مطالعه چندمقیاسی تخریب چرخ‌دنده‌های پلیمری در شرایط گشتاور متغیر

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه ملی مهارت، تهران، ایران

2 گروه مهندسی ساخت و تولید، دانشکده مکانیک، دانشگاه تبریز، تبریز، ایران

چکیده

مکانیزم‌های تخریب چرخ‌دنده‌های پلیمری به‌شدت تحت تأثیر گشتاورهای اعمال‌شده و دمای سطحی ناشی از آن قرار دارند. افزایش گشتاور می‌تواند منجر به افزایش تنش تماسی و دمای سطحی شود که این عوامل به‌طور مستقیم در تسریع تخریب نقش دارند. استفاده از آزمون‌های چرخ‌دنده در گشتاورهای مختلف و تحلیل چندمقیاسی این امکان را فراهم می‌کند تا مکانیزم‌های اصلی تخریب شناسایی و رابطه میان بارهای مکانیکی و رفتار حرارتی مواد بررسی شود. در پژوهش حاضر، پلی‌استال، پلیمر پرکاربرد در ساخت چرخ‌دنده‌های پلاستیکی، بعنوان ماده اولیه برای ساخت چرخ‌دنده‌ها انتخاب شد. آزمون چرخ‌دنده با استفاده از پنج سطح گشتاور مختلف (N.m 6، 8، 10، 12 و 14) انجام شد. دمای سطحی دنده‌ها به‌طور آنلاین در طول آزمون اندازه‌گیری گردید. برای تحلیل مکانیزم‌های تخریب، از دو مقیاس ماکروسکوپی و میکروسکوپی استفاده شد. نتایج نشان داد که افزایش گشتاور از N.m 6 به 14، منجر به افزایش دمای سطحی دنده‌ها، تا 98 درصد شد. افزایش دمای دنده‌ها در گشتاورهای بالا به نتیجه مستقیم ترکیبی از عوامل مکانیکی و حرارتی نسبت داده شد. در سطوح گشتاور N.m ۶، ۸ و ۱۰، خرابی‌هایی مانند ترک در ناحیه گام، تغییر شکل پلاستیکی و سایش دنده مشاهده شد. اما در گشتاورهای بالاتر از N.m ۱۰، جریان مواد در مقیاس ماکروسکوپی و سایش چسبان، همراه با جریان شدید مواد در مقیاس میکروسکوپی، رخ داد که به ضعف هدایت حرارتی پلی‌استال نسبت داده شد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Multiscale Study of Polymer Gear Failure Under Variable Torque Conditions

نویسندگان [English]

  • Rasool Mohsenzadeh 1
  • Karim Shelesh-Nezhad 2
1 Department of Mechanical Engineering, Technical and Vocational University (TVU), Tehran, Iran
2 Division of Plastics and Composites Engineering, Department of Mechanical Engineering, University of Tabriz, Tabriz, Iran
چکیده [English]

The failure of polymer gears is strongly affected by applied torque and surface temperature. Higher torque increases contact stress and temperature, accelerating gear degradation. This study investigates failure mechanisms through multiscale analysis under five torque levels (6, 8, 10, 12, and 14 N·m) using polyoxymethylene (POM), a common polymer for plastic gears. Gear surface temperature was monitored online during tests. Failure mechanisms were examined on both macroscopic and microscopic scales. Macroscopically, surface characteristics were analyzed, while scanning electron microscopy (SEM) provided insights into microscopic wear patterns. Results revealed that increasing torque from 6 to 14 N·m raised surface temperature by up to 98%, attributed to combined mechanical and thermal effects. At lower torque levels (6–10 N·m), pitch-line cracks, plastic deformation, and wear were observed. However, at torques above 10 N·m, material flow and adhesive wear became dominant, with severe microscopic material movement linked to POM’s low thermal conductivity.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Polyacetal
  • Gear
  • Failure Mechanisms
  • Wear
  • Morphology

مراجع

[1] R. Mohsenzadeh, Development of Stress Distribution of Composite Gear Tooth Reinforced by Nano-CaCO3, using Finite Element Analysis and its Correlation with Experience, Journal of Failure Analysis and Prevention, 22(4) (2022) 1495-1503.
[2] N. Wright, S. Kukureka, Wear testing and measurement techniques for polymer composite gears, Wear, 251(1-12) (2001) 1567-1578.
[3] B. Trobentar, M. Hriberšek, S. Kulovec, S. Glodež, A. Belšak, Noise evaluation of S-polymer gears, Polymers, 14(3) (2022) 438.
[4] O. Doğan, M.S. Kamer, Wear characteristics of 3D-printed spur gears: material type and design parameters effects, Iranian Polymer Journal,  (2025), in press.
[5] M. Chernets, A. Kornienko, Y. Chernets, Investigation of the effect of height correction of metal-polymer helical gears teeth on contact pressures, wear, and durability, Australian Journal of Mechanical Engineering, 22(2) (2024) 271-281.
[6] R. Mohsenzadeh, B.H. Soudmand, K. Shelesh‐Nezhad, Synergetic impacts of two rigid nano‐scale inclusions on the mechanical and thermal performance of POM/carbon black/CaCO3 ternary nanocomposite systems, Polym. Compos., 43(5) (2022) 3041-3056.
[7] B. Soudmand, R. Mohsenzadeh, Mechanical, morphological, and numerical evaluation of biocompatible ultra‐high molecular weight polyethylene/nano‐zeolite nanocomposites, Polym. Compos., 45(4) (2024) 3666-3682.
[8] P.K. Singh, A.K. Singh, An investigation on the thermal and wear behavior of polymer based spur gears, Tribology International, 118 (2018) 264-272.
[9] R. Mohsenzadeh, A. Fathi, Evaluation of the impact resistance of POM/TPU/CB three-phase nanocomposite for application in bumper bracket, Iran. J. Polym. Sci Technol.(Persian), 34 (2022) 557-568.
[10] R. Mohsenzadeh, B. Soudmand, K. Shelesh-Nezhad, Load-bearing analysis of polymer nanocomposite gears using a temperature-based step loading technique: Experimental and numerical study, Wear, 514 (2023) 204595.
[11] R. Mohsenzadeh, B. Soudmand, K. Shelesh-Nezhad, A combined experimental-numerical approach for life analysis and modeling of polymer-based ternary nanocomposite gears, Tribology International, 173 (2022) 107654.
[12] R. Mohsenzadeh, Experimental Studies on The Tribology Behavior of Ultra-High Molecular Weight Polyethylene/Zeolite Nanocomposite, Amirkabir Journal of Mechanical Engineering, 53(10) (2021) 5159-5168.
[13] R. Mohsenzadeh, K. Shelesh-Nezhad, T. Navid Chakherlou, Experimental study on wear behavior of polyacetal nanocomposite gears, Iranian Journal of Polymer Science and Technology, 36(2) (2023) 151-165.
[14] R. Mohsenzadeh, K. Shelesh-Nezhad, T. Chakherlou, Experimental and finite element analysis on the performance of polyacetal/carbon black nanocomposite gears, Tribology International, 160 (2021) 107055.
[15] J. Johnson, Introduction to fluid power, 6th ed., Delmar Thomson Learning Albany, NY, 2002.
[16] D. Koffi, R. Gauvin, H. Yelle, Heat generation in thermoplastic spur gears, 107(1) (1985) 31-36.
[17] D. Walton, Y. Shi, A comparison of ratings for plastic gears, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Mechanical Engineering Science, 203(1) (1989) 31-38.
[18] G. Wannop, J. Archard, Elastic hysteresis and a catastrophic wear mechanism for polymers, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, 187(1) (1973) 615-623.
[19] R. Mohsenzadeh, B. Soudmand, K. Shelesh-Nezhad, Failure analysis of POM ternary nanocomposites for gear applications: Experimental and finite element study, Engineering Failure Analysis, 140 (2022) 106606.
[20] D. Zorko, Investigation on the high-cycle tooth bending fatigue and thermo-mechanical behavior of polymer gears with a progressive curved path of contact, Int. J. Fatigue, 151 (2021) 106394.
[21] B. Soudmand, K. Shelesh-Nezhad, Study on the gear performance of polymer-clay nanocomposites by applying step and constant loading schemes and image analysis, Wear, 458 (2020) 203412.
[22] S. Senthilvelan, R. Gnanamoorthy, Effect of gear tooth fillet radius on the performance of injection molded Nylon 6/6 gears, Mater. Des, 27(8) (2006) 632-639.
[23] K. Mao, W. Li, C. Hooke, D. Walton, Friction and wear behaviour of acetal and nylon gears, wear, 267(1-4) (2009) 639-645.
نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر
دوره 57، شماره 2
1404
صفحه 171-186

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار