- 77 - 3.4.4. Fogkapcsolódás próbatestek anyaga, kialakítása ..............................- 79 -

Tartalomjegyzék

- 4 -

3.4.5. Fogsúrlódási erő és a fogsúrlódási tényező meghatározása..............- 82 - 3.5. A kopás és a súrlódási hő mérése az eltérő rendszerekben......................- 88 -

4. VIZSGÁLATI EREDMÉNYEK ÉRTÉKELÉSE .....................................- 91 -

4.1. Kisméretű próbatest vizsgálatok eredményei és értelmezésük ................- 91 - 4.1.1. Statikus rúd-tárcsa vizsgálatok eredményei......................................- 91 - 4.1.2. Dinamikus rúd-sík vizsgálatok eredményei......................................- 94 - 4.1.3. Kisméretű próbatest vizsgálatok eredményeinek összegzése ...........- 96 -

4.2. Nagyméretű próbatest vizsgálatok eredményei .......................................- 98 - 4.3. Fogkapcsolódás modell vizsgálatok eredményei...................................- 102 -

4.3.1. Súrlódási eredmények (1,1 Nm terhelés, 0,1 1/s szögsebesség) és értékelésük ................................................................................................- 102 - 4.3.2. Súrlódási eredmények (5,5 Nm terhelés, 0,1 1/s szögsebesség) és értékelésük ................................................................................................- 111 -

4.4. Eltérő vizsgálati rendszerek eredményeinek összehasonlítása ..............- 120 -

5. ÚJ TUDOMÁNYOS EREDMÉNYEK .....................................................- 121 -

6. ÖSSZEFOGLALÁS, TOVÁBBI FELADATOK, GYAKORLATI HASZNOSÍTÁS, LEHETŐSÉGEK .............................................................- 125 -

SUMMARY .....................................................................................................- 127 -

IRODALOMJEGYZÉK.................................................................................- 129 -

ÁBRAJEGYZÉK ............................................................................................- 133 -

TÁBLÁZATJEGYZÉK .................................................................................- 135 -

KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS ........................................................................- 136 -

MELLÉKLETEK JEGYZÉKE ....................................................................- 137 -

MELLÉKLETEK ...........................................................................................- 138 -

Alkalmazott jelölések

- 5 -

ALKALMAZOTT JELÖLÉSEK Jelölés Megnevezés Mértékegység a – tengelytávolság [mm]

A5 – szakadási nyúlás [%] At – tényleges érintkezési felület [mm2]

b – fogszélesség [mm] d – osztókör átmérő [mm] da – fejkör átmérő [mm] db – alapkör átmérő [mm] df – lábkör átmérő [mm] E1,E2 – rugalmassági modulusz [MPa] Fn – normál erő [N] Fs – súrlódási erő [N] Fs max – maximális súrlódási erő [N]

Fsd’ – átlagos súrlódási erő lefelé mozgásnál [N] Fsd’’ – átlagos súrlódási erő felfelé mozgásnál [N] Fss’ – lefelé mozgásnál ébredő statikus súrlódási erő [N] Fss’’ – felfelé mozgásnál ébredő statikus súrlódási erő [N]

h – fogmagasság [mm] H – keménység [N/mm2]

ha – fog fejmagasság [mm] hf – fog lábmagasság [mm] i – áttétel

k – kopástényező Ls – súrlódási úthossz [m]

m – modul p – fogosztás [mm]

Pe – Peclet szám R1,R2 – sugár [mm] Ra – átlagos felületi érdesség [μm]

Rm – szakítószilárdság [N/mm2] v – sebesség [m/s] vk – kerületi sebesség [m/s] z – fogszám α – kapcsolószög [°] – profil kapcsolószám μ – súrlódási tényező

μdátl – átlagos súrlódási tényező μfe-átl – főpont előtti átlagos súrlódási tényező

Alkalmazott jelölések

- 6 -

μfe-max – főpont előtt ébredő lokális, maximális súrlódási tényező

μfu-átl – főpont utáni átlagos súrlódási tényező μfu-max – főpont után ébredő, lokális maximális súrlódási

tényező μs – nyugalmi súrlódási tényező

μtmax – maximális súrlódási tényező ν1, ν2 – Poisson tényező ρ – súrlódási félkúpszög [°] ρ1, ρ2 – evolvens görbületi sugár [mm] τ – nyírási feszültség [MPa] ω – szögsebesség [1/s] A dolgozatban használt anyagjelölések: PA 66 GF30 – extrudált poliamid 66, 30 m/m % üvegszál

erősítéssel PA 6G Mg – öntött poliamid 6, magnéziumos katalizálású PA 6G Na – öntött poliamid 6, nátrium katalizálású PA 6G o – öntött poliamid 6, olaj adalékolás PA – poliamid PC – polikarbonát PE – polietilén PEEK – poli(éter-éterketon) PETP /PTFE – poli(etilén-tereftalát) teflon adalékolással POM – poli(oxi-metilén) POM C – poli(oxi-metilén) kopolimer PP – polipropilén PTFE – poli(tetrafluor-etilén) PUR – poliuretán PVC – poli(vinil-klorid) UHMW PE – ultra nagy molekulatömegű polietilén

Bevezetés, célkitűzések

- 7 -

1. BEVEZETÉS, CÉLKITŰZÉSEK

A gépészetben széles körben alkalmazott berendezések üzemeltetése során számos műszaki probléma jelentkezhet. A meghibásodások jelentős részét az egymással érintkező felületek súrlódása és ennek következtében fellépő kopása okozza. Ezek csökkentése érdekében egyre gyakrabban alkalmaznak különböző műszaki polimerekből készült gépelemeket. A fém felülettel érintkező polimerek kedvező súrlódási és kopási tulajdonságai széleskörű alkalmazást tesznek lehetővé, melyet a kisebb szilárdságuk és kedvezőtlen hővezetésük korlátozhat.

A fém alkatrészek helyettesítése műszaki műanyaggal egyre gyakoribb a siklócsapágyak, tömítések, görgők és fogazott gépelemek (fogaskerekek) esetében. Az így létrehozott polimer-acél tribológiai rendszerek a felületek között ébredő fémes adhézió elkerülésének egyik lehetőségét jelentik. A műanyagok további előnye a fémekkel szemben, hogy külső kenés nélkül is működhetnek, zajszintjük alacsonyabb, kiváló a rezgéscsillapításuk, kicsi a tömegük. A hajtástechnikában alkalmazott siklócsapágyak, fogaskerekek méretei, anyaga, kialakítása függ a hajtásrendszer jellemzőitől (teljesítmény, sebesség, hőmérséklet, esetleg élelmiszerhigiénia). Mindezek elősegíthetik a műanyag alkatrészek felhasználását.

Az egymással kapcsolódó és elmozduló felületek tribológiai viselkedése rendkívül összetett folyamatok eredménye, melyet számos tényező befolyásolhat. Ahhoz, hogy a polimerek az alkalmazott rendszerekben előnyös tribológiai tulajdonságokkal rendelkezzenek, megfelelő anyagkiválasztást, méretezést és működési feltételeket kell biztosítani. A fogaskerekek esetében a kapcsolódás jellegzetes vonása a csúszó és a gördülő súrlódás különleges kombinációja az érintkező fogak között. Az itt fellépő tribológiai folyamatok törvényszerűségeinek ismerete elengedhetetlen, mivel az egymáson csúszó és gördülő elemek érintkező felületein keletkező súrlódás és kopás, valamint azok irányítása, kenése döntő mértékben meghatározzák a fogaskerék kapcsolatok működését és a hajtás energetikai viszonyait. A fogazatok geometriai méreteinek meghatározására, a szilárdsági és tapasztalati összefüggések a szakirodalomban rendelkezésre állnak, de a már említett fogkapcsolódás során lejátszódó tribológiai folyamatok és hatások pontos feltérképezése és összehasonlítása a műszaki műanyagok esetében még nem megoldott, kevés az irodalmi adat, vagy anyagkiválasztási segédlet. A kenőolajok értékelésére általában fogaskerék próbapadokat használnak. A legtöbb ilyen készülék hengeres fogaskerekeket tartalmaz, így ezekkel a készülékekkel a polimer fogaskerekek kopásvizsgálata megvalósítható.

A polimerek tribológiai tulajdonságainak meghatározására számos szabványosított eljárás áll a rendelkezésünkre. Ezek a vizsgálati eljárások a legegyszerűbb laboratóriumi modell vizsgálatoktól egészen az üzemi vizsgálatokig terjednek. A kenés nélküli normál környezeti feltételek mellett végzett egyszerű próbatest vizsgálatok kisebb költségekkel járnak, pontosan elkészíthetők a próbatestek és a vizsgálat gyorsan felhasználható eredményeket ad. Ezek az


- 8 -

eredmények általában összehasonlító anyagvizsgálatokhoz használhatók. Ilyen lehet a laboratóriumi kisméretű próbatest vizsgálat (small scale test), ahol kis méretű, egyszerű geometriai alaptestekkel (henger, hasáb) végezzük el a kísérleteket. Ha az üzemelés során nagy igénybevételek is felléphetnek, akkor ezek vizsgálatához a nagyméretű próbatest vizsgálat (large scale test) ajánlott. A próbatestek itt is egyszerű geometriai alakzatok, de az anyagok teherbírás vizsgálatai is elvégezhetők. A valós rendszerre vonatkozólag pontosabb eredmények érhetők el az elem vagy alkatrészvizsgálatokkal, ahol a modell a működési folyamatokat próbálja követni.


- 9 -

1.1. A kutatómunka céljai Munkám célja az acéllal párosított műszaki polimerek súrlódási és kopási tulajdonságainak vizsgálata egyszerű alakú próbatesteken, valamint fogaskerekeken. Továbbá a feladatok közé tartozik a polimer fogaskerekek fogkapcsolódásánál fellépő erők és súrlódási folyamatok vizsgálata. Fontos célkitűzésem, hogy a gyakorlat számára olyan használható információkat szerezzek, melyek a polimerek alkalmazását és használhatóságát segítik. A kutatómunkám megvalósításának fő fejezetei: a, A vizsgálatokhoz kiválasztott műszaki polimerekből készített egyszerű henger alakú próbatestek, súrlódási és kopási tulajdonságainak vizsgálata szabványos rendszerekben, fém ellenfelületen. A vizsgálatok alapján az anyagok rangsorolása a mechanikai jellemzők és a mért súrlódási és kopási jellemzők alapján. b, A hagyományos vizsgálati eljárás kiegészítése dinamikus terhelésű mérésekkel. A különböző polimerek ezen hatások alatti súrlódási és kopási folyamatainak leírása, valamint a hagyományos és a dinamikus eljárással vizsgált tribológiai tulajdonságok közötti összefüggések meghatározása. c, A polimerek túlterheléssel szembeni viselkedésének elemzése nagyméretű próbatesteken végzett vizsgálatokkal. A kis és a nagyméretű vizsgálatok eredményei közötti összefüggések meghatározása. d, A polimer/acél fogaskerekek kapcsolódása folyamán fellépő terhelő és súrlódási erők vizsgálata, valamint a kapcsolóvonal mentén változó súrlódási tényező meghatározása. A mérésekhez fogkapcsolódási modellvizsgáló berendezés tervezése és megépítése. A kapott eredmények alapján összefüggések keresése a kis és nagyméretű vizsgálatokkal. e, A kutatási programban szereplő polimer/acél anyagpárok üzemeltetési paraméterei határértékének meghatározása, segítségnyújtás az optimális anyagpárosítás kiválasztásához.


- 10 -

Szakirodalmi áttekintés

- 11 -

2. SZAKIRODALMI ÁTTEKINTÉS

2.1. Műszaki polimerek

Sokféle megfogalmazásuk létezik, közülük a leggyakoribb: a műszaki polimerek azok a műanyagok, amelyek széles hőmérséklet tartományban kitűnő mechanikai tulajdonságokkal rendelkeznek. Fontosabb mechanikai tulajdonságok: statikus szakító és nyomószilárdság, kifáradási szilárdság, kúszásállóság, ütésállóság, kopásállóság. Sok konstrukcióban szerkezeti anyagként használhatók, gyakran előnyösebbek a fémeknél. A kiváló mechanikai jellemzőkön kívül jó a kémiai ellenálló képességük, és jó elektromos szigetelők. A műszaki műanyagok mechanikai és szilárdsági tulajdonságai jelentősen javíthatók különféle anyagok társításával. A felhasználási területektől függ az erősítő anyagok mennyisége és jellemzői. Az erősítő anyag különböző formában jelenhet meg, szálait, részecskéit gyártáskor belekeverik az alapanyagba, kedvezően megváltoztatva annak tulajdonságait. Az erősítő anyagok igen sokfélék lehetnek: szén, üveg, fém és kerámiaszálak, alumínium oxid, szilíciumkarbid, fém, üveg, és bórkarbid porok. [Kalácska et al., 1997]

2.1.1. Polimerek előállítása, csoportosítása

A kőolaj és a földgáz a műanyaggyártás legfontosabb alapanyagai. A

kőolajat finomítása során desztillációval alkotórészeire választják szét. A létrehozott monomerek vegyi úton egymáshoz kapcsolhatók. A vegyi folyamat végén keletkező, hosszú molekulaláncú anyagokat nevezzük polimereknek. A kis molekulatömegű monomerek akkor képesek egymáshoz kapcsolódni, ha rendelkeznek kettős kötésekkel vagy más aktív csoporttal. A monomereknek legalább két funkcionális aktív részre van szükségük ahhoz, hogy makromolekulákat alkothassanak. A monomerek közötti reakció eredményeként egyenes, hosszú láncú, hőre lágyuló polimerek, lazán térhálósodott elasztomerek, vagy háromdimenziós molekula szerkezetű hőre nem lágyuló műanyagok keletkeznek.

Az előállítás történhet polimerizációval, amely általában katalizátor jelenlétében lejátszódó kémiai reakció. A kettős kötéssel rendelkező, azonos vagy különböző monomerek kapcsolódnak össze hosszú makromolekulákká. A folyamatnak nincs mellékterméke. Hő hatására a kettős kötések felnyílnak, két szabad vegyértéket hozva létre, amelyek a szomszéd monomerrel kapcsolódnak és láncot hoznak létre. Polimerizációval készül a polietilén, a polivinilklorid, a polipropilén, a polisztirol.


- 12 -

Polikondenzációs folyamat esetén azonos vagy különböző monomerek lépnek reakcióba, miközben kis molekulatömegű melléktermékek: pl. víz, alkohol, sósav, keletkeznek. A kémiai reakciót a folyamatban résztvevő anyagok mennyisége irányítja. Ha a mellékterméket nem vezetik el, a reakció megáll. Így állítják elő a poliésztereket, a poliamidokat. A poliaddíció azonos vagy különböző monomerek kémiai reakciója, amelyben melléktermék nem keletkezik. A kialakult molekulák sajátossága, hogy nincs szénből álló gerincük, a kötést más atomok (O, N, S, Si) hozzák létre. Poliaddícióval készül a poliuretán [Kalácska et al., 1997; Bhushan, 2000].

A polimerek csoportosítása többféle módon lehetséges. Az előzőekben említettem az előállítás szerinti osztályozást. Egy másik csoportosítás a hővel szembeni viselkedés alapján különíti el a polimereket. Így megkülönböztethetünk hőre lágyuló és hőre nem lágyuló polimereket. A műszaki alkalmazások számára talán a legáttekinthetőbb osztályozást a polimer „anyagpiramis” mutatja (1. ábra), amely az általános felhasználási területeket is figyelembe veszi.

1. ábra Polimer anyagpiramis [Kalácska, 2005]

A kategória Tömeggyártású és felhasználású műanyagok

hőre lágyuló: hőre nem lágyuló: PVC epoxi gyanták PP fenol gyanták PMMA egyéb műgyanták PS

B kategória Általános műszaki polimerek

PA POM PC PET PE UHMW-PE ABS

PTFE

C kategória Nagyteljesítményű

műszaki polimerek II. PSU PES PPSU PEI PVDF PPE

D kategória Nagyteljesítményű

műszaki polimerek I. PI PBI

PEEK PAI PPS


- 13 -

2.1.2. Főbb műszaki polimerek

Poliamidok (PA)

A poliamidok, amid (CONH) csoportból és a hozzá kapcsolódó metilén (CH2) csoport sorozatából állnak. Többféle poliamid létezik, amelyek abban különböznek egymástól, hogy hány szénatom van az alapszerkezetben a nitrogénatomok között. Általános tulajdonságait az alábbi tényezők határozzák meg: a metilén és amid csoport aránya és helyzete a molekula alapszerkezetben, a kristályosodási fok, és a kristály alak. Gépészeti szempontból jól használható anyagcsoport a poliamid, amely kedvező mechanikai tulajdonságokkal rendelkezik:

- nagy mechanikai szilárdság, merevség, keménység és szívósság - nagy kifáradási szilárdság - jó mechanikai csillapító képesség - jó csúszási, siklási tulajdonságok - nagy kopásállóság

Fő alkalmazási területeik: csapágyperselyek, támcsapágyak, vezetékek és kopólécek, görgők, kötélcsigák, fogaskerekek, fogaslécek, lánckerekek. [Kalácska et al., 1997] A legfontosabb poliamidok a következők:

- Poliamid 6: 1938 körül Németországban kaprolaktámból fejlesztették ki. PA 6 általános tulajdonságai: jó mechanikai szilárdság; kiváló kopásállóság, jó siklási tulajdonságok; az általánosan használt műszaki műanyagok között jó hőállóság; jó vegyszerállóság; nagy vízfelvétel (3-4%) és ennek következtében gyenge méretstabilitás.

- Poliamid 66: 1935 körül dolgozták ki az USA-ban, az adipinsav és a hexametilén-diamin felhasználásával. PA66 tulajdonságai hasonlítanak a PA6-éhoz. Hőállósága jobb, olvadáspontja magasabb. Húzószilárdsága, merevsége, méretstabilitása nagyobb. Vízfelvétele valamivel kisebb.

- Poliamid 11: Franciaországban fejlesztették ki az amino-undekánsav felhasználásával. PA 11 általános tulajdonságai: olvadáspontja 35-40°C-kal alacsonyabb, mint a PA 6-é, vízfelvétele sokkal kisebb mértékű, jó ütésállóságát -40°C-ig megőrzi.

- Poliamid 12: Németországban dolgozták ki, a laurillaktám alapon. A mechanikai jellemzői gyengébbek, mint a PA 6 anyagé, de kisebb vízfelvétellel rendelkezik. [Füzes et al., 1989]

- Poliamid 4.6: A poliamid 6 anyaghoz képest jobb a hőterhelhetősége, hőállósága.

A poliamidok a környezetből nedvességet vesznek fel. A nedvességet az amorf részek veszik fel vagy adják le. Ez megfordítható, teljesen hiszterézismentes folyamat. A felvett nedvesség az anyag tulajdonságaira kétféle módon hat. Egyrészt lágyít, ami a keménység, a szakítószilárdság és a rugalmassági modulus


- 14 -

csökkenésében, másrészt és a szakadási nyúlás és szívósság növekedésében nyilvánul meg. Továbbá növekszik a térfogat is. [Kalácska et al., 1997; Kozma, 1995]. Poliacetálok (POM) A jelenleg kapható poliacetálok formaldehid polimerizációjával készülnek, poliformaldehidek. A poliformaldehid lánc váltakozva oxigén és metilén csoportokból áll. Kétféle poliacetál létezik: a homopolimer és a kopolimer. A homopolimer gyártása kizárólag a formaldehid polimerizációján alapul. Az acetál kopolimer jobban ellenáll a magas hőmérsékletnek, az oxidációnak, valamint erős lúgoknak és a hidrolízisnek, mint a homopolimer változat. A homopolimernek viszont magasabb a kristályosodási foka, így nagyobb a mechanikai szilárdsága, merevsége, keménysége, kúszásállósága, kisebb a hőtágulása és gyakran jobb a kopásállósága. A POM fontosabb tulajdonságai:

- nagy szilárdság, merevség és keménység - jó folyási tulajdonság - jó fajlagos ütőmunka alacsony hőmérsékleten is - nagyon jó méretstabilitás - kiváló forgácsolhatóság - jó csúszási tulajdonság - fiziológiailag semleges

A leggyakoribb alkalmazási területek: kismodulú fogaskerekek, vezérlőbütykök, futómacskák erősen terhelt csúszó elemei, szelepülékek, különféle mérettartó precíziós alkatrészek a gép- és készülékgyártásban. [DeBruyne, 1995] Polietilén-tereftalát (PETP) Ez a polimer hőre lágyuló telített poliészter, amit tereftálsav és etilénglikol polikondenzációjával hoznak létre. Az anyag kedvező tulajdonságai miatt a műszeripar és az általános gépipar fontos szerkezeti anyaga. Fő jellemzői:

- nagy mechanikai szilárdság - jó folyási ellenállás - alacsony és állandó csúszó súrlódási tényező - nagy kopásállóság, nagyfokú mérettartás - fiziológiailag semleges - elhanyagolhatóan kis vízfelvétel

Alkalmazási terület: nagyterhelésű csúszóelemek, csapágyperselyek, támcsapágyak, vezetőelemek, finommechanikai mérettartó alkatrészek, fogaskerekek, görgők. [DeBruyne, 1995] Ultranagy molekulatömegű polietilén (UHMW PE) Az etilén polimerizációjakor, az alkalmazott eljárástól függően, egyenes láncú (kis nyomású eljárás) vagy többé-kevésbé elágazó láncú (nagy nyomású eljárás) polimer keletkezik. A nagy nyomású eljárással készített „kis sűrűségű


- 15 -

polietilén” anyag kristályosodási foka 40-55%, sűrűsége 0,915-0,93 kg/dm3. Főleg csomagoló anyagokat és háztartási eszközöket készítenek belőlük. A kis nyomású eljárással készült polietilén „nagy sűrűségű polietilén” kristályosodási foka 60-80%, sűrűsége 0,94-0,965 kg/dm3. A polietilének tulajdonságait nagy mértékben meghatározza sűrűségük, molekula tömegük, és a molekula eloszlás. A molekulatömeg növelésével javul az ütésszilárdság, a szakítószilárdság, a szívósság, a kopásállóság, és a repedés képződéssel szembeni ellenállás. Tulajdonságaik a kis sűrűségű polietilénekhez (LD PE) képest:

- sűrűségük, szilárdságuk, merevségük, mérettartósságuk kisebb - csillapító képességük jobb, nincs nedvességfelvételük - siklási tulajdonságaik kiválóak, alacsony a súrlódási tényezőjük - nagyobb abráziós kopásállóságuk, fiziológiailag semlegesek [DeBruyne, 1995].

1. táblázat Tipikus polimer alkalmazási területek [forrás: Juninall – Marshek, 2000]

Hőre lágyuló Hőre nem lágyuló

Felhasználási terület Pol

imer

ek

Pol

iace

tál

Cel

lulo

idok

Pol

iam

id

Poli

carb

onát

Pol

iész

ter

Pol

ietil

én

Pol

iim

id

Pol

ipro

pilé

n

Pol

iszt

irol

Pol

iure

tán

Pol

ivin

il-k

lori

d

Pol

ifen

ol

Pol

iesz

ter

Pol

iure

tán

Szerkezeti, gépészeti elemek kerék, bütyök, dugattyú, görgő szelep, lapátkerék, ventillátor, forgó rész, keverőlapát

X X X X

Kis terhelésű és díszítő elemek gomb, fogantyú, kamera táska csőszerelvény, akkutartó, autó kormány, burlolat, szemüvegkeret, kézi szerszám

X X X X

X

Kis házak és üreges formák telefon és kézilámpa foglalat, védőfelszerelés, védősisak, pumpa, apró alkatrész

X X

X

X X X

X

Nagy házak és üreges formák hajótörzs, nagy burkolatok tartály, edény, cső, hűtőbetét

hab

hab

hab

hab

+üv

eg-

szál

hab

Optikai és áttetsző részek biztonsági üveg, lencse, vandálbiztos üveg, hójáró szélvédő, jelzőberendezés, hűtőpolc

X X X

Kopásnak kitett alkalrészek fogaskerék, gyűrű, csapágy, csúszópálya, csúszóvezeték, csúszótalp, gördülőkerék, kopólemez

X X X

UH

MW

X X X


- 16 -

2. táblázat A vizsgált polimerek néhány anyagtulajdonsága [forrás: www.quattroplast.hu]

Tulajdonságok PA 6G PA 6G H PA 66 GF30

POM C PETP /PTFE

HD PE Textil- bakelit

Folyási feszültség [N/mm2] 80 85 185 70 75 19 80 Rugalmassági modulus [N/mm2]

3300 3300 10000 3000 2800 750 7000

Shore D keménység 83 83 85 83 82 62 - Olvadáspont [°C] 220 220 260 170 255 135 - Hővezetési képesség [W/mK]

0.23 0.23 0.24 0.31 0.28 0.42 0.2

Lineáris hőtágulási együttható [m/mK]x10-6 80 80 20 110 60 200 20-40

rövid idejű

170 170 200 140 180 120 Maximális alkalmaz- hatósági hőmérséklet [°C]

tartós használat 110 110 130 100 115 80

110

2.1.3. Polimerekre jellemző anyagtulajdonságok

A méréseimhez kiválasztott polimerek fontosabb anyagjellemzőit a 2. táblázat tartalmazza.

A fémek rugalmas-képlékeny viselkedésűek, azaz a terhelést növelve először csak rugalmas alakváltozás lép fel, majd a folyáshatárt túllépve jelenik meg a maradó jellegű képlékeny alakváltozás. Ezzel szemben a nagy molekulájú polimerek viszkoelasztikus viselkedést mutatnak, melyre jellemző, hogy alakváltozásuk három komponensre bontható. Ezek a pillanatnyi és késleltetett rugalmas, valamint a viszkózus jellegű maradó alakváltozások. Terhelés fellépése esetén a három komponens egyidejűleg jelentkezik, legfeljebb arányuk változik a terhelés függvényében. A késleltetett rugalmas és a maradó deformáció komponensek időfüggése miatt a polimerek feszültség-deformáció kapcsolata függ a terhelés időtartamától. Ez azt jelenti, hogy állandó terhelés mellett is időben változhat a feszültség és a deformáció mértéke. Az időt ebben az esetben hetekben, hónapokban, években mérik [Bodor – Vas, 2001; Pék, 2000; Németh - Marosfalvi, 2000].

Általános követelmény a gépalkatrészekkel szemben, hogy az időnként fellépő túlterhelés ne okozzon maradó alakváltozást vagy törést. A polimerek időfüggő mechanikai viselkedése elsősorban a kúszással és a feszültségrelaxációval jellemezhető.

A kúszás vizsgálatánál ugrásszerű feszültséggerjesztést alkalmazunk, és válaszként a kapott deformációt értékeljük. E vizsgálatok alatt lejátszódó terhelési és alakváltozási folyamatok jobban megközelítik a gyakorlatban végbemenő valóságos folyamatokat, mint a rövid idejű feszültség-alakváltozási vizsgálatoknál, ezért a mért eredmények reálisabb képet adnak az anyag szilárdságáról és


- 17 -

ridegségéről. A polimer próbatestet statikusan terhelve először gyorsan deformálódik a rövid idejű feszültség-alakváltozási görbe rugalmassági modulusának megfelelően, majd az alakváltozás lelassul és sokkal kisebb, valamint változó sebességgel halad tovább. Ha a terhelés elég nagy, az alakváltozás folyamatosan nő egészen a repedés megjelenéséig vagy a törésig. Ezt a jelenséget kúszásnak nevezik.

A feszültségrelaxáció az a folyamat, amelyben egy adott hőmérsékleten a deformált elemben az idő folyamán csökken a feszültség. A folyamat másik megnevezése a relaxáció [Kalácska et al. 1997]. A feszültségrelaxáció vizsgálatánál ugrásszerű nyúlásgerjesztést alkalmazunk, és a válaszként kapott feszültséget értékeljük.

Meg kell jegyezni, hogy az alakváltozóképességnek a (polimer) tribológiában jelentős szerepe van, a kopási eredményeket erősen befolyásolja [Eleőd et al. 2003]. Az érintkezési zóna rövid- és hosszú idejű deformációja a mérési eredményeket és az értékelés menetét befolyásolja.

Az egymással érintkező testek egy vagy több ponton érintkezhetnek egymáson. Az ideális geometriai alakzatok (sík, gömb, pont, egyenes) érintkezése során keletkező feszültségeket és az alakváltozásokat a Hertz elmélet írja le [Dowson, 1998]. Az ideálistól eltérő esetekben a Kragelszkij [1987] elmélet ad helyes megoldást. Az érintkezési pontokban, illetve azok környezetében az érintkező testek rugalmasan vagy maradandóan deformálódnak, tehát az érintkezés véges felületen jön létre. Mivel az érintkezési felületek a vizsgált test méreteihez viszonyítva kicsinyek, emiatt az érintkezés helyén és annak környezetében nagy feszültségek keletkeznek. Pontszerű érintkezés alakul ki gömb és sík, vonal menti érintkezés hengerpalást és sík valamint henger és henger között. Ez vizsgálatoknál azt jelenti, hogy a próbatestek gömbszerűek vagy henger alakúak, a koptató felület pedig sík vagy henger.


- 18 -

2.2. Polimerek gépészeti alkalmazása A műszaki gyakorlatban rendkívül sok helyen alkalmazunk polimer gépelemeket. Felhasználásuk rohamosan nő, sokkal gyorsabban, mint a hagyományos szerkezeti anyagoké, gyakorlatilag a műszaki élet minden területén használják őket. A szerkezeti anyagokon túl nagy mennyiségű műanyagot alkalmaznak az építészetben burkolásra és dekorációs elemekre is. A műanyag szerkezeti anyagok egyes területeken már régen kiszorították a hagyományos anyagokat. Például az építőipar és a gépjárműgyártás nagyon sok műanyagot használ fel, egyes iparágakban pedig egyáltalán nincs vetélytársuk (repülés, űrhajózás, hadiipar, sportszergyártás). E területeken a műanyagokat általában nem az alacsony ár teszi versenyképessé, hanem vagy a nagy termelékenységű feldolgozás, mint pl. a rövidszál-erősítésű műszaki műanyagok esetében vagy az egyedülálló műszaki jellemzők, amit jól példáznak a végtelenszál-erősítésű térhálós gyanta-kompozitok. Ez utóbbiak nagy előnye, hogy a kitűnő mechanikai tulajdonságokat nagyon kis tömeg mellett érik el, ami bizonyos felhasználási területeken egyáltalán nem közömbös (autóipar, repülés, sportszergyártás). A szerkezeti anyagokkal szemben támasztott követelmények egyre szigorúbbak, az adott alkalmazás körülményei között hosszú ideig kell betölteni funkciójukat. A szerkezeti anyagoknak általában merevnek, szilárdnak és ütésállónak is kell lenniük, és többnyire az alkalmazás hőmérsékleti tartománya is tág. Gyakran különleges jellemzőket is várunk tőlük, például égésgátoltnak, antisztatikusnak vagy elektromos vezetőnek kell lenniük. A merevség és az ütésállóság egymásnak ellentmondó tulajdonság, ezért nehéz egyidejűleg megfelelni mindkét követelménynek. A műanyagok közül ezeket az igényeket általában a heterogén polimer rendszerek elégítik ki. A töltőanyagot tartalmazó műanyagok, a polimer keverékek és a szálerősítésű kompozitok felhasználása még a műanyagokénál is gyorsabban nő. Ezeknek az anyagoknak a jellemzőit azonban önmagában az összetétel általában nem határozza meg, fejlesztésük komoly erőfeszítést igényel [Pukánszky, 2002]. A polimer gépelemek előállítására különböző technológiák állnak rendelkezésre. Egyedi és sorozatgyártású gépelemek előállításánál a forgácsolási, tömeggyártás esetén a fröccsöntési valamint az extrudálási technológiák a legelterjedtebbek.

2.2.1. Polimer gépelemek

Az egymáson elmozduló, elcsúszó gépelemek esetén előnyösen alkalmazhatjuk az acél és polimer anyagpárosítást. Ezen anyagpárosítás leggyakoribb formái a csúszó támaszok és siklócsapágyak. Itt a tengely acél vagy egyéb fém, a csapágypersely pedig különböző polimer lehet. Általában poliamid és


- 19 -

poliacetál termékek natúr és adalékolt változatait alkalmazzuk csapágyanyagként. A méretezési eljárások a szakirodalomban megtalálhatók. A számítások alapjául az a felületi terhelés és csúszási sebesség, valamint az adott polimerre megengedett pv érték szolgál. A polimer fogaskerekekkel a következő alfejezetben részletesebben foglalkozom. Polimer gépelemek használatának előnyei: Kis sűrűség; a műanyagok sűrűsége általában 0.8 és 2.1 kg/dm3 között van, ami megközelítőleg 1/6 része az acélénak. Így a műanyagok jól használhatók könnyű szerkezetek készítésére pl. a közlekedésben, mezőgazdaságban, repülő és autóiparban. Kenés nélküli üzem; megfelelő műanyag fogaskerekek önmagukkal vagy fémekkel párban is képesek kenés nélkül működni. Természetesen olaj vagy víz kenés használata esetén a műanyag kerekek élettartama megnőhet. Zajcsillapító hatás; a fém fogaskerekekkel szerelt hajtóművek zajszintje magas. Ezek a problémák megelőzhetők a polimer kerekek alkalmazásával. Mechanikai csillapítás; hajtóművek esetében számos probléma okozója lehet a terhelés lökésszerű változása, amelyek előfordulhatnak indításkor vagy kerék kapcsolás létrehozásakor. A polimer fogaskerekek a kisebb rugalmassági együtthatójuk és viszkoelasztikus viselkedésük miatt jobban csillapítják a lökésszerű igénybevételeket. Korrózióállóság; általában ellenállnak a légköri és kémiai korróziónak, így alkalmazhatóak agresszív környezetben is. Jó kopási tulajdonság; megfelelő anyagpárosítás esetén a kopási tulajdonságok kedvezőbbek lehetnek mint a fémek esetében. Kitűnő önthetőség; fémek esetében a forgácsolási technológiák meglehetősen lassú folyamatok. Polimerek esetén a gyártás könnyebben és gyorsabban megvalósítható fröccsöntési technológia alkalmazásával, melyet a tömeggyártásban sikeresen alkalmaznak. Használhatósági korlátok, hátrányok: Kisebb terhelhetőség; a legtöbb elterjedten használt műszaki polimer szakítószilárdsága, rugalmassági modulusa kisebb a fémekénél. Így kisebb terhelések esetén alkalmazhatók, egyébként a gépelemek méretei túlságosan megnőnének. Kisebb hőterhelhetőség; az olvadási hőmérsékletük általában 120°C és 325°C között mozog, és a maximális tartós alkalmazhatósági hőmérsékletük is alacsonyabb a fémekénél. Öregedés; a polimerek mechanikai tulajdonságai az idő függvényében változnak. Kisebb mérettartás; a hőtágulási együtthatójuk átlagosan 3-6 szorosa az acéloknak. Néhány polimer fajtának nedvességfelvevő képessége van (elérheti a 8% -ot), amely a méretek növekedéséhez vezet.


- 20 -

2.2.2. Polimerek a mezőgépészetben

A mai mezőgazdasági gépeken igen széles körben alkalmaznak polimer

gépelemeket. A kezdeti felhasználások során úgynevezett másodlagos feladatok ellátására használták azokat, mint burkolatok, fogantyúk és belső díszítőelemek. Az utóbbi évtizedekben már a korszerű gépeken egyre nagyobb számban jelennek meg a különböző polimerekből készült gépelemek, amelyek már szerkezeti funkciót is betöltenek. Ilyenek lehetnek a fogaskerekek, szíjtárcsák, támasztógörgők, különböző csúszólemezek és siklócsapágyak.

A műanyagok mezőgazdasági felhasználása aránylag rövid múltú. Az első alkalmazási kísérletek a fejlett ipari országokban indultak meg az 1950-es évek elején. Kialakultak a jellegzetes műanyag-alkalmazási módok, többek között a fóliaborítású növényházak különböző típusai, a fólia alagutak és fólia sátrak, a váz nélküli fólia alatti termesztés, a talaj közvetlen takarása fóliával, a termények, gépek fóliás védelme, fóliaborítású silók használata; fóliák, tömlők és csövek alkalmazása az öntözés és a vízgazdálkodás területén, a műanyagok hasznosítása csomagolási célra, valamint a talajjavításban, a mezőgazdasági építészetben és gépgyártásban. Hazánkban az első műanyag felhasználási kísérletek az 50-es évek végén kezdődtek a kertészeti növények termesztésében. Ezeket a kísérleteket részben a hazai műanyagipar termékeivel, részben külföldről importált műanyag fóliákkal végezték. Jól szemlélteti a polimerek mezőgazdasági alkalmazásait és helyzetét - főleg a PVC, PE és PP esetében - Magyarországon Horánszky et al. összefoglaló könyve. A mezőgazdaságban használt műanyagok alkalmazás szerinti csoportosítására mutat példát a 2. ábra. A mezőgépészetben tribológiai és gépészeti szempontok alapján 3 fő területet lehet megkülönböztetni:

- mezőgazdasági termények és gépalkatrészek kapcsolata - mezőgazdasági gépalkatrészek, gépelemek egymás közti tribológiai és

mechanikai rendszere - talajművelő eszközök és a talaj kapcsolata

A termények károsodását a betakarítási és anyagmozgatási folyamatokban

több tényező határozza meg (pl. gépbeállítás, erőhatások... stb.), ezen belül a szakirodalom a súrlódás és kopás eredetű tönkremenetel arányát rendszerfüggően 20-60% között említi. A terménnyel érintkező anyagokat úgy kell megválasztani, hogy azok jelentős károsodást ne okozzanak a terményben. Ilyen megoldás lehet, hogy a fém csúszólemezek felületét különböző polimer bevonatokkal látják el, vagy polimer lemezt rögzítenek a felületére. Így a termény nem közvetlenül a kemény fémmel érintkezik, hanem a rugalmasabb műanyaggal, amely kisebb súrlódással rendelkezhet és kevésbé koptatja, károsítja a termény felületi rétegeit.


- 21 -

2. ábra A mezőgazdaságban alkalmazott műanyagok csoportosítása [Pálinkás, 2002]

A magyar mezőgazdaságban nagy számban használnak különböző típusú és

gyártmányú kombájnokat. Számos esetben a kombájnoknál a szalmarázó ládák könyökös tengelyeinek csapágyazásánál önkenő, ragasztott farétegekből készült facsapágyat alkalmaznak. A faanyagok siklócsapágyként való alkalmazása annak köszönhető, hogy: egyszerű a megmunkálásuk, kellően kopásállóak és az önkenő szerkezet megvalósítható. Hátrányos tulajdonsága viszont a rossz hővezetés, a kis keménység, az alacsony mechanikai szilárdság és nedves állapotban a vetemedésre való hajlam. A betakarító gépek esetében a kis siklási sebességű helyeken alkalmazhatók a polimer gépelemek. Jellemző munkakörülmény az erős abráziós hatás. Több kutatás is bizonyította, hogy abráziós közegben a polimerek alkalmazása előnyös lehet, és a polimer gépelemek hosszabb élettartammal rendelkezhetnek. Az egymáson elmozduló polimer gépelemek kenése sok esetben nem szükséges, így számos környezetvédelmi probléma elkerülhető a kenőanyagok mellőzésével. Polimer siklócsapágyakat alkalmaznak a motolla lécek megtámasztására, görgőket


- 22 -

a vezérlésnél és újabban a fogak is készülhetnek műanyagból. A termények terelésére, egyes esetekben a szalmalazító ujjak támasztására is használnak már műanyagokat.

A talajművelő eszközök esetében a talaj és acél közötti tapadó képesség, a talaj csúszása és súrlódása, koptató hatása acél felületen nagy gyakorlati és elméleti jelentőségű a talajmegmunkáló gépek tervezésénél, üzemeltetésénél és javításánál. Több szakirodalmi tanulmány készült e témakörben, melyek egyértelműen bizonyítják, hogy a talaj külső súrlódásának legyőzéséhez a talajmegmunkáló gépek munkavégző részeinél a teljes energiának 30-40, sőt bizonyos esetekben 60-80%-a fordítódik, ami végeredményben aktív koptatási munkává alakul a fémek felületén. Az ekék vontatási ellenállását nagymértékben befolyásolja a kormánylemezek alakja és anyaga. Az acél kormánylemez feltalálása óta számtalan próbálkozás ismeretes, amely új anyagok (pl. disznóbőr bevonat, olajjal átitatott fa, gumigörgő, teflon, kerámia) felhasználásával kívánta a súrlódási ellenállást csökkenteni. [Horánszky et al., 1979]. A műanyag kormánylemezek kopásállósága nem éri el az acélokét, ellenben nagy előnye, hogy kedvezőtlen talajviszonyok mellett is el lehet végezni a munkát, és ez kisebb energiaráfordítással jár.

2.2.3. Polimer fogaskerekek sajátosságai

A mechanikus hajtások között leggyakrabban a fogaskerékhajtásokkal

találkozhatunk, amelyek felhasználási területe igen széleskörű. A hajtástechnikában alkalmazott fogaskerekek méretei, anyaga, kialakításai függnek a hajtásrendszer jellemzőitől (teljesítmény, hőmérséklet, esetleg élelmiszerhigiénia). A kisebb terhelés átvitelére egyre növekvő mértékben alkalmaznak különféle műszaki polimerekből előállított fogaskerekeket, amelyekkel helyettesítik a hagyományos szerkezeti anyagokat. Az így létrehozott polimer-acél tribológiai rendszerek a felületek között ébredő fémes adhézió elkerülésének egyik lehetőségét jelentik. További előnyük a fémekkel szemben, hogy külső kenés nélkül is működhetnek, zajszintjük alacsonyabb, kiváló a mechanikai csillapításuk, kicsi a tömegük. Mindezek elősegíti a műanyag fogaskerekek felhasználását. Az egymással kapcsolódó fogaskerekek fogai között csúszva gördülő súrlódás alakul ki. Ez egyszerűen a következőképpen értelmezhető. Ha két fog érintkezése megindul, akkor először a hajtófog töve érintkezik a hajtott kerék fogának fejcsúcsával. Ezt követően a két fog oldalai egymáson csúszva gördülnek. A csúszás értéke a fogak érintkezésének kezdeti és végső pillanatában a legnagyobb, és közben 0 értékű akkor, amikor a kapcsolóvonal eléri a gördülőkört, és a csúszás iránya a gördülőkörön áthaladáskor megfordul. Terhelésmentes állapotban vonalmenti az érintkezés, a terhelés hatására az érintkezési hely rugalmasan deformálódik és a terhelés nagyságától függő felületi érintkezés alakul ki.


- 23 -

Az itt fellépő tribológiai folyamatok törvényszerűségeinek ismerete elengedhetetlen, mivel az egymáson csúszó és gördülő elemek érintkező felületein keletkező súrlódás és kopás, valamint azok irányítása, kenése döntő mértékben meghatározzák a fogaskerék kapcsolatok működését és a hajtás energetikai viszonyait. A fogazatok geometriai méreteinek meghatározásához szükséges szilárdsági és tapasztalati összefüggések a szakirodalomban rendelkezésre állnak (Lewinsky, Hertz egyenletek), de a fogkapcsolódás során lejátszódó tribológiai folyamatok és hatások pontos feltérképezése és összehasonlítása a műszaki műanyagok esetében még nem megoldott, nincs irodalmi adat, vagy anyagkiválasztási segédlet. A kenőolajok értékelésére általában két fogaskerék hajtóműből álló, belső nyomatékkal előfeszíthető, zárt hajtásláncú (pl. FZG) berendezéseket használnak, amelyet kívülről csak a súrlódási nyomatéknak megfelelő nyomatékkal kell hajtani. A legtöbb ilyen készülék egyenes fogazatú hengeres fogaskerekeket tartalmaz, így ezekkel a készülékekkel a fogaskerekek kopásvizsgálata is megvalósítható.

Bár az első fogaskerekek fából készültek, később szinte kizárólag fém fogaskerekeket használtak. A műszaki polimerek elterjedése óta az egyes felhasználási területeken számos fogaskerék, elsősorban a hajtott nagykerék készül különböző alapanyagú, összetételű és erősítésű polimerből. Felhasználási területük szélesedik, mennyiségük tovább nő.

A műszaki műanyagokból kis méretű nagy terhelésű fogaskerekek nem készíthetők, mivel szilárdságuk kisebb, mint a fémeké. Elsősorban olyan helyeken terjedtek el, ahol teherbírásuk elegendő és más előnyös tulajdonságai is fontosak:

- bolygóhajtások belső fogazatú kereke (önindítók) - hullámhajtások hullámkereke - ahol nagy a csúszás, de kicsi a felületi nyomás

A gyakorlati tapasztalatok azt mutatják, hogy a Lewis képlet [DSM EPP

Technical Manual, 1999] használható a megengedett átvihető teljesítmény meghatározására a fogtőfeszültség alapján:

Pm y b d n f f

1 2

66 10

[kW] (1)

ahol: m - modul [mm] y - fogalak tényező (2. melléklet) b - teherviselő fogszélesség [mm] d - osztókör átmérő [mm] = m·z z - fogszám n - fordulatszám [ford/min]

f1 - sebesség tényező = 0 75

10 25

,,

v


- 24 -

v - kerületi sebesség az osztókörön [m/s] - megengedett fogtőfeszültség [N/mm2] (2. melléklet) f2 - üzemtényező (2. melléklet)

A leírt számítási módszerrel kapott teljesítmény ill. a számításhoz használt

tényezők tartósan, teljes terheléssel üzemelő fogaskerekekre érvényesek. A gyakorlatban tervezéskor célszerű figyelembe venni, hogy a fogaskerekek nagy része szakaszos üzemmódban, a megengedett maximálisnál kisebb terheléssel működik, és az átvitt legnagyobb teljesítmény is kisebb, mint pl. a hajtómotor névleges teljesítménye.

A legtöbb gépben használt fogaskerekek üzemi körülményeit igen nehéz matematikai formulával figyelembe venni, ezért célszerű üzemi kísérletet végezni és annak alapján dönteni a műanyag fogaskerék használhatóságáról.

A csendesebb futás érdekében a fém fogaskerekeket gyakran készítik ferde fogazattal. A csendesebb üzem olcsóbban elérhető, műanyag hengeres fogaskerekekkel, ha szilárdságuk megfelelő. A műszaki műanyagok rendkívül jó mechanikai csillapító képessége biztosítja a csendes üzemet. Amennyiben ferde fogazatra, vagy kúpfogaskerékre van szükség, a leírt számítási módszer kisebb módosítással használható [Kalácska, 1997].

Csigahajtásokban használt műszaki műanyag csigakerekek méretezése igen bonyolult, mert nagy a csúszás a csiga és a csigakerék fogak között. Ennek eredménye, hogy a viszonylag kis terhelés és kerületi sebesség mellett is nagy a hőmérséklet és viszonylag nagy a kopás.

A fogtőfeszültség csökkentése érdekében, a fogtő lekerekítési sugarának értéke legalább 0,2modul. Ellenkező esetben az éles sarok miatt nagyon magas helyi feszültségcsúcs alakul ki, ami kedvez a repedés kialakulásának és tovaterjedésének.

Vízben, vagy nagyon nedves körülmények (RH>80%) között futó fogaskerekek készítésére a kis nedvesség felvételű műanyagok pl. POM, PETP alkalmasak. A maximális átlaghőmérséklet ez esetben a 70C-ot nem haladhatja meg [DSM EPP Technical Manual, 1999].

A fogaskerekek kapcsolódásánál a terhelési és geometriai adatok ismeretében a kapcsolódási pontban ébredő fogerő számítással meghatározható. Ez alapján a tengelyek csapágyazását terhelő erők is számíthatók. Ez az egyszerűsített módszer látható a 3. ábrán [R. Thibaut, 1973], amely azonban nem veszi figyelembe a súrlódás hatását, ezáltal a valós működés során más terhelések ébrednek.


- 25 -

3. ábra Egyenes fogazatú hengeres fogaskerékpár fog- és csapágyerői, a súrlódás figyelembevétele nélkül [R. Thibaut, 1973]

Két fogaskerék kapcsolódásakor a foghézag helyes megválasztására ügyelni

kell. A fémeknél nagyobb hőtágulási együttható, valamint az esetleges nedvesség felvétel miatt a műanyag fogaskerekekhez nagyobb foghézagot választanak, mint a fém fogaskerekeknél. A fémeknél általában a fejhézag (0,16-0,25)·modul, a foghézag (0,03-0,05)·modul. Ehhez képest a műanyagoknál a gyártás vagy szerelés során nagyobb foghézagot kell létrehozni. A szerkezet kialakításától függően ez két módszerrel érhető el:

Állandó tengelytávolság esetén

A kerekek gyártásakor az elméleti fejkör átmérőt csökkenteni kell dk értékkel (4. ábra), amely a kerekek átmérő növekedését veszi figyelembe az adott körülmények között. A fogmagasság üzem közben azonban az elméleti értéknél ne legyen kisebb.


- 26 -

4. ábra Néhány fontosabb műanyag méretváltozási tényezője különböző körülmények esetén [Kalácska, 2007]

:üzemi átlagos fogaskerék-hőmérséklet 50C : üzemi átlagos fogaskerék-hőmérséklet 70C : üzemi átlagos fogaskerék-hőmérséklet az anyagra megengedett érték

Állítható tengelytávolság esetén:

A kerekek az elméleti geometriai méretekkel készülnek el, de a

középpontjuk távolságát (tengelytáv) növelni kell „a”-val: - fém/műanyag párosításnál

adk

2

[mm] (2)

- műanyag/műanyag kombinációnál

ad dk k

1 2

2 [mm] (3)

ahol: a - tengelytávolság növelés dk - átmérő növekedés, értéke a 4. ábrából választható ki.


- 27 -

2.3. Tribológia alapjai A tribológia eredete elválaszthatatlan az ember által készített eszközök, gépek történeti fejlődésétől. A régészeti kutatások által feltárt, ember által készített legkorábbi súrlódó elempárnak tekinthető ajtónyitó pántok i.e. 7000-ből Asszíriából származnak. Ezektől a fából és kőből készült csukló elemektől hosszú út vezetett napjaink korszerű súrlódó berendezéseihez, amelyek az űrkutatástól kezdve a nanotechnológiáig, az iparnak és a mindennapi életnek egyaránt velejárói. A folyamatos fejlődés eredményeképpen mind újabb anyagok és konstrukciók jelentek meg a tribológiai alkalmazásokban, és felmerült a tudományos igényű magyarázata és vizsgálata is a súrlódási és kopási folyamatoknak, amelynek első tudománytörténeti emléke Leonardo da Vinci nevéhez fűződik, akinek súrlódásról és kopásról szóló tanulmányai a XV-XVI. század fordulóján úttörő munkaként nyitottak utat a további kutatásokhoz [Kozma, 2001]. A tribológia fejlődésével párhuzamosan, a kapott eredményekre támaszkodva, természetes igényként merült fel, hogy a szerkezetek megbízhatóságát és élettartamát növeljék, és ezeket nagyrészben a súrlódás és kopás csökkentésén keresztül érjék el. Az egymással kapcsolatban lévő gépelemek működés közben érintkező felületükön rendszerint erőt adnak át. Ha az erő átadásakor az érintkező elemek egymáshoz képest nyugalomban vannak, de fellép az érintkező felületekkel párhuzamos erő összetevő is, az elmozdulást a két test között ébredő súrlódás (nyugalmi súrlódás) akadályozza meg. Amikor a terhelt felületek egymáson elmozdulnak, közöttük súrlódás ébred (mozgó súrlódás), ami energia veszteséget, melegedést okoz, emeli a testek hőmérsékletét és azon keresztül, közvetve, korlátozza az átvihető teljesítményt.

A súrlódásból eredő igénybevétel koptatja a felületeket, ami hatást gyakorol a szerkezet működőképességére, korlátozza teherbírását és élettartamát.

A súrlódás és kopás hatékony irányításának eszköze lehet a kenés, ahol megfelelő eszközök, a kenőberendezések, időnként vagy folyamatosan kenőanyagot juttatnak a súrlódó felületek közé, módosítva a kialakuló súrlódás és kopás nagyságát, növelve a szerkezet teherbírását, élettartamát és működésének megbízhatóságát.

A súrlódás és kopás rendkívül bonyolult folyamat, amelyekre hatást gyakorol pl. az érintkező testek kialakítása, anyaga, felületének minősége, fizikai és kémiai tulajdonságai, kenése és kenésállapota, a szerkezet mozgásviszonyai, terhelése, sebessége, a hőleadás körülményei, a környező közeg tulajdonságai, hőmérséklete, szennyezettsége. A súrlódás és a kopás ezért nem tekinthető csak két érintkező anyagpár jellemzőjének, mert azok mindig az adott körülmények között üzemelő súrlódó szerkezethez (tribológiai rendszerhez) tartoznak, amelyet az anyagpáron kívül meghatároznak a fent említett paraméterek is.


- 28 -

A tribológiai rendszer (5. ábra) viselkedésének meghatározása, a benne lejátszódó súrlódási és kopási folyamatok irányítása rendkívül összetett, mert egyrészt nagyon sok a rájuk hatást gyakorló tényező, másrészt működés közben a súrlódás és kopás megváltoztatja a rendszer szerkezetét, ami visszahat e folyamatokra. A rendszer viselkedését ezért különböző szintű kísérleti tribológiai vizsgálatokkal célszerű meghatározni.

A száraz súrlódásnak a 6. ábrán bemutatott tribológiai triplet modelljét Godet [1980] harmadik test elméletére támaszkodva Berthier [2001] dolgozta ki.

A felületközeli réteg lokális alakváltozóképességének kimerülése után a felületek degradációja következtében, a felületekről részecskék válnak le. A részecske az a legkisebb anyagmennyiség, amely a súrlódási igénybevétel hatására egyben válik le a felületről. Ez a részecskeleválás képezi a harmadik-test belső forrását. A súrlódó felületek közé kívülről is kerülhetnek egyrészt már korábban levált részecskék, másrészt szennyező illetve a súrlódási folyamatot módosító részecskék. A levált részecskék egy része a súrlódási folyamat során kiléphet a felületek közül. A súrlódás környezetét elhagyó részecskék közül, amelyek ismét visszakerülnek a

5. ábra Elemi tribológiai rendszer [Valasek et al., 2002]

6. ábra A száraz súrlódás modellje és a harmadik-test körforgása [Berthier, 2001]

alaptest

ellentest közbenső anyag

környezeti közeg

Tribológiai rendszer szerkezete

Felszíni változások (kopás megjelenési formák)

Anyagveszteség (kopás – méretnagyság)

Jellemző kopásnagyság

Komplett igénybevétel


- 29 -

felületek közé, a harmadik-test külső forrását bővítik. A részecskék visszaépülése az a jelenség, amelynek eredményeként a kopásnyom a súrlódás során részben visszatöltődik, alakja eltér az elméleti geometriájú alaktól. Más részük viszont kopadék formájában végleg elhagyja a súrlódási rendszert. Ez utóbbi jelenti a súrlódási rendszer kopását. Száraz súrlódásnál hamar kialakul egy állandósult állapot („steady state” állapot), ami része a felületek alkalmazkodási mechanizmusának. Berthier kutatásai alapján az állandósult állapotra jellemző, hogy:

- a súrlódási tényezőt a harmadik-test reológiája (képződési és viselkedési mechanizmusa),

- a kopás mechanizmusát a harmadik-test folyama (third-body flow) határozza meg.

Godet [1984] az első testek azon felületeit, ahonnan a részecskék leválnak, „tápláló” zónáknak, míg Berthier a harmadik test belső forrásainak nevezi. Fontos ezen területek működési mechanizmusának ismerete, mert feszültségi, hőtani és más egyéb szempontból közreműködnek a harmadik test kialakításában. A részecskeleválás mechanizmusa sokféle lehet. Felismerték [Linck, 2003], hogy a letöredezett részecskék méretük és alakjuk szempontjából valamint szerkezetük és ezzel összefüggésben mechanikai jellemzőik szempontjából is jelentős változásokon mennek keresztül.

2.3.1. Súrlódás

A súrlódás elmozdulást vagy mozgást gátló hatás, amely két test közös érintkezési felületén, és részben az anyag belsejében alakul ki. Különböző súrlódási formákat különítenek el:

- a megjelenés helye szerint külső és belső súrlódást, - a mozgásforma szerint csúszó és gördülő súrlódást, - a mozgásállapot szerint nyugvó és mozgó súrlódást, - a kenésállapot szerint száraz, határ, vegyes és folyadék súrlódást.

A belső súrlódás áramló közegben vagy maradó alakváltozást szenvedő szilárd testekben alakul ki és hőfejlődéssel, hőmérséklet emelkedéssel jár. Súrlódó szerkezetek esetén a belső súrlódásnak gyakorlatilag csak a hatékony folyamatos kenéssel működő szerkezeteknél van jelentősége, ahol a kenőanyag teljesen elválasztja az érintkező szilárd testeket egymástól, és a súrlódás a két test közötti kenőanyagfilmben alakul ki. A külső súrlódás a szilárd testek között az érintkező felületükön kialakuló kölcsönhatások eredménye, ami vagy megakadályozza az egymáson való elmozdulásukat, ez a nyugalmi súrlódás, vagy elmozdulás közben ellenállást fejt ki, ez a mozgó súrlódás, ami nemcsak energia veszteséggel, hőfejlődéssel jár, hanem gyakran anyagveszteséget, kopást is okoz. A kopás mindig a súrlódás miatt, a súrlódás közben keletkező igénybevételek hatására alakul ki. Ennek ellenére


- 30 -

gyakran nincs a súrlódás és a kopás nagysága között szigorú összefüggés, ezért nem szabad az egyik nagyságából közvetlenül a másikra következtetni. A műszaki gyakorlatban a külső súrlódás jelentősége a legnagyobb, melynek kialakulását és törvényszerűségeit rendkívül nagy mértékben befolyásolja a szilárd testek érintkezésének jellege, az érintkezési felületükön kialakult felszíni rétegek és bevonatok szerkezete, azok geometriai, fizikai és kémiai tulajdonságai. [Kalácska et al., 1997; Kozma, 2001] Az első súrlódással kapcsolatos törvények feltárása Leonardo da Vinci nevéhez köthetők, aki felismerte hogy a terhelőerő és a súrlódási erő között összefüggés van [Bhushan – Gupta, 1991].

A külső súrlódási ellenállás nagyságát első megfogalmazásban Amonton adta meg [Dowson, 1998], amely összefüggés még ma is igen jól használható. Az ismert Coulomb-féle súrlódási törvény: ns FF

Vagyis a súrlódási erő (Fs) arányos az egymáson elcsúszó felületekre merőleges erőhatással (Fn), és az arányossági együttható a súrlódási tényező (μ). A szakirodalomban sok összefoglaló táblázat létezik a jellegzetes anyagkapcsolatok súrlódási tényezőire, bár a súrlódó rendszer jellemzőit ritkán közlik. A 7. ábra egy olyan összefoglalást mutat, ahol a nyugvó- és mozgásbeli súrlódást is megkülönböztetik.

Tapadó súrlódás Több irodalmi megközelítése is van a tapadó súrlódásnak. Egyik értelmezés szerint a nyugalomban lévő testek esetén az F mozgató erő ellen hat az Fs0 nyugalmi súrlódási erő. A μs tapadási súrlódási tényezőt a csúszó súrlódási tényezőhöz hasonlóan, kísérletileg határozzák meg. Értéke általában nagyobb, mint a μ csúszó súrlódási tényező, mert a testek egymáshoz való tapadásakor az érdes felületek mintegy nagyobb mértékben „összehegednek”, mint csúszás közben. A mozgás megindulásának határhelyzetére, a nyugalmi állapotra az Fs≤μs·Fn összefüggés érvényes. Számos tanulmány mutatja, hogy a tapadó súrlódási tényező értéke függ az anyagtulajdonságoktól, a felületektől, a terheléstől, a környezeti hatásoktól, legfőképp a hőmérséklettől és nem utolsó sorban a kenéstől (7. ábra). Fontos tényező még az érintkezési idő nagysága is [Habib, 2006]. Fernando és Barrau [1997] megállapította, hogy az érintkezési idő növekedésével a súrlódási tényező értéke is növekszik. A felületi terhelés és a felületi érdesség hatását vizsgálta különböző hőre lágyuló polimeren (UHMW-PE, PA 66, POM) Benabdallah és Yelle [1991]. Az ő véleményük szerint a felületi terhelés és a felületi érdesség növekedésével a tapadó súrlódási tényező értéke csökken.


- 31 -

7. ábra Súrlódási tényezők nagysága [Bushan, 2000] A 8. ábra szemlélteti a súrlódási tényező változását a terhelés változásának hatására [Williams, 1994]. A terhelés növelésével az acélon csúszó polimerek súrlódási tényezője nem egyenes arányban változik, az ábrában jól kivehetők a lokális maximum értékek.

JÉG ––––––––––– 0ºC -12ºC -70ºC

μ= 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

0ºC -80ºC μs

olajban száraz

száraz μs~μk polimer és fém közt

bőr

PTFE PE

kis sebességen

KÜLÖNBÖZŐ SÓK KUPLUNG ÉS FÉK ANYAGOK

MŰANYAGOK –

μ= 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0

SZILÁRD KENŐ- –––– ANYAGOK

KENT ____ RENDSZEREK GYÉMÁNT ______ ZAFÍR KERÁMIÁK ––––––

ÜVEGEK ––––––––

FÉMEK ––––

GUMIK GUMIKÖPENYEK

száraz PA 66, kis sebesség, magas hőmérséklet

száraz PP kis sebességen nedves vagy száraz PTFE nagy sebességen

PE nagy sebességen száraz PMMA, PVC, PS nagy sebességen

grafit és fém közt nagy terhelés

semleges gázban

MoS2 és fém közt nagy terhelés alacsony hőm.

500ºC felett levegőn 1000ºC vákuumban

ÁSVÁNYOK ––––––

LAZA TALAJOK –––

a súrlódás az üzemi rendszertől függ

μs nyugvó surlódási tényező a vonal felett ábrázolva μk mozgásbeli surlódási tényező a vonal alatt ábrázolva

Ahol a növekvő sebességgel csökken a μ, súrlódási instabilitás és stick-slip veszály áll fenn.

olaj kenésű siklócsapágyak, alacsonyabb μ értékek kis terhelés és folyamatos kenőfilm esetén

gyémánt és zafír önmagukon

zsírkenés | levegőn | vákuumban

polírozott

Rideg anyagoknál a felületi sérülések gyakran növelik a súrlódást, de a kopási részecskék beágyazódása csökkentő hatást is kifejthet.

μs fém vagy üveggömb üveg síkon

közeg: zsírsav lágy fém film kemény fém

magas siklási sebesség

súrlódási félkúpszög tangense

μs tiszta fém önmagukon nagy terhelésen (szerszám) (lágy) (ausztenites) acélok

μs fémek száraz acélonCuPb ötvözetek

foszfor- bronz Pb bázisú fehérfém és szürke öntöttvas

Sn bázisú fehérfém

μ értéke különböző fémeknek önmagukon

μk a legtöbb fémre μs Cr, Cd μs Ag,Al,Cu,Fe,Pb,Pt

μs wolframkarbid önmagán, és minden fém magas hőmérsékleteken

20ºC levegőn 20ºC vákuumban 450ºC 700ºC

<vizes út, nagy sebesség, mély víz száraz út

gumiköpeny száraz út

Tiszta üveg és lágy gumi között μ értéke: 4 – 10


- 32 -

Száraz csúszó súrlódás A csúszó súrlódás jelensége a csúszás megindulása utáni mozgásállapot jellemzője. A jelenség magyarázatára több irodalmi megközelítés is létezik, a leginkább elfogadott elméletek a következők.

Az úgynevezett „adhéziós nyírás elmélet” Bowden és Tabor [Bowden- Tabor, 1964] magyarázata a csúszó súrlódási folyamat leírására. Az adhéziós nyírási elméletnél a súrlódási ellenállás abból adódik, hogy a nyíróerő elszakítja az érintkező felületek közti kapcsolatot. A 9. ábra szemlélteti, hogy a valóságos érintkezési felület A=ai lényegesen kisebb, mint a látszólagos érintkezési felület A0. Az apró felületek (a1, a2…ai) p normál terhelés hatására alakulnak ki, és ezek összege lesz a valóságos érintkezési felület. Az A és B testek egymáson történő elmozdulása csak akkor történhet meg, ha ezeken az apró érintkezési felületeken kialakult kapcsolatok elnyíródnak. Amikor a felülettel párhuzamos erőhatás legyőzi

8. ábra PA 6/acél súrlódási tényező értékének változása a terhelés függvényében, különböző sebességeken (Ra=0,8) [Williams, 1994]

9. ábra Csúszó érintkező felületek makroszkópikus metszete [Yamaguchi 1990]


- 33 -

a tényleges érintkezési felületen kialakuló adhéziós kapcsolatok nyírószilárdságát, és a benyomódott érdesség csúcsok ellenállását, a két test egymáson elmozdul, mozgó súrlódás alakul ki. Szilárd testek csúszásakor a súrlódási erőt gyakorlatilag ez a két hatás hozza létre: az adhéziós kapcsolatok által kifejtett ellenállás, és a deformációs hatás. Ebből adódóan a súrlódási ellenállás FS (mozgási ellenállás az érintkezési felületen) az adhéziós nyírási ellenállások (Fny) és a deformációs ellenállások (Fd) összege [Yamaguchi 1990]:

dnys FFF (4)

Fémeknél és polimereknél a valóságban nagyon kis terhelések esetén, a Fs≈Fny, mivel az Fd nagyságrendekkel kisebb mint Fny, így a következő összefüggés írható:

AFs (5)

ahol: A - a valóságos érintkezési felület [mm2] τ - az érintkező anyagok nyírási ellenállása [N/mm2].

A valóságos érintkezési felület (A) általában a következőképpen számítható:

mpkA (6) ahol: p - a felületi nyomás [N/mm2]

k, m - állandók, értékük az anyagoktól függ.

Ez a megközelítés összhangban van Kragelszkij korábban publikált súrlódási elméletével is [Kragelszkij-Mihin, 1987]. Kis terhelési tartományban az érdesség csúcsok alakváltozása rugalmas, benyomódásuk az ellenfelületbe jelentéktelen, ezért a súrlódást főleg az adhézió okozza. A terhelés növelésével a tényleges érintkezési felület és a barázda keresztmetszet növekszik, ezért a deformációs összetevő részaránya erősen növekszik. A két összetevő arányát a 10. ábra szemlélteti.

10. ábra A súrlódási erő összetevőinek változása a terhelés függvényében [Kozma, 2005]

A valóságos érintkezési felület meghatározását ideális geometria esetén a Hertz rugalmassági törvények és a Meyer törvények teszik lehetővé. Két egymással szemben forgó henger közti súrlódási tényező értéke a Hertz törvények alapján a következő összefüggésekkel határozható meg [Yamaguchi, 1990; Anton van Beek, 2006]:


- 34 -

az érintkezési felület szélessége (b):

El

RF22b

(7)

ahol: R’ - egyenértékű sugár [mm] F - terhelőerő [N] E’ - egyenértékű rugalmassági modulus [MPa] l - érintkezési hossz [mm]

a súrlódási tényező:

F

lb2 (8)

ahol: τ - nyírási feszültség [MPa] Akadozó súrlódás (stick-slip) Ha a súrlódó felületek egyike bizonyos fokú elasztikus szabadsággal rendelkezik, akkor az egyenletes sikló mozgás helyett akadozó csúszás jön létre, amelynek során a tapadási és csúszási intervallumok periódikusan váltják egymást. A tapadás a súrlódó felületek közötti nagyobb, μs statikus súrlódás, a csúszás folyamán a kisebb, μk kinematikai súrlódás miatt jön létre. Ezt a mozgásformát először Bowden és Leben tapasztalta 1937-ben [Valasek, Szota 2002]. A műszaki gyakorlatban valamennyi csúszó-súrlódó gépelem esetében meghatározott körülmények között megvan annak a lehetősége, hogy kialakuljon az akadozó csúszás jelensége. Az ilyenkor fellépő súrlódási lengések a műszaki gyakorlatban hátrányosak, mert a súrlódó gépelemek vezérelhetőségét, üzembiztosságát rontják, kiszámíthatatlanná teszik a súrlódási utakat, fokozzák a kopást, és zavaró zajjal járnak.

11. ábra Két henger érintkezése [Yamaguchi, 1990]


- 35 -

Gördülő súrlódás Szabályos forgástest alakú elemek gördülésekor fellépő súrlódás a szilárd

testek között kialakuló száraz súrlódáshoz képest általában egy-három nagyságrenddel kisebb. A gördülő súrlódás alatt a mozgást az érintkezési felületen kialakuló relatív elcsúszások okozta csúszó súrlódás, valamint a felszín alatti anyagrétegekben keletkező belső súrlódási veszteségek akadályozzák. Súrlódásból adódó felületi hőmérséklet változása A két érintkező testnél az egymáson való elmozdulás során a mechanikai energia átalakul alakváltozási energiává és hőenergiává, amelyek az érintkező testek hőmérsékletének növekedését eredményezik. A energiaátalakulási mechanizmusra különböző összefüggéseket találunk a szakirodalomban a csúszási körülményeknek megfelelően, azonban az energiaátadás helye általában nem határozható meg pontosan [Bhushan et al., 2000]. A súrlódási folyamat során keletkező hő a valóságos érintkezési felületen koncentrálódik. Néhány kutató szerint ez a folyamat atomi méretekben keletkezik az érintkezési felület néhány felső atomsíkjában [Landman et al., 1993], azonban egyes kutatók szerint a legtöbb energiaátadás a test érintkező részén keletkezik a rugalmas deformációs folyamat során [Rigney and Hirth, 1979]. Gyakorlati tapasztalatok azt mutatják, hogy a energiaátadás legalább 95%-a az érintkező testek felső 5μm anyagvastagságában történik [Kennedy, 1982], bár lehetnek eltérések az energiaátadás pontos mechanizmusai között. A súrlódás során a maximális hőmérsékletemelkedés (ΔTmax) számításához először egy dimenzió nélküli számot, a Peclet számot (Pe) és az érintkező felületegységre jutó hőáramot (q) kell meghatározni [Bhushan et al., 2000].

2

bvPe (9)

ahol: v - csúszási sebesség b - az érintkező felület sebesség irányába eső szélességének a

fele, kör esetén a kör sugara κ - hődiffúziós tényező

ahol:

C

k

(10)

ahol: k - a hővezetési tényező [W/mK] ρ - sűrűség [kg/m3] C - fajhő [J/kgK] Ha a Peclet szám nagyobb mint 10, akkor a következő összefüggéssel számolható a maximális hőmérséklet változás:


- 36 -

emax

Pk

bq2T

(11)

ahol: vpq (12)

ahol: μ - a súrlódási tényező p - felületi terhelés Az ettől eltérő esetekben használható összefüggések a 4. mellékletben megtalálhatóak. Meg kell említeni, hogy Váradi és Néder Váradi, 1997 kiterjesztette a Peclet számok fogalmát anizotróp hőtani jellemzőkkel rendelkező kompozit anyagokra is.

2.3.2. Kopás

A súrlódás során a mechanikai, termikus és vegyi igénybevételek hatására az egymással kölcsönhatásban levő súrlódó felületekről fokozatosan anyagrészecskék válnak le, a felületek alakja, mérete megváltozik. A változás sebességétől függően az érintkező felületek különböző mértékű, a működés szempontjából megengedhető vagy meg nem engedhető károsodásokat szenvednek. A kopás lassú, fokozatos anyagleválás, a szerkezet működésével együtt járó, gazdaságosan ki nem küszöbölhető, és ezért megengedhető károsodási folyamat, amely csak hosszabb, esetleg előre tervezhető idő alatt hoz létre a súrlódó felületeken akkora alak és méretváltozást, amekkora már működési zavarokat okoz. A gyorsan kialakuló felületi károsodások: karcolódások, bemaródások, berágódások, összehegedések nem tekinthetők normális kopási folyamatnak, mert olyan mértékű felületi változásokat vagy méret eltéréseket idéznek elő, amelyek a szerkezetet rövid idő alatt működésképtelenné teszik. Ugyancsak nem tekinthető kopási folyamatnak a felszíni kifáradás, mert bár csak bizonyos idő eltelte után alakul ki, de akkor gyorsan tovaterjedő felületi kitöredezéseket, krátereket hoz létre, amelyek rövid idő alatt működési zavarokhoz vezetnek. A kopás nagysága nagymértékben befolyásolja a súrlódó szerkezetek működését, ezért annak egyértelmű meghatározása elengedhetetlen. A kopás anyagveszteség, amelyet rendszerint a leváló anyag tömegével vagy térfogatával jellemeznek, bár a súrlódó szerkezet működése szempontjából fontosabb a lineáris kopás, amelyet az elemek méretének megváltozása határoz meg. Gyakran a kopás nagyságát a súrlódó rendszer valamely jellemzőjére: terhelésre, súrlódási útjára, futás idejére, anyag kibocsátására vonatkoztatják. A kopásformák elkülönítésére több osztályozást is kidolgoztak. Ezek közül a gyakorlatban azokat fogadták el általánosan, amelyek az egyes kopásformákat a kopási részecske leválását okozó folyamatok alapján különítik el. Ennek megfelelően megkülönböztetnek [Kalácska, 1997]:

- abráziós kopást - adhéziós kopást


- 37 -

- fáradásos kopást - oxidációs kopást - súrlódási korróziót (fretting) - eróziós kopást.

A kopás egyes típusait és az azokban fontos szerepet játszó folyamatokat a 12. ábra mutatja be. Részletesebben csak a műanyagok szempontjából fontos kopástípusokat ismertetem.

12. ábra Kopás típusai [Beitz – Küttner, 1994]


- 38 -

Abráziós kopás

Az abráziós kopást a felületbe benyomódó kemény részecskék, érdességcsúcsok okozzák, amelyek a súrlódási folyamatban barázdát húznak, miközben a barázdából kinyomódó anyag egy része kopási részecske formájában leválik. Az abráziós kopásból származó anyagveszteség függ a barázda keresztmetszetétől, a benyomódó csúcs alakjától (élességétől) és az elmozdulás nagyságától, vagyis a súrlódási úthossztól. A tapasztalatok szerint - amelyeket számos kísérleti eredmény is alátámaszt - az abráziós kopás elsősorban a kopásnak kitett anyag szívósságától, természetes keménységétől és alakváltozási képességétől függ. Rabinovicz [1965] javaslatára a kopás során leváló anyag térfogatának számítására az adhéziós kopásra vonatkozó összefüggése jól használható, annak ellenére, hogy az anyag leválásában más folyamatok játszanak fő szerepet. A „k” abráziós kopástényező itt elsősorban a kopást okozó benyomódó csúcsok jellemzőitől, mennyiségétől, méretétől és élességétől függ (3. táblázat). Az összefüggés általános alakja megegyezik az adhéziós kopásra felírt (14) egyenlettel, az alapvető eltérés a „k” értékekben van, melyeket eltérő kopási mechanizmusok esetén határoztak meg.

3. táblázat Kopástényező várható értéke abráziós kopás esetén [Kalácska et al.1997] Abráziót okozó hatás Kopástényező, k Éles, kemény szemcsék, csúcsok 10-1…10-2

Csiszolóvászon 10-2…10-3 Legömbölyített szemcsék, csúcsok 10-3…10-4

Gumik és nagy rugalmassági modulusú polimerek abrazív kopásakor a

felszíni réteg alakváltozása gyakran majdnem teljesen rugalmas marad, a forgácsoló igénybevétel mellett előtérbe kerül a tépő, morzsoló hatás és fontos szerepet játszanak az ismétlődő igénybevételből származó kifáradási folyamatok. Ratner [1964] számos kísérlettel igazolta, hogy a gumik és polimerek kopása a következő összefüggés szerint határozható meg:

5m ARHkV

(13)

ahol: k - kopástényező, Rm - szakítószilárdság, [N/mm2] μ - súrlódási tényező, H - keménység, [N/mm2] A5 - szakadási nyúlás (az Lo=5do mérési alaphossz %-ban meghatározott fajlagos nyúlása), [%]

A megváltozott kopási mechanizmus miatt a gumik és a rugalmas polimerek

kopásállósága nem elsősorban a keménységgel, hanem a szakadási munkával illetve az Rm szakító szilárdság és az A5 szakadási nyúlás szorzataival arányos, amint ezt a 13. ábrán láthatjuk.


- 39 -

13. ábra Műanyagok egységnyi súrlódási munkára vonatkoztatott fajlagos kopásának

változása az 1/(RmA5) paraméter függvényében [Uetz, Wiedemeyer 1985]

Az azonos szilárdságú polimerek közül kevésbé kopnak azok, amelyek szakadási nyúlása nagyobb, illetve a szakítószilárdság növelése csak akkor csökkenti a kopást, ha ugyanakkor a szakadási nyúlás jelentősen nem csökken.

Az abráziós kopás a műszaki gyakorlatban az egyik leggyakoribb kopásforma. Minden olyan helyen előfordul, ahol poros környezetben dolgozó berendezésekben szilárd szennyeződés juthat a súrlódó felületek közé, nagy a keménységkülönbség a súrlódó felületek között és túlságosan érdes a felület, és akkor is, ha a gép abrazív hatású anyaggal dolgozik.

A szerkezet élettartamának növelése érdekében az abráziós hatást lehetőleg meg kell szüntetni (pl. hatékony tömítéssel vagy optimálisan simára munkált felülettel). Amennyiben ez nem lehetséges (pl. erősen szennyezett környezetben dolgozó mezőgazdasági, építőipari gépeknél), nagy szilárdságú, de ugyanakkor szívós anyagokkal vagy bevonatokkal csökkenthető a kopás sebessége. Egyes területeken eredményesen használhatók e célra a nagy alakváltozásokat elviselő, rugalmas elasztomer bevonatok. Adhéziós kopás A súrlódás során az érdességcsúcsok tényleges érintkezési felületein kialakuló atomos-molekuláris kapcsolatok elszakadnak, és anyagrészek juthatnak át az ellenfelületre (anyagátvitel). Ez azért fordulhat elő, mert az érintkező felületek szilárdsága nem egyforma, és ráadásul a súrlódási igénybevétel és a fizikai-kémiai


- 40 -

hatások következtében rendszerint a belső anyagrészek szilárdságához képest jelentősen meg is növekszik. Ezért a szakadás (az elnyíródás) gyakran a kisebb szilárdságú anyag belsejében játszódik le. Az egyszeri anyagátvitel ugyan önmagában nem jelent kopást, de a súrlódás során az többször megismétlődhet, miközben a felülethez kötődés szilárdsága fokozatosan csökken, és végül kopási részecske válik le. Az adhéziós kopásban rendkívül fontos szerepet játszik a két súrlódó felület anyagának adhéziós hajlama, valamint kémiai reakcióképessége, különösen az oxigénnel szemben. Az oxidáció és más vegyi hatások akadályozhatják az ismételt anyagátvitelt. A nagymértékben hasonló kristályszerkezetű anyagok (az önmagukkal párosított tiszta fémek) hajlamosak nagy felületre kiterjedő adhéziós kapcsolatok kialakítására, ami nemcsak erős kopást, hanem gyakran bemaródást, berágódást, és a súrlódó felület azonnali tönkremenetelét okozza. Ezért az ilyen anyagpárosításokat kerülni kell, és helyettük kristályszerkezetüket tekintve jelentős mértékben eltérő vagy heterogén szövetszerkezetű anyagokat célszerű párosítani (acéllal öntöttvasat, bronzot, csapágyfémet, jó siklási tulajdonságú műanyagot). Jelentős mértékben csökkenthető az acélfelületek adhéziós hajlama a szövetszerkezet finomítását előidéző ötvözéssel és hőkezeléssel. Szokásos súrlódási körülmények között rendszerint közvetlenül nem a tiszta fém felületek érintkeznek, hanem az azokat borító és védő adszorpciós és/vagy kemiszorpciós felszíni rétegek. Túl nagy terhelésen ezek a rétegek átszakadnak, a fémfelületek közvetlen adhéziós kapcsolatba kerülnek, ami jelentősen megnöveli a kopás sebességét és a berágódás veszélyét. Ezek csökkentésére az egyik súrlódó elem fém felületén gyakran kis adhéziós hajlamú, és ugyanakkor kis nyírószilárdságú bevonatot alakítanak ki, és a kopás során ez a bevonat használódik el, miközben megakadályozza az alapanyagok közvetlen érintkezését, a súrlódó szerkezet meghibásodását.

Achard javaslata alapján az adhéziós kopás adott körülmények között egyszerűen számítható az alábbi összefüggéssel, ha gyakorlati tapasztalatból vagy kísérleti eredményekből a k kopástényező megállapítható [Kalácska et al., 1997; Kozma, 1995]:

3s

Nst mmL

H

FkLAkV (14)

ahol: At - a tényleges érintkezési felület, [mm2 ] Ls - súrlódási vagy kopási úthossz, [mm] FN - a terhelőerő, [N] H - a kopásnak kitett anyag keménysége, [N/mm2] k - kopástényező.

A k kopástényező lényegében azt fejezi ki, hogy a tényleges érintkezési felületen kialakuló adhéziós kapcsolatból mekkora valószínűséggel és milyen nagy kopási részecske keletkezik. A kopástényező az anyagpártól, a kenésállapottól, az üzemeltetési paraméterektől és a környezeti hatásoktól függ. Néhány jellemző


- 41 -

kopástényező érték nagyságrendet a 4. táblázat mutat be. A megadott értékek tájékoztató jellegűek, függnek a vizsgálati paraméterektől.

4. táblázat Kopástényező várható értéke adhéziós kopás esetén [Kozma, 1995] Súrlódó pár Kopástényező, k Tiszta fémfelületek (szűz felületek súrlódása) 10-1

Nem kent fémfelületek (száraz súrlódás) 10-3…10-5 PTFE-edzett, köszörült acél (száraz súrlódás) 10-7 Kent felületek (vegyes súrlódás) 10-6…10-8

Achard adhéziós kopási elméletén kívül még különböző összefüggéseket

találhatunk a szakirodalomban. Holm and Lee elmélete szerint [Yamaguchi, 1990] az adhéziós kopást fém

és polimer felületek között a következő összefüggéssel lehet számítani: cba tvPkW (15)

ahol: P - terhelő erő v - csúszási sebesség t - csúszási idő a,b,c - anyagtényezők Jain összefüggésében már szerepel a kifáradási feszültség, valamint az itt használt kopástényező (k2) már tartalmazza a Poisson tényező, a súrlódási tényező, a rugalmassági tényező és a felületi kifáradás anyagjellemzők hatását.

0

s2

LPkV

(16)

ahol: σ0 - kifáradási határ [N/mm2] Jelen dolgozat keretében a többi kopási mechanizmussal részleteiben nem foglalkozom, mivel a kutatási feladatomhoz nem kapcsolódnak közvetlenül.

2.3.3. Tribológiai modellvizsgálatok

A tribológiai folyamatok rendkívül összetettek, azokat nehéz elméleti úton pontosan leírni. Az elméleti összefüggések és törvényszerűségek csak nagymértékben leegyszerűsített modellekre érvényesek, és viszonylag kevés befolyásoló tényező hatását veszik figyelembe. Ezért a tribológia leghatékonyabb eszközei a kísérletek, amelyek segítségével meghatározhatók az adott körülmények között működő súrlódó szerkezet súrlódási és kopási jellemzői, teherbírása élettartama és megbízhatósága [Kozma 1995, 1997].

A súrlódó szerkezetek tehát olyan rendszereknek tekinthetők, amelyek legfontosabb elemei a két kölcsönhatásban levő szilárd test, az azok érintkező felületei között levő közbenső anyag (ez lehet kenőanyag, adszorpciós vagy kemiszorpciós felületi réteg, kopadék vagy szennyezés) és az ezeket az elemeket


- 42 -

körülvevő környezet. A rendszerelemek, azok fizikai-mechanikai és kémiai tulajdonságai, valamint az elemek közötti kapcsolatok, együttesen alkotják a rendszer szerkezetét. Czichos [1987] és Kozma [2001] és a tribológiai rendszer jóságát, működését és hatékonyságát alapvetően meghatározó tényezőket a következőképpen foglalta össze:

- A rendeltetés (funkció), pl. erőátadás, mozgásátvitel, anyagleválasztás - Az igénybevételek, pl. terhelés, elmozdulás, hőmérséklet, vegyi hatások - A rendszer szerkezete, elemei, azok tulajdonságai és kapcsolatai - A súrlódási és kenésállapotok, a kialakuló kopásformák és azok

jellegzetességei, a súrlódást és kopást jellemző mennyiségek (súrlódási erő, súrlódási tényező, lineáris kopás, fajlagos kopás)

A rendeltetés határozza meg a rendszer viselkedésével szemben támasztott követelményeket. Az igénybevételek, a szerkezeti elemek, a közbenső anyag és a környezet határozzák meg a súrlódó testek között kialakuló kölcsönhatásokat, valamint azok következményeit. A tribológiai rendszer működése közben az egyes befolyásoló tényezők kölcsönösen hatást gyakorolnak egymásra, és ennek következtében az igénybevételtől függően különböző egyszerű és összetett kopásformák jelennek meg, amelyek azután visszahatnak a rendszer viselkedésére, megváltoztatják annak jellemzőit egészen addig, amíg dinamikus egyensúly be nem áll, vagy károsodás fel nem lép. A gépszerkezet működése szempontjából az a kedvező, ha üzemeltetés közben olyan súrlódási állapot (súrlódási tényező) és kopásforma (kopás tényező) alakul ki, amely a rendeltetés által meghatározott követelményeket teljes mértékben kielégíti. Optimális üzemeltetési körülmények között, meghatározott igénybevétel tartományban, a tribológiai jellemzők (a súrlódási tényező és a kopás tényező) értéke közel állandó. Ezt az optimális üzemeltetési tartományt az igénybevételek kritikus értékei határolják, amelyeket túllépve a súrlódási és kopás tényező értéke ugrásszerűen megváltozik, rendszerint más súrlódási állapot és intenzívebb kopásforma alakul ki.

A tribológiai vizsgálatok célja a súrlódó szerkezet optimális üzemi tartományát határoló kritikus igénybevételek, valamint az optimális tartományhoz tartozó tribológiai jellemzők meghatározása. Kozma [2001] a tribológiai vizsgálatok céljait a következőképpen foglalta össze:

- A hosszú élettartam szempontjából optimális szerkezet kialakítása. - A működés szempontjából optimális szerkezet kialakítása. - A karbantartási, felújítási időszakok megállapításához szükséges adatok

meghatározása. - A gép működési állapotának figyelemmel kísérése. - Az alkatrészek kopásának szimulálása modellvizsgálatokkal. - A tribológiai rendszer viselkedését befolyásoló tényezők megállapítása.


- 43 -

- Adott súrlódó szerkezet elkészítéséhez és működtetéséhez szükséges anyagpár és kenőanyag kiválasztása.

- Az anyagok és kenőanyagok minőségének ellenőrzése.

Tekintettel arra, hogy a tribológiai vizsgálatok rendkívül időigényesek és költségesek lehetnek, a gyakorlatban különböző szintű vizsgálatokat használnak. Czichos [1987] szerinti csoportosításuk a 14. ábrán látható.

A 14. ábrán feltüntetett felső három csoportba tartoznak a kész gépeken vagy azok egy részegységén elvégzett üzemi vagy üzemazonos vizsgálatok, ahol a rendszert vagy az üzemi körülményeknek megfelelő, vagy a vizsgálatok idejének lerövidítése érdekében annál fokozottabb igénybevételeknek teszik ki. A másik három csoportba tartoznak a modellvizsgálatok, amelyeket az eredetivel megegyező alkatrészen, kismintán, a rendszerben fellépő igénybevételeket szimuláló elemeken, vagy könnyen nagy pontossággal gyártott egyszerű alakú próbatesteken végeznek el. A tribológiai vizsgálatok bonyolultsága az üzemi vizsgálatoktól az egyszerűsített modellvizsgálatokig fokozatosan csökken, és ezzel együtt a vizsgálatok költségei kisebbek lesznek. Ezért a vizsgálatokat minél egyszerűbb eszközökkel célszerű elvégezni. A vizsgálatok egyszerűsítésével azonban a súrlódó pár működési feltételei jelentős mértékben megváltozhatnak, és az ilyen körülmények között végzett mérések eredményeiből nehezebb a valós szerkezet üzemeltetésekor kialakuló tribológiai paraméterekre következtetni. A modellvizsgálatok kiválasztásakor arra kell törekedni, hogy a vizsgálati feltételek minél jobban megközelítsék a valóságos üzemi körülményeket [Kozma, 2001].


- 44 -

A próbatestek mérete alapvetően meghatározza a vizsgálóberendezések

felépítését is. Eszerint megkülönböztethetünk kisméretű és nagyméretű próbatestekkel végzett vizsgálatokat.

2.3.3.1. Kisméretű próbatest vizsgálatok

A kisméretű próbatest vizsgálatok jelentős része szabványosított. Ezen

szabványos eljárásoknak megfelelően készülnek a vizsgáló berendezések is (Plint, Falex, Tribocop). A nagyszámú tribométer kialakítások és vizsgálati elvek közül most csak az általam is használt modelleket ismertetem.

Rúd-tárcsa modell vizsgálati rendszer A legelterjedtebben alkalmazott modellvizsgálati rendszer a henger tárcsán (pin on disc) vizsgálati rendszer, a DIN 50322 szabvány ajánlásai szerint. Az elvi vázlatát a 15. ábra szemlélteti. A vizsgálatok során alkalmazott egyszerű, henger vagy hasáb alakú próbatestek nagy pontossággal gyárthatók, ami nagymértékben növeli a tribológiai vizsgálatok pontosságát, megbízhatóságát. A rendszer

14. ábra Tribológiai vizsgálatok csoportosítása [Czichos elve alapján]


- 45 -

jellemzője a folyamatos csúszósúrlódás, amely az elfordulásmentesen rögzített műanyag próbatest homlokfelülete és a forgó acéltárcsa között jön létre. A műanyag/acél tribológiai rendszer külső kenőanyag hozzáadása nélküli, adhéziós körülmények közötti vizsgálatokhoz a használható a legjobban. A különböző anyagokon elvégzett alapvizsgálatok, ahol állandó sebesség, terhelés, alaphőmérséklet mellett hasonlíthatjuk össze az anyagok súrlódási és kopási jellemzőit, alkalmasak arra, hogy az anyagok között egy ún. súrlódási és kopási rangsort állíthassunk fel a vizsgálati beállításoknak megfelelően. A kopott felületekről készített mikroszkópos felvételek elemzése szükséges az anyagátvitel pontosabb feltérképezése érdekében. Henger-sík modell vizsgálati rendszer

A mozgásforma szerint két alapvető vizsgálati rendszer létezik. Az egyik jellemzője a folyamatos egyirányú, a másiké pedig az alternáló mozgásból származó csúszó súrlódás Az elvi elrendezési vázlatokat a 16. ábra mutatja.

Az „a” ábra a henger-tárcsa rendszert szemlélteti. Jellemzője itt is a folyamatos csúszósúrlódás, amely az elfordulásmentesen rögzített műanyag próbatest palástfelülete és a forgó acéltárcsa között jön létre. Az érintkezési felület a kopással

15. ábra Henger-tárcsa vizsgálat elvi vázlata

16. ábra Henger-sík vizsgálat elvi vázlatai a) henger-tárcsa, b) henger-sík

polimer próbatest

súrlódási nyom


- 46 -

együtt folyamatosan változik, kezdetben vonal menti az érintkezés, majd átmegy felületi érintkezésbe. A 16. ábra b része a kis amplitúdójú rezgő vizsgálat elvét mutatja. A rendszer jellemzője a kétirányú csúszósúrlódás, amely az elfordulásmentesen rögzített műanyag próbatest palástfelülete és a rezgő mozgást végző acéllap között jön létre. Az érintkezési felület nagysága itt is változik a vizsgálat során. Ilyen vizsgálatokra alkalmas széles körben használt a Plint tribometer (TE 77 High Frequency Tribotest) [Plint, 1995]. A berendezésen alternáló csúszó mozgást végző polimer henger próbatest az alatta lévő rögzített acél lapon csúszik tengelyére merőleges irányban. A polimer hengert a mozgó befogó fejben elfordulásmentesen kell rögzíteni, ami biztosítja a tiszta csúszást a vizsgálat során. A változtatható fordulatszámú motor excenteres hajtóművön keresztül váltakozó irányban mozgatja a polimer próbatestet. Az alternáló mozgásból adódó irányváltások miatt a dinamikus vizsgálatokhoz sorolható.

2.3.3.2. Nagyméretű próbatest vizsgálat

A kisméretű próbatest vizsgálatok gazdaságosságuk, sokrétű

használhatóságuk mellett nem utolsósorban az ezeket a vizsgáló berendezéseket gyártó és forgalmazó cégek növekvő száma miatt lényegesen elterjedtebbek, mint a többnyire egyedileg, konkrét problémák megoldására, jelentős beruházással készített nagyméretű próbatest vizsgáló berendezések (17. ábra).

Fő szerepük a kis méretű próbatest vizsgálatok eredményeinek kiterjesztése, extrapolálhatóságuk vizsgálata. Jól modellezhető a szélek, élek hatása, a nagyobb alapanyagtömeg hővezetési és feszültségeloszlási sajátosságai. A berendezést nagyterhelésű csúszó támaszok vizsgálatára készítették. Jellemzői közül kiemelendő a nagy függőleges „V, B” (max. 6500 kN) és vízszintes „H, E” (max. 2500 kN) erő, amit hidraulikus munkahengerek biztosítanak. A befogható próbatestek „A, B” méretei elérik a Ø 220 mm-t. A maximális csúszási sebesség 6 mm/s, a csúszási úthossz 350 mm.[De Baets 1994; De Baets 1995]. Kutatási témámban a nagy méretű próbatest vizsgálat jelentősége nem elhanyagolható, mivel a kisméretű „pin-on-disc” mérésekhez képest a valós fogaskerekek (pl. 10-es modul esetén) jelentősen más tömeg/felület arányt képviselnek és határozott él-topográfiával rendelkeznek. E berendezés használatával lehetőségem nyílt a fogsúrlódás vizsgálatok széles, rendszerszemléletű modellezésére az egyszerű modellvizsgálatoktól, a valós gépelemeken keresztül, a nagyméretű próbatestekig.


- 47 -

17. ábra Nagyméretű próbadarabok vizsgálatára szolgáló egyedi építésű, berendezés

(University of Gent, Laboratory of Machines and Machine Construction) [De Baets 1995]

2.3.3.3. Fogaskerék vizsgálatok

Fogazati hatásfok

A fogaskerék hajtóművek veszteségeinek meghatározására számos eljárást dolgoztak ki. Ezek elsősorban a fogaskerékpárok fogsúrlódási veszteségének számítására irányulnak, de tesznek javaslatokat a csapágyazási veszteségek és olajkeverési veszteségek figyelembevételére is. A csapágyazási veszteségek számítására a nagy gördülőcsapágy gyárak dolgoznak ki egyre korszerűbb módszereket, amelyeket katalógusaikban tesznek közzé. Az olajkeverési veszteségek számítása nagyon bonyolult, csak egyedi esetekben oldható meg. Ezért a hajtóművek tervezésekor elsősorban a fogsúrlódási veszteséget és a csapágyazási veszteséget számítják, és megfelelő szerkezeti kialakítással törekszenek az olajkeverési veszteség csökkentésére. A fogsúrlódási veszteség számítására számos módszert dolgoztak ki és használnak a gyakorlatban. Ezek az eljárások részben a fogaskerekek erőjátéka alapján vezetik le a súrlódási erőből eredő teljesítmény veszteséget, és a fogazati hatásfok összefüggését, miközben egy átlagos fogsúrlódási tényezőt feltételeznek [Kozma, 2004]. A fogpárra ható erők alapján Duda [1971] levezette a fogaskerékpár fogazati hatásfokának számítására szolgáló összefüggést, amely átlagos fogsúrlódási tényezőt tételez fel, de figyelembe veszi a fogak kapcsolódásának geometriai viszonyait: a fogaskerék fogszámokat, és a


- 48 -

profil kapcsolószám részértékeit. A műszaki gyakorlatban, a legtöbb esetben előforduló fogaskerék párokra, ahol a rész kapcsolószámok 1-nél kisebbek, az összefüggés a következő alakban írható fel:

21

222

211

1111

zz (17)

ahol ε1 és ε2 a rész-kapcsolószámok, z1 a kiskerék, z2 a nagykerék fogszáma. A (+) előjel külső fogazatú kerekek kapcsolódására, a (-) előjel a külső-belső fogazatú kerekek kapcsolódására érvényes. Ez az összefüggés akkor használható, ha a fogaskerékpárok geometriai méretei ismertek, hiszen azok a rész-kapcsolószámok meghatározásához szükségesek. Miután azonban tervezéskor a fogaskerekek geometriai adatai eleinte részletesen még nem állnak rendelkezésre, ezért gyakran használják ezen összefüggés egyszerűsített változatait. Klein [1968] a fenti helyett az alábbi egyszerű összefüggést javasolta:

21

11101

zz (18)

Niemann [1989] kimutatta, hogy a 10 helyett a 2,1 állandó használható, és az eltérés az elméleti értéktől kisebb, mint 10%, ha az ε = ε1 + ε2 profil-kapcsolószám értéke: 1,4 < ε < 1,8:

21

111,21

zz (19)

Fogsúrlódási tényező

Az átlagos fogsúrlódási tényező értékének meghatározása összetett feladatot jelent. Értéke jelentős mértékben függ az érintkező fogak anyagától valamint kenésállapotától, amit az üzemeltetési és kenési körülmények is nagyban befolyásolnak.

A Shell szakemberei kísérletek alapján az alábbi összefüggést dolgozták ki a fogsúrlódási tényező számításra:

t4 vr

257,1

(20)

ahol η, mm2/s - a kinematikai viszkozitás, r, mm - a kapcsolódó fogaskerekek egyenértékű görbületi sugara a főpontban, vt, m/s - a tangenciális sebességek összege a főpontban. Ezen összefüggés szerint a kenőanyag kinematikai viszkozitása, és a fogaskerékpár áttétele jelentős hatást gyakorol az adott tengelytávolságú fogaskerékpár fogsúrlódási tényezőjére. Niemann [1989] Stößel kutatásaira hivatkozva az átlagos fogsúrlódási tényező számítására a következő összefüggést írta fel:

4

1w

a205

t

A

d

R1

rbv

FK045,0

(21)


- 49 -

ahol KA az üzemtényező, F, N, a kerületi erő, b, mm -a kerék szélesség, Ra=0.5( Ra1 + Ra2), a két fogfelület átlagos felületi érdességének átlaga, dw1, mm, a kiskerék gördülőkör átmérője. Ez az összefüggés lényegesen több tényező hatását veszi figyelembe, és itt a kenőanyag viszkozitásának hatása sokkal kisebb a fogsúrlódási tényezőre, mint az előző összefüggés szerint.

Bartz [1989] javasolta ezt az összefüggést a következőképpen módosítani:

412,0M

o

ao

a

to

Qot

R

R

rv

Rw

(22)

ahol wt, N/mm - a hatásos vonalnyomás, ηo, mPas - az olaj dinamikai viszkozitása 100°C hőmérsékleten, RQo = Rao = 0,35 µm, a referencia fogaskerék felületi érdessége, ηM, mPas - a viszkozitás a fogaskerék test hőmérsékletén. A számított eredmények azt mutatják [Kozma, 2004], hogy ebben az esetben nagyobb a viszkozitás hatása a súrlódási tényezőre, mint Niemann módszerénél, és kisebb az áttétel hatása, mint a Shell munkatársainak számítási javaslata szerint.

A fogsúrlódási veszteség vagy tényező meghatározására javasolt három összefüggés világosan rámutat arra, hogy a különböző módszerekkel meghatározott fogsúrlódási tényező értékek eltérnek egymástól. Ennek elsősorban az az oka, hogy a bemutatott számítási összefüggéseket gyakorlati tapasztalatok, modell vizsgálatok és olyan fogaskerék hajtóműveken végzett súrlódási veszteség mérések alapján határozták meg, amelyek valószínű egymástól eltérő körülmények között üzemeltek. A fogsúrlódási tényező pontos ismerete azonban fontos lenne a fogsúrlódási veszteség számításakor, hiszen annak nagysága jelentős mértékben befolyásolja a számítási eredményeket. Jól szemléltetik ezt a 18. ábrán látható oszlopdiagramok, amelyek fogaskerékpárok Ishibashi [1999] által mért és számított fogazati hatásfokának nagyságát mutatják be elemi fogazatra, és két szélsőséges profileltolással készült fogazatra. Mindhárom fogazatnál már a súrlódási tényező kismértékű eltérése is jelenősen befolyásolta a számított fogazati hatásfok nagyságát.


- 50 -

A súrlódás hatása a fogazati erő változására

A fogkapcsolódásban ébredő erőket vizsgálva megállapítható, hogy a fogazati erő és a fogaskerekeket terhelő nyomaték nagysága a kapcsolódás során a súrlódás miatt változik, és ez a változás függ attól, hogy milyen nyomaték hat a fogaskerekekre [Kozma, 2004]. A 19. ábra esetében a hajtott fogaskerék tengelyét terhelő ható nyomaték állandó.

A 18. és 19. ábrákon megfigyelhető, hogy a fogra ható erők összege és a nyomaték a két fog kapcsolódás szakaszán állandó, ha a súrlódási tényező állandó, és a fog erő a két fogon egyenletesen oszlik el. A számított fogerőkből és a fogaskerék megfogásánál mért radiális és tangenciális erő összetevőkből meghatározható a fogak érintkezési pontjaiban fellépő súrlódási erő, és a súrlódási tényező. Amennyiben megmérték az átlagos fogsúrlódási tényezőt, a kidolgozott

18. ábra Fogazati hatásfok különböző fogazat kialakításánál 1- a hajtókerék csak az osztókörön kívül kapcsolódik, 2- A hajtó kerék csak az osztókörön belül kapcsolódik, 3-elemi fogazatú fogaskerékpár [Kozma, 2002]

19. ábra A fogazati erő és hajtó fogaskerékre ható nyomaték változása a kapcsolódás folyamán, ha a hajtott fogaskereket terhelő nyomaték állandó [Kozma, 2004]


- 51 -

fogazati erő változás módszere alkalmas a fogazati hatásfok meghatározására is, és kimutatható, hogy a hatásfok függ attól, hogy milyen a fogaskerékpárok terhelése. Ha az átlagos fogsúrlódási tényező µ = 0,1, a számított fogazati hatásfok állandó hajtó fogaskerék nyomaték esetén: η = 0,9872, ha a hajtott kerék nyomatéka állandó: η = 0,9859. Ebben az esetben Niemann bemutatott közelítő összefüggésével számított hatásfok η = 0,9883. A fogsúrlódás mérése

Miután a fogsúrlódási tényező nagysága jelentős mértékben függ a fogak érintkezési állapotától, amely a kapcsolódás folyamán változik, a pontosabb fogazati hatásfok meghatározása érdekében fontos lenne a súrlódási erőt közvetlenül a kapcsolódó fogak között mérni, és abból meghatározni a pillanatnyi és az átlagos fogsúrlódási tényezőt. Különösen fontos ez műanyag fogaskerekek esetében, amelyek súrlódási viszonyai jelentős mértékben függnek az érintkezési pont hőmérsékletétől, amit viszont meghatároz a kialakuló súrlódási veszteség.

A gyakorlatban a súrlódás méréséhez általában az egyszerűsített modellvizsgálatokat használják, azok közül is leggyakrabban a tárcsás vagy hengeres berendezéseket. Régebben is próbálkoztak a kapcsolóvonal mentén fellépő fogsúrlódási tényező változásának mérésével. Benedict és Kelly [1961] a pillanatnyi fogsúrlódást a 20. ábrán látható vizsgáló berendezéssel mérték, ahol a megtámasztásnál ébredő erőket nyúlásmérő bélyegekkel határozták meg. A berendezés hátránya, hogy mellőzi a dinamikus hatásokat és a tehetetlenségi nyomatékokat, valamint alacsony volt a vizsgálati frekvencia. Eredményeiket az egyszerűsített modellvizsgálatokkal kapott kísérleti eredmények jó egyezése igazolta.

Radzimovsky [1972] egy erőcirkulációs fogaskerék vizsgáló rendszert

állított össze a pillanatnyi súrlódási tényező méréséhez, amelynél a vizsgálat során

20. ábra Dinamikus súrlódási erőmérő berendezés [Benedict – Kelly, 1961]


- 52 -

folyamatosan mérte és rögzítette a terhelőnyomaték változását. Azonban a berendezés alacsony (6 1/min) fordulaton üzemelt, minimális dinamikus és tehetetlenségi hatásokkal. Következésképpen az érintkezési feltételekből adódóan ezek a vizsgálatok kevésbé voltak alkalmasak a hidrodinamikus kenőanyagfilm kialakulásának és hatásának vizsgálatához. Rebbechi, et al., [1991]; Oswald, et al., 1991], a fogakon helyezték el a felbélyegzett mérési pontokat.

A NASA szakemberei [Rebbechi et al., 1996] mérőberendezést fejlesztettek ki dinamikus fogsúrlódás vizsgálatához. A vizsgáló berendezés elemi fogazatú fogaskerékkapcsolatból áll, 150 kW átvihető teljesítménnyel, változtatható sebességű elektromos hajtómotorral. A terhelés ráadása és mérése a hajtáslánc végén elhelyezett örvényáramú dinamométerrel történt. A nyúlásmérő bélyegeket két egymást követő fog fogtőlekerekítésénél helyezték el a vizsgálati fogaskeréken (21. ábra). A bélyegek felhelyezési irányát a 30°-os érintő határozta meg. A hitelesítéshez külön kalibráló berendezést használtak, amelyen a normál és tangenciális erőkomponenseket lehetett pontosan beállítani.

Különböző nagyságú terhelő nyomaték és sebesség értékeknél kapott dinamikus mérési eredményekből az érintkező fogakra ható dinamikus normál és súrlódási erőt számították. A 22. ábrán látható diagramot, 800 1/min fordulatszámmal és 71,7 Nm terhelő nyomatékkal vették fel.

21. ábra Nyúlásmérő bélyegek helyzete [Rebbechi et al., 1996]


- 53 -

A fogsúrlódási erő és a súrlódási tényező értékét a 23. ábra szemlélteti 800 1/min fordulatszámon, két különböző nyomaték esetén. Az értékek csak az egyfogkapcsolódási szakaszra vonatkoznak kent acél fogak esetén.

22. ábra Normál és súrlódási dinamikus fogterhelés [Rebbechi et al., 1996]

23. ábra Dinamikus súrlódási erő és súrlódási tényező [Rebbechi et al., 1996]


- 54 -

A NASA vizsgálati rendszerében a mért dinamikus súrlódó erő meghatározza a súrlódási tényező értékét, jelen vizsgálati rendszerben olaj kenés mellett ez az érték 0,04 és 0,06 között változott. A súrlódási tényező értéke kisebb sebességeken növekedett, ami összhangban van az egyszerűsített modellvizsgálati eredményekkel. Az eredmények szerint súrlódási irányváltás következik be a főpont környékén.

FZG laboratóriumi vizsgálóberendezés A 24. ábrán látható előfeszítéses fogaskerékvizsgáló berendezés

- hajtóműolaj terhelhetőségének meghatározására - kopás szilárdság (kopástényező) és - fogtő szilárdság meghatározására alkalmas [Zalai, 1970].

A fékpad egy előfeszített zárt teljesítmény körforgással rendelkezik, azaz a meghajtó motornak csak a súrlódásból eredő veszteségeket kell pótolnia. A fékpad a próbakerék szekrényből (a), amelyben a próbakerekek vannak, valamint a visszahajtó kerék szekrényéből (b) áll. A két szekrényt két párhuzamos tengely köti össze. A hajtó tengelyben (1) torziós rugó van elhelyezve, amely megfeszítve a terhelő nyomatékot biztosítja. A (2) tengelyen helyezkedik el a terhelés beállítására szolgáló tengelykapcsoló (3). A tengelykapcsoló két félből áll, amelyek a terhelés beállítása után a terhelésnek megfelelő elfordult állásban csavarokkal rögzíthetők. A hajtó tengelyen van a forgatónyomaték skála, amely a beállított nyomatékot mutatja. Vizsgálat után a fogaskerekek kopása mérhető. Flodin [2000] FZG berendezéssel vizsgálta az egyenes és ferde fogazású fogaskerekek kopási folyamatát. Az ilyen zárt folyamú készülékek egymástól a fogaskerekek terhelésének beállításában különböznek. Az IAE, FZG és a Thornton készülék álló

24. ábra FZG vizsgáló berendezés vázlata [Zalai, 1970]

a

b

1

2 3


- 55 -

fogaskerekekre adja rá a terhelést, a terhelés forgás közben nem szabályozható. A Shell, Ryder, Western készülékeken a terhelés menet közben állítható [Vámos, 1983]. Kopásvizsgálatok

Yamaguchi [1990] zárt erőfolyamú készülékkel vizsgálta a polimer fogaskerekek kopását. A berendezését elektromos mérő és terhelőegységekkel egészítette ki, és így alkalmassá vált alacsonyabb terhelések elérésére is. A terhelést a vizsgálat során állandó értéken lehetett tartani. A 25/a ábrán látjuk a törés vonalat a egy poliamid kompozit (nem definiált) fogaskerékfog esetén. Ez a polimer kemény és rideg, jól mutatja, hogy a fogaskerékfog meghibásodása a hajlító szilárdság eléréséből adódik a fogtőnél, ahol a maximális hajlító igénybevétel terheli a fogat. Azonban polipropilén fogaskerekek esetén az anyag viszonylag lágynak tekinthető, a felület erősen kopott az ismétlődő felületi igénybevételek miatt. Ezt a kopott fogprofilt szemlélteti a 25/b ábra.

Az érintkező fogfelületek adhéziós kopása jelentős mértékben függ a fogak

közti relatív csúszási sebességek nagyságától és a fogaskerekek által átvitt teljesítménytől, azaz a fogak felületi terhelésétől és sebességétől.

25. ábra Polipropilén fogprofil változása kopás következtében [Yamaguchi, 1990]

ellenkerék: acél fordulatszám: n =1470 1/min kopástérfogat: 1. (2.5h) 0.195cm3 kenés: nincs terhelés szám: 84x105 2. (5h) 0.644cm3 terhelés: Fm=12 N/mm 3. (9.5h) 1.201cm3

terhelt oldal

törési rész

gyűrődések

terhelt oldal

kapcsoló- pont


- 56 -

2.4. A szakirodalom kritikai összefoglalása A polimerek tribológiai tulajdonságai a felhasználási terület jellegéből adódóan széles határok közt változhatnak. 1. A tribológiai vizsgálati kategóriák tisztázottak a szakirodalomban. Az elmúlt 100

év kutatómunkája ellenére a súrlódó-kopó rendszerek viselkedésének előrejelzése tisztán matematikai modellezéssel rendkívül korlátozottan oldható meg. A feltételhez kötött egyenletek méréseken alapulnak. A letisztult tapasztalatok odáig vezettek, hogy szabvány, ajánlás írja le a kísérleti modellek kategóriáit, feltételrendszerét. Az egyes modellvizsgálati kategóriák felépítése egyúttal meghatározza a levonható tribológiai következtetéseket is [Bhushan et al., 2000; Czichos, 1987; Kozma, 1995; Váradi, 1997; Yamaguchi, 1990]. Mindezek ismeretében a kutatási területemen – fogsúrlódás, polimer/acél fogsúrlódási tényező vizsgálata – törekedtem a lehető legátfogóbb modellalkotásra. Ennek eredményeként a kis- valamint nagyméretű próbatestekkel, statikus és dinamikus terhelés és mozgásviszony esetén, valódi gépelem mérésére alkalmas rendszert fejlesztettem ki és használtam.

2. Fogsúrlódás és kopás mérési eredmények egy sora ismeretes, de:

- a szakirodalmi adatok műanyagok esetében régebbi gyártású (pl. PP, PE), nem elsősorban korszerű terhelhető anyagokra vonatkoznak,

- acél fogazatok zsír és olaj kenésének hatását kutatták. 3. A kapcsolóvonal menti súrlódás elmélete tisztázott a szakirodalomban

[Kragelszkij – Mihin, 1987; Benedict – Kelly, 1961], idealizált esetekre vonatkozóan (állandó súrlódás a felületek közt, ideálisan merev felületek, állandó hővezetési tényező, vibrációmentes, tűrés nélkül névleges tengelytávra szerelt kerekek). A száraz fogsúrlódás tényleges folyamata méréstechnikailag nem tisztázott. A szakirodalomban műszaki műanyag és acél fogpárosításra vonatkozóan nem találhatók tribológiai következtetések, pedig a súrlódás tényleges ismerete nélkül az egyes hajtások hatásfokát és annak időbeni változását nehezen lehet megítélni.

4. A nagy számú műszaki műanyag és kompozitjaik felhasználásának lehetőségei

egyre szélesebbek. Fogaskerék gyártására az alapanyag gyártók széles választékot ajánlanak, de a mechanikai és kifáradási teherbíráson túl a tribológiai élettartamra vonatkozó ajánlások hiányosak.

5. Következésképpen a kenés nélküli polimer/acél fogaskerék hajtóművek

fogsúrlódásból adódó veszteségei és hajtások változó hatásfokai nem tisztázottak.


- 57 -

Az áttanulmányozott szakirodalmi ismeretek alátámasztják a kutatási célkitűzéseimet, hogy a tribológiai kutatási alapelvek felhasználásával:

- több vizsgálati rendszert tervezve és - mérőberendezést kifejlesztve

tudományos igényességgel kutassam és megvizsgáljam a korszerű műszaki műanyag/acél fogaskerékpárok kapcsolóvonala mentén lejátszódó dinamikus súrlódási jelenségeket.


- 58 -

Kísérleti módszerek és eszközök

- 59 -

3. KÍSÉRLETI MÓDSZEREK ÉS ESZKÖZÖK

3.1. A modellvizsgálatok helyszíne Az első fejezetben megfogalmazott célkitűzések megvalósításához alkalmazott kísérleti módszereket több csoportra osztottam, a mérésekre két helyszínen volt lehetőségem. A próbatestek mérete alapvetően meghatározza a vizsgálóberendezések felépítését is. Kutatási munkám során kisméretű próbatesteken (small-scale) és nagyméretű próbatesteken (large-scale) hajtottam végre modell vizsgálatokat.

A kisméretű polimer próbatesteken a súrlódás és kopásvizsgálatokra a Szent István Egyetem Gépészmérnöki Kar, Gépipari Technológiai Intézet Laboratóriumában került sor. Ezek a statikus és dinamikus rúd tárcsán, henger síkon és a fogkapcsolódás modell vizsgálatok. A kisméretű próbatesteken végzett vizsgálatok célja a különböző polimerek acél ellenfelületen mért súrlódási és kopási tulajdonságainak alapkutatás szintű feltérképezése.

A nagyméretű polimer próbatesteket a Genti Egyetem Gépszerkezetek és Gépgyártás Tanszékén (Ghent University, Laboratory Soete, St Pietersnieuwstraat 41, B-9000 Gent, Belgium) vizsgáltam, valamint a vizsgálatokhoz szükséges berendezéseket ott fejlesztettem.

3.2. Kisméretű próbatestekkel végzett modellvizsgálatok A vizsgálatok fő célja a választott polimer próbatestek csúszó súrlódási jellemzőinek meghatározása köszörült acél felületen. A laboratóriumi modell vizsgálatokat először hagyományos rúd tárcsa vizsgálati rendszerekben végeztem el. Az egyirányú csúszó súrlódás és a felület menti érintkezésből adódó felületi terhelés alapján a polimerek súrlódási és kopási jellemzői jól rangsorolhatók és az adalékok hatása jól látható. A gyakorlatban az alkatrészek többségét dinamikus hatások érik. A dinamikus igénybevételek súrlódásra gyakorolt hatásának vizsgálatára, mozgáspályát készítettem, amelyen a próbatest változó sebességgel halad, és közben a terhelés nagysága is változik. Így a statikus és dinamikus igénybevételek hatásai elemezhetők a polimerek súrlódási és kopási viselkedésében.

3.2.1. Berendezés

A kísérleti berendezést elsődlegesen acél felületeken csúszó polimer próbatestek alapvető súrlódási és kopási tulajdonságinak meghatározására


- 60 -

fejlesztettem ki. Azonban a berendezés építésénél a szélesebb felhasználási terület figyelembe vételével a környezetinél magasabb hőmérsékleten valamint abrazív tribológiai vizsgálatok is elvégezhetők. A felhasználási lehetőségeket a 26. ábra foglalja össze.

26. ábra A tribológiai anyagvizsgáló berendezés felhasználási területei

A 27. ábrán látható berendezés fő egységei az asztal (1), a koptatótárcsa (2), a mozgatószerkezet (3), a terhelőszerkezet (4) valamint a mérő- és adatgyűjtő egység. Az asztal fölött található a próbatest vízszintes mozgatását biztosító szerkezetet. Így a tárcsa fölött a terhelőszerkezetet mozog, és annak befogószerkezetében helyezkedik el a próbatest. A kereszt és hosszirányú mozgatást biztosító kocsik a köszörült vezetőhenger felületére gördülőcsapágyakkal illeszkednek, a könnyebb mozgatás érdekében. A próbatest mozgatását számítógépről vezérelt léptetőmotorok végzik. A vízszintes síkú mozgatás bordásszíjak segítségével, a függőleges mozgatás csavarorsós mechanizmuson keresztül történik. A csavarorsó egy rugó közbeiktatásával adja át a terhelést. A koptatótárcsa 350 mm átmérőjű 15mm vastagságú, anyaga és felületi érdessége a vizsgálattól függ. A tárcsa forgását egy enkóderrel ellátott elektromos motor (5) végzi bordásszíj segítségével, fordulatszáma nullától fokozatmentesen változtatható. A tárcsa maximális fordulatszámának növeléséhez motor tengelyén lévő hajtó kereket lehet cserélni. A motor szintén számítógépről vezérelhető, ezáltal a rendszer jellemzői folyamatosan megfigyelhetők.


- 61 -

27. ábra Súrlódás és kopásvizsgáló berendezés Statikus vizsgálatok esetén fontos az alkalmazott terhelés beállítása és megfelelő értéken tartása, ezért a terhelőszerkezetet részletesebben ismertetem. A terhelő szerkezet rajzát a 1. számú melléklet M1/1. ábra tartalmazza. A terhelőszerkezet alján található az erőmérő fej és a próbatest rögzítésére alkalmas befogófej, felső részén pedig a léptetőmotor (az ábrán nem látható). A léptetőmotor rugalmas tengelykapcsolón keresztül mozgatja a csavarorsós mechanizmust, amely nyomórugón át adja a terhelést a próbatestre. Statikus vizsgálatok esetén a léptetőmotor terhelőrudazattal helyettesíthető, és a terhelő erő kalibrált súlyokkal állítható be. A terhelő mechanizmus a vezető hengereken csapágyakon gördül. A vizsgált próbatestet elmozdulásmentesen kell a befogófejbe rörzíteni, anélkül hogy lényeges deformációt szenvedne, mivel ez befolyásolhatja a mérési eredményeket. A függőleges irányú elmozdulást, azaz a kopást érintkezésmentes távolságmérővel mérjük, típusa HBM Tr 102. A mérőt a tartójába kell elhelyezni és csavarral rögzíteni. A kopásmérő valójában a befogófej és a tárcsa síkjának távolságát méri. A vízszintes elmozdulásokat induktív jeladókkal mérjük, típusuk HBM WA 500. A mérőrendszer számítógépes kapcsolási vázlatát az 1. számú melléklet M1/2. ábrája szemlélteti. A statikus (rúd-tárcsa) és dinamikus (rúd-sík) vizsgálatok elvi ábráit a 28. ábra mutatja.

1

2

3

4

5

Y X

Z


- 62 -

28. ábra A statikus rúd-tárcsa és a dinamikus rúd-sík vizsgálati rendszerek

3.2.2. Vizsgálati paraméterek

A vizsgálati berendezés fejlesztése során számos előzetes mérést végeztem. A berendezés beállítási és mérési tartományait, valamint az általános gépészeti gyakorlatban lévő alkalmazásokat is figyelembe véve határoztam meg a vizsgálati paramétereket. A tervezés során a polimerekre megengedett pv értékeket a szakirodalmi táblázatok tartalmazzák [DSM EPP Technical Manual, 1999]. 5. táblázat Vizsgálati paraméterek

Kisméretű próbatest vizsgálatok Vizsgálati paraméterek Rúd-tárcsa Dinamikus rúd-sík

Tárcsa/sík felületi érdesség, Ra/Rz [μm] 0,07 – 0,15 / 0,48 – 0,93 Terhelés, F [N] 60/140 3 – 180 Csúszási sebesség, v [m/s] 0,4 0,02/0,025/0,03/0,035/0,04 Vizsgálati időtartam, t [min] / ciklus 40 5 ciklus Csúszáspálya kör mozgáspálya Környezeti hőmérséklet, T [°C] 24 °C Relatív páratartalom, RH [%] 50 %

A rúd-tárcsa kisméretű próbatest vizsgálatok esetén a terhelés és a csúszási sebesség értékei állandók (5. táblázat). A vizsgálatokat különböző terheléseken végeztem el. A gyakorlatban használt gépelemeket az üzemeltetés során számos dinamikus hatás éri, ezért dinamikus rúd-sík kisméretű próbatest vizsgálatoknál a terhelés és a csúszási sebesség értékeit ciklusonként változtattam. A mozgáspálya alakja a 29. ábrán látható. Egy ciklus, a mozgáspálya egyszeri körüljárását jelenti. A terhelés és a sebesség növelése minden ciklus elején a “start” pontban történt. Az irányváltásoknál a próbatest körív mentén haladt, így azt járulékos igénybevételek és gyorsulások miatt is terhelték.

Próbatest Forgó acéltárcsa

Terhelés Mozgatás

PróbatestÁlló acéltárcsa

Terhelés


- 63 -

29. ábra A dinamikus mozgáspálya

3.2.3. Kisméretű próbatestek anyaga, kialakításuk

Hengeres polimer próbatestek A próbatesteket forgácsolással készítettem E 400 típusú hagyományos valamint EMCO F1 CNC típusú eszterga gépeken. A rúd-tárcsa és a dinamikus rúd-sík vizsgálatoknál a hengeres polimer próbatestek méretei: átmérő Ø6 mm, hossz 15 mm. A rúd-tárcsa vizsgálatokat 40 különböző natúr és adalékolt polimeren végeztem el. Dolgozatomban részletesen csak a fogkapcsolódás vizsgálatoknál szereplő polimerek vizsgálatát ismertetem (6. táblázat). 6. táblázat A kisméretű próbatest vizsgálatoknál használt próbatestek anyaga

Termék megnevezés* Teljes megnevezés Saját jelölés DOCAMID 6G öntött poliamid 6, natrium PA 6G Na DOCAMID 6G H öntött poliamid 6, magnézium PA 6G Mg DOCAMID 66 GF30 extrudált poliamid 66 + üvegszál PA 66 GF30 DOCACETAL C poliacetál POM C DOCAPET TF polietilén tereftalát + teflon PETP /PTFE DOCALIT textilbakelit Bakelit

*forrás: www.quattroplast.hu

Az ellenfelület acéltárcsa jellemzői Anyaga S 355 szerkezeti acél. Rugalmassági modulusa E=210 GPa. Az acél tárcsa átmérője 350 mm, vastagsága 13 mm. A tárcsa csúszó felületét síkköszörültem a Gépipari Technológiai Intézet műhelyében, TOS BPH 300 típusú síkköszörűgépen. Az így elkészített tárcsa felületi érdességét a köszörülés és arra merőleges irányba is megmértem (7. táblázat).


- 64 -

7. táblázat Az acéltárcsa felületi érdessége Átlagos felületi érdesség:

Ra [m] Egyenetlenség magasság:

Rz [m] Köszörülés irányára merőlegesen: 0,07 – 0,15 0,48 – 1,18 Köszörülés irányába: 0,05 – 0,1 0,31 – 0,93

A felületi érdességet Mitutoyo SJ-201P típusú műszerrel mértem. A

műszert DIN szabvány szerint állítottam be [Mitutoyo, 1996].

3.2.4. Súrlódási erő és a súrlódási tényező meghatározása

A mérési eredményeket többnyire Microsoft Excel és Matlab Simulink programok segítségével dolgoztam fel. A kisméretű próbatest és a később ismertetett fogkapcsolódás vizsgálatoknál a Spider8 mérőrendszert és a Catman 3.1 szoftvert használtam.

A kisméretű próbatest vizsgálatoknál (statikus rúd tárcsa és a dinamikus rúd sík) a súrlódási erő értékét (Fs), a tárcsa/sík és a próbatest érintkezésénél a koptatófelület síkjába eső két egymásra merőleges irányú mért erő (Fx, Fy) eredőjeként számítottam. A 30. ábra a rúd-tárcsa vizsgálati rendszerben mért erőket szemlélteti. A próbatestre mindkét kisméretű próbatest vizsgálat esetén érvényes, azonban a mozgásviszonyok eltérőek.

30. ábra Statikus rúd-tárcsa vizsgálatoknál a kisméretű próbatestre ható erők

2y

2xs FFF [N] (23)

A függőleges irányú erő (Fz) megegyezik a próbatestre ható normál irányú erővel (Fn).

zn FF [N] (24)

A súrlódási tényezőt (), az érintkező felülettel párhuzamos és a felületre merőleges erők hányadosaként értelmeztem.

x

y

z

próbatest

acéltárcsa

Fx

Fy

Fz


- 65 -

z

2y

2x

n

s

F

FF

F

F (25)

31. ábra Statikus terhelésű, állandó sebességű rúd-tárcsa vizsgálat súrlódási tényező diagramja (PA 6G, p = 2 MPa, v = 0,4 m/s)

A 31. ábrán a PA 6G statikus mérési diagramja látható. A súrlódási

folyamat ellenőrzött feltételei mellett a polimer/acél siklási szakaszai jól elkülöníthetők, összhangban a szakirodalmi véleményekkel. A műanyagok fémmel párosítva is hajlamosak arra, hogy adhéziós kapcsolatot alakítsanak ki, ami a kapcsolódó anyagok felületi energiájával jól jellemezhető. Minél nagyobb a felületi energia értéke, annál nagyobb az adhéziós kapcsolat. Ilyenkor gyakran a szerkezet működése közben műanyag rétegek tapadnak át a fém felületre, ami a kopás szempontjából kedvező lehet, de a súrlódási tényezőt erősen megnövelheti, mivel a fém/műanyag anyagpár helyett műanyag/műanyag anyagpár csúszik egymáson. A súrlódási tényező változását szemlélteti az idealizált jelleggörbe (32. ábra).

32. ábra A súrlódási tényező elvi változása a súrlódási út mentén

Minta diagram 5 ismételt mérési sorozat átlagolása alapján.

μdátl μtmax

Csúszási út [m]

Súr

lódá

si té

nyező

I. II. III. szakasz


- 66 -

A 2.3.1. fejezetben leírtak szerint a súrlódási erő meghatározó mértékben a mikrogeometriai deformációból és a felületi adhézióból tevődik össze. A súrlódási erő adhéziós összetevője a tényleges érintkezési felülettel, deformációs komponense pedig az érdességcsúcsok benyomódásának mértékével arányos. Az ábra első szakaszában a műanyag a tiszta fémfelülettel érintkezik. Ebben az esetben a súrlódási ellenállás jelentős részét a deformációs összetevő alkotja, úgy hogy az érdességcsúcsok benyomódnak az ellenfelületbe, a fém fárasztja és forgácsolja a műanyag felületet. Az átmeneti szakaszban (második szakasz) a súrlódási tényező hirtelen emelkedését az okozza, hogy az érdességárkokba műanyagrészecskék tapadnak, és egyre nagyobb mértékben töltik fel azokat. A műanyag felülete már nemcsak a fém érdességcsúcsokkal érintkezik, hanem a deformáció és forgácsolás miatt az érdességárkokba tapadt műanyaggal is (33. ábra). Ezáltal jelentősen megnő a súrlódás adhéziós komponense. A levált műanyagrészecskék folyamatosan töltik fel az érdesség árkokat. Az utolsó szakasz kezdetén már a fém felületén kisebb nagyobb megszakításokkal műanyagfilm alakul ki (33. ábra). Az erős adhézió eredményeként a teljes súrlódási felületről részlegesen a műanyag részecskék vissza is tapadhatnak a fém felületi érdességekből az eredeti műanyag felületre. Ezáltal a folyamat kezdődik elölről. Így kialakul egy dinamikus egyensúly, ahol az adhézió és readhézió folyamatai dominálnak, ami állandósult súrlódási ellenállásban nyilvánul meg.

33. ábra Polimer/fém felületek súrlódási kapcsolata A 31. ábrán a súrlódási tényezőt a csúszási út függvényében ábrázoltam. A statikus terhelésű rúd-tárcsa rendszerben kapott görbék ettől az alaptrendtől kisebb, nagyobb mértékben térnek el az alkalmazott súrlódó pároknak megfelelően. A súrlódási tényező változása során anyagonként a bejáratási szakasz után az átmeneti zónában értelmeztem egy maximális (μtmax) értéket, és a stabilizálódott szakaszban egy állandósult (μdátl) értéket. Ezek az értékek jól jellemzik az anyagok közt ébredő súrlódási tényező változását, és az eltérő modellvizsgálatokkal jól összehasonlítható eredményeket ad.


- 67 -

A dinamikus mozgás- és erőhatásokat tartalmazó rúd-sík kisméretű próbatest vizsgálatok esetén a próbatestre ható három egymásra merőleges irányú erőt mérem (Fx, Fy, Fz). A súrlódási erő (Fs) és a súrlódási tényező () értékeket ezen vizsgálati módszer esetén is az előbb említett módon számítottam. A 34. ábra a PA 6G dinamikus vizsgálati eredményét mutatja be. A diagramokból a következő rendszerjellemzőket lehet kiolvasni. A mozgáspálya megtétele 5 egymást követő ismétléssel történt, ahol az ismétlések (ciklus) közötti átmenet során a normál terhelés és a siklási sebesség növekedett. Erre az alap programra szuperponálódott a mozgásból származó inercia hatás és deformáció. Ezek együttes hatása a súrlódó párok tribológiai viselkedését (súrlódási ellenállás, makro és mikro deformációk, hőkeletkezés és hővezetés) módosította a korábban bemutatott statikus rúd-tárcsa vizsgálatokhoz képest. Ezek a viszonylag rövid, 5 dinamikus mozgási ciklust felölelő mérések már jobban közelítik a fogprofikokon ébredő dinamikus erő és mozgás hatásokat, és pontosabb képet adnak a bejáratási szakaszban a súrlódás jelenségéről és a dinamikus polimerfilm kialakulásának folyamatáról. Az ábra második diagramja a felületi terhelés nagyságát és a súrlódási tényező változását mutatja. A súrlódási tulajdonságok változásának jobb áttekinthetősége érdekében a mozgáspálya első körbejárásának eredményeit külön is tanulmányoztam a teljes vizsgálat (5 ismételt körbejárás, ciklusonként növekvő terhelés és csúszási sebesség) eredményeihez viszonyítva. Az első ciklus diagramja látható a 35. ábrán.


- 68 -

34. ábra Dinamikus mozgás és erőhatás alatt mért rúd-sík vizsgálat teljes diagramja (PA 6G, p = 1-12 MPa, v = 0,02 – 0,04 m/s)

v=0,02 0,025 0,03 0,035 0,04 m/s


- 69 -

35. ábra Dinamikus mozgás és erőhatás alatt mért rúd-sík vizsgálat első mozgási ciklusának diagramja

(PA 6G, v = 0,02 m/s)


- 70 -

3.3. Nagyméretű próbatestekkel végzett modellvizsgálatok

A tribológiai kutatások szempontjából fokozott jelentősége van a kontakt zóna és a próbatest méretének. Korábbi kísérletek igazolták, hogy a natúr és kompozit polimerekben lejátszódó hővezetés, deformáció és inhomogén feszültség-eloszlás nagymértékben befolyásolhatja a súrlódást és a kopást. Ezért munkám fontos kiegészítő részét képezi a dinamikus hatásokat is tartalmazó nagyméretű kutatási rendszer megtervezése és a mérési eredmények értékelése.

A nagyméretű próbatest vizsgálatokhoz a National Instrument mérőkártyát és a LabView 6.0 szoftvert használtam.

3.3.1. Berendezés

A vizsgálatokhoz anyagvizsgáló berendezést építettem a Genti Egyetem Gépelemek és Gépgyártástechnológia Tanszék anyagvizsgálati laboratóriumában. A nagyméretű próbatest vizsgáló berendezést a 36. ábra szemlélteti.

36. ábra. MTS nagyméretű próbatest vizsgáló berendezés

12

acél blokk alternáló mozgása

polimer próbatestek

3

4


- 71 -

A rendszer működtetését két hidraulikus kör biztosítja. Az egyik a terheléshez szükséges hidraulikus kör (6 darab vízszintes munkahenger (1)), MTS 436 Control Unit és MTS 406 Controller szabályzó egységekkel, a másik kör az acél blokkot (2) mozgatja függőleges munkahengerrel (3) és MTS 407 Controller szabályzó egységgel. A működtetéshez szükséges hidraulikus nyomás 210 bar. Mindkét részegység terhelhetősége 2500 kN, a maximális vizsgálati sebesség 100 mm/s, az alternáló mozgás legnagyobb amplitúdója 150 mm. A két nagyméretű polimer próbatest a fix keresztfejen (4) lévő függőleges villában található tartóban helyezkedik el. A próbatest befogását a 3. melléklet 1. ábrája szemlélteti.


A vizsgálati paraméterek megválasztásakor a gyakorlatban előforduló nagy terhelésű támaszok és csapágyak igénybevételeit is figyelembe vettem. A vizsgálatban szereplő különböző műszaki polimer/acél fogkapcsolódás modellvizsgálatok esetén kiszámítottam a fogak érintkezésénél fellépő Hertz feszültségek értékét. A Hertz feszültség értékekeit a 8. táblázat tartalmazza. Ezek alapján határoztam meg a nagyméretű próbatest vizsgálatok felületi terhelési nagyságát: 8, 25 és 55 MPa. Kis csúszási sebességek a fogkapcsolódás során a főpont környékén alakulnak ki. A vizsgálat időtartama 20 alternáló mozgási ciklus, valamint ennek folytatásaként összesen 6 óra, a 8. táblázatban megadott vizsgálati paraméterekkel. 8. táblázat Vizsgálati paraméterek

Vizsgálati paraméterek Nagyméretű próbatest vizsgálatok Acél blokk felületi érdesség, Ra/Rz [μm] 0,12/0,9 Felületi terhelés, p [MPa] 8 / 25 / 55 Csúszási sebesség, v [mm/s] 5 Vizsgálati időtartam, t [ciklus], [h] 20 ciklus / 6 h Csúszás jellege alternáló Elmozdulás, s [mm] ±40 Környezeti hőmérséklet, T [°C] 24 °C Relatív páratartalom, RH [%] 50 %

3.3.3. Nagyméretű próbatestek anyaga, kialakításuk

Acél ellenfelület Az acél blokk anyaga az európai mérnöki gyakorlatban gyakran használt 40CrMnNiMo8 ötvözött acél. Befoglaló méretei: 90x106x420 mm. A 90x420 mm-es felületeket a blokk hosszanti irányába síkköszörültem ELB WERKZEUG SW 4/5HA típusú gépen. Az így előkészített acél próbatest felületi érdesség értékeit a 9. táblázat tartalmazza. Az érdességet Perthen perthometer S5P típusú tűs felületi érdesség mérő berendezéssel mértem.


- 72 -

Az érdességet 6 helyen mértem a köszörülés irányával párhuzamosan és arra merőlegesen (9. táblázat), a mérések előtt és a mérések után amikor már egy polimerfilm kialakult az acél felületen. A kis ciklusszám és a terhelési viszonyok miatt, a tiszta acélfelületen és a koptatás utáni felületen kialakult polimerfilmen mért felületi érdesség értékek közt nem tudtam szignifikáns különbséget kimutatni. 9. táblázat Az acél próbatest felületi érdessége köszörülés után Átlagos felületi érdesség:

Ra [m] Egyenetlenség magasság:

Rz [m] Köszörülés irányára merőlegesen: 0,17 – 0,22 1,56 – 2,46 Köszörülés irányába: 0,08 – 0,12 0,72 – 1,03

Polimer próbatest A polimer lapok befoglaló méretei: 80x300x15 mm. A próbatestek szintén forgácsolással készültek. A vizsgált anyagok kiválasztásánál a nagyobb terheléseken használt polimerekből választottam négy típust, ezeket a 10. táblázat tartalmazza. 10. táblázat A nagyméretű próbatest vizsgálatoknál használt próbatestek anyaga

Termék megnevezés Teljes megnevezés Saját jelölés DOCAMID 6G H Poliamid 6G H PA 6G H DOCAMID 66 GF30 Poliamid 66 +üvegszál PA 66 GF30 DOCACETAL C Poliacetál POM C DOCALENE HD 1000 Nagy sűrűségű polietilén HD PE

3.3.4. Súrlódási erő és a súrlódási tényező meghatározása

Nagyméretű próbatest vizsgálatok -összehasonlítva a kisméretű mérésekkel-

a tisztán statikus és tisztán dinamikus mozgási és terhelési rendszerek kombinációja (egyenes vonalú alternáló mozgás). A berendezés kialakításából adódóan egy méréshez két polimer próbatestet használtam, amelyeket az egyenletes alternáló mozgást végző acél blokk két egymással szemközti köszörült oldalfelületéhez szorítottam (3. melléklet M3/1 ábra). Ebből adódóan a nyúlásmérő bélyegekkel mért erő (Fm) a súrlódási erők (Fs) összege.

2

FF m

s [N] (26)

ahol: Fm - a nyúlásmérő bélyegekkel mért erő [N]

Az alternáló csúszó mozgás egy ciklusa során mért súrlódási erő értékét az elmozdulás függvényében a 37. ábra mutatja. A vizsgált anyag PA 6G Mg, felületi terhelés 25 MPa, csúszási sebesség 5mm/s. A súrlódási erő ellentétes előjele az eltérő mozgásirányból adódik. A súrlódási erő jellege alapvetően megegyezik a


- 73 -

szakirodalomban tapasztaltakkal. A mozgás megindításához szükséges nagyobb erőt a kezdeti erőcsúcsok jelzik (statikus súrlódási erő), majd a mozgás során csökken és beáll egy közel állandó értékre (dinamikus súrlódási erő).

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25

30

35

40

-150 -100 -50 0 50 100 150

Súrlódási erő [kN]Elm

ozd

ulá

s [m

m]

37. ábra Nagyméretű próbatest mérési diagram A teljes mérés során keletkező súrlódási erő meghatározásához ciklusonként mindkét irányhoz tartozóan a Matlab programmal számítottam egy statikus (Fss’,Fss’’) és a dinamikus (Fsd’,Fsd’’) súrlódási erőt. Az egy vesszős értékek a lefelé mozgás esetén, míg a két vesszős értékek a felfelé mozgás esetén számított súrlódási erők. Ennek értelmében: Fss’ : lefelé mozgás esetén ébredő statikus súrlódási erő Fsd’ : átlagos súrlódási erő lefelé mozgásnál Fss’’ : felfelé mozgás esetén ébredő statikus súrlódási erő Fsd’’ : átlagos súrlódási erő felfelé mozgásnál

A statikus súrlódási erő a teljes elmozdulási úthossz első 10%-án lévő maximális érték, és ezek abszolút értékeinek összege adja a teljes mérési időtartamra vonatkozó statikus súrlódási erő (Fs) értékeit.

A dinamikus súrlódási erőt a teljes elmozdulási út fennmaradó 90%-án a (27) összefüggés szerint számítottam:

Fss’ felső irányváltási pont

alsó irányváltási pont

0.1·Sc

Sc

Fsd’

Fss’’

Fsd’’


- 74 -

c

c

S

S1.0s

csd ds)s(F

S9.0

1'F [N] (27)

ahol: Sc - teljes elmozdulási úthossz A ciklusonkénti két számított dinamikus súrlódási erő átlaga adja a teljes mérési időtartamra vonatkozó dinamikus súrlódási erő (Fd) értékeit. Az anyagpárosításra vonatkozólag a statikus és dinamikus súrlódási erő és a normál erő hányadosaként megkapjuk a statikus és dinamikus súrlódási tényező értékeket.

n

ss

s F2

FF

(28)

n

dd

d F2

FF

(29)


- 75 -

3.4. Fogaskerék fogkapcsolódás modellvizsgálatok A fogaskerekek kapcsolódása során a csúszó és gördülő súrlódás különleges kombinációjából adódó tribológiai folyamatok meglehetősen bonyolultak. A fogkapcsolódás geometriai és mechanikai elmélete a szakirodalmakban pontosan meghatározott [Vörös, 1972; Szendrő, 1978, Szendrő és Döbröczöni, 2007], de a fogsúrlódás jelenségét leegyszerűsítve és állandónak feltételezve tárgyalják. A kapcsolódásnál lejátszódó súrlódási folyamatok és erőhatások összehasonlítására fogkapcsolódás modellvizsgáló berendezést fejlesztettem ki.

3.4.1. Berendezés

A fogkapcsolódási modellvizsgálatokhoz a kisméretű próbatestekhez használt berendezést építettem át (38. ábra). A motor csigahajtóművön keresztül forgatja a polimer fogasívet. Ehhez kapcsolódik az acél fogaskerék, amely a nyúlásmérőkkel ellátott befogófej tengelycsonkján van csapágyazva. Az állandó súlyterhelés, a fogaskerekek kapcsolóvonala mentén hat a kerekek alapkör átmérőjének megfelelő kötélcsigán keresztül. A fogaskerék ív kapcsolóvonal menti fogkapcsolódás kezdeti és végpontjainak szöghelyzetei számításokkal pontosan meghatározhatók. Ezen helyzeteket két mikrokapcsoló jelzi és a motor forgásirányát változtatva a két végállás között forgatja a fogasívet. A szögjeladó a polimer fogasív tengelyén helyezkedik el. Típusa HEDS-5701 G00 inkrementális jeladó, pontossága 0,25°.

38. ábra Fogkapcsolódás modellvizsgáló berendezés vázlata


- 76 -


A vizsgálati paramétereket (11. táblázat) a polimer fogaskerekek méretezésénél alkalmazott számítási eljárásokat alapul véve határoztam meg. A vizsgálatban szereplő anyagok közül a poliamidok méretezésénél a hőmérséklet hatását fokozottabban kell figyelembe venni. Ezért a számítást a poliamidra végeztem el, és a többi anyagot is ezeken a beállításokon vizsgáltam. A megengedhető tangenciális erő (Ftomax) nagysága az osztókörön a Lewis összefüggés szerint a következő.

vbmaxto KbymF [N] (30)

ahol: m - a modul [mm] y - alaktényező (2. melléklet 1. táblázat) b - fogszélesség [mm] b - az anyagra megengedett hajlító feszültség [N/mm2]

(2. melléklet 1. ábra) Kv - sebesség tényező (2. melléklet 2. táblázat)

5,2901145415,010F maxto [N]

A tangenciális erő az alapkörre átszámítva (Ftamax):

maxtoa

omaxta F

d

dF [N] (31)

ahol: do - osztókör átmérő [mm] db - alapkör átmérő [mm]

1,3095,29076,112

120F maxta [N]

11. táblázat Vizsgálati paraméterek

Vizsgálati paraméterek Fogkapcsolódás modell vizsgálatok Terhelő nyomaték, M [Nm] 1,1 / 5,5 Szögsebesség, ω [1/s] 0,1 Vizsgálati időtartam, ciklus 1 / 100 / 500 / 1000 / 2000 ciklus Környezeti hőmérséklet, T [°C] 24 °C Relatív páratartalom, RH [%] 50 %

Az evolvens fogfelületeken keletkező csúszások nagyságára az

érintkezéskor érintőlegesen működő vt sebességek a mértékadók (39. ábra). A fogak C főponton kívüli helyzeteiben az érintő irányú sebességek különbsége adja meg a vs csúszási sebességet. A súrlódási hőfejlődés, továbbá a kopás szempontjából ez a vs sebesség a meghatározó. A vt érintőleges sebességek:

vt1 = R11sin1 (32) vt2 = R22sin2 (33)


- 77 -

A K pontban az érintkező evolvensek 1, illetve 2 görbületi sugaraikkal:

R1sin1 = 1 , vt1 = 11 = 1i2 (34) R2sin2 = 2 , vt2 = 22 (35)

A vs csúszási sebesség:

vs = vt1 – vt2 , (36) ami más formában is felírható [Townsend, 1991]:

vs = s (ω1 + ω2) (37)

ahol: s - a kapcsolóvonalon a főponttól a kapcsolódási pontig mért távolság [mm]

ω1, ω2 - a fogaskerekek szögsebességei [1/s]

39. ábra Sebességviszonyok kapcsolódásnál

A kapcsolódás első és utolsó pontjában keletkezik a maximális csúszási sebesség. vs = 20,505 (0,1 + 0,1) = 4,1 mm/s

3.4.3. A fogkapcsolódásnál fellépő Hertz feszültség meghatározása

A kapcsolódó fogak közt az érintkezés elméletileg vonal mentén valósul meg. A fogfelületen ébredő Hertz feszültséget a 40. ábra szemlélteti, és a következő összefüggéssekkel számítható [Anton van Beek, 2006].

R1 R21 2

1

2

v1n=v2n

v2t

v1t

v1=R11

v2=R22

1

2

vs


- 78 -

40. ábra Az érintkező fogak feszültségképe [Anton van Beek, 2006] Fogaskerekek esetén az egyenértékű érintkezési sugár (R’) a főpontban:

1i2

sinidR 1o

[mm] (38)

ahol: do1 - a hajtó fogaskerék osztóköri átmérője [mm] i - áttétel, “i” a vizsgálataimnál =1 α - kapcsolószög (20º) Az egyenértékű rugalmassági modulus (E’):

2

22

1

21

E2

1

E2

1

E

1

[1/MPa] (39)

ahol: ν1 - a hajtó fogaskerék Poisson tényezője E1 - a hajtó fogaskerék rugalmassági modulusa [MPa] ν2 - a hajtott fogaskerék Poisson tényezője E2 - a hajtott fogaskerék rugalmassági modulusa [MPa] Az ébredő maximális nyomás (pmax):

i

1i

bd

FZZp

1o

tEHmax

[MPa] (40)

ahol: Ft - tangenciális irányú erő [N] ZH - zóna faktor

cossin

2ZH (41)

ZE - rugalmassági faktor

2

EZE (42)


- 79 -

A fogak közt ébredő Hertz feszültség az ISO6336-2 szerint:

max0H pZ [MPa] (43)

ahol: Zε - kapcsolódási arány tényező

3/4Z (44)

A fogkapcsolódás vizsgálatokban szereplő polimer fogaskerekek és acél

fogaskerék érintkezésénél számított Hertz feszültség értékét a 12. táblázatban foglaltam össze. 12. táblázat Az acél és a különböző polimer fogaskerekek közt ébredő Hertz feszültség

Anyagjellemzők Számított értékek

pmax [MPa] σH0 [MPa] Ha a terhelő nyomaték:

Anyag

E * [MPa]

ν * R’

[mm] E’

[MPa] 1,1 [Nm]

5,5 [Nm]

1,1 [Nm]

5,5 [Nm]

PA 6G Na 3300 0,38 7587 21,69 48,51 20,23 45,25 PA 6G Mg 3300 0,38 7587 21,69 48,51 20,23 45,25 PA 66 GF30 10000 0,4 22641 37,48 83,81 34,96 78,17 POM C 3000 0,4 7034 20,89 46,71 19,48 43,57 PETP PTFE 2800 0,4 6571 20,19 45,15 18,83 42,11 TEXTIL Bakelit

7000 0,35

10.26

15421 30,93 69,16 28,85 64,51

acél 210000 0,3 * forrás: www.quattroplast.hu

A két terhelés között 5-szörös az eltérés, míg a Hertz feszültség értékekben megközelítőleg 2-szeres. A nagyméretű próbatest vizsgálatoknál a választott magasabb felületi terhelések, 25 és 55 MPa, összhangban vannak az ébredő Hertz feszültségek nagyságával.

3.4.4. Fogkapcsolódás próbatestek anyaga, kialakítása

A kapcsolódó fogaskerekek adatai: fogszám: z1 = z2 = 12 modul: m = 10 mm kapcsolószög: α = 20 ° fogszélesség: b = 5 mm (a polimer fogaskerék ív esetén) A fogaskerék adataiból kitűnik, hogy alámetszett kerekekről van szó. A vizsgálatokhoz azért választottam ilyen nagy modulú fogaskereket, hogy a csúszásból és gördülésből származó súrlódási erő változások a fogkapcsolódás során jól meghatározhatók és egyértelműek legyenek. Azonban a helyes


- 80 -

kapcsolódás érdekében a fogaskerekek fejkör átmérőjét módosítanom kellett. A maximális fejkör átmérő (damax) értéke [Townsend, 1962]:

2

2maxa cos

2

dsina2d

[mm] (45)

ahol: a - az elemi tengelytávolság [mm] = (z1+z2)/(2) m d - osztókör átmérő [mm] = z m

α - kapcsolószög[°] = 20º

mm47,13920cos2

12020sin1202d

22

maxa

41. ábra A fejkörátmérő módosítása

A módosított fejkör átmérővel számított profil kapcsolószám (ε):

bp

AE (46)

ahol: AE - a kapcsolódási szakasz hossza [mm] pb - alapköri osztás [mm]

sinaAE (47) ahol: a - elemi tengelytávolság [mm]

cosmpb (48)

ahol: m - modul [mm]

a = áll.

O1 O2 damax/2 db/2

α α

fejkör

módosított fejkör

osztókör

alapkör


- 81 -

20cos10pb mm

04,4120sin120AE mm

39,120cos1014,3

04.41

A kapcsolószám értéke megfelel. Az acél fogaskerék anyaga S 355. A fogaskerék huzal szikraforgácsolással készült, a gyártási pontosság ±0.01 mm. A polimer 3 fogú fogasíveket CNC marógépen kontúrmarással készítettem, vastagsága 5 mm. A vizsgált polimerek megegyeznek a kisméretű próbatest vizsgálatoknál ismertetett anyagokkal (6. táblázat).

A fogaskerekek méreteit nem a külső átmérő és a fogmélység határozza meg, hanem az evolvensprofilnak a kerék középpontjához viszonyított helyzete [Bárány, 1967]. A kapcsolóvonal menti egy- és többfogkapcsolódási szakaszok határait nagymértékben befolyásolja a fogosztás értéke. A különböző polimerek forgácsolhatósága és megmunkálási pontossága eltérő, ebből adódóan a gyártás során megmunkálási pontatlanságok adódtak. Ha a fogosztás értéke nagyobb, mint az elméleti érték, akkor a következő fog “később” fog kapcsolódni, és így az egyfog kapcsolódási szakasz elnyúlik, valamint a mérési diagramokban eltolódások keletkeznek. Az elméleti többfogméret értékeit egy modulra vonatkoztatva elemi egyenes fogazatra a mérendő fogak számával, a fogszám függvényében műszaki táblázatok tartalmazzák. Esetemben m=1-re a többfogméret 2 fogon mérve 4,5963 mm [Bárány, 1967]. A 2 fogon számított többfogméret:

M(2) = 4,5963 · 10 = 45,963 [mm] (49)

A próbatestek elméleti és mért többfog méretét a 13. táblázat tartalmazza. A

táblázatban szereplő értékek értelmezését a 42. ábra mutatja.

42. ábra Többfogméret mérése a polimer próbatesten

w1 w2


- 82 -

13. táblázat Az elméleti és mért többfogméretek Mért többfogméret [mm] Anyag

w1 w2

Elméleti többfogméret, M(n) [mm] [Bárány, 1967]

Eltérés [mm]

PA 6G Na 45,90 45,91 -0,055 PA 6G Mg 45,92 45,93 -0,035 PA 66 GF30 45,86 45,84 -0,11 POM C 45,83 45,82 -0,135 PETP PTFE 45,86 45,86 -0,1 Bakelit 45,86 45,86

45,96

-0,1

3.4.5. Fogsúrlódási erő és a fogsúrlódási tényező meghatározása

Fogkapcsolódás vizsgálat esetén az acél fogaskerék tengelyét terhelő erőket (Fx, Fy) mértem a fogkapcsolódás mentén.

A fém és a műanyag fogaskerékpároknak rendszerint egy bizonyos P [W] teljesítményt kell átvinniük. A megadott teljesítménynek és az n [1/s] fordulatszámnak megfelelő nyomaték a következő összefüggéssel számítható:

n2

PM

[Nm] (50)

Egyenes fogazat esetén ebből a nyomatékból számíthatjuk ki az osztókörök érintkező pontjában ébredő F kerületi erőt az :

r

MF [N] (51)

Modellvizsgálataim során a kapcsolóegyenes vonalában helyeztem el a terhelőerőt (Fg), ezáltal a fogat terhelő normál erő (Fn) és a terhelő erő hatásvonala egy egyenesbe esik (43. ábra).

43. ábra A terhelések iránya

egy-fog kapcsolódási

szakasz

két-fog kapcsolódási szakaszok

fogterhelés


- 83 -

Evolvens fogazat esetén az kapcsolószög állandó. A fogak kapcsolódása során fellépő erők hatása, hogy az eredő erő a kerekek tengelyeit egymástól először eltávolítani majd közelíteni igyekszik. Ennek nagyságát több tényező befolyásolhatja.

Amennyiben a súrlódás hatását is figyelembe vesszük, akkor evolvens egyenes fogazat esetén a kapcsolóvonaltól a súrlódás félkúpszögének megfelelő ρ szögértékkel tér el a fog felületre ható erő. A kapcsolódás első felében a hajtó kerék a tiszta gördülés mellett mintegy belecsúszik a hajtott kerék fogárkába, a C főpont után pedig kicsúszik a fogárokból. A C főpontban emiatt a súrlódás iránya és vele a fog felületre ható erő iránya is hirtelen megváltozik (44. ábra), csupán a C főpontban esik egybe a kapcsolóvonallal. Itt a fogfelületek gyakorlatilag csúszásmentesen, tiszta gördüléssel érintkeznek egymással. A C főpontban a súrlódás miatt kialakuló hirtelen erőirányváltás rezgést okoz, egyrészt ez is okozza a fogaskerékpár zaját.

44. ábra A súrlódás hatása A kapcsolódás folyamán a súrlódási erő nagysága folyamatosan változik. Értékét az egyes kapcsolódási szakaszokban különbözőképpen határoztam meg. A két fog kapcsolódás szakaszában (AB és DE szakaszok) a fogak normál irányú terhelése kisebb, mint az egy fog kapcsolódás folyamán. Mindkét érintkezési pontban ébred súrlódási erő Fs [N] (45. ábra), azok egymással ellentétes irányúak és így egy fékező, csavaró nyomatékot idéznek elő. Azonban ezt a fékező, csavaró hatást a mérőrendszer nem tudja mérni és értékelni. Ennek eredményeként pontos értékelést az egy fog kapcsolódás szakaszának vizsgálata biztosít.


- 84 -

45. ábra Két fogpár kapcsolódás

Az egy fog kapcsolódási szakaszt (BD szakasz) a főpont két részre osztja, ahol a súrlódási erő irányt vált (45. ábra). A fog teljes terhelése (Fn), állandó nagyságú. A súrlódási erő a mért tengelyerő nagyságát megváltoztatja (44. ábra). A főpontig a tengelyerő értékét növeli, majd utána csökkenti. Az egy fog kapcsolódás alatt a csúszósúrlódás szempontjából három esetet különböztetek meg: 1. BC szakaszban: |Fs| > 0, 2. C főpontban és változó nagyságú környezetében: Fs csúszásból = 0, meghatározó mértékben gördülés 3. CD szakaszban: |Fs| > 0,

46. ábra Egy fogpár kapcsolódás


- 85 -

A mérések során az Fy tengelyerő értéke a mérőrendszer tudatos tervezésével összhangban megközelítőleg zérusnak adódott, így elhanyagolható a további számításoknál. A súrlódási erő értékének számítását a BD egy fog kapcsolódási szakaszban a következőkben ismertetem. A 46. ábra szerint az erők egyensúlyára felírható a következő egyenlet:

Fx = Fs cosα (52) A súrlódási erő:

cos

FF x

s [N] (53)

ahol: Fx - a mért tengelyerő [N] α - kapcsolószög [°]

A fogkapcsolódás modellvizsgálati rendszerben értelmeztem egy statikus és egy dinamikus súrlódási tényezőt a kapcsolódó fogak közt a mozgásviszonynak megfelelően, amelyet a súrlódási erő és a normál erő hányadosaként határoztam meg. Közvetlenül a főpont előtt és után, ahol a csúszás sebessége közel zérus, valamint a főpontban, ahol a fogak egymáson gördülnek, a polimer fog rugalmas deformációjából adódóan nem értelmezhető a klasszikus értelemben vett csúszásból származó súrlódási tényező.

A mérési adatokból számított súrlódási tényező értéke:

n

s

F

F (54)

cosF

F

n

x (55)

A 47. ábra mintaként a PETP /PTFE kompozit és acél fogpárosítás esetén a mért tengelyerőt és a számított súrlódási erő diagramját szemlélteti a kapcsolóvonal mentén. Az ábra értelmezési tartománya a főpont és környezete (egy fog kapcsolódási szakasz), a vizsgálat jellemzője 1,1 Nm átvitt nyomaték, = 0,1 1/s szögsebesség. A mintadiagram az 1000. fogkapcsolódási ciklus eredményeit mutatja. Az eltérő sorszámozású görbék az ismételt méréseket, valamint az átlagolással kapott görbét szemléltetik. Az eredmények értékelésekor az átlagolt görbéket veszem figyelembe. Általános tapasztalat, hogy az egyes méréssorozatok eredményei 95%-os biztonsági szinten nem mutattak szignifikáns különbséget (pl. 46. ábra 1-es, 2-es, 3-as görbe). A görbék értelmezéséhez tartozik, hogy a kapcsolódás folyamata során, a kapcsolópont a kapcsolóvonal mentén balról jobbra


- 86 -

halad, azaz -7mm-nél kezdődik az egy fog kapcsolódás szakasza, és +7 mm-nél végződik.

Számított súrlódási erő (Fs) [m=1,1 Nm, ω=0,1 1/s], 1000. ciklus

-5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

5

-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7

kapcsolóvonal [mm]

Súrl

ódás

i erő

[N]

PETP /PTFE 1 PETP /PTFE 2 PETP /PTFE 3 PETP /PTFE

47. ábra A tengelyerő és a súrlódási erő változásának diagramja

Az egy fog kapcsolódás kezdetén a fogak egymásba kapcsolódnak, a mért tengelyterhelés pozitív. Ez azt jelenti, hogy a súrlódási erő a tengelyeket egymástól távolítani igyekszik. A főpont után a fogak egymásból elkezdenek kicsúszni, a mért tengelyterhelés negatív. Ebben a szakaszban a súrlódási erő a tengelyeket egymáshoz közelíteni igyekszik. Az általam készített berendezéssel mért görbén jól látható a szakirodalomban is fellelhető főponti irányváltás (19. ábra). A mérések alapján számítással meghatározott súrlódási tényező változását a kapcsolóvonal mentén a 48. ábra mutatja. A főpontban egymáson gördülnek az érintkező fogak, ebben a pontban tisztán gördülő súrlódás ébred. A polimerek deformációja és rugalmassága miatt a főpont közvetlen környezetében, ahol a csúszás közel zérus, az érintkező felületek egymáshoz tapadhatnak. Ebből adódóan az elmozdulást az anyagon belüli rugalmas deformáció határozhatja meg. Ezért az általam számított csúszó súrlódási tényezőt a főpont közvetlen környezetében nem értelmeztem, a görbét tudatosan megszakítottam. A megszakítás helye a görbék 45˚-os érintési pontja. Ezzel a mérési eredményeket kettő plusz egy átmeneti szakaszra bontottam (a 48. ábra szerint I. III. és az átmeneti II. szakasz). A főpont előtti szakaszban a csúszás értéke folyamatosan közelít a zérushoz, míg a főpont utáni szakaszban zérusról folyamatosan növekszik. Ez a változás a súrlódási tényező értékére is hatással van.

főpont


- 87 -

48. ábra A fogsúrlódási tényező változásának diagramja

A főponti átgördüléshez köthető súrlódási tényező irányváltás előtti egy fogpár kapcsolódási szakaszban mért lokális maximális súrlódási tényező értékének jelölése μfe-max. A súrlódási irányváltás után is mérhető abszolút értékben egy lokális μfu-max, mely a 48. ábra skálázása szerint a főponti irányváltás miatt negatív előjelű. A főponti átgördülés előtt és után, a dinamikus csúszási súrlódási szakaszon értelmeztem az átlagos súrlódási tényezőket, melyek jelölése μfe-átl, μfu-átl. Összegezve: μfe-max : főpont előtt ébredő lokális, maximális súrlódási tényező μfe-átl : főpont előtti átlagos súrlódási tényező μfu-max : főpont után ébredő, lokális maximális súrlódási tényező μfu-átl : főpont utáni átlagos súrlódási tényező

A kapcsolódások számának függvényében a súrlódási tényező változik. A 49. ábrán lévő diagram a főpont előtti és utáni statikus valamint a dinamikus súrlódási tényezőket ábrázolja a kapcsolódások számának függvényében. A maximális és a minimális fogsúrlódási tényező a vizsgált anyagtól függően nem minden esetben és terhelésen jelentkezett egyértelműen. Egyes anyagoknál a fogsúrlódási tényező változása a kapcsolóvonal mentén nem követte a 32. ábra szerinti súrlódási diagramot, és a vizsgált szakaszokon nem rendelkeztek a főpont környezetében maximális illetve minimális értékekkel. Ezen anyagoknál a főpont előtt és után számított értékeket vettem figyelembe. Az egyes anyagpároknál megfigyelhető trendek alakulása különös jelentőségű a stick slip mentes vagy tapadásra hajlamos anyagpárosítások minősítése kapcsán. A főpont és környezetében bekövetkező gördülési fázis az adott tribológiai rendszer olyan jellemzője, mely a kutatásoknál és mechanikai modellezéseknél eddig nem

Számított súrlódási tényező [M=1,1 Nm, ω=0,1 1/s], 1000. ciklus

-0,3

-0,25

-0,2

-0,15

-0,1

-0,05

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7

kapcsolóvonal [mm]

Súrl

ódás

i tén

yező

PETP /PTFE 1 PETP /PTFE 2 PETP /PTFE 3 PETP /PTFE

μfe-max

μfu-max

Főpont

μfu-átl

μfe-átl


- 88 -

volt figyelembe vehető. Azáltal, hogy a mérési rendszerem felbontása lehetővé teszi az elméletileg pontszerű kapcsolódási állapot (C főpont) tényleges kiterjedésének számszerű mérését, az eltérő fogpárok tribológiai viselkedéséről új tudományos tézisek megfogalmazására nyílt lehetőségem. E jelenség időbeni változása nagyban összefügg a hajtásátvitel működése közben fellépő hatásfokváltozás későbbi megítélésével is (pl. a PA 6G Mg súrlódásának változása a 49. ábrában).

Súrlódási tényező változása a kapcsolódások folyamán (1,1 Nm)

-0,4

-0,3

-0,2

-0,1

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000

kapcsolódások száma

Súr

lódá

si té

nyező

PA 6G Mg fe-max PA 6G Mg fe-átl PA 6G Mg fu-max PA 6G Mg fu-átl

49. ábra A fogsúrlódási tényező értékei a kapcsolódás számának függvényében

3.5. A kopás és a súrlódási hő mérése az eltérő rendszerekben A kis és nagyméretű próbatest vizsgálatoknál eltérő módszereket alkalmaztam a kopás mértékének meghatározására.

Kisméretű próbatestek kopását és deformációját a vizsgálat során folyamatosan mértem. A dinamikus rúd-sík vizsgálatoknál az irányváltások és a terhelés változása miatt a befogófej a mérés során eltérő mértékben deformálódik, így a kopásmérő által mért értéket korrigálnom kellett. Ezt szemlélteti a 50. ábra.

50. ábra A befogófej normál és deformált állapota


- 89 -

Ehhez meghatároztam a befogófej deformációját a vizsgálati pálya mentén. A műanyag próbatesthez képest abszolút merev testként kezelhető acél próbatestet befogtam, mivel a beállított mérési paraméterek mellett az acél próbatestnek elhanyagolható az alakváltozása, így a mozgáspálya mentén csak a befogófej deformálódott. Tehát a valós kopás és deformáció értéke a műanyag próbatesten mért kopás és deformáció valamint a befogófej deformációjának a különbsége. A mért és számított értékeket az 51. ábra mutatja.

51. ábra A valós kopás és deformáció diagramja A nagyméretű próbatestek kerülete mentén 10 ponton mértem a vastagságot a vizsgálat előtt és után (52. ábra). Némely esetben a próbatest nagy mértékű maradó deformációja miatt a mérés után nem volt alkalmazható ez a módszer, a próbatest tönkrement. A mérésekhez 0-25 mm tartományú, 0,01 mm pontosságú kengyeles mikrométert használtam.

52. ábra Mérési pontok a nagyméretű próbatesten Fogkapcsolódás modellvizsgálatok esetén a kopás mérésétől eltekintettem. A fogaskerék kapcsolatok élettartam vizsgálata során a kopás mértékét a fogvastagság mérésével és a fogprofil geometriájának változásával lehet meghatározni. A súrlódási hő mérésére a kisméretű próbatest vizsgálatok esetén volt lehetőségem. K típusú, 1 mm átmérőjű termoelemet használtam. A termoelemet a súrlódási felülettől 1 mm távolságra a hengeres polimer próbatestbe készített furatba helyeztem el (50. ábra).

1 32 4 5

10 89 7 6


- 90 -

A statikus terhelésű, állandó sebességű rúd-tárcsa vizsgálatok kopás és deformációs valamint hőmérsékletemelkedési görbéit az 54. és 55. ábrák mutatják. A dinamikus mozgás és erőhatás alatt mért rúd-sík vizsgálat kopás valamint hőmérséklet diagramja az összesített vizsgálati diagram (53. ábra) alsó részén látható.

53. ábra Statikus terhelésű, állandó sebességű rúd-tárcsa vizsgálat kopás és deformációs

valamint hőmérsékleti diagramja (PA 6G, p = 2 MPa, v = 0,4 m/s)

Vizsgálati eredmények értékelése

- 91 -

4. VIZSGÁLATI EREDMÉNYEK ÉRTÉKELÉSE

4.1. Kisméretű próbatest vizsgálatok eredményei és értelmezésük A vizsgálatok során meghatároztuk a statikus, és a dinamikus súrlódási tényező értékeket (5. és 6. melléklet). A mérési rendszerek meghatározó feltételei közötti különbségek a 14. táblázatban találhatók. 14. táblázat Mérési kategóriák fő jellemzői

I. kategória statikus rúd-tárcsa

II. kategória statikus rúd-tárcsa

III. kategória dinamikus rúd-sík

Acél ellenfelület felületi érdessége [μm]

Ra 0,05 – 0,15 Rz 0,31 – 0,93

Felületi terhelés [MPa] 2 5 1 - 12 Vizsgálati sebesség [m/s] 0,4 0,4 0,02–0,025–0,3–0,35-0,4 Környezeti hőmérséklet [ºC]

23

Vizsgálati úthossz 1000 1000 5 ciklus

4.1.1. Statikus rúd-tárcsa vizsgálatok eredményei

A 54. 55. és 56. ábra oszlopdiagramban mutatja a mérési eredményeket. (Az egyes anyagokhoz tartozó időarányos súrlódási és melegedési függvények a 6. mellékletben találhatók.) Az oszlopdiagram szemlélteti az idő-szinkron függvényekből meghatározott max és átl értékeket (54. ábra) a 31. és 32. ábrákon bemutatott elmélettel összhangban, illetve a mérés során tapasztalt Tmax hőmérséklet különbségeket (55. ábra). A kopást az 56. ábra összegzi.

54. ábra Statikus terhelésű, állandó sebességű rúd-tárcsa vizsgálatok súrlódási tényező diagramja pxv = 0,8 MPa x m/s és 2 MPa x m/s tribológiai terhelés esetén

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

Sú

rló

dá

si t

én

ye

ző

PETP /PTFE

POM C

PA 66 G

F30

PA 6G N

a

PA 6G M

g

Bakelit

A vizsgált polimerek súrlódási együtthatóinak átlagértéke és maximuma

(v=0.4 m/s, p=2 MPa)

μdátl μtmax

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

Sú

rló

dá

si t

én

yező

PETP /PTFE

POM C

PA 66 G

F30

PA 6G N

a

PA 6G M

g

Bakelit

A vizsgált polimerek súrlódási együtthatóinak átlagértéke és maximuma

(v=0.4 m/s, p=5 MPa)

μdátl μtmax


- 92 -

A mérési eredményeket elemezve megállapítható, hogy:

A súrlódó műszaki műanyagok gyakorlatában viszonylag kis „pxv” értéknek számító 0,8 MPa x m/s tribológiai terhelés esetén a átl és a max közötti eltérés nagyobb, mint 2 MPa x m/s „pxv” érték esetén.

A átl figyelembe vételével megállapított abszolút súrlódási sorrend nem változott a jelentős „pxv” érték emelés hatására.

A „pxv” változására nem egyformán reagáltak a vizsgált anyagok. A hőre lágyuló polimerek eredő súrlódása csökkent a terhelés növekedésével, míg a hőre keményedő textilbakelit növekvő súrlódással válaszolt a terhelés növekedésre.

A PETP /PTFE esetében mért legkedvezőbb (legkisebb) súrlódás azt bizonyítja, hogy a PTFE adalékolással létrehozott PETP kompozit adhéziós hajlama tartósan kisebb, mint a többi vizsgált polimeré. Ennek a megállapításnak feltétele az a megvalósított körülmény, hogy a súrlódás deformációs összetevői az azonos felületi érdességek és hasonló nyírószilárdságok miatt megközelítőleg azonosak.

A POM alapmátrix kopolimer változata a PETP /PTFE-hez hasonló kedvező súrlódást eredményezett. A POM C esetében volt tapasztalható a legegyenletesebb időarányos súrlódási függvény. A átl és a max közötti különbség szinte elhanyagolható.

0

5

10

15

20

25

Hő

mé

rsé

kle

t e

me

lke

dé

s

[˘C

]

PETP /PTFE

POM C

PA 66 G

F30

PA 6G N

a

PA 6G M

g

Bakelit

2 MPa

5 MPa

A vizsgált polimerek hőmérsékletemelkedése (v=0.4 m/s, p=2, 5 MPa)

2 MPa 5 MPa 55. ábra Súrlódási melegedés a statikus terhelésű, állandó sebességű rúd-tárcsa vizsgálatok során

A poliamidok súrlódásának összehasonlítása kapcsán megállapítható, hogy

az üvegszál adalékolás (PA 66 GF30) csökkenti az alapmátrix adhéziós hajlamát. A natúr PA 6G két változata között – Na és Mg katalizálású –


- 93 -

tapasztalható eltérés oka elsősorban nem az adhéziós képességben rejlik, hiszen a molekula szerkezet adott, hanem az eltérő mechanikai jellemzőkben. A Mg katalizálású öntött poliamid 6 alakváltozási képessége és ütőmunka értéke jobb, mint a Na katalizálású poliamidé. Ennek hatása jelentkezik a 32. és 33. ábrán bemutatott elméleti polimer film, re-adhézió és dinamikus egyensúly kialakulása során is.

A kontakt zóna közeli hőmérséklet emelkedések és a mért súrlódási tényezők sorrendje hasonló. A hőre lágyuló műanyagok súrlódási melegedése között a %-os eltérés viszont kisebb, mint a súrlódásnál tapasztalt különbségek. A sorban kissé nagyobb melegedést eredményezett az üvegszálas PA 66.

Látványosan eltér a hőre lágyuló műszaki műanyagok (PETP /PTFE, POM, PA 6 és PA 66) melegedése a hőre keményedő, műgyanta alapú textilbakelit viselkedésétől. Míg a pxv terhelés 2,5-szeresére nőtt, addig a hőre lágyuló műanyagok esetében a súrlódási melegedés csak 10-20%-kal emelkedett, a textilbakelit esetében 3,5-szeresére nőtt a hőmérséklet.

0

0,005

0,01

0,015

0,02

0,025

0,03

0,035

0,04

ko

pá

s +

de

form

ác

ió [

mm

]

PETP /PTFE

POM C

PA 66 G

F30

PA 6G N

a

PA 6G M

g

Bakelit

2 MPa

5 MPa

A vizsgált polimerek kopás + deformációs értéke (v=0.4 m/s, p=2, 5 MPa)

2 MPa 5 MPa

56. ábra A kopás és deformáció együttes értékei állandó sebességű rúd-tárcsa vizsgálatok során

A kopási eredmények feldolgozása során megállapítottam, hogy a kapott

kopásállósági sorrend nem követi a súrlódási és melegedési trendeket. Ez nem mond ellent a tribológia szakirodalmának, sőt megerősíti a súrlódási elmélet és a kopási mechanizmusok közötti közvetlen átjárhatatlanság tényét.

A PETP /PTFE kompozit kopásállósága bizonyult a legjobbnak, míg a szintén kedvező súrlódást eredményező POM C kopásállósága rendkívül


- 94 -

gyenge a hőre lágyuló polimerek között. Különösen szembetűnő a POM C érzékeny változása terhelés növekedésére.

A kisebb terhelésű rendszerben – „pxv” = 0,8 MPa x m/s - a poliamidok kopásállósága között szignifikáns eltérés nem mutatkozott. Az 56. ábra második oszlopsora a növelt terhelési szinten mért értékeket mutatja. Itt már fokozottan jelentkezik az a hatás, amit a 50. ábra mutat a mérőrendszerről. Az együttesen mért tényleges kopás, mint anyagleválás, és a próbatest deformációja adja az eredő, valós mért értéket (eltekintve a berendezés kompenzált deformációjától). Ezért a növelt terhelésen a kopást tömegméréssel is ellenőriztem. A mérőrendszer eredményeit egyedül a PA-6G Mg esetében kell felülvizsgálni. Az anyag tényleges kopása nem tért el a többi poliamidhoz képest, viszont a nagyobb deformáció, alakváltozási képesség eredményezte a mérőrendszerben az 56. ábra szerinti megnövekedett kopás+deformáció együttes értéket.

A textilbakelit kedvezőtlen kopása nem hasonlítható össze a hőre lágyuló polimerek jóval kedvezőbb kopási értékeivel.

4.1.2. Dinamikus rúd-sík vizsgálatok eredményei

A 3.2.4. fejezet 34. és 35. ábrájához tartozó dinamikus mozgáspályán, öt

cikluson keresztül mért idő-szinkron súrlódás, melegedés és kopás+deformáció görbék eredményei láthatók az 57. 58. és 59. ábrák oszlopdiagramjain. Ez a modell-rendszer a bejáratási („running-in”) folyamatok eltérő viselkedését, és a dinamikus hatásokra való reagálást térképezte fel kisméretű próbatestekkel. E rendszer eredményeit összehasonlítva az állandó sebességű rúd-tárcsa vizsgálatok során tapasztaltakkal több olyan megállapítás tehető, mely a későbbi fogaskerék anyagpárosítás és modellezés szempontjából fontosak.

Bakelit

PETP /PTFE

POM C

PA 66 G

F30

PA 6G N

a

PA 6G M

g

1. ciklus

teljes0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

0,14

sú

rló

dá

si t

ény

ező

Átlagos súrlódási tényező1. ciklus: v=0.02 m/s, p=0 - 5MPa

teljes: vmax=0.04 m/s, pmax=12 MPa

57. ábra Dinamikus modell rendszer kisméretű próbatestekkel, súrlódás a „running in” bejáratási szakaszban, (kiemelve az első ciklus, majd a teljes öt ciklus)


- 95 -

Az 57. 58. és 59. ábrán bemutatott értékek származtatását segíti a 34. és 35. ábra. A mozgáspálya öt ciklusa során ciklusonként emeltem a beállított próbatest csúszási sebességet és a terhelést. Erre szuperponálódik a rendszerben rejlő inercia-hatás a mozgáspálya irányváltásainál keletkező gyorsulásokból. A mozgás során mért idő-szinkron súrlódást, melegedést és kopás+deformációt elemeztem pálya-pozícióként, ciklusonként és teljes vizsgálat (öt ciklus) esetén. Az összegző értékelésnél az 1. ciklust és a teljes futamot emeltem ki.

A dinamikus modell-rendszerben, a bejáratás során tapasztalt súrlódási értékek eltérnek a már ismertetett „steady-state” (állandó sebességű rúd-tárcsa vizsgálatok) eredményeitől.

A hőre keményedő bakelit/acél anyagpárosítás eredményezte a legkisebb súrlódási ellenállást, ami a késleltetett polimerfilm és dinamikus egyensúly kialakulásával magyarázható.

A poliamidok a teljes – öt ciklus – mérési tartományra vonatkozóan szignifikáns eltérést nem eredményeztek. Az indítás utáni első ciklusban – a denaturált szesszel tisztított acél felületen - viszont a PA 66 GF30 súrlódása kisebb volt a natúr öntött poliamid 6 anyagokhoz képest.

Bakelit

PETP /PTFE

POM C

PA 66 G

F30

PA 6G N

a

PA 6G M

g

1. ciklus

teljes0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

hő

mé

rsé

kle

t e

me

lke

dé

s [˘C

]

Hőmérséklet emelkedés1. ciklus: v=0.02 m/s, p=0 - 5MPa


58. ábra Hőmérséklet emelkedések a dinamikus modell rendszerben

Hasonló megállapítások tehetők a súrlódási hőfejlődéssel kapcsolatban. A mért melegedések jól követik a bejáratás során tapasztalt súrlódási értékeket (erő, tényező). A teljes öt ciklusra vonatkoztatott melegedés a poliamid esetében nem tért el.

A textilbakelit melegedése volt a legkisebb, összhangban a tapasztalt súrlódással.


- 96 -

A PA 66 GF30 esetében az anyag adalékolásával összefüggő, hővezetési sajátosságra utal (jobb hővezetés), hogy az első ciklusban kisebb súrlódás mellett nagyobb hőmérséklet volt mérhető a többi poliamidhoz képest.

Bakelit

PETP /PTFE

POM C

PA 66 G

F30

PA 6G N

a

PA 6G M

g

ciklus 1

teljes0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

0,14

kop

ás

+ d

efo

rmá

ció

[mm

]

Kopás + deformáció1. ciklus: v=0.02 m/s, p=0 - 5MPa


59. ábra Kopás+deformáció értékek a dinamikus modell rendszerben

Az anyagok rugalmassági modulusát és alakváltozási képességét is figyelembe véve, megállapítható, hogy a változó irányú súrlódás a kontakt zónában kedvezőtlenül hatott a Na katalizálású öntött poliamid 6 anyagra.

Az első ciklusban tapasztalt trend felerősödve jelentkezik az öt ciklus átlagában is.

Az ötödik ciklusban felismerhető már az a jelenség, ami a POM C és a textilbakelit kedvezőtlen kopási eredményeit jellemezte az állandó sebességű rúd-tárcsa vizsgálatok („steady-state”) során.

4.1.3. Kisméretű próbatest vizsgálatok eredményeinek összegzése

Polimer/acél anyagpárosításokat kisméretű próbatesteken vizsgálva megállapítható, hogy: - textilbakelitnél kedvezőtlenül magas súrlódás és súrlódási melegedés, gyenge kopásállóság. A bejáratási szakaszban lassabban alakul ki a polimer film és dinamikus egyensúly. - PETP /PTFE esetén kedvező súrlódás és súrlódási melegedés, ami jó kopásállósággal is párosul. Nem érzékeny a dinamikus hatásokra, a bejáratási folyamat, súrlódási egyensúly kialakulása egyenletes.


- 97 -

- poliamidoknál az eltérő mechanikai tulajdonságok hatása részben felismerhető a tribológiai viselkedésben. A nagyobb alakváltozási képesség (PA 6G Mg) negatívan hat az egyenletes súrlódásra, de a kopásra nem. A bejáratás gyorsabb. A nagyobb merevség, rugalmassági modulus, kisebb ütőmunka viszont érzéketlenebbé teszi az anyagot dinamikus hatásokkal szemben. Ez alól kivétel a Na katalizálású natúr öntött poliamid 6, mely nagyobb kopást eredményezett a dinamikus rendszerben. - POM C súrlódása kedvező, de a kopásállósága a többi hőre lágyuló műanyaghoz viszonyítva gyenge. A bejáratás, polimer-film- és dinamikus egyensúly (adhézió, re-adhézió) kialakulás egyenletes, hasonló a PETP /PTFE kompozithoz. 15. táblázat Kisméretű próbatest vizsgálatok mérési eredményeinek összegzése

anyagok súrlódási rangsor

súrlódási tényező hőmérséklet- változás

kopás+ deformáció

μtmax μdált T [ºC] k [mm] PETP /PTFE 1 0,209 0,205 3,79 0,00346

POM C 2 0,218 0,218 4,77 0,01026 PA 66 GF30 3 0,313 0,26* 5,4 0,0082 PA 6G Na 4 0,300 0,279 4,04 0,00836 PA 6G Mg 5 0,365 0,288 4,37 0,0108 I.

kat

egór

ia

Bakelit 6 0,519 0,36* 8,96 0,01518

μtmax μdált T [ºC] k [mm] PETP /PTFE 1 0,184 0,176 4,24 0,00692

POM C 2 0,203 0,203 4,84 0,01556 PA 66 GF30 3 0,255 0,212 5,41 0,00882 PA 6G Na 4 0,295 0,234 4,49 0,01236 PA 6G Mg 5 0,325 0,249 5,41 0,0157 II

. kat

egór

ia

Bakelit 6 0,755 0,55* 22,7 0,03946

1. ciklus teljes 1. ciklus teljes 1. ciklus teljes

μ1átl μ5átl T [ºC] k [mm] Bakelit 1 0,065 0,078 0,09 0,29 0,041 0,089

PETP /PTFE 2 0,067 0,084 0,09 0,29 0,019 0,048 POM C 3 0,067 0,079 0,14 0,39 0,025 0,105

PA 66 GF30 4 0,091 0,126 0,29 0,59 0,028 0,08 PA 6G Na 5 0,099 0,116 0,19 0,59 0,048 0,133

III.

kat

egór

ia

PA 6G Mg 6 0,113 0,137 0,19 0,59 0,032 0,102 * - folyamatosan változó, többnyire emelkedő tendenciák


- 98 -

4.2. Nagyméretű próbatest vizsgálatok eredményei

A nagyméretű próbatest vizsgálatok a korábbi laboratóriumi modellek azon kiterjesztései, ahol az anyagszerkezet inhomogenitásának, a hővezetési sajátosságoknak, az élek feszültséggyűjtő hatásának, a túlterheléssel szembeni viselkedésnek a hatása tanulmányozható „statikus” és dinamikus körülmények között egyaránt. Amíg a kisméretű próbatest vizsgálati rendszerekben a kontakt zóna nagysága 28,2 mm2 , addig a nagyméretű próbatestek mérési rendszerében 24000 mm2 volt. Ez 851-szeres növekedés, majdnem három nagyságrend. A vizsgálatot alternáló mozgás mellett (37. ábra), több eltérő terhelési szinten hajtottam végre. Minden mérés kétszeri ismétléssel, azaz háromszori adatrögzítéssel történt. A 60. és 62. ábrák a méréssorozatok átlagértékeit mutatják. Az irányváltások környezetében gyorsulási szakaszok, statikus és dinamikus súrlódási jelenségek lépnek fel. A polimer gépelemeknél alkalmazott feszültség szintekhez képest nagy felületi terhelések miatt pontosan megállapítható volt a statikus és dinamikus súrlódás közötti különbség. Ennek pontos ismerete összevethető a fogaskerekek felületén - a főpont környezetében - létrejövő átmeneti gördülési zóna és csúszás kezdete/vége határán tapasztalt jelenséggel. A vizsgáló berendezés hosszú, egyenes löketű szakaszain mért súrlódás pedig elvileg összehasonlítható a kisméretű mintákon végzett, állandó sebességű rúd-tárcsa mérésekkel.

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

sú

rló

dá

si t

én

ye

ző

μstat μdin μstat μdin μstat μdin

8 MPa 25 MPa 55 MPa

PETP /PTFEPA 66 GF30

POM CPA 6G Mg

A vizsgált polimerek statikus és dinamikus súrlódási tényezőjeeltérő terheléseken, running in szakaszban (20 ciklus)

60. ábra A statikus és dinamikus súrlódási tényezők alakulása a terhelés függvényében, a bejáratási „running in” szakaszban


- 99 -

A bejáratási szakaszban a nagyobb terhelések esetén a magnézium

katalizálású öntött poliamid 6 súrlódási tényezője jelentősen csökkenő értékeket eredményezett. 8 MPa normál terhelés esetén a statikus súrlódási tényező értéke 70%-kal volt magasabb a dinamikus súrlódási tényezőnél, ami 55 MPa terhelésnél mindössze 20% körüli eltérésre csökkent.

Ez a jelenség egyértelműen igazolja a szakirodalomból ismert (10. ábra) két súrlódási komponens (deformációs tag és adhéziós tag) arányának drasztikus változását a terhelés függvényében. Kis terhelésen a mozgás megindításához és fenntartásához főleg a tapadást, az adhéziós hatást kell legyőzni, míg nagyobb terheléseken a deformációs komponens a domináns.

A 10. ábra szerinti eredő kádgörbe trendje jól illeszkedik a poliamid 6 statikus és dinamikus súrlódási eredményeire (60. ábra).

Viszont az 55 MPa terhelés már olyan mértékben növelte a poliamid súrlódását, hogy a keletkezett hő rossz elvezetése a nagyméretű kontakt zónában a poliamid rohamos kilágyulásához, olvadásos kopásához vezetett, így a 65. ábra szerinti „steady-state” már értékelhetetlenné vált.

Az elméleti trend kevésbé látványos a PETP /PTFE, POM C és PA 66 GF30 esetében. Ezek az anyagok az elméleti kádgörbe minimumát 55 MPa környékén (vagy a felett) érik el, míg a poliamid 6 esetében ez 30 – 40 MPa közöttire becsülhető.

A 61. ábrán szereplő súrlódási tényező értékek összhangban vannak a kisméretű minta dinamikus vizsgálati eredményeivel. A bejáratási szakaszban a nagyobb alakváltozási képességű anyagoknál fut fel hamarabb a súrlódási tényező. A ridegebb PA 66 GF 30, POM C és PETP /PTFE súrlódási egyensúlya lassabban és kisebb szélsőértékek mellett alakul ki.

A 61. ábrából egyértelműen kiolvasható, hogy minden anyag esetében a terhelés növelése csökkentette a statikus és dinamikus súrlódás közti különbséget, ami a deformációs komponens meghatározó szerepét igazolja. A PA 6 G mellett a jelenség látványos az üvegszál erősítésű poliamid esetében is (PA 66 GF30).


- 100 -

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9s

úrl

ód

ás

i té

ny

ező

μstat μdin μstat μdin μstat μdin

8 MPa 25 MPa 55 MPa

PETP /PTFEPA 66 GF30

POM CPA 6G Mg

A vizsgált polimerek statikus és dinamikus súrlódási tényezőjeeltérő terheléseken, steady state szakaszban (6 óra)

61. ábra A statikus és dinamikus súrlódási tényezők alakulása a terhelés függvényében, az egyensúlyi „steady state” szakaszban

8 MPa25 MPa

55 MPa

PA 66 GF 30

PETP /PTFE

POM C

PA 6G Mg

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

kop

ás [

mm

]

terhelés [MPa]

A vizsgált polimerek kopási értékei (steady state, 6 óra)

62. ábra A vastagsági méret lineáris kopása A laboratóriumi modell kategóriákban tanulmányozott tribológiai jelenségek (súrlódás, súrlódási melegedés, kopás+deformáció, kopás) összehasonlítása a 16. táblázatban található.


- 101 -

16. táblázat A kis és nagyméretű vizsgálati rendszerek összehasonlító táblázata Kisméretű próbatest modellek Nagyméretű próbatest

modellek Statikus terhelésű

súrlódási körülmények

Dinamikus terhelésű súrlódási körülmények

Kombinált mozgásviszonyok

Bejáratás „running in” - + + Egyensúlyi állapot”steady state”

+ - +

Nyugvó- és mozgási súrlódási tényező

- - +

Mozgási súrlódási tényező + + 0 Anyagtömeg, módosult hőelvezetés és élek hatása

- - +

Dinamikus hatások, összetett feszültségállapot

- + +

Hőmérséklet változás mérése a kontakt zóna közelében

+ + -

Makroszkopikus kopási tartomány

- - +

- :nincs részletes információ + :feltárt tribológiai viselkedés 0 : önmagában nem értelmezett A rendszer eredmények közötti trendek kapcsolata, korreláció erőssége (17. táblázat)

0 : nincs tendenciózus kapcsolat 1 : gyenge eseti kapcsolat, kivételekkel 2 : felismerhető trendek 3 : egyértelmű hasonlóság

17. táblázat Súrlódás, súrlódási melegedés valamint kopás, kopás+deformáció

Statikus terhelésű kisméretű minta

rendszer

Dinamikus terhelésű kisméretű minta

rendszer

Nagyméretű próbatest modell

súrlódás, súrlódási

melegedés

kopás, kopás +

deformáció


melegedés

kopás, kopás +

deformáció


melegedés

kopás, kopás +

deformáció Statikus terhelésű kisméretű minta rendszer

1 0 2 1-2

Dinamikus terhelésű kisméretű minta rendszer

1 0 2 1

Nagyméretű próbatest modell

2 1-2 2 1


- 102 -

4.3. Fogkapcsolódás modell vizsgálatok eredményei A következőkben a munka során létrehozott fogkapcsolódás modellvizsgálati rendszerben kapott súrlódási tényező értékeket tárgyaljuk.

4.3.1. Súrlódási eredmények (1,1 Nm terhelés, 0,1 1/s szögsebesség) és értékelésük

A 63. ábra a vizsgált műszaki polimer fogaskerék fogak és acél fogaskerék fog közt a kapcsolóvonal mentén ébredő súrlódási tényező értékeit mutatja.

Súrlódási tényező [M=1,1 Nm, ω=0,1 1/s], 1. ciklus

-0,3

-0,25

-0,2

-0,15

-0,1

-0,05

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7

kapcsolóvonal [mm]

Súrl

ódás

i tén

yező

PA 6G PA 6G Mg POM C PETP PTFE PA 66 GF30 Bakelit

63. ábra Egy fogpár kapcsolódás szakaszán, az első ciklusban tapasztalható fogsúrlódás A 19. ábrán korábban bemutatott számított fogsúrlódás elméleti egyenesei a valóságban összetettebb felületi folyamatokra utalnak, ha a 63. ábra eredményeit megvizsgáljuk. A 63. ábra szerint adott fogpárok esetén, állandó terhelő nyomaték mellett a kapcsolóvonal menti súrlódási tényező nem lesz állandó. Ez a jelenség még feltűnőbb a súrlódás kezdeti szakaszában (running-in), ahol az egyes anyagpárok között jelentős különbségek adódnak. Amennyiben a főpont környezetében a súrlódás lokális maximuma határozottan kiemelkedik a csúszási szakaszok súrlódási értékeitől, ott a folyamat „stick-slip” hajlama is felismerhető. Ha ez a lokális maximum – a legkisebb csúszási sebességekhez tartozó súrlódás – alig, vagy egyáltalán nem tér el a csúszási


- 103 -

szakaszok súrlódási értékeitől, ott a „stick-slip” hajlam is kicsi, azaz a fogaskerékpár futásának zajszintje is alacsonyabb. Ez a mérési eredmény a szubjektív megfigyelésekkel összhangban van. Az 1,1 Nm-es terhelő nyomaték (a vizsgálatoknál ez jelentette a kis terhelési szintet) első ciklusára vonatkozóan megállapítottam:

Az egyes anyagpárok súrlódási tényezője nem állandó az egy fogpár kapcsolódás szakaszán (18. táblázat).

Az egyes anyagpárok jelentősen eltérő súrlódási értékeket és trendeket eredményeztek a bejáratás kezdeti szakaszában, de a főpont előtti és utáni súrlódási rangsor megegyezik.

A legkedvezőbb súrlódást a POM C adta, gyakorlatilag a főpont előtti lokális maximumok nem ugranak ki a csúszási szakaszok súrlódási értékeihez képest. A POM C zajszintje a legalacsonyabb volt.

A főpont körüli átmeneti zóna a PA 66 GF30 esetén adódott a legnagyobbra, mindehhez társulnak a határozottan kiugró lokális maximum értékek. Ez azt jelenti, hogy ezen az alacsony terhelési szinten nem a deformációkból ered a főpont körüli átmeneti zóna nagysága (mivel a PA 66 GF30 rendelkezik a legnagyobb rugalmassági modulussal), hanem a felületi adhézió és a kezdeti felületi érdességek (megmunkálásból eredő állapot) hatása domináns.

A magnéziummal katalizált öntött poliamid meglepő módon kedvezőbben viselkedett a nátriummal katalizált készített termékhez képest.

18. táblázat Súrlódási értékek összefoglalása (bejáratás kezdete, 1,1 Nm terhelő nyomaték és =0,1 1/s) Rangsor Anyag Főpont előtti

(%) Főpont utáni (%)

Főpont körüli lokális maximumok

1 POM C 42 40 - 2 PA 6G Mg 60 40 - 3 Textilbakelit 39 37 4 PETP/PTFE 46 33 + 5 PA 6G 82 22 + 6 PA 66 GF30 66 22 + + kiugró felfedezhető - nem meghatározó eltérés A 18. táblázatban feltüntetett súrlódási rangsort érdemes összehasonlítani a korábbi vizsgálati eredményekkel. A bejáratási vagy running-in szakaszt külön értékeltem a dinamikus pin-on-plate méréseknél (kisméretű minta vizsgálat III. kategória), valamint a nagyméretű minta vizsgálatoknál, amit a 4.4. fejezetben hasonlítok össze.


- 104 -

A 64. 65. 66. 67. ábrák a súrlódási tényezők időbeni változását szemléltetik hosszabb járatás után. A 63. ábra az első kapcsolódási ciklust, a 64. ábra az 100. ciklust, a 65. ábra az 500. ciklust, a 66. ábra az 1000. ciklust, a 67. ábra pedig a 2000. ciklusnál mért súrlódási tényező értékeket mutatja. A terhelő nyomaték és a forgás szögsebessége minden esetben azonos volt.


-0,3

-0,25

-0,2

-0,15

-0,1

-0,05

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7

kapcsolóvonal [mm]

Súrl

ódás

i tén

yező


64. ábra Fogsúrlódás a 100. ciklusban A 64. ábrából látható, hogy 100 ciklus után a súrlódás stabilizálódik, jobban hasonlít a 18. ábrán bemutatott jelenségre, de továbbra sem állandó az egyes anyagpárok súrlódási tényezője a kapcsolóvonal mentén. A 18. táblázatban feltüntetett százalékos eltérések a súrlódási tényezőkben a 100. ciklus környékére csökkennek, és az anyagpárok közötti különbségek is csökkennek. A textilbakelit súrlódási tényező értékei jóval kisebbek lesznek a hőre lágyuló többi műszaki műanyaghoz képest. A súrlódási sorrendben még a POM C a legkedvezőbb, viszont a PETP /PTFE kezd feljavulni, ami a lassan kialakuló transzferfilmnek és a PTFE adalékolás hatásának tudható be. Az 500. ciklushoz tartozó ábrát (65. ábra) elemezve érdekes jelenségek figyelhetők meg.

A PA 6G “átmeneti szakasz” a főpont körül a legnagyobb. Ez nem tudható be egyértelműen az adhéziós jelenségeknek, mivel a vizsgált anyagok között nem a PA 6G rendelkezik a legnagyobb adhéziós hajlammal, de a deformációk sem eredményezhetik önmagukban, hiszen a PA 6G átlagos rugalmassági modulussal rendelkezik. Minden bizonnyal egy olyan eredő hatás lép fel, amelynél az adhézió, transzferfilm létrejötte,


- 105 -

anyagrugalmasság és felületi geometria együttesen eredményezi a stick-slip hajlamos, viszonylag zajos futást.

A textilbakelit súrlódása kezd instabillá válni. A főpont előtt és a főpont utáni súrlódási sorrend már nem azonos, nem

egyértelmű, az egyes görbék keresztezik egymást.


-0,3

-0,25

-0,2

-0,15

-0,1

-0,05

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7

kapcsolóvonal [mm]

Súrl

ódás

i tén

yező


65. ábra Fogsúrlódás az 500. ciklusban

A főpont után a PA 6G és PA 66 GF30 határozottan nagyobb súrlódást mutat a többi polimerhez képest (kivéve textilbakelit)

A POM C és PETP /PTFE közötti különbség már nem szignifikáns. A PETP /PTFE egyre jobban megközelíti a POM C kedvező súrlódását, a PTFE adalékolás egyre inkább kifejti hatását.

Tovább vizsgálva a folyamatot a kacsolódási ciklusszámok függvényében (66. és 67. ábra) azt kapjuk, hogy

A ciklusszám folyamatos növelése a textilbakelit instabil futását eredményezi. A mért súrlódást hanghatás és rezonancia jelensége kíséri.

A 2000. ciklusnál már jól elkülöníthetően szétválnak az egyes anyagpárosításokhoz tartozó súrlódási trendek, ami a tartós fogaskerékpár használat hatásfokára egyértelmű tájékoztatást ad.

A főpont előtti és utáni súrlódási viselkedésben tapasztalható eltérés stabilizálódik.

A PETP/PTFE súrlódása a legkedvezőbbé válik, bár a lokális maximumok felismerhetők, míg a POM C esetében ez szinte nem értelmezhető.


- 106 -

A poliamidok közül még mindig a PA 6G Mg viselkedik a legkedvezőbben. Az üvegszál erősítésű PA 66 súrlódása csökken a natúr PA 6G-hez képest.

2000 ciklus megtétele után még mindig felismerhető a PA 6G viszonylag széles főpont körüli átmeneti zónája.


-0,3

-0,25

-0,2

-0,15

-0,1

-0,05

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7

kapcsolóvonal [mm]

Súrl

ódás

i tén

yező

PA 6G PA 6G Mg POM C PETP /PTFE PA 66 GF30 Bakelit

66. ábra Fogsúrlódás az 1000. ciklusban

Súrlódási tényező [M=1,1 Nm, ω=0,1 1/s],2000. ciklus

-0,3

-0,25

-0,2

-0,15

-0,1

-0,05

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7

kapcsolóvonal [mm]

Súrl

ódás

i tén

yező


67. ábra Fogsúrlódás a 2000. ciklusban


- 107 -

19. táblázat Súrlódási értékek összefoglalása (bejáratott, steady–state állapot, 1.1 Nm terhelő nyomaték és =0.1 1/s)

Főpont előtt Főpont után Rangsor Anyag (%) lokális

max. Rangsor Anyagok (%) lokális

max. 1. POM C 48 - 1. PETP/PTFE 38 - 2. PETP/PTFE 53 + 2. POM C 34 - 3. PA 6G 35 3. PA 6G Mg 72 4. PA 66 GF 30 44 4. PA 66 GF 30 46 + 5. PA 6G Mg 66 + 5. PA 6G 30 + 6. Textilbakelit 760 + 6. Textilbakelit 400 + + kiugró felfedezhető - nem meghatározó eltérés A 19. táblázat alapján megállapítható, hogy a súrlódási sorrend a bejáratás kezdeti szakaszához képest alapvetően megváltozott, és elkülöníthető trendek fogalmazhatók meg a főpont előtti és utáni súrlódási folyamatokra. További segítséget nyújtanak az értékeléshez az 1,1 Nm terhelésű és 0,1 1/s szögsebességű mérési rendszerről a 68. 69. 70. és 71. ábrák oszlopdiagramjai.

Súrlódási tényező lokális maximum értéke ismételt kapcsolódások

során (1,1 Nm), főpont előtti (μ fe-max)

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

0,45

0,5

PA 6G fe

-max

PA 6G M

g fe

-max

POM C

fe-m

ax

PETP PTFE fe

-max

PA 66 G

F30 fe

-max

Bakelit

fe-m

ax

súrl

ód

ási

tén

yező

1 100 500 1000 2000

68. ábra A főpont előtti lokális súrlódási maximumok alakulása a ciklusszám függvényében.


- 108 -

A főpont előtti lokális maximumokat tekintve nem volt olyan műanyag, mely tartós csökkenést mutatott volna, azaz a „stick-slip” hajlam csökkent volna a használattal arányosan.

A legtöbb műanyagnál az oszlopdiagramok kádgörbe burkolóval jellemezhetők. Ez alól kivétel a POM C, mert folyamatosan növekedett a súrlódása, bár abszolút értékben kedvező értékeket eredményezett. A POM C-hez hasonló trendet eredményezett a magnéziummal katalizált öntött poliamid 6 anyag is (PA 6G Mg).

A textilbakelit viselkedése nem mutat törvényszerűséget. A PA 6G és PA 66 GF30 esetében feltűnő, hogy a bejáratás elején kiugróan

magas a főpont előtti súrlódás lokális maximuma.

Súrlódási tényező átlag értéke ismételt kapcsolódások során (1,1 Nm), főpont előtti (μ fe-átl)

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

0,45

0,5

PA 6G fe

-átl

PA 6G M

g fe

-átl

POM C

fe-á

tl

PETP PTFE fe

-átl

PA 66 G

F30 fe

-átl

Bakelit

fe-á

tl

súrl

ód

ási

tén

yező

1 100 500 1000 2000

69. ábra A főpont előtti átlagos súrlódási tényezők alakulása a ciklusszám függvényében. A 69. ábra a főpont előtti súrlódási átlagértékek alakulását szemlélteti. Szembetűnő, hogy a textilbakelit nem hasonlítható össze a többi műszaki műanyaggal, igen kedvezőtlenül alakult kis terhelésen a súrlódása a ciklusszám függvényében. A korábbi megállapításokkal összhangban látszik, hogy a POM C és a PETP/PTFE eredményezte a legkisebb súrlódást.


- 109 -


során (1,1 Nm), főpont utáni (μ fu-max)

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

0,45

0,5

PA 6G fu

-max

PA 6G M

g fu

-max

POM C

fu-m

ax

PETP PTFE fu

-max

PA 66 G

F30 fu

-max

Bakelit

fu-m

ax

súrl

ód

ási

tén

yező

1 100 500 1000 2000

70. ábra A főpont utáni lokális súrlódási maximumok alakulása a ciklusszám függvényében. A 70. ábrán a főpont utáni lokális súrlódási maximum értékek szerepelnek, melyek összehasonlíthatók a főpont előtti értékekkel abszolút értékben és trendekben egyaránt.

A PETP/PTFE esetén igen kedvező jelenség figyelhető meg. A ciklusszám függvényében a súrlódási maximum érték csökken, azaz a fogaskerékpár futása egyenletesebbé válik, könnyebben indul meg a fogfelületek csúszása.

Hasonló jelenség tapasztalható a POM C esetében is, de a csökkenés mértéke nem olyan jelentős, mint a PETP/PTFE esetén.

Kiegyensúlyozott, enyhén csökkenő súrlódást mutat a PA 6G Mg. A főpont előtti helyzettel összehasonlítva a PA 6G és a PA 66 GF30

továbbra is kiugró szélső értéket mutat a bejáratás kezdeti szakaszában. A főpont előtti helyzethez képest a mérési eredmények a főpont után

nagyobb szóródást mutatnak. A súrlódási sorrend – trend - viszont nem változik a lokális maximumokat

tekintve.


- 110 -

Súrlódási tényező átlag értéke ismételt kapcsolódások során (1,1 Nm), főpont utáni (μ fu-átl)

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

0,45

0,5

PA 6G fu

-átl

PA 6G M

g fu

-átl

POM C

fu-á

tl

PETP PTFE fu

-átl

PA 66 G

F30 fu

-átl

Bakelit

fu-á

tl

súrl

ód

ási

tén

yező

1 100 500 1000 2000 71. ábra A főpont utáni átlagos súrlódási tényezők alakulása a ciklusszám függvényében.

A 71. ábra a főpont utáni csúszás számított átlagos súrlódási értékeit tartalmazza. Ha összehasonlítjuk a 69. ábra eredményeivel (főpont előtti átlagértékek), akkor feltűnő, hogy az átlagolt számítás szerint a kigördülés szakaszában a textilbakelit nem rosszabb, mint a többi műszaki műanyag, pedig a tényleges idő-függvények (pl. 67. ábra) mást mutattak. Megfigyelhető, hogy:

A PETP/PTFE súrlódása 2000 ciklusnál már kedvezőbbé válik, mint a POM C esetében.

Viszonylag meredeken csökkenő súrlódást mutat a PA 66 GF 30, ami a főpont előtti szakaszban egyáltalán nem volt tapasztalható.

A Pa 6G Mg és a POM C között szignifikáns különbség nem tapasztalható, a trend inkább csökkenő. Ezzel szemben a főpont előtt a POM C súrlódása szignifikánsan jobb a PA 6G Mg-hez képest és mindkét anyag súrlódása enyhén növekszik.


- 111 -

4.3.2. Súrlódási eredmények (5,5 Nm terhelés, 0,1 1/s szögsebesség) és értékelésük

Az előző vizsgálati rendszerhez képest a terhelő nyomatékot ötszörösére emelve többféle összehasonlítást tehetünk. Egyrészt a kisebb terhelési szint súrlódási eredményeivel és trendjeivel lehet összehasonlítani, másrészt az egyes polimerek viselkedését egymáshoz képest. A 72. ábra a bejáratás első ciklusának súrlódási eredményeit mutatja 5,5 Nm terhelő nyomaték esetén.


-0,3

-0,25

-0,2

-0,15

-0,1

-0,05

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7

kapcsolóvonal [mm]

Súrl

ódás

i tén

yező


72. ábra Fogsúrlódás a bejáratás első ciklusában, emelt terhelésen. Az alacsony terhelési szint eredményeihez képest a görbék más elrendeződést mutatnak.

A PA 6G Mg a megnövekedett felületi nyomást nagyobb felületi deformációval és nagyobb adhézióval viszonozta, kiugróan magas súrlódással. A főpont körüli gördülési- tapadási zóna kiugróan nagy a többi műanyaghoz képest.

A főpont után a csúszás megindulása egyértelműen eltolódik a főponthoz képest, ami a nagyobb terhelésből származó nagyobb deformációval magyarázható.

A főpont utáni lokális maximumok helyzete is szórást mutat. Egyértelmű a poliamidok nagyobb tapadási hajlama a POM C-hez és a PETP /PTFE-hez képest.

Meglepően alacsony súrlódási értékeket eredményezett a textilbakelit/acél fogaskerék párosítás.


- 112 -

A POM C súrlódása a kisebb terhelési szintnél kapott eredményekhez képest romlik, míg a PETP/PTFE esetében javulás észlelhető.

A súrlódási tényezők intervalluma alapvetően megegyezik a két terhelési szinten, de a nagyobb terhelésen már nem lehet olyan egyértelmű rangsort felállítani, mint a kisebb terhelési szinten, mert az egyes anyagok súrlódási görbéi meredekségben és jellegben sem egyeznek meg, számos görbe metszi egymást.

A bejáratás végét feltételező 100. ciklus (73. ábra) feltűnő változást mutat a súrlódásban.


-0,3

-0,25

-0,2

-0,15

-0,1

-0,05

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7

kapcsolóvonal [mm]

Súrl

ódás

i tén

yező


73. ábra Fogsúrlódás a vizsgálat 100. ciklusában, emelt terhelésen.

A fogkapcsolódásba belépő, a legnagyobb csúszáshoz tartozó szakaszon a PETP /PTFE kivételével az összes vizsgált polimernek magas a súrlódási tényezője, ami a csúszási sebesség csökkenésével a főpont felé közelítve fokozatosan csökken. A főpont előtti lokális súrlódási maximum gyakorlatilag nem értelmezhető, csak a PA 6G esetében.

A főpont utáni kapcsolódásnál a súrlódási tényező értékek átlagosan 25%-kal csökkentek, viszont a lokális maximumok helyzete nem javult, a PA 6G Mg továbbra is erős tapadást mutat a főpont után, azaz későn indul meg a csúszás.

A PETP /PTFE klasszikus görbéi a szakirodalomban publikált elméleti eredményekhez közelítenek a legjobban. Abszolút értékben a legkedvezőbb súrlódást eredményezte, ami összhangban van a kompozit belső önkenésével és viszonylag magas rugalmassági modulusával.


- 113 -

Textilbakelitnél a 100. ciklusnál már észlelni azt a trendet ami kisebb terhelésen csak 500 ciklus után vált egyértelművé, hogy a súrlódás nem stabilizálódik, nem állapítható meg kifejezett állandósult szakasz, a többi hőre lágyuló műszaki műanyag súrlódási jellegét nem követi.

Míg a kisebb terhelési szinten feltűnő volt 100 ciklus után, hogy az egyes műanyagok súrlódása a főpont előtt alig tér el, a főpont után meg gyakorlatilag nincs szignifikáns különbség a súrlódási görbékben, addig az emelt terhelési szinten jelentős súrlódásbeli különbségek tapasztalhatók. Ennek oka, hogy a terhelés növekedésével a felületi deformáció és adhézió eltérő arányban változik az egyes anyagpárosítások esetén.


-0,6

-0,5

-0,4

-0,3

-0,2

-0,1

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7

kapcsolóvonal [mm]

Súrl

ódás

i tén

yező


74. ábra Fogsúrlódás a vizsgálat 500. ciklusában, emelt terhelésen.

Az 500. ciklus elérésével (74. ábra) egyértelmű súrlódási trend kialakulása figyelhető meg, a főpont előtt és főpont után nincs alapvető eltérés a trendekben, csak súrlódás abszolút értékei térnek el.

A PETP /PTFE, PA 66GF30, POMC, PA 6G Mg, PA 6G és textilbakelit sorrend egyértelmű.

A textilbakelit minden ismert jellegzetességet és trendet felborít, főleg a főpont utáni súrlódása mutat nagyon intenzív tapadási hajlamot.

A PETP /PTFE kompozit továbbra is a legjobb, a súrlódási tényező abszolút értéke a 100. ciklushoz képest tovább csökkent, a PTFE adalék kifejti hatását a csúszások során.

A poliamidokat összehasonlítva feltűnő, hogy az üvegszálas PA 66 súrlódása kisebb, mint a natúr öntött poliamid 6 változatoké.


- 114 -

A POM C és a PA 6G Mg esetében nincs szignifikáns különbség, a főpont utáni lokális maximum a PA 6G Mg esetén csökken, a 100. ciklushoz képest.

A nátriummal katalizált PA 6G viszont jóval kedvezőtlenebb súrlódást mutat, mint a magnéziummal katalizált PA 6G Mg. Ez összefüggésben lehet azzal a korábban tapasztalt jelenséggel, hogy a PA 6G Mg esetében hamarabb alakul ki és vastagabb a transzferfilm a fém felületen, ami a dinamikus súrlódási egyensúly fennmaradásában fontos szerepet játszik.


-0,6

-0,5

-0,4

-0,3

-0,2

-0,1

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7

kapcsolóvonal [mm]

Súrl

ódás

i tén

yező


75. ábra Fogsúrlódás a vizsgálat 1000. ciklusában, emelt terhelésen. Az 1000. ciklusban (75. ábra) a PA 6G súrlódása kezd jelentősen megemelkedni, míg a PETP /PTFE és meglepő módon a PA 66 GF30 kedvező és stabil súrlódást mutat. Ez egyértelműen két hatásmechanizmusra hívja fel a figyelmet.

A PTFE kenőanyag adalékolás továbbra is kifejti kedvező hatását, jelentősen csökkenti az adhéziót.

Az üvegszál adalékolás az alapanyag rugalmassági modulusának többszörösére emelésével, a mikrogeometriában a tényleges érintkezési felület növekedését a terhelés emelése esetén hatásosan meggátolja.

A főpont utáni lokális maximumok helyzete és értéke részben átrendeződik. A PA 6G mutatja a legerősebb tapadást, majd a PA 6G Mg és POM C következik.


- 115 -


-0,6

-0,5

-0,4

-0,3

-0,2

-0,1

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7

kapcsolóvonal [mm]

Súrl

ódás

i tén

yező


76. ábra Fogsúrlódás a vizsgálat 2000. ciklusában, emelt terhelésen. A 2000. ciklus után (76. ábra) az alábbi megállapítások tehetők:

A PETP /PTFE kiváló súrlódási viselkedése stabilizálódott, a fogcsúszás teljes szakaszán szinte állandó súrlódást mutatott ( = 0,08 – 0,1).

Hasonlóan kedvező jelleggörbe mellett (közel állandó a csúszási szakaszokon), kissé nagyobb súrlódási tényezőket eredményezett a PA 66 GF30.

Míg a főpont előtt a súrlódási görbék monoton csökkenő jelleggel tartanak a gördülés-tapadás zónába, addig a főpont után a csúszás megindításához jellegzetesen nagyobb súrlódás (lokális maximum) társul. A főpont utáni lokális maximum értékek valós abszolút értékei mellett jellemző a lokális maximumok helyzete a főponthoz képest (stick-slip hajlam). Minél nagyobb a lokális maximum értéke, annál messzebb található a főponthoz képest, azaz annál nagyobb a tapadási-gördülési tartomány.

A súrlódási sorrend az 1000. és 2000. ciklus között már nem változott, az adatok jellemzik a fogsúrlódás során kialakult „steady-state” állapotot.


- 116 -

20. táblázat Súrlódási értékek összefoglalása (bejáratott, steady–state állapot, 5,5 Nm terhelő nyomaték és =0,1 1/s)

Főpont előtt Főpont után Rangsor Anyag (%) lokális

max. Rangsor Anyagok (%) lokális

max. 1. PETP/PTFE 35 1. PETP/PTFE 2 - 2. PA 66 GF 30 25 - 2. PA 66 GF 30 44 - 3. POM C 90 - 3. POM C 85 4. PA 6G Mg 380 - 4. PA 6G Mg 360 + 5. PA 6G 270 - 5. PA 6G 330 + 6. Textilbakelit 260 - 6. Textilbakelit 210 + + kiugró felfedezhető - nem meghatározó eltérés A 77. 78. 79. 80. ábrák oszlopdiagramjai foglalják össze az 5,5 Nm terhelésű és 0,1 1/s szögsebességű vizsgálatok súrlódási eredményeit a ciklusszámok függvényében.

Súrlódási tényező lokális maximum értéke ismételt kapcsolódások során (5,5 Nm), főpont előtti (μ fe-max)

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

0,45

0,5

PA 6G fe

-max

PA 6G M

g fe

-max

POM C

fe-m

ax

PETP PTFE fe

-max

PA 66 G

F30 fe

-max

Bakelit

fe-m

ax

súrl

ód

ási

tén

yező

1 100 500 1000 2000 77. ábra A főpont előtti lokális súrlódási maximumok alakulása a ciklusszám függvényében, emelt

terhelésen.

A megnövelt terhelés hatása jól kivehető az átalakult trendekből (77 és 78. ábra). A natúr poliamid 6 anyagok főpont előtti lokális súrlódási maximum


- 117 -

és átlagértékei egyaránt meredeken emelkednek, ami a terhelésből származó nagyobb deformációnak és tapadási hajlamnak tudható be.

Hasonlóan emelkedő, de kisebb meredekséggel jellemezhető a POM C súrlódásának tendenciózus növekedése.

A textilbakelit irreálisan magas súrlódást mutatott. A PA 66 GF30 esetében egyfajta stagnálás észlelhető, az üvegszál

erősítésből eredő nagyobb merevség, mérettartás miatt nem nőtt meg a súrlódás az ismételt igénybevételek hatására.

A PETP /PTFE a vizsgált anyagok közül a legkedvezőbb súrlódási viselkedést eredményezte. A főpont előtti súrlódási maximum értékek folyamatosan csökkentek, a bejáratás hatására a PTFE kenőanyag kifejtette hatását, stabil transzferfilm alakult ki az acél fog felületén. Feltűnő azonban, hogy a főpont előtt az átlagos súrlódási érték a bejáratásnál kiugróan magas, mivel még nem tudott kialakulni a transzferfilm az ellenfelületen.

Súrlódási tényező átlag értéke ismételt kapcsolódások során

(5,5 Nm), főpont előtti (μ fe-átl)

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

0,45

0,5

PA 6G fe

-átl

PA 6G M

g fe

-átl

POM C

fe-á

tl

PETP PTFE fe

-átl

PA 66 G

F30 fe

-átl

Bakelit

fe-á

tl

súrl

ód

ási

tén

yező

1 100 500 1000 2000 78. ábra A főpont előtti átlagos súrlódási értékek alakulása a ciklusszám függvényében, emelt

terhelésen. Ha a főpont utáni helyzetet elemezzük (79. és 80. ábra), akkor több érdekesség fedezhető fel.

A PA 66 GF30 hasonló csökkenő súrlódási trendet eredményezett, mint a PETP /PTFE, bár a poliamid súrlódási értékei kb. 10-15%-kal meghaladták a PETP /PTFE anyagét.


- 118 -


során (5,5 Nm), főpont utáni (μ fu-max)

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

0,45

0,5

PA 6G fu

-max

PA 6G M

g fu

-max

POM C

fu-m

ax

PETP PTFE fu

-max

PA 66 G

F30 fu

-max

Bakelit

fu-m

ax

súrl

ód

ási

tén

yező

1 100 500 1000 2000 79. ábra A főpont utáni lokális súrlódási maximumok alakulása a ciklusszám függvényében, emelt

terhelésen.

Súrlódási tényező átlag értéke ismételt kapcsolódások során (5,5 Nm), főpont utáni (μ fu-átl)

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

0,45

0,5

PA 6G fu

-átl

PA 6G M

g fu

-átl

POM C

fu-á

tl

PETP PTFE fu

-átl

PA 66 G

F30 fu

-átl

Bakelit

fu-á

tl

súrl

ód

ási

tén

yező

1 100 500 1000 2000 80. ábra A főpont utáni átlagos súrlódási értékek alakulása a ciklusszám függvényében, emelt

terhelésen.


- 119 -

A natúr öntött poliamid 6 anyagok és a POM C (átlagos súrlódási tényező) esetében az oszlopdiagramokra kádgörbe illeszthető, ami azt jelenti, hogy a valós dinamikus egyensúlyi állapot felborul, a növekvő súrlódás a kontaktzóna túlzott deformációjára és/vagy melegedésére, tapadására utal.

A textilbakelit mérési eredményei továbbra sem követik egyik jellegzetes trendet vagy korábbi elméletet sem. Míg 500 és 2000 ciklus esetén kiugró súrlódási értékek adódtak, addig 1000 ciklusnál jóval kedvezőbb állapotot tapasztaltunk. Ez a kiszámíthatatlan viselkedés a textilbakelit/acél fogazott hajtásban ébredő jelentős hatásfok ingadozás egyik oka lehet.


- 120 -

4.4. Eltérő vizsgálati rendszerek eredményeinek összehasonlítása

A 21. és 22. táblázat a súrlódási rangsorokat alapul véve, eltekintve a rendszerfüggő, abszolút súrlódási tényező értékektől összefoglalja a rendszerek közötti korrelációkat. 21. táblázat A bejáratási szakaszokban tapasztalt súrlódási rangsorok közötti korreláció Valós fogsúrlódás, bejáratási szakasz (running in)

- POM C és poliamidok viszonya hasonló - Textilbakelit és a hőrelágyuló anyagok viszonya nem hasonló - poliamid közötti sorrend nem hasonló

Kisméretű próbatest, dinamikus rendszer

- PETP/PTFE és PA 6G, PA 66GF30 viszonya hasonló

- POM C és a PA 6G Mg viszonya hasonló - POM C és PETP/PTFE viszonya nem hasonló - PETP/PTFE és PA 6GMg és PA 66 GF30 viszonya hasonló

Nagyméretű próbatest vizsgálatok

- PA 66 GF30 és POM C viszonya nem hasonló

22. táblázat A stabilizálódott (steady-state) szakaszokban tapasztalt súrlódási rangsorok közötti korreláció Valós fogsúrlódás, stabilizálódott szakasz (steady state)

- POM C és Pa 66 GF30 viszonya nem hasonló - Textilbakelit és a hőrelágyuló anyagok viszonya hasonló - poliamid közötti sorrend nem hasonló - PA 66GF30 és többi öntött natúr poliamid 6 viszonya hasonló - A magnéziumos és a nátriumos katalizálású öntött poliamid viszonya nem hasonló

Kisméretű próbatest, tű-tárcsa rendszer

- PETP/PTFE és többi vizsgált polimer viszonya hasonló

- PETP/PTFE a többi anyaghoz képest hasonló - PA 66GF30 a többi anyaghoz képest hasonló - POM C a többi anyaghoz képest hasonló

Nagyméretű próbatest vizsgálatok

- PA 6G Mg a többi anyaghoz képest hasonló

Új tudományos eredmények

- 121 -

5. ÚJ TUDOMÁNYOS EREDMÉNYEK

1. Mérési módszert és mérőrendszert dolgoztam ki az evolvens fogprofilú fogaskerekek kapcsolódása során fellépő súrlódási erő meghatározására. A mérőrendszer az egy-fogpár kapcsolódás szakaszán méri az érintkező fogak közt ébredő súrlódási erő komponenseket.

2. Megállapítottam, hogy a kapcsolóvonal mentén mérhető súrlódási erő az

idő függvényében változó tendenciát mutat. A polimer-acél fogaskerekek fogkapcsolódása során a főpont környezetében a gördülés és a csúszás viszonya függ az anyagpárosítástól. Értelmeztem az egyes anyagpárokhoz tartozó főpont közeli átmeneti tartomány nagyságát és annak változását az elhasználódás függvényében (vizsgálati ciklusok száma).

3. A polimer/acél fogpárok közötti súrlódási tényező állandó terhelő nyomaték

és fogaskerék fordulatszám esetén, a kapcsolóvonal mentén nem állandó, hanem változó. Értelmeztem és bevezettem a főpont előtti csúszási súrlódási tényező átlagát, a főpont előtti lokális súrlódási tényező maximumot, a főpontot és környékét jellemző átmeneti gördülési- tapadási zónát, a főpont utáni lokális súrlódási tényező maximumot és átlagos súrlódási tényezőt. A főpont után a gördülési- tapadási átmeneti szakasz nagysága és a főpont után mérhető lokális súrlódási maximum jellemzi az anyagpárosítás tapadó csúszási hajlamát.

4. Megállapítottam, hogy a bejáratási állapothoz képest a stabilizálódott

állapotban 5-10%-os súrlódás csökkenés következik be terheléstől függetlenül a PETP/PTFE és acél fogaskerék párosítás esetén, ami a hajtás hatásfok növekedésével járhat. A vizsgálati rendszerben definiált kis terhelési szinten (19,5 MPa max. Hertz feszültség) a POM C súrlódása stabilizálódott, a főpont előtti súrlódás enyhén emelkedik a használat függvényében. A terhelés növelése (43,5 MPa max. Hertz feszültség) a POM C súrlódását a kedvezőtlen, lassan növekedő súrlódás irányába mozdította el. Ez a megállapítás a főpont előtti és utáni súrlódási jellemzőkre egyaránt érvényes.

5. A natúr öntött poliamid 6 típusok és az üvegszál erősítésű extrudált

poliamid 66 eltérő módon reagált a terhelési szint növelésére. Kis terhelési szinten a poliamidok között nem volt szignifikáns eltérés stabilizálódott üzemmódban. A PA 66 GF30 súrlódása csak a bejáratási szakaszban haladta meg a natúr anyagokat 12%-kal. Mindhárom anyag súrlódása a használati idő függvényében enyhén növekedett. A nagyobb terhelési szinten a natúr öntött poliamid 6 anyagok átlagosan 50%-kal nagyobb


- 122 -

súrlódási vesztséget értek el, míg a PA 66GF30 súrlódása 10%-kal alacsonyabb szinten stabilizálódott a bejáratáshoz képest.

6. A textilbakelit (hőre keményedő, krezol formaldehid gyanta + textilszövet)

súrlódásból eredő hatásfoka terheléstől függetlenül csökken a használat függvényében. Kenés nélküli rendszerben a súrlódási jellemzői alapvetően eltérnek a hőre lágyuló műszaki műanyagtól. A textilbakelit nem követte a szakirodalomban szereplő súrlódási trendeket, nem alakult ki súrlódási egyensúly.

7. Az anyagpárosítások súrlódási tulajdonságait előkísérletekkel, kisméretű

próbatestekkel statikus körülmények között tű tárcsán (pin-on-disc) és dinamikus tű síkon (pin-on-plate) modellvizsgálati rendszerekben, valamint nagyméretű próbatestekkel dinamikus (plate-on-plate) rendszerekben tanulmányoztam. A vizsgálati rendszerek értelmezési tartományában, relatív súrlódási rangsorokat állítottam fel a bejáratási- és a stabilizálódott szakaszra vonatkozóan. A statikus és dinamikus rendszerek eredményeit összehasonlítottam a fogkapcsolódás vizsgálati rendszerben kapott eredményekkel, részleges, anyagfüggő, korlátozott mértékű korrelációkat állapítottam meg az egyes vizsgálati rendszerek között.

7/a, A vizsgálati rendszerek értelmezési tartományában, relatív

fogsúrlódási rangsorok állíthatók fel a bejáratási szakaszra vonatkozóan, dinamikus tű tárcsa (pin-on-plate) módszerrel: POM C és PA 6G, PA 6G Mg anyagminőségek viszonyában S355 acéllal párosítva, továbbá PETP/PTFE és PA 66 GF30 viszonyában S355 acéllal párosítva.

7/b, A vizsgálati rendszerek értelmezési tartományában, relatív

fogsúrlódási rangsorok állíthatók fel a bejáratási szakaszra vonatkozóan, nagyméretű próbatest módszerrel: POM C és a PA 6G Mg anyagminőségek viszonyában S355 acéllal párosítva, továbbá PETP/PTFE és PA 6G Mg és PA 66 GF30 viszonyában S355 acéllal párosítva.

7/c, A vizsgálati rendszerek értelmezési tartományában, relatív

fogsúrlódási rangsorok állíthatók fel a stabilizálódott (steady-state) szakaszra vonatkozóan, kisméretű próbatestekkel tű-tárcsa (pin-on-disc) módszerrel: textilbakelit és a hőrelágyuló anyagok viszonyában S355 acéllal párosítva, továbbá PA 66GF30 és PA 6G, PA 6G Mg viszonyában S355 acéllal párosítva, továbbá PETP/PTFE és többi vizsgált polimer viszonyában S355 acéllal párosítva.

7/d, A vizsgálati rendszerek értelmezési tartományában, relatív

fogsúrlódási rangsorok állíthatók fel a stabilizálódott (steady-state)


- 123 -

szakaszra vonatkozóan, nagyméretű próbatest vizsgálatokkal az összes kutatott polimer (PETP/PTFE, POM C, PA 66 GF30, PA 6G, PA 6G Mg) viszonyában S355 acéllal párosítva.


- 124 -

Összefoglalás

- 125 -

6. ÖSSZEFOGLALÁS, TOVÁBBI FELADATOK, GYAKORLATI HASZNOSÍTÁS, LEHETŐSÉGEK

A műanyag fogaskerekek és egyéb polimer,- kompozit gépelemek

használata a műszaki alkotásokban egyre gyakoribb. Az előnyös és hátrányos tulajdonságok pontos ismerete elengedhetetlen. A tervezési tevékenység, a gyártástechnológiák és a gépüzemfenntartási stratégiák elképzelhetetlenek a pontos mechanikai, kémiai, elektromos és tribológiai jellemzők ismerete nélkül. Kutatási munkámban a leginkább elterjedt, illetve anyagfejlesztés szempontjából ígéretes polimerek tribológiai jellemzőit vizsgáltam. A szakirodalmi alapismeretekből kiindulva, az ismeretlen vagy kevéssé feltárt tribológiai összefüggéseket kutattam több vizsgálati rendszerben, eltérő próbatest és mozgási-, terhelési feltételek esetén. Valós gépelem (műanyag/acél fogaskerék) laboratóriumi vizsgálatához egyedi mérőrendszert terveztem és valósítottam meg. Ennek segítségével a fogaskerekek kapcsolóvonal menti súrlódását mértem, melyek az elméleti görbékhez képest anyagpáronként pontosíthatók voltak. Az eredményeket összehasonlítottam a laboratóriumi mintavizsgálatok eredményeivel, és az anyagok közötti relatív trendeket, sorrendeket felállítva az egyes vizsgálati rendszerek közötti korrelációkat fogalmaztam meg. A folyamat időbeni értékelése lehetőséget biztosított, hogy a súrlódás változásán keresztül a fogazott hajtás fogsúrlódási eredetű hatásfok változását indirekt módon megbecsülni, tervezni lehessen. A kidolgozott módszerrel több más terhelési szinten és siklási sebességen, más anyagpárosításokkal is adatok nyerhetők a hajtások hatásfokváltozásáról, a fogsúrlódás stabilizálódásáról (vagy tönkremenetelről). A mérőrendszer továbbfejleszthető más technikai lehetőségek alkalmazásával. Az erőmérés mellett a főpont környezetében definiált átmeneti zóna és a csúszási szakaszok tribológiai jellemzőinek időbeni változása egyaránt vizsgálható rezgésdiagnosztikai módszerekkel, és a tribológiai értékelés kiegészülhet rezgés RMS, amplitúdó, sebesség és gyorsulás analízissel. A fogazott hajtások vizsgálata a száraz súrlódás mellett kiterjeszthető kent fogfelületek súrlódásának mérésére is, ami azonban a mérőrendszerem konstrukciós továbbfejlesztését kívánja. A dolgozatban ismertetett súrlódási eredmények és azok hasznosítása, valamint a mérőrendszer fejlesztése a gépészmérnöki tevékenység egyik legsarkalatosabb területén jelent előrelépést: a súrlódásból és kopásból származó energia és anyagveszteségek minimalizálásához járul hozzá. Ezáltal a fenntartható környezet, az emberi jólét és környezetvédelem összhangját igyekszik támogatni.

Összefoglalás

- 126 -

Summary

- 127 -

SUMMARY

During operation of different machines large variety of failure process can occur. Dominant reason of the breakdowns is origined from the movements of machine elements that are subjected to friction. Friction generally results different wear mechanism and different form of wear. For correct and suitable use of those machine elements, it is necessary to know all their material properties. Nowadays designing for strength goes quite well, for life period and fatigue reasonably, but the tribological behaviour is not known in depth. There is a lack of good catalogue information and literature data, complicating the design and dimensioning of such a systems. Engineers in many fields frequently require estimates of the magnitudes of the friction and wear likely to be experienced by different combinations of materials sliding or rolling together in various environments.

Regarding the sliding pairs we can meet more often engineering polymers as replacement of conventional steels having advantageous tribological properties in general. Along with the new industrial applications there has been development of new materials, coatings, composites, which need tribological properties to be discovered. Following this idea in my research program I decided to clarify the exact friction behaviour of engineering polymer/steel friction pairs focusing finally on plastic/steel gear pairs.

I approached the tribological problem on the basis of system theory developed by Czichos. First I studied the literature of involute gear pairs and gear mesh with conventional materials and I paid special attention to new engineering polymers applied in gear systems. As a result I clarified the load and speed condition with some potential materials of gears to be tested. I designed the following tribology test systems:

1. Small-scale plastic specimens. Conventional pin-on-disc tribometer was used to obtain basic friction and wear data (plastic pin and steel disc). I designed a further method of dynamic modelling as well, with small-scale specimens having dynamic load and speed effects, just like between gear teeth profiles.

2. Large-scale plastic specimens. Tribological research on modern self-lubricating materials is generally performed by means of small-scale specimens, because of the lower costs and the flexibility of testing. The results of these small-scale tests, however, can not easily be extrapolated to real (large) constructions. Some of the reasons are: misalignment, edge effects, material inhomogenity, features as wear particle grooves or anti-creep devices. Thus, large-scale (real-scale) specimen tribotesting was needed with dynamic conditions to have better approach to gear friction and to have more global tribological information about the selected material pairs.

Summary

- 128 -

3. Real machine element tribotesting. I designed a new method to measure the friction during gear mesh along the action line of involute gear profiles. Formerly there were no data about this phenomenon just calculated values (forces and torque) concerning constant friction coefficients. In my new tribotesting system I clarified the real friction process along the action line in the function of sliding distance (running time of gear drive).

With these test methods I carried out large number of tests about friction, wear and friction heat generation. Finally my focus went on friction concerning the present role of plastic/steel gear drives due to unlubricated applications. The obtained test result let me compare the different test systems and clarify the correlation between friction result of small-scale-, dynamic-, large-scale and real gear friction results. My conclusions about correlations of the test system are put into tables in the dissertation. The further statements can be concluded from my research work:

- The developed test method is useful to study the friction process along the action line under “one-tooth” connection phase between polymer/steel gears.

- The theoretical friction was discovered more in depth and described with a given friction pairs.

- The friction changes along the action line. - The trends also change in the function of load and meshing time (test

cycles) - Different changing trends of friction means different change of efficiency of

polymer/gear drive. In my database I set these trends. - Pitch point rolling effect in the practice means pitch zone. The width of the

pitch zone is different with different friction pairs due to the different adhesion and deformation.

- The comparison of local maximum friction and average sliding friction values gives information about “even” or “un-even” running of mesh, the sensitivity for “stick-slip” behaviour of gear drive. Where I find local maximum friction to be much higher to average friction values, that means potential “stick-slip” danger. That is typical for PA 6G under light load.

- Based on our new research method I discovered more material- and system-specific phenomena with polymer/steel gear pair friction and my new database can help to design and maintain such a kind of gear drives.

Irodalomjegyzék

- 129 -

IRODALOMJEGYZÉK [1] Bárány János: Fogaskerékszámítás a TMK-ban, Műszaki Könyvkiadó,

Budapest, 1967 [2] Bartz J. W.: Getriebeschmierung. Expert Verlag 1989. [3] Beer György (szerk.): Mezőgazdasági gépek anyagai. Budapest:

Mezőgazdasági Kiadó 1984, 352 p. [4] Benabdallah H., Yelle H. (1991): Static and quasi-dynamic coefficient of

friction of tree engineering thermoplastics: UHMWPE, PA 66, POM. J Mater Sci 75, p. 1199 – 1202.

[5] Benedict, G.H., and Kelley, B.W.: Instantaneous Coefficients of Gear Tooth Friction. ASLE Transactions, Vol. 4, No. 1, 1961. p. 59–70

[6] Berthier, Y.: Background on friction and wear, in Lemaitre Handbook of Materials Behavior Models, Academic press 2001, pp. 676-699.

[7] Bharat Bhushan – B: K. Gupta (1991): Handbook of Tribology. McGraw-Hill, inc.

[8] Bharat Bhushan: Modern tribology handbook, Volume One, Volume Two CRC Press LLC, 2000

[9] Bodor Géza – Vas László M.: Polimer anyagszerkezettan. Műegyetemi Kiadó, 2001.

[10] Bowden F.P. Tabor D.: The Friction and Lubrication of Solids. Oxford University Press. 1964.

[11] H. Böhm, S. Betz and A. Ball: The wear resistance of polymers. Tribology International, Volume 23, 1990, Pages 399-406

[12] Czichos H.: Tribology- A System Approach to the Science and Technology of Friction, Lubrication and Wear. Elsevier, Amsterdam. 1987.

[13] De Baets P.: Comparison of the wear behaviour of six bearing materials for a heavily loaded sliding system in seawater. Wear, 1995, Vol. 180 61-72. p.

[14] De Baets P.: Wear simulation of a sliding system by means of large-scale specimen testing. Wear, 1994, Vol. 173 65-74. p.

[15] F. DeBruyne: Technical Manual. Application of engineering polymers, workshop. DSM Engineering Plactic Product. Tielt, 1995.

[16] Dessewffy Olivér – Kappel László: Gumik és műanyagok vizsgálata. Műszaki könyvkiadó, Budapest, 1966.

[17] Duncan Dowson: History of Tribology, Wiley, 2 edition, 1998. [18] DSM EPP Technical Manual, 1999. [19] Duda M.: Der geometrische Verlustbeiwert und die Verlustansymmertrie

bei geradverzahnten Stirnradgetrieben. Forschung im Ingenieurwesen 37, 1971.

[20] Eberst Otto, Pop Sever, Kalácska Gábor, Zsidai László: Rekonstrukciós tervezések műszaki műanyagok alkalmazásával. Kutatási és Fejlesztési Tanácskozás, Gödöllő 2001. január

Irodalomjegyzék

- 130 -

[21] Eleőd, A. – Baillet, L. – Berthier, Y. – Törköly, T.: Deformability of the near surface layer of the first body. Tribology Series, 41, Editor: D. Dowson, Tribological Research and Design for Engineering Systems, Elsevier, 2003, pp. 123-132.

[22] Fatigue and tribological properties of plastic and elastomers. Plastic Design Library, Norwich, 1995

[23] Ferrero JF, Barrau JJ. (1997): Study of dry friction under small displacements and near-zero sliding velocity. Wear 209, p 322 – 327.

[24] Anders Flodin [2000]: Wear of spur and helical gears. Doctoral Thesis, Department of Machine Design, Royal Institute of Technology, Stockholm, 2000. ISSN 1400-117

[25] Füzes László – Kelemen Andorné: Műszaki műanyagok zsebkönyve, Műszaki Könyvkiadó, Budapest 1989

[26] Godet, M.: The third-body approach: a mechanical view of wear, Elsevier Sequoia, Wear 1984, Vol. 100, pp. 437-452.

[27] Godet, M. – Play, D. – Berthe, D.: An attempt to provide a uniform theory of tribology through load carrying, transport and continuum mechanics, J. Lubr. Technol., 102, April 1980, pp. 153-164.

[28] Habib S. Benabdallah (2006): Static friction coefficient of some plastics against steel and aluminum under different contact conditions. Tribology International, 2006 (article in press)

[29] Horánszky – Szabó – Túri: Műanyagok a mezőgazdaságban. Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1979

[30] Horánszky, Szabó, Turi: Polimerek a mezőgazdaságban. Budapest: Műszaki Könyvkiadó, 1979

[31] Hutchings I. M. (1992): Tribology: friction and wear of engineering materials. Edward Arnold, London.

[32] Ishibashi A. Et al.: Effect of Type of Lubricant an Shape of Tooth Profile upon Efficiency of Gear Drives. Lubrication Science Vol. 11. No. 2. 1999. p. 135-163.

[33] Robert C. Juninall, Kurt M. Marshek: Fundamentals of Machine Component Design. John Willey & Sons. INC. 2000

[34] Kalácska Gábor, Patrick De Baets, Zsidai László, Karen Vercammen: Dinamikus tribométer fejlesztése. Kutatási és Fejlesztési Tanácskozás, Gödöllő 2001. január

[35] Kalácska Gábor: Mezőgépek - Mezőgépészeti tribológia. Jegyzet, második átdolgozott kiadás, Gödöllő, 2003

[36] Kalácska Gábor: Műszaki Polimerek és kompozitok a gépészmérnöki gyakorlatban. Gödöllő, 2007

[37] Kalácska szerk.: Antal – Fledrich – Kalácska – Kozma: Műszaki műanyagok gépészeti alapjai, Műszaki műanyagok gépészeti alapjai, Minerva-Sop Bt. Sopron, 1997

Irodalomjegyzék

- 131 -

[38] Kennedy F.E. and Karpe S.A. (1982): Thermocracking of a mechanical face seal, Wear, 79, 21-36 p.

[39] Klein H.: Bolygókerék hajtómúűvek. Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1968.

[40] Kozma Mihály: A fogaskerekek súrlódási vesztesége. Gép okt. – nov., 2004 [41] Kozma Mihály: Gépelemek 9. Tribológia, Siklócsapágyak, Műegyetemi

Kiadó, 1995 [42] Kozma Mihály: Műanyag felületek súrlódása. Gép, 30/10, 1978 [43] Kozma Mihály: Tribológia alapjai, Veszprémi Egyetem Szakmérnöki

Jegyzet, Kézirat, Budapest 1997 [44] Kozma Mihály: Tribológia. Műegyetemi Kiadó, 2001. [45] Kragelszkij – Mihin: Gépszerkezetek súrlódás- és kopásszámítása. Műszaki

Könyvkiadó, 1987 [46] Landman U., Luedtke W.D., and Ringer E.M. (1993): Molecular dynamics

simulations of adhesive contact formation and friction. Fundamentals of Frictions: Macroscopic and Microscopic Processes, Singer, I.L. and Pollock, H.M., Kluwer academic Publishers, Dordrecht, 463 p.

[47] Linck, V. – Baillet, L. – Berthier, Y.: Modelling the consequences of local kinematics of the first body on friction and on third body sources in wear, Wear 2003, august – September, pp. 299-308.

[48] Mitutoyo Users Manual 1996 [49] Németh András - Marosfalvi János: Polietilén repedési ellenállásának

vizsgálata széles időtartományban, hosszúidejű törésmechanikai anyagjellemzők. Műanyag és gumi, 2000. (37. évf.) 11. sz. p. 379-382.

[50] Niemann G., Winter H.: Maschinenelemente II. Sringer Verlag Berlin, 1989.

[51] Pálikás I., Zsidai L. (2002): Korszerű műszaki műanyagoka mezőgazdasági gépiparban. Gépesítési Társaság Jubileumi Országos Gépesítési Tanácskozás, Gyöngyös

[52] Pék Lajos: Anyagszerkezettan és anyagismeret, Dinasztia Kiadó, Budapest 2000

[53] Pék Lajos: Fémes és nemfémes szerkezeti anyagok, SZIE egyetemi jegyzet, Gödöllő 2000

[54] Pukánszky Béla: Műanyag szerkezeti anyagok. Magyar Tudomány 2002/7, Anyagtudomány, 897 o.

[55] Radzimovsky, E.I., Mirarefi, A., Broom, W.E., Instantaneous Efficiency and Coefficient of Friction of an Involute Gear Drive, ASME Journal of Engineering for Industry, Nov. 1973, p. 1131–1138

[56] Brian Rebbechi, Fred B Oswald, Dennis P. Townsend: Measurement of Gear Tooth Dynamic Friction. NASA Technical memorandum 107279, Army Research Laboratory, 1996

[57] Rigney D.A. and Hirth J.P. (1979): Plastic deformation and sliding friction of metals, Wear, 53, 345-370 p.

Irodalomjegyzék

- 132 -

[58] E. Santner and H. Czichos: Tribology of polymers. Tribology International, Volume 22, 1989, Pages 103 – 109

[59] Shell Co Ltd: The Lubrication of Industrial Gears. John Wright & Sons LTd. 1964

[60] Szendrő Péter szerk.: Gépelemek, Mezőgazda, Budapest, 2007 [61] Szendrő Péter: Gépelemek 3, Gödöllő, 1978 [62] Szendrő Péter: Mezőgazdasági géptan, Mezőgazda, Budapest, 1993 [63] Kyuichiro Tanaka and Takashi Miyata: Studies on the friction and transfer

of semi-crystalline polymers. Wear, 1977 p. 383 – 398 [64] R. Thibaut: Gépelemek. Műszaki Könyvkiadó, 1973 [65] H. Unal and A. Mimaroglu: Influence of test conditions on the tribological

properties of polymers. Industrial Lubrication and Tribology, Volume 55 2003 pp. 178 – 183

[66] Valasek István szerk.: Tribológiai kézikönyv, Tribotechnik Kft. Budapest 1996

[67] Vámos Endre: Tribológiai kézikönyv. Gépek és gépelemek súrlódása, kopása, kenése, Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1983, 158 - 161 p.

[68] Váradi K. Néder Z. Friedrich K. Flöck J.: Finite Element and Thermal Analysis of a Composite Fibre-Matrix Micro System Subjected to Sliding Metal Asperity Contact. EUROMAT’97. International Conference on Advanced Materials and Processes and Applications. Maastricht, Holland, 1997. p. 63-66.

[69] Vörös Imre: Gépelemek III. Fogaskerekek. Tankönykiadó Budapest, 1972 [70] J. A. Williams: Engeneering Tribology, 1994 [71] www.quattroplast.hu [72] Yamaguchi Yukisaburo: Tribology of plastic materials. Amsterdam:

Tribology series 16, Elsevier, 1990 [73] Zalai András: Kenőanyagok gépi vizsgálata, szakmérnöki jegyzet.

Budapesti Műszaki Egyetem, Tankönyvkiadó Budapest 1970 [74] Zsáry Árpád: Gépelemek. Tankönyvkiadó Budapest 1989 [75] L. Zsidai – G. Kalácska, P. De Baets, M. Kozma: Tribotesting of

engineering polymres. Hungarian agricultural engineering, 2001/14 p. 74 – 76

[76] Zsidai L., Kalácska G., Vercammen K., van Acker K., Meneve J., de Baets P.: Friction and wear of technical plastics measured on diamond-like carbon coating and steel surface I. – II. Műanyag és gumi, 2001/10 – 11

[77] László Zsidai: Friction and wear of engineering polymers, University of Gent, 1999

[78] Zsidai László, Kalácska Gábor, P. De Baets, Kozma Mihály, Karen Vercammen: Investigation of tribological properties of engineering plastics by different tests. Kutatási és Fejlesztési Tanácskozás, Gödöllő 2001. január

Ábrajegyzék

- 133 -

ÁBRAJEGYZÉK 1. ábra Polimer anyagpiramis [Kalácska, 2005] ........................................................................... - 12 - 2. ábra A mezőgazdaságban alkalmazott műanyagok csoportosítása [Pálinkás, 2002] ................ - 21 - 3. ábra Egyenes fogazatú hengeres fogaskerékpár fog- és csapágyerői,....................................... - 25 - 4. ábra Néhány fontosabb műanyag méretváltozási tényezője különböző körülmények esetén

[Kalácska, 2007] ................................................................................................................. - 26 - 5. ábra Elemi tribológiai rendszer [Valasek et al., 2002].............................................................. - 28 - 6. ábra A száraz súrlódás modellje és a harmadik-test körforgása [Berthier, 2001] ..................... - 28 - 7. ábra Súrlódási tényezők nagysága [Bushan, 2000]................................................................... - 31 - 8. ábra PA 6/acél súrlódási tényező értékének változása a terhelés függvényében, különböző

sebességeken (Ra=0,8) [Williams, 1994] ............................................................................ - 32 - 9. ábra Csúszó érintkező felületek makroszkópikus metszete ...................................................... - 32 - 10. ábra A súrlódási erő összetevőinek változása a terhelés függvényében [Kozma, 2005] ........ - 33 - 12. ábra Kopás típusai [Beitz – Küttner, 1994]............................................................................. - 37 - 13. ábra Műanyagok egységnyi súrlódási munkára vonatkoztatott fajlagos kopásának ............... - 39 - 14. ábra Tribológiai vizsgálatok csoportosítása [Czichos elve alapján] ....................................... - 44 - 15. ábra Henger-tárcsa vizsgálat elvi vázlata................................................................................ - 45 - 16. ábra Henger-sík vizsgálat elvi vázlatai ................................................................................... - 45 - 17. ábra Nagyméretű próbadarabok vizsgálatára szolgáló egyedi építésű, berendezés ................ - 47 - 18. ábra Fogazati hatásfok különböző fogazat kialakításánál ....................................................... - 50 - 19. ábra A fogazati erő és hajtó fogaskerékre ható nyomaték változása a kapcsolódás folyamán, ha a

hajtott fogaskereket terhelő nyomaték állandó [Kozma, 2004]........................................... - 50 - 20. ábra Dinamikus súrlódási erőmérő berendezés [Benedict – Kelly, 1961] .............................. - 51 - 21. ábra Nyúlásmérő bélyegek helyzete [Rebbechi et al., 1996] .................................................. - 52 - 22. ábra Normál és súrlódási dinamikus fogterhelés .................................................................... - 53 - 23. ábra Dinamikus súrlódási erő és súrlódási tényező ................................................................ - 53 - 24. ábra FZG vizsgáló berendezés vázlata [Zalai, 1970] .............................................................. - 54 - 25. ábra Polipropilén fogprofil változása kopás következtében [Yamaguchi, 1990].................... - 55 - 26. ábra A tribológiai anyagvizsgáló berendezés felhasználási területei ...................................... - 60 - 27. ábra Súrlódás és kopásvizsgáló berendezés ............................................................................ - 61 - 28. ábra A statikus rúd-tárcsa és a dinamikus rúd-sík vizsgálati rendszerek ................................ - 62 - 29. ábra A dinamikus mozgáspálya .............................................................................................. - 63 - 30. ábra Statikus rúd-tárcsa vizsgálatoknál a kisméretű próbatestre ható erők............................. - 64 - 31. ábra Statikus terhelésű, állandó sebességű rúd-tárcsa vizsgálat súrlódási tényező diagramja (PA

6G, p = 2 MPa, v = 0,4 m/s)................................................................................................ - 65 - 32. ábra A súrlódási tényező elvi változása a súrlódási út mentén ............................................... - 65 - 33. ábra Polimer/fém felületek súrlódási kapcsolata .................................................................... - 66 - 34. ábra Dinamikus mozgás és erőhatás alatt mért rúd-sík vizsgálat teljes diagramja.................. - 68 - 35. ábra Dinamikus mozgás és erőhatás alatt mért rúd-sík vizsgálat első mozgási ciklusának

diagramja............................................................................................................................. - 69 - 36. ábra. MTS nagyméretű próbatest vizsgáló berendezés ........................................................... - 70 - 37. ábra Nagyméretű próbatest mérési diagram............................................................................ - 73 - 38. ábra Fogkapcsolódás modellvizsgáló berendezés vázlata....................................................... - 75 - 39. ábra Sebességviszonyok kapcsolódásnál ................................................................................ - 77 - 40. ábra Az érintkező fogak feszültségképe [Anton van Beek, 2006] .......................................... - 78 - 41. ábra A fejkörátmérő módosítása ............................................................................................. - 80 - 42. ábra Többfogméret mérése a polimer próbatesten .................................................................. - 81 - 43. ábra A terhelések iránya ......................................................................................................... - 82 - 44. ábra A súrlódás hatása ............................................................................................................ - 83 -

Ábrajegyzék

- 134 -

45. ábra Két fogpár kapcsolódás................................................................................................... - 84 - 46. ábra Egy fogpár kapcsolódás .................................................................................................. - 84 - 47. ábra A tengelyerő és a súrlódási erő változásának diagramja................................................. - 86 - 48. ábra A fogsúrlódási tényező változásának diagramja ............................................................. - 87 - 49. ábra A fogsúrlódási tényező értékei a kapcsolódás számának függvényében ........................ - 88 - 50. ábra A befogófej normál és deformált állapota....................................................................... - 88 - 51. ábra A valós kopás és deformáció diagramja.......................................................................... - 89 - 52. ábra Mérési pontok a nagyméretű próbatesten ....................................................................... - 89 - 53. ábra Statikus terhelésű, állandó sebességű rúd-tárcsa vizsgálat kopás és deformációs valamint

hőmérsékleti diagramja (PA 6G, p = 2 MPa, v = 0,4 m/s) .................................................. - 90 - 54. ábra Statikus terhelésű, állandó sebességű rúd-tárcsa vizsgálatok súrlódási tényező diagramja

pxv = 0,8 MPa x m/s és 2 MPa x m/s tribológiai terhelés esetén ................................... - 91 - 55. ábra Súrlódási melegedés a statikus terhelésű, állandó sebességű rúd-tárcsa vizsgálatok során ... -

92 - 56. ábra A kopás és deformáció együttes értékei állandó sebességű rúd-tárcsa vizsgálatok során- 93

- 57. ábra Dinamikus modell rendszer kisméretű próbatestekkel, súrlódás a „running in” bejáratási

szakaszban, (kiemelve az első ciklus, majd a teljes öt ciklus)............................................. - 94 - 58. ábra Hőmérséklet emelkedések a dinamikus modell rendszerben .......................................... - 95 - 59. ábra Kopás+deformáció értékek a dinamikus modell rendszerben......................................... - 96 - 60. ábra A statikus és dinamikus súrlódási tényezők alakulása a terhelés függvényében, a bejáratási

„running in” szakaszban...................................................................................................... - 98 - 61. ábra A statikus és dinamikus súrlódási tényezők alakulása a terhelés függvényében, az

egyensúlyi „steady state” szakaszban................................................................................ - 100 - 62. ábra A vastagsági méret lineáris kopása ............................................................................... - 100 - 63. ábra Egy fogpár kapcsolódás szakaszán, az első ciklusban tapasztalható fogsúrlódás ......... - 102 - 64. ábra Fogsúrlódás a 100. ciklusban ........................................................................................ - 104 - 65. ábra Fogsúrlódás az 500. ciklusban ...................................................................................... - 105 - 66. ábra Fogsúrlódás az 1000. ciklusban .................................................................................... - 106 - 67. ábra Fogsúrlódás a 2000. ciklusban ...................................................................................... - 106 - 68. ábra A főpont előtti lokális súrlódási maximumok alakulása a ciklusszám függvényében. . - 107 - 69. ábra A főpont előtti átlagos súrlódási tényezők alakulása a ciklusszám függvényében. ...... - 108 - 70. ábra A főpont utáni lokális súrlódási maximumok alakulása a ciklusszám függvényében... - 109 - 71. ábra A főpont utáni átlagos súrlódási tényezők alakulása a ciklusszám függvényében........ - 110 - 72. ábra Fogsúrlódás a bejáratás első ciklusában, emelt terhelésen............................................ - 111 - 73. ábra Fogsúrlódás a vizsgálat 100. ciklusában, emelt terhelésen. .......................................... - 112 - 74. ábra Fogsúrlódás a vizsgálat 500. ciklusában, emelt terhelésen. .......................................... - 113 - 75. ábra Fogsúrlódás a vizsgálat 1000. ciklusában, emelt terhelésen. ........................................ - 114 - 76. ábra Fogsúrlódás a vizsgálat 2000. ciklusában, emelt terhelésen. ........................................ - 115 - 77. ábra A főpont előtti lokális súrlódási maximumok alakulása a ciklusszám függvényében, emelt

terhelésen. ......................................................................................................................... - 116 - 78. ábra A főpont előtti átlagos súrlódási értékek alakulása a ciklusszám függvényében, emelt

terhelésen. ......................................................................................................................... - 117 - 79. ábra A főpont utáni lokális súrlódási maximumok alakulása a ciklusszám függvényében, emelt

terhelésen. ......................................................................................................................... - 118 - 80. ábra A főpont utáni átlagos súrlódási értékek alakulása a ciklusszám függvényében, emelt

terhelésen. ......................................................................................................................... - 118 -

Táblázatjegyzék

- 135 -

TÁBLÁZATJEGYZÉK 1. táblázat Tipikus polimer alkalmazási területek [forrás: Juninall – Marshek, 2000] ................. - 15 - 2. táblázat A vizsgált polimerek néhány anyagtulajdonsága [forrás: www.quattroplast.hu] ........ - 16 - 3. táblázat Kopástényező várható értéke abráziós kopás esetén [Kalácska et al.1997] ................ - 38 - 4. táblázat Kopástényező várható értéke adhéziós kopás esetén [Kozma, 1995].......................... - 41 - 5. táblázat Vizsgálati paraméterek ................................................................................................ - 62 - 6. táblázat A kisméretű próbatest vizsgálatoknál használt próbatestek anyaga ............................ - 63 - 7. táblázat Az acéltárcsa felületi érdessége................................................................................... - 64 - 8. táblázat Vizsgálati paraméterek ................................................................................................ - 71 - 9. táblázat Az acél próbatest felületi érdessége köszörülés után................................................... - 72 - 10. táblázat A nagyméretű próbatest vizsgálatoknál használt próbatestek anyaga ....................... - 72 - 11. táblázat Vizsgálati paraméterek .............................................................................................. - 76 - 12. táblázat Az acél és a különböző polimer fogaskerekek közt ébredő Hertz feszültség ............ - 79 - 13. táblázat Az elméleti és mért többfogméretek.......................................................................... - 82 - 14. táblázat Mérési kategóriák fő jellemzői .................................................................................. - 91 - 15. táblázat Kisméretű próbatest vizsgálatok mérési eredményeinek összegzése ........................ - 97 - 16. táblázat A kis és nagyméretű vizsgálati rendszerek összehasonlító táblázata....................... - 101 - 17. táblázat Súrlódás, súrlódási melegedés valamint kopás, kopás+deformáció ........................ - 101 - 18. táblázat Súrlódási értékek összefoglalása (bejáratás kezdete, 1,1 Nm terhelő nyomaték és =0,1

1/s)..................................................................................................................................... - 103 - 19. táblázat Súrlódási értékek összefoglalása (bejáratott, steady–state állapot, 1.1 Nm terhelő

nyomaték és =0.1 1/s)..................................................................................................... - 107 - 20. táblázat Súrlódási értékek összefoglalása (bejáratott, steady–state állapot, 5,5 Nm terhelő

nyomaték és =0,1 1/s)..................................................................................................... - 116 - 21. táblázat A bejáratási szakaszokban tapasztalt súrlódási rangsorok közötti korreláció.......... - 120 - 22. táblázat A stabilizálódott (steady-state) szakaszokban tapasztalt súrlódási rangsorok közötti

korreláció .......................................................................................................................... - 120 -

Köszönetnyilvánítás

- 136 -

KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS

Nagyrabecsülésemet fejezem ki témavezetőmnek Dr. Kalácska Gábor egyetemi tanárnak, aki tudományos és szakmai elkötelezettséggel állt mellettem a munkám során.

Disszertációm elkészítésére a Szent István Egyetem Gödöllő, Gépipari Technológiai Intézetében és a Genti Egyetem Gépszerkezet és Gépgyártás Tanszékén nyílt lehetőségem. Ezért köszönöm Dr. Pálinkás Istvánnak és Prof. Dr. Patrick De Beatsnek a szakmai támogatást és a munkámhoz szükséges feltételek megteremtését.

Köszönetemet fejezem ki opponenseimnek a szakmai segítségért és az építő jellegű kritikáért, amelyek értekezésemet nagymértékben előremozdították. Köszönöm barátaimnak, kollégáimnak, hogy észrevételeikkel, hasznos tanácsaikkal folyamatosan segítettek.

Végül, de nem utolsó sorban köszönöm Édesanyámnak, hogy mindvégig mellettem állt és támogatott.

Mellékletek jegyzéke

- 137 -

MELLÉKLETEK JEGYZÉKE 1.0 melléklet A dinamikus triboteszter szerkezeti és kapcsolási ábrák

2.0 melléklet A fogkapcsolódás modellvizsgálat kapcsolási ábrák, számítási táblázatok, diagramok

3.0 melléklet Nagyméretű próbatest vizsgáló berendezés kapcsolási ábrái 4.0 melléklet A maximális hőmérséklet emelkedés összefüggései

különböző feltételek esetén 5.0 melléklet Rúd tárcsa vizsgálati rendszerben mért súrlódási, kopási és

hőmérsékletváltozási görbék 6.0 melléklet Dinamikus rúd sík vizsgálati rendszerben mért súrlódási,

kopási és hőmérsékletváltozási görbék 7.0 melléklet Fogkapcsolódás modellvizsgálat során mért súrlódási görbék

8. melléklet Nagyméretű próbatesteken végzett vizsgálatok eredményei

MELLÉKLETEK

Mellékletek

- 139 -

1. melléklet

M1/1. ábra A dinamikus triboteszter terhelőszerkezetének ábrája

Mellékletek

- 140 -

1. melléklet

M1/2. ábra A dinamikus triboteszter mérési elektromos kapcsolási vázlata

„z” erő „y” erő „x” erő

A/D

„x” elmozdulás

„y” elmozdulás

„z” elmozdulás azaz a kopás

digitális mérőerősítő

számítógép

motor vezérlő

„x” irányú léptetőmotor

„y” irányú léptetőmotor

„z”irányú léptetőmotor

elektromos motor

Mellékletek

- 141 -

2. melléklet

0

1

2

3

4

0 20 40 60 80 100 120

Ambient Temperature [°C]

All

ow

able

Ben

din

g S

tres

s [k

gf/

mm

2]

M2/1. táblázat Fogalak tényező (Elements of Metric Gear Technology)

Form factor Number of teeth 14.5 20 Standard tooth 20 Stub tooth

12 0.355 0.415 0.496 14 0.399 0.468 0.540 16 0.430 0.503 0.578 18 0.458 0.522 0.603 20 0.480 0.544 0.628 22 0.496 0.559 0.648 24 0.509 0.572 0.664 26 0.522 0.588 0.678 28 0.535 0.597 0.688 30 0.540 0.606 0.698 34 0.553 0.628 0.714 38 0.565 0.651 0.729 40 0.569 0.657 0.733 50 0.588 0.694 0.757 60 0.604 0.713 0.774 75 0.613 0.735 0.792 100 0.622 0.757 0.808 150 0.635 0.779 0.830 300 0.650 0.801 0.855

Rack 0.660 0.823 0.881

M2/2. táblázat Sebesség tényező, KV (Elements of Metric Gear Technology)

Lubrication Tangential speed [m/s] Factor KV

Lubricated Under 12 Over 12

1.0 0.85

Unlubricated Under 5 Over 5

1.0 0.7

M2/1. ábra Megengedett hajlító feszültség, b [kgf/mm2]

Olaj kenéssel

Kenés nélkül

Mellékletek

- 142 -

3. melléklet

M3/1. ábra A polimer próbatestek elhelyezkedése a nagyméretű próbatest vizsgálati rendszerben

Mellékletek

- 143 -

4. melléklet M4/1. táblázat Maximális hőmérséklet emelkedés eltérő hőforrások esetén

A csúcshőmérséklet növekedés összefüggései különböző hőforrások esetén Maximális hőmérsékletemelkedés (steady state)

hőforrás alakja hőeloszlás

Egyenletes vagy alacsony sebesség

Pe<0.1

Nagy sebesség Pe>10

Közelítő összefüggés minden sebességre

sáv egyenletes k

qb2

Pek

qb2

)Pe1(k

qb2

négyzet egyenletes k

qb122.1

Pek

qb2

)Pe011.1(k

qb2

kör egyenletes k

qa

Pek

qa2

)Pe273.1(k

qa2

kör parabola k8

aq3

Pek

aq32.2

)Pe234.1(k

aq32.2

ellipszis egyenletes Sek

qa

Pek

qa2

)Pe273.1(k

qa2

ellipszis fél ellipszis Sek8

aq3

Pek

aq32.2

)Pe234.1(k

aq32.2

q - átlagos hőeloszlás Se - alakfüggvény az ellipszis hőforrásnál

75.075.0

75.1

e31e3

e16Se

e - b/a hányados ellipszis hőforrásnál

Mellékletek

- 144 -

5. melléklet

PETP /PTFE (v=0.4 m/s, p=2 MPa)

Mellékletek

- 145 -

POM C (v=0.4 m/s, p=2 MPa)

Mellékletek

- 146 -

PA 66 GF30 (v=0.4 m/s, p=2 MPa)

Mellékletek

- 147 -

Textil bakelit (v=0.4 m/s, p=2 MPa)

Mellékletek

- 148 -

PA 6G Na (v=0.4 m/s, p=2 MPa)

Mellékletek

- 149 -

PA 6G Mg (v=0.4 m/s, p=2 MPa)

Mellékletek

- 150 -

PETP /PTFE (v=0.4 m/s, p=5 MPa)

Mellékletek

- 151 -

POM C (v=0.4 m/s, p=5 MPa)

Mellékletek

- 152 -

PA 66 GF30 (v=0.4 m/s, p=5 MPa)

Mellékletek

- 153 -

Textil bakelit (v=0.4 m/s, p=5 MPa)

Mellékletek

- 154 -

PA 6G Na (v=0.4 m/s, p=5 MPa)

Mellékletek

- 155 -

PA 6G Mg (v=0.4 m/s, p=5 MPa)

Mellékletek

- 156 -

6. melléklet

Mellékletek

- 157 -

Mellékletek

- 158 -

Mellékletek

- 159 -

Mellékletek

- 160 -

Mellékletek

- 161 -

Mellékletek

- 162 -

Mellékletek

- 163 -

Mellékletek

- 164 -

Mellékletek

- 165 -

Mellékletek

- 166 -

Mellékletek

- 167 -

Mellékletek

- 168 -

7. melléklet

Súrlódási erő (Fs) [M=1.1 Nm, ω=0.1 1/s], 1. ciklus

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

5

6

-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7

kapcsolóvonal [mm]

Fric

tion

forc

e [N

]


Tengelyerő (Fx) [M=1.1 Nm, ω=0.1 1/s], 1. ciklus

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

5

6

-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7

kapcsolóvonal [mm]

Ten

gely

erő

[N]


Súrlódási tényező [M=1.1 Nm, ω=0.1 1/s], 1. ciklus

-0,3

-0,25

-0,2

-0,15

-0,1

-0,05

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7

kapcsolóvonal [mm]

Súrl

ódás

i tén

yező


Mellékletek

- 169 -


-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

5

6

-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7

kapcsolóvonal [mm]

Fric

tion

forc

e [N

]



-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

5

6

-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7

kapcsolóvonal [mm]

Ten

gely

erő

[N]



-0,3

-0,25

-0,2

-0,15

-0,1

-0,05

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7

kapcsolóvonal [mm]

Súrl

ódás

i tén

yező


Mellékletek

- 170 -


-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

5

6

-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7

kapcsolóvonal [mm]

Fric

tion

forc

e [N

]



-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

5

6

-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7

kapcsolóvonal [mm]

Ten

gely

erő

[N]



-0,3

-0,25

-0,2

-0,15

-0,1

-0,05

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7

kapcsolóvonal [mm]

Súrl

ódás

i tén

yező


Mellékletek

- 171 -


-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

5

6

-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7

kapcsolóvonal [mm]

Fric

tion

forc

e [N

]



-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

5

6

-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7

kapcsolóvonal [mm]

Ten

gely

erő

[N]



-0,3

-0,25

-0,2

-0,15

-0,1

-0,05

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7

kapcsolóvonal [mm]

Súrl

ódás

i tén

yező


Mellékletek

- 172 -


-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

5

6

-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7

kapcsolóvonal [mm]

Fric

tion

forc

e [N

]



-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

5

6

-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7

kapcsolóvonal [mm]

Ten

gely

erő

[N]


Súrlódási tényező [M=1.1 Nm, ω=0.1 1/s],2000. ciklus

-0,3

-0,25

-0,2

-0,15

-0,1

-0,05

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7

kapcsolóvonal [mm]

Súrl

ódás

i tén

yező


Mellékletek

- 173 -


-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25

30

-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7

kapcsolóvonal [mm]

Súrl

ódás

i erő

[N]



-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25

30

-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7

kapcsolóvonal [mm]

Ten

gely

erő

[N]



-0,3

-0,25

-0,2

-0,15

-0,1

-0,05

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7

kapcsolóvonal [mm]

Súrl

ódás

i tén

yező


Mellékletek

- 174 -


-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25

30

-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7

kapcsolóvonal [mm]

Súrl

ódás

i erő

[N]



-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25

30

-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7

kapcsolóvonal [mm]

Ten

gely

erő

[N]



-0,3

-0,25

-0,2

-0,15

-0,1

-0,05

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7

kapcsolóvonal [mm]

Súrl

ódás

i tén

yező


Mellékletek

- 175 -


-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25

30

-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7

kapcsolóvonal [mm]

Súrl

ódás

i erő

[N]



-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25

30

-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7

kapcsolóvonal [mm]

Ten

gely

erő

[N]



-0,6

-0,5

-0,4

-0,3

-0,2

-0,1

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7

kapcsolóvonal [mm]

Súrl

ódás

i tén

yező


Mellékletek

- 176 -


-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

50

60

-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7

kapcsolóvonal [mm]

Súrl

ódás

i erő

[N]



-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

50

60

-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7

kapcsolóvonal [mm]

Ten

gely

erő

[N]



-0,6

-0,5

-0,4

-0,3

-0,2

-0,1

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7

kapcsolóvonal [mm]

Súrl

ódás

i tén

yező


Mellékletek

- 177 -


-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

50

60

-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7

kapcsolóvonal [mm]

Súrl

ódás

i erő

[N]



-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

50

60

-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7

kapcsolóvonal [mm]

Ten

gely

erő

[N]



-0,6

-0,5

-0,4

-0,3

-0,2

-0,1

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7

kapcsolóvonal [mm]

Súrl

ódás

i tén

yező


Mellékletek

- 178 -

8. melléklet

POM C Statikus és dinamikus súrlódási tényező

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0 5 10 15 20

ciklus [-]

súrló

dási

tén

yező

8MPa μstat 8MPa μdyn 25MPa μstat25MPa μdyn 55MPa μstat 55MPa μdyn

POM C Statikus és dinamikus súrlódási tényező

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

0,45

0,5

0 100 200 300 400 500 600

ciklus [-]

súrló

dási

tén

yező

8 MPa μstat 8 MPa μdyn 25 MPa μstat25 MPa μdin 55 MPa μstat 55 MPa μdin

Mellékletek

- 179 -

PA 6G Mg Statikus és dinamikus súrlódási tényező

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

0 5 10 15 20

ciklus [-]

súrló

dási

tén

yező


PA 6G Mg Statikus és dinamikus súrlódási tényező

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

1,1

1,2

1,3

0 100 200 300 400 500 600

ciklus [-]

súrló

dási

tén

yező

8 MPa μstat 8 MPa μdin 25 MPa μstat 25 MPa μdin

Mellékletek

- 180 -

PA 66 GF30 Statikus és dinamikus súrlódási tényező

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0 5 10 15 20

ciklus [-]

súrló

dási

tén

yező


PA 66 GF30 Statikus és dinamikus súrlódási tényező

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

0,45

0,5

0 100 200 300 400 500 600

ciklus [-]

súrló

dási

tén

yező

8 MPa μstat 8 MPa μdin 25 MPa μstat25 MPa μdin 55 MPa μstat 55 MPa μdin

Mellékletek

- 181 -

PETP /PTFE Statikus és dinamikus súrlódási tényező

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

0,14

0,16

0,18

0,2

0 5 10 15 20

ciklus [-]

súrló

dási

tén

yező


PETP /PTFE Statikus és dinamikus súrlódási tényező

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

0,45

0,5

0 100 200 300 400 500 600

ciklus [-]

súrló

dási

tén

yező

8 MPa μstat 8 MPa μdin 25 MPa μstat 25 MPa μdin

Mellékletek

- 182 -

Mellékletek

- 183 -

Documents

Keresztes Róbert Zsolt · 2012-08-10 · - 1 - Szent István Egyetem MŰSZAKI MŰANYAG/ACÉL CSÚSZÓPÁROK TRIBOLÓGIAI KUTATÁSA - polimer/acél fogfelületek súrlódása - Doktori