Trapez diş millerinin yüzey optimizasyonu – tribolojik analiz ve uygulama

Trapez dişli miller ağır yükler için idealdir ve genellikle kaldırma sistemlerinde kullanılır. Üretim Mühendisliği ve Takım Tezgahları Enstitüsü (IFW) ile Bornemann Gewindetechnik şirketi arasındaki işbirliği projesinin bir parçası olarak, dişli millerin tribolojik özelliklerini optimize etmek için diş döndürme modifikasyonu araştırılmıştır. Döndürülmüş mikro yapıların kullanımı sürtünme kaybını %25,5 oranında azaltabilir ve yapışkan aşınmasını önemli ölçüde azaltabilir.

1 Giriş

Kaldırma sistemlerinde sıkça kullanılan uzun dişli millerin üretimi için ovalama ve diş açma gibi çeşitli üretim süreçleri mevcuttur [1]. Trapez dişli miller gibi standartlaştırılmış makine elemanları için üretim süreci tasarlanırken, uygulama davranışı ve hizmet ömrü dikkate alınmaz [2].

Kayma sürtünmesine maruz kalan yüzeyleri tasarlarken, Stribeck eğrisi kullanılarak sınıflandırılan sürtünme rejimlerini (sınır sürtünmesi, karışık sürtünme ve sıvı sürtünmesi) dikkate almak önemlidir [3]. Hidrodinamik durumda, kuvvet yağlayıcı film boyunca iletilir, böylece sürtünme kuvveti yağlayıcının iç sürtünmesi tarafından üretilir [3-5]. Bu, temas alanı, yağlayıcının viskozitesi ve yağlayıcı film kalınlığının kayma oranı ile orantılıdır. Karışık sürtünme durumunda, yağlama filmi belirli noktalarda bireysel pürüzlülük tepeleri tarafından kesilir ve bunlar daha sonra yük transferine katkıda bulunur [4]. Özellikle düşük kayma hızlarında, bu durum hidrodinamik yağlama koşulunun oluşturulması ve sürdürülmesi açısından bir dezavantaj teşkil etmektedir [6].

İki triboelement arasındaki doğrudan temas, enerji tüketiminin artmasına neden olabilir [7]. Mikroyapılar çeşitli mekanizmalar aracılığıyla olumlu etkilere sahip olabilir. Örneğin, mikro yapılar yağlayıcı rezervuarları olarak hizmet verebilir [8] ve yağlayıcı filmindeki lokalize yükselmeler, yağlayıcı üzerlerinden aktığında yatak basıncında bir artışa yol açabilir [9]. Tanımlanmış mikro yapılarda hidrodinamik basınç oluşabilir. Burada hem kavitasyon etkileri [4] hem de ardışık mikro yapılarda yatak basıncının birikmesi rol oynamaktadır [10, 11]. Bu araştırmalar, trapez dişli millerin yüzey topografyasının, yüksek yüklü kayma teması nedeniyle mikro yapılar yoluyla sürtünmeyi azaltmak için büyük bir potansiyel sunduğunu göstermektedir. Kayma temaslarındaki sürtünme kayıplarını azaltmak için mikro yapılar, düz kaba işleme veya lazer işaretleme gibi üretim süreçleriyle oluşturulabilir [10, 12].

Bir üretim prosesi olarak dönme, örneğin diş frezelemeye göre önemli ölçüde daha yüksek verimlilik sağladığından prosese entegre mikro yapılandırma için büyük bir potansiyel sunmaktadır [1, 13]. Whirling ile yüzey yapılandırma çalışmaları şimdiye kadar sadece ek bir yapılandırma işlemi olarak gerçekleştirilmiş ve yüzey yapısının sürece entegre işlevselleştirilmesi olarak gerçekleştirilmemiştir [14]. Ayrı bir üretim süreci olarak mikro yapılandırma için çeşitli yaklaşımlar vardır [12, 15], ancak bunlar ek bir işlem adımı nedeniyle yüksek entegrasyon çabası gerektirir. Bir çalışmada Denkena ve arkadaşları, silindir gömlekleri gibi yüksek termomekanik yüklere maruz kalan yüzeylerin tribolojik özelliklerinde mikro yapılandırma yoluyla bir iyileşme olduğunu göstermiştir [12]. Bir işleme üretim yöntemi olarak sema prosesi, diş kanadında oluşturulan yüzey yapıları nedeniyle işlevselleştirme için özel bir potansiyel sunmaktadır (Şekil 1).

Kayma sürtünmesinde metalik tribokupllar kullanılırken karşılaşılan özel bir zorluk, yetersiz yağlama veya aşırı yükleme durumunda yapışma meydana gelmesidir. Bu, daha düşük sertliğe sahip sürtünme partnerinin yapışkan aşınmasına ve kayma temasında daha yüksek sertliğe sahip sürtünme partnerine malzeme transferine yol açabilir [7, 17]. Yüzey topografyası ve kayma temasındaki gerçek temas alanı, daha önce açıklanan yetersiz yağlama ile yapışma riskinde belirleyici bir rol oynar [7, 16, 17]. İki sürtünme elemanı arasındaki doğrudan temas, yapışma için temel bir ön koşuldur ve toplam mikro temas sayısı ile tanımlanır.

Yüksek yüzey basıncına maruz kalan kayma temaslarında, yağlayıcı film kalınlığı azalır, bu da karışık sürtünmeden sınır sürtünmesine kaymaya yol açar ve sürtünme katsayısında bir artışa eşlik eder [3]. Denkena ve arkadaşları da sığ derinlikteki yüzey yapılarının sürtünme katsayısında bir azalmaya ve hem katı hem de sıvı sürtünmesinin bir arada bulunduğu karma sürtünme rejimine geçişe yol açabileceğini göstermiştir [12]. Kayma sürtünmesinde çelik bronz üçlü elemanlar için, 2-5 μm’lik bir yüzey yapısı derinliğinin sürtünmeyi azaltmak için özellikle elverişli olduğu gösterilmiştir [16]. Yetersiz yağlama veya düşük bağıl hızlarda meydana gelebilecek bir başka olgu da yapışma-kayma etkisidir. Bu, bir kayma hareketi tekrar oluşmadan önce triboelementlerin kısa bir süre için birbirine yapışmasıyla sonuçlanır [18]. Yağlayıcı eksikliği nedeniyle yapış-kay etkisinin sık sık meydana gelmesi, yapışkan aşınmasının artmasına ve dolayısıyla bileşenlerin erken arızalanmasına neden olur [19].

Yüksek yükler altında trapez diş iğlerinin yüklü diş kanadı üzerindeki mikro yapıların etkisi henüz araştırılmamıştır, ancak sürtünme kayıplarını azaltarak verimliliği artırmak için büyük bir potansiyel sunmaktadır. Ayrıca mikro yapıların mil-somun sistemindeki aşınma üzerindeki etkisi hakkında da henüz bir bilgi yoktur. Bu nedenle bu makalenin amacı, bu boşluğu gidermek ve gerçek koşullar altında ağır hizmet tipi kaldırma ekipmanlarındaki yüksek yüklü trapez dişli millerin tribolojik davranışı üzerinde diş dönmesi ile oluşan yüzey yapılarının etkisini araştırmaktır. Çalışma, prosesle entegre mikro yapılandırma için özel olarak geliştirilmiş bir dönme prosesini inceleyecektir. Çalışmanın bir parçası olarak, çeşitli yüzey yapıları sunulacak ve bunların genel sistemdeki sürtünmeyi azaltma üzerindeki etkileri ve yüzeyde yağlayıcı tutma ve böylece mil üzerinde yapışkan birikintilerini ve somun üzerinde yapışkan aşınmasını önleme yetenekleri değerlendirilecektir.

2 Deneysel kurulum

2.1 Tribolojik testler

Şekil 2’de gösterilen test düzeneği, yüzey topografisinin tribolojik davranış açısından diş yanakları üzerindeki etkisini araştırmak için kullanılmıştır. Tr80×10 mm dişe sahip test milleri, ν = 15°’lik bir açı boyunca f = 0,81 Hz frekansında salınmıştır. Bir yük değişiminin dönüşü, dişli milin 0,42 mm’lik bir öteleme mesafesine karşılık gelmektedir. Bu düzenekle, dişli mil kaldırma ve indirme sırasında FG = 91,3 kN ağırlık kuvvetiyle yüklenmiştir. Bu da p = 5,0 N/mm²’lik bir yüzey basıncına karşılık gelmektedir ki bu da ağır hizmet kaldırma sistemlerindeki trapez vidalı tahrikler için maksimum yük aralığındadır. Bu uygulama için dişli somun malzemesi G-CuSn 7 ZnPb seçilmiştir. Kullanılan yağlayıcı, özellikle kaymalı yatak uygulamaları için uygun olan DGM HTF 940 gresiydi. Test dizisindeki yağlama, bir aylık bir bakım aralığına dayanıyordu. Bu aralık, mil-somun tertibatının her 167 döngüde bir yağlanmasına karşılık gelmektedir. Test düzeneği, Interface 125 kN kuvvet sensörü ve SincoTec 1200 Nm tork sensörünün de üreticisi olan Sincotec tarafından kurulmuştur.

Farklı yüzey topografyalarının ve bunlara karşılık gelen yüzey yapılarının sürtünme özelliklerini karakterize etmek için yüzeylerin aşınma durumu analiz edilmiştir. Bu amaçla, miller daha sonra bir kesme taşlama makinesi ile kesilerek açılmıştır. 20.000 yük döngüsü ile, analiz edilen dişli miller için 10 yıllık bir hizmet ömrü deneysel olarak haritalanmıştır.

Tribolojik davranışı araştırmak için, farklı proses parametrelerinin burgu prosesi kullanılarak haddelenmiş bir mil ile karşılaştırıldığı dört dişli mil hazırlanmıştır (Tablo 1). Döndürülmüş dişli miller için işlem parametreleri, dişlerin yüklü diş yanlarındaki yüzey yapısının yükseklikleri arasında tanımlanmış derecelendirmeler elde edilecek şekilde seçilmiştir. Test serisi 1, sürekli haddeleme prosesi kullanılarak üretilen haddelenmiş dişli millerden oluşmaktadır. Spesifik proses parametreleri Bornemann’ın deneyimlerine dayanmaktadır. Test serisi 2, en son teknolojiye karşılık gelen ve yeni geliştirilen yüzey yapısı için ek bir referans görevi gören proses parametreleri ile döndürülmüştür.

Test serisi 3 ve 4’te, bu çalışmada geliştirilen yüzey yapıları hem yüzey yapısı yüksekliğini yf hem de yüzey yapısı uzunluğunu sf artırmak için iki aşamada üretilmiştir. Bu iki yapı parametresindeki artış, yüzeydeki yağlayıcı tutma hacminde bir artışa yol açmaktadır. Test serisi 3, sf = 3,67 μm’lik bir yapı mesafesi ile yf = 2,31 μm’lik bir teorik yapı yüksekliği göstermektedir. Test serisi 4’te, yapısal parametreler yf = 3,61 μm ve sf = 4,59 μm ile daha da belirgindir. Bu, girdap süreci nedeniyle yapıların sınırlı ayarlanabilirliğini açıkça göstermektedir: yf yapı yüksekliğindeki bir artış kaçınılmaz olarak sf yapı uzunluğunda bir artışa yol açmaktadır.

2.2 Yüzey yapısının ölçümü

Confovis GmbH’nin Duo Vario optik ölçüm sistemi, deneysel olarak oluşturulan 3D yüzey topografilerini analiz etmek için kullanılır. Yüzey topografileri konfokal beyaz ışık mikroskopisi kullanılarak kaydedilmiştir. Konfokal ölçüm Nikon 20×/0.45-NA objektif ile gerçekleştirilmiştir. Yan yüzeyleri analiz etmek için 0,20 μm’lik bir yanal ölçüm çözünürlüğü kullanılmıştır. Genişliği 2,26 mm ve uzunluğu 8,71 mm olan ölçülen alan 0,28 μm çözünürlükle kaydedilmiştir. Deneysel olarak üretilen dişli miller, diş yanağına ortogonal bir ölçüm pozisyonunda hizalanmıştır.

3 Yüzey topografyasının uygulanması ve karakterizasyonu

Aşağıdaki sonuçlar, diş kanadının yüzey topografyasının burgu işlemi kullanılarak nasıl özel olarak ayarlanabileceğini ve bunun ovalama işleminin sınırlı topografyasından nasıl farklı olduğunu göstermektedir. Şekil 3, haddelenmiş trapez dişli bir milin diş kanadının yüzey topografisini, döndürülmüş bir diş kanadı ile karşılaştırmalı olarak göstermektedir.

Test serisi 1’in yüzey topografisi, ovalama işlemi sırasında herhangi bir yüzey dokusu oluşmadığını göstermektedir. Test serisi 2’nin döndürülmüş dişli mili, test serisi 1’e kıyasla yüzey topografisinde önemli bir farklılık göstermez ve yüzey dokusu da tanınmaz. Döndürme işlemini özel olarak uyarlayarak, test serisi 3 ve 4’te önemli ölçüde daha belirgin yüzey dokuları üretmek mümkün olmuştur. Bu test serilerinde, doku yüksekliği yf ve doku uzunluğu sf, düşük oranda tepe noktasına sahip yüzey dokuları üretmek için art arda artırılmış ve böylece triboelementlerin yüzeyleri arasındaki doğrudan katı teması en aza indirilmiştir. Yüzey dokusunun tepe noktaları arasındaki daha büyük mesafe, pürüzlülük profilinin vadilerinde yağlayıcının tutulmasını mümkün kılmaktadır.

İşleme sırasında teknik yüzeyi dördüncü derece şekil sapmaları olarak etkileyen stokastik pürüzlülük etkilerinin ortaya çıkması nedeniyle, test serisi 2’nin daha az belirgin yüzey dokusu üst üste bindirilir. Bu üst üste binme nedeniyle, doku parametrelerinin belirlenmesi zordur ve düşük doku yüksekliği yf = 0,82 μm ve doku uzunluğu sf = 1,63 mm’dir. Etkili bir şekilde, test serisi 2, bu düşük yüzey dokusu nedeniyle haddelenmiş numuneden farklı değildir. Döndürme işlemi sırasındaki stokastik pürüzlülük etkileri, esas olarak yonga olarak da bilinen döndürme takımının kesici kenarındaki pürüzlülükten kaynaklanmaktadır. Bu, işleme sırasında yeni oluşturulan yüzey üzerinde negatif bir kalıp olarak oluşur [20]. Test serisi 3 ve 4’ün topografyası, yonga tarafından oluşturulan karakteristik, tekrarlayan oluklar göstermektedir. Doku yüksekliği yf, dönen takımın kesici kenarındaki pürüzlülük Rz’den daha azsa, doku üst üste bindirilir ve dönen işlemin karakteristik dokusu oluşmaz. Bu durum, diş kanatlarındaki pürüzlülük profillerinde görülebilir (Şekil 4).

Ölçüm, matematiksel olarak yaklaştırılan iplik formunun yüzey topografyasından çıkarılması ve bunun sonucunda ölçüm aralığının kenarındaki dokuların biraz daha düşük bir doku yüksekliğine sahip olması nedeniyle ek olarak bozulur (Şekil 3 ve 4).

4 Tribolojik değerlendirme

Ağır hizmet kaldırma sistemleri için trapez vidalı millerde girdaplı yüzey dokularının vida ve somunun tribolojik sistemi üzerindeki etkileri bölüm 2.2’de açıklanan test düzeneği kullanılarak analiz edilmiştir. Trapez vidaların tasarımında, sürtünme katsayısının basitleştirme nedenleriyle genellikle sabit olduğu varsayılır. Ancak sürtünme katsayısı, tribolojik sistemin tüm bileşenlerinden etkilendiği için bir malzeme özelliği olarak kabul edilemez. Yüzey topografyasının bu sistem üzerindeki etkisini karakterize etmek için, etkileyen tüm değişkenler sabit tutulmuştur. Test serisinde yalnızca üretim sürecinin neden olduğu yüzey dokusu değiştirilmiştir.

4.1 Sürtünme katsayısının incelenmesi

Ağır hizmet tipi kaldırma sistemlerinde, hareket vidaları genellikle dikey olarak düzenlenir, böylece yüklü bir diş kanadı hem kaldırma hem de indirme hareketleri sırasında yüklenir. Eğik düzlemdeki sürtünme, trapezoidal bir dişteki sürtünme katsayısını hesaplamak için kullanılabilir [21]. Normal kuvvet FN, ağırlık kuvveti FG’den ve sürtünme kuvveti FR, geometrik ilişkiler kullanılarak dönme hareketi için gerekli sürtünme torkundan hesaplanabilir. Bu, kaldırma sırasında gerekli sürtünme torkunun önemli ölçüde daha yüksek olmasına yol açar. Sürtünme torku test düzeneğinde ölçüldüğünden ve ağırlık kuvveti FG sabit bir değere ayarlandığından, sürtünme katsayısı μ bu değişkenlerden hesaplanabilir. Kaldırma ve indirme için sürtünme katsayısı μ’nün ayrı ayrı belirlenmesi, kuvvet bileşenlerinin farklı yönelimleri dikkate alınarak mümkün olmaktadır. Test serisi 1’deki haddelenmiş mil için bu iki hareket türü için sürtünme katsayısının örnek seyri Şekil 5’te gösterilmektedir. Farklı kuvvet yönelimleri dikkate alındığında, her iki hareket türü de sürtünme katsayısı için benzer bir eğri göstermektedir. Kaldırma için gereken daha yüksek tahrik torkuna rağmen, 20.000 yük döngüsü boyunca trapez dişli mil ile ortaya çıkan karakteristik bir sürtünme katsayısı davranışı görülebilir. Her iki hareket türü için ortalama sürtünme katsayısı testin başında önemli ölçüde artar, yaklaşık 2000 döngüde maksimuma ulaşır ve ardından yaklaşık 8000 döngüde sabit bir seviyeye düşer. Bu davranış alıştırma fazı olarak adlandırılır ve tribolojik sisteme bağlı olarak tüm test boyunca sürtünme katsayısındaki genel değişimi tanımlar [22]. Küçük bir açısal aralıktaki salınım hareketi, bir yük değişimi sırasında kısa bir kaldırma ve indirme mesafesini simüle eder. Bir yük değişiminde ortaya çıkan hız profili, her biri kaldırma ve indirme için bir hızlanma fazı, bir sabit hız fazı ve bir yavaşlama fazından oluşur. Düşük hızlarda meydana gelen yapışma-kayma etkisi, özellikle yön değişiminin dönüm noktasında tercih edilir. Bu etki, yüzeylerin kısa süreli yapışması ve ardından tribo elemanlarının ani kayması şeklinde kendini gösterir. Bu hareket, sürtünme katsayısında daha büyük bir sapma olarak yansıyan titreşimlere yol açabilir [19]. Şekil 5’te bu etki, ilk 5000 yük çevriminde daha büyük bir sapma şeklinde gözlemlenebilir.

Analiz edilen Tr80×10mm trapez diş için sabit bir sürtünme katsayısına yaklaşık 8000 yük çevriminden sonra ulaşılmıştır. Alıştırma aşamasında, haddelenmiş trapez dişler test edilirken sürtünme katsayısında başlangıçta bir artış vardır ve bu da sürtünme katsayısında yüksek bir sapma ile ilişkilidir. En yüksek sürtünme katsayısı en büyük sapma ile ilişkilidir, bu da yapışkan aşınmasının artmasına neden olabilecek yapışma-kayma etkisinin arttığını gösterir. Her iki hareket türünün benzer sürtünme katsayısı eğrileri nedeniyle, aşağıda yalnızca daha yoğun kuvvet gerektiren kaldırma hareketi ele alınmaktadır.

Şekil 3’te gösterilen yüzeylerin sürtünme katsayısı eğrilerinde açık bir fark vardır. Test serisi 1 ve 2 üretim süreçlerinde farklılık gösterirken – ovalama ve iplik döndürme – her iki numune de neredeyse hiç yüzey dokusu içermeyen benzer bir yüzey topografisine sahiptir (Şekil 3). Bu benzerlik sürtünme katsayısı eğrilerine de yansımıştır (Şekil 6). Test serisi 1’in sürtünme katsayısı önemli bir maksimum gösterirken, test serisi 2’de test süresi boyunca hiçbir maksimum gözlenmemektedir. Ancak her iki testte de benzer sayıda yük döngüsünden sonra sabit bir seviyeye ulaşılmaktadır (L ≈ 8000).

Tüm test süresi boyunca ortalama sürtünme katsayısı μm de her iki test için benzer bir değer alır. Hem döndürülmüş hem de haddelenmiş dişli milde bir alıştırma aşaması meydana gelir ve bu da daha sonra μ = 0,1 seviyesinde çok az sapma ile çok sabit bir sürtünme katsayısına yol açar. Test serisi 3’te, yf = 2,31 μm doku yüksekliği ile, yaklaşık 4500 yük döngüsünden sonra tamamlanan önemli ölçüde daha kısa bir alıştırma aşaması gözlemlenmiştir. Ortalama sürtünme katsayısı μm, haddelenmiş (μm = 0,115) ve tekstüre edilmemiş, döndürülmüş iplik kanadına (μm = 0,112) kıyasla test serisi 3’te μm = 0,098’e düşürülebilir, bu da sürtünme katsayısında %14,6’lık bir azalmaya karşılık gelir. Test serisi 4’te (yf = 3,61 μm) daha da önemli bir azalma görülebilir, burada eklenen yüzey dokusu hem alıştırma davranışını yaklaşık %44 oranında azaltır hem de sürtünme katsayısını μm = 0,085 gibi daha düşük bir seviyeye kalıcı olarak düşürür, bu da haddelenmiş dişli mile kıyasla %25,5’lik bir azalmaya karşılık gelir. Ancak, açıklanan tribolojik sistemde bu diş ile alıştırma fazının tamamen azaltılması mümkün olmamıştır.

4.2 Yapıştırıcı aşınmasının analizi

Mil ve somun temas ettiğinde meydana gelen aşınma, trapez vida tahrikinin hizmet ömrü için belirleyicidir. Kılavuz vidada meydana gelen aşınma mekanizmalarını belirlemek için, yüklü diş kanadının yüzeyi, FG = 91,3 kN ağırlık kuvveti ve düzenli yağlayıcı tedariki ile 20.000 yük döngüsünden sonra incelenmiştir (Şekil 7). Testten sonra, test serileri, yüklü diş yanağının yüzey yapısına bağlı olarak açıkça farklı bir aşınma modeli göstermektedir. Yüklü diş kanadında yüzey yapıları olmadan test edilen test serisi 1 ve 2, dişli milin yüklü diş kanadında belirgin yapışkan birikintileri göstermektedir. Bu, somun malzemesinin önemli ölçüde erozyona uğramasından veya yapışkan aşınmasından kaynaklanmaktadır. Test serisi 3’ten test serisi 4’e kadar yapının yüksekliği arttıkça, yapışkan aşınma derecesi belirgin şekilde azalmaktadır (Şekil 7).

Yapışkan tortularla kaplı yüklü diş yanağının oranını karakterize etmek amacıyla, G-CuSn 7 ZnPb malzemesindeki bakır içeriğinden kaynaklanan ağırlıklı olarak kırmızı tortuları ölçmek için mikroskop görüntülerinin renk analizi yapılmıştır. Yüklü diş kanadındaki alana bağlı yapışma yüzdesinin değerlendirilmesi, haddelenmiş trapez dişli milin %36,3 ile en yüksek yapışma yüzdesine sahip olduğunu göstermektedir (Şekil 8). Döndürülmüş diş kanatlarına sahip test serisi 2, %27,4 ve %13,1 standart sapma ile kaplanan alanda en büyük sapmayı göstermektedir. Deneysel olarak taklit edilen hizmet ömründen sonra, bu test serisinin yüzeyi bazı bölgelerde %45,4’e varan yapışma kalıntısı ile kaplanmıştır. Test serisi 4’ün aşınma modeli, yf = 3,61 μm’lik bir yapı yüksekliğinin yapışkan aşınma oranını azalttığını ve bunu pürüzlülük zirvelerinin alanlarıyla sınırladığını göstermektedir (Şekil 8a). 27,4 ve %13,1’lik standart sapma ile 2 numaralı test serisi, kaplanan yüzey alanında en büyük sapmayı göstermektedir. Deneysel olarak simüle edilen hizmet ömründen sonra, bu test serisinin yüzeyi bazı bölgelerde %45,4’e kadar yapışkan kalıntısı ile kaplanmıştır. Test serisi 4’ün aşınma modeli, yf= 3,61μm’lik bir doku yüksekliğinin yapışkan aşınması oranını ve pürüzlülük tepe noktalarının alanlarındaki tepe noktalarını azalttığını göstermektedir (Şekil 8a).

Düşük kayma hızı ve tribolojik temastaki yüksek yüzey basıncı nedeniyle, tribolojik sistemdeki sürtünme katı hal ve karışık sürtünme olarak ayrılır.

Dişli kanadındaki yapışkan aşınması, haddelenmiş dişli mile kıyasla döndürülmüş kanat yüzeyleri için test serisi 3’te %36,3’ten %13,6’ya ve test serisi 4’te %10,1’e düşmüştür. Açıkça belirgin bir yüzey dokusuna sahip belirgin pürüzlülük zirveleri arasında yapışma meydana gelmez. Yapışkan kaplamanın özellikleri nedeniyle, sınır sürtünme rejiminden karma sürtünme rejimine bir kayma olduğu varsayılabilir. Wang ve diğerlerine göre, daha az sayıda pürüzlülük tepesi veya bu durumda sadece yüzey dokularının tepeleri, sürtünme katsayısında bir azalmaya yol açabilir [4]. Bu alanlarda, dönme işlemi tarafından oluşturulan orijinal yüzey bozulmadan kalır.

Mikro dokuların art arda dizilmesi, [10]’da açıklandığı gibi ince bir yağlama filmi oluşumunu da destekleyebilir. Tüm temas yüzeyinde katı sürtünmenin azalması nedeniyle, dişli milin hareketi için daha düşük bir sürtünme torku gereklidir. Yağlayıcı, yağlayıcı film kalınlığını artıran ve yüzeyler arasında doğrudan teması önleyen sıvı sürtünmesi yaratan belirgin yüzey yapısının alanlarında depolanabilir. Triboelementlerin pürüzlülük tepeleri arasındaki doğrudan temas, yapışkan aşınmasının olası bir nedenidir [19].

Daha belirgin yüzey dokularının (Şekil 9b) bir sonucu olarak, katı hal sürtünme oranı, yapılandırılmamış yüzey topografyasının (Şekil 9a) aksine azalır. Diş kanadında daha belirgin bir yüzey dokusu daha fazla miktarda yağlayıcı emebilir.

Farklı metallerden yapılmış tribolojik elemanlar temas ettiğinde, malzeme daha az kohezyonlu sürtünme gövdesinden, bu durumda somundan, daha kohezyonlu temel gövdeye, bu durumda dişli mile aktarılır [3]. Sürtünme temasındaki ilave yağlayıcı, daha az sayıda temas pürüzlülüğü zirvesine yol açar. Yüklenen diş kanadında yapışkan birikintilerin oluşumu Şekil 9c’de şematik olarak gösterilmiştir. Dişli somunun temas yüzeyinin aşamalı olarak yüklenmesi, yüklü diş kanadının temas pürüzlülüğü tepelerinde biriken parçacıkların ayrılmasına yol açar. Bunlar giderek yüklenen diş kanadının temas yüzeylerinde bir tabaka oluşturur (Şekil 10) ve vida ile somun malzemesi arasında doğrudan teması önler. Bu süreç, durağan bir duruma ulaşılana ve somunun yüzey sınır katmanlarından yüklü diş yanağına daha fazla malzeme aktarılmayana kadar devam eder. Bu süreç alıştırma davranışını etkiler ve temas eden pürüzlülük tepeleri yapışkan tortuları ile kaplandığında durağan bir duruma geçer. Bu durum sürtünme katsayısını etkiler. Şekil 10, birikintilerin yaklaşık 2 μm yüksekliğinde olduğunu ve yüklü diş yanağının ilk yüzeyinde aşındırıcı aşınma olmadığını göstermektedir.

5 Sonuç ve genel bakış

Bu çalışmanın bir parçası olarak, üç farklı yüzey topografisi dönme yöntemi kullanılarak ayarlanmış ve trapezoidal dişli miller üzerindeki tribolojik özellikleri incelenmiştir. Sürtünme katsayısının ölçülmesine ek olarak, dişli milin yüklü diş kanatlarındaki aşınma modeli analiz edilmiş ve yapışkan birikintileri ölçülmüştür.

Haddelenmiş dişli millerle karşılaştırıldığında, ağır hizmet kaldırma sistemlerinde kullanılan dişli milin yüklü diş kanadındaki yüzey yapılarının önemli bir katma değer sunduğu gösterilmiştir. Döndürme işlemi, daha çeşitli yüzey yapılarının üretilmesini mümkün kılarak sürtünme katsayısında %25,5’lik bir azalma sağlar. Sürtünme katsayısındaki bu azalma, kaldırma sisteminin spesifik yatağı dikkate alındığında genel sistemin enerji tüketiminde orantılı bir azalmaya yol açar, çünkü verimlilik mil ve somun arasındaki sürtünme temasından önemli ölçüde etkilenir. Ayrıca, dönme işlemi ile dokulandırılan dişli milin orijinal yüzeyinin, deneysel olarak simüle edilen 10 yıllık bir hizmet ömründen sonra bile hala büyük ölçüde bozulmamış olduğu gösterilebilir. Bu, mil ve somunun pürüzlülük tepe noktalarının doğrudan temas halinde olduğu katı sürtünme oranının azaltılabileceğini göstermektedir. Sunulan yüzey dokularıyla, diş kanadındaki yapışkan aşınması test serisi 4’te %10,1’e düşürülmüştür, bu oran haddelenmiş dişli milde %36,3’tür.

Testte dişli bir milin 10 yıllık hizmet ömrünün tamamı taklit edilmiş olmasına rağmen, dişli somunun hizmet ömrü gösterilmemiştir. Milin sadece bir kısmı tribolojik temasa maruz kalırken, somunun iç dişi sürekli bir yüke maruz kalır ve bu da tribolojik etkileşimlere önemli ölçüde daha uzun süre maruz kalmasına neden olur. Gelecekteki çalışmalar, özellikle somunun aşınmasını ölçmenin zorluğu göz önüne alındığında, sürtünme sisteminin bu yönüne daha fazla odaklanabilir. Belirgin bir yüzey yapısına sahip dişli bir milin bir diğer olumlu etkisi de karşı sürtünme gövdesindeki, bu durumda somundaki aşınmanın azaltılması olabilir.

Referanslar

1. Langsdorff W (1969) Gewindefertigung und Herstellung von Schnecken, 6th edn. Springer, Berlin, Heidelberg
2. Gereke-Bornemann H, von Soden M (2010) Wie man den Stickslip-Effekt bei Gewindespindeln vermeidet
3. Stribeck R (1902) Die wesentlichen Eigenschaften der Gleit- und Rollenlager
4. Wang X, Kato K, Adachi K et al (2003) Loads carrying capacity map for the surface texture design of SiC thrust bearing sliding in water. Tribol Int 36(3):189–197. https://doi.org/10.1016/S0301-679X(02)00145-7
5. Touche T, Cayer-Barrioz J, Mazuyer D (2016) Friction of textured surfaces in EHL and mixed lubrication: effect of the groove topography. Tribol Lett 63:25. https://doi.org/10.1007/s11249-016-0713-8
6. Flores G, Abeln T, Klink U (2007) Functionally adapted final machining for cylinder bores made of cast iron. MTZ Worldw 68:6–9. https://doi.org/10.1007/BF03226811
7. Buckley DH (1981) Surface effects in adhesion, friction, wear and lubrication. Elsevier, Amsterdam
8. Etsion I (2004) Improving tribological performance of mechanical components by laser surface texturing. Tribol Lett 17:733–737. https://doi.org/10.1007/s11249-004-8081-1
9. Hamilton DB, Walowit JA, Allen CM (1966) A theory of lubrication by microirregularities. ASME J Basic Eng 88(1):177–185. https://doi.org/10.1115/1.3645799
10. Brizmer V, Kligerman Y, Etsion I (2003) A laser surface textured parallel thrust bearing. Tribol Transact 46(3):397–403. https://doi.org/10.1080/10402000308982643
11. Kovalchenko A, Ajayi O, Erdemir A, Fenske G, Etsion I (2005) The effect of laser surface texturing on transitions in lubrication regimes during unidirectional sliding contact. Tribol Int 38(3):219–225. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2004.08.004
12. Denkena B, Köhler J, Kästner J, Göttsching T, Dinkelacker F, Ulmer H (2013) Efficient machining of microdimples for friction reduction. ASME J Micro Nano Manuf 1(1):11003. https://doi.org/10.1115/1.4023757
13. Stender W (1954) Schälen von Gewindespindeln: Die zeitgemäße Lösung eines alten Problems. Werkstatttechnik Maschinenbau 44:531–538
14. Matsumura T, Serizawa M, Ogawa T, SasakiM(2015) Surface dimple machining in whirling. JManuf Syst 37(2):487–493. https://doi.org/10.1016/j.jmsy.2014.07.008
15. Denkena B, Bergmann B, Keitel M, Wege C, Poll G, Kelley J, Pape F (2023) Process strategies for milling of dimples on tapered roller bearings. Prod Eng Res Devel 17:893–905. https://doi.org/10.1007/s11740-023-01208-416.
16. Steinert P (2017) Fertigung und Bewertung deterministischer Oberflächenmikrostrukturen zur Beeinflussung des tribologischen Verhaltens von Stahl-Bronze-Gleitpaarungen. Technischen Universität Chemnitz
17. Greenwood JA, Tripp JH (1967) The elastic contact of rough spheres. ASME J Appl Mech 89:153
18. Haessig DA, Friedland B (1990) On the modeling and simulation of friction. American Control Conference, San Diego
19. Aurégan G, Fridrici V, Kapsa P, Rodrigues F (2015) Experimental simulation of rolling—sliding contact for application to planetary roller screw mechanism. Wear 332–333:1176–1184. https://doi.org/10.1016/j.wear.2015.01.047
20. Denkena B, Böß V, Nespor D, Gilge P, Hohenstein S, Seume J (2015) Prediction of the 3D surface topography after ball end milling and its influence on aerodynamics. Procedia CIRP 31:221–227. https://doi.org/10.1016/j.procir.2015.03.049
21. Böge G, Böge W (2021) Statik starrer Körper in der Ebene. In: Böge A, Böge W(eds) Handbuch Maschinenbau. Springer Vieweg, Wiesbaden
22. Blau PJ (2006) On the nature of running-in. Tribol Int 38(11):1007–1012. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2005.07.020

Teşekkür

Yazarlar, finansman için Federal Ekonomi ve İklim Koruma Bakanlığı’na (BMWK) ve proje ortağı Bornemann Gewindetechnik GmbH & Co. KG’ye yapıcı ve yakın işbirlikleri için teşekkür eder.

Promosyon

Çalışmalar, Merkezi İnovasyon Teşvik Programı kapsamında Federal Ekonomi ve İklim Koruma Bakanlığı (BMWK) tarafından finanse edilmiştir.

Yazarların katkıları

B. Denkena makaleyi B. Bergmann ile birlikte gözden geçirmiş ve düzenlemiştir. C. Wege bu çalışmanın konseptini geliştirmiş, deneyleri gerçekleştirmiş, verileri analiz etmiş ve makaleyi yazmıştır. M. von Soden ve H. Gereke-Bornemann araçları üretmiş ve deney düzeneğini sağlamıştır.

Promosyon

Açık erişim fonu Project DEAL tarafından mümkün kılınmış ve organize edilmiştir.

Çıkar çatışması

B. Denkena, B. Bergmann, C. Wege, M. von Soden ve H. Gereke-Bornemann herhangi bir çıkar çatışması olmadığını beyan etmişlerdir.

Açık Erişim

Bu makale, orijinal yazarlara ve kaynağa uygun şekilde atıfta bulunulması, Creative Commons lisansına bir bağlantı verilmesi ve herhangi bir değişikliğin kabul edilmesi koşuluyla, herhangi bir ortamda veya formatta kullanım, paylaşım, uyarlama, dağıtım ve çoğaltmaya izin veren Creative Commons Attribution 4.0 Uluslararası lisansı altında lisanslanmıştır. Bu makalede yer alan üçüncü şahıslara ait görseller veya diğer materyaller, aksi belirtilmedikçe, makalenin Creative Commons lisansına dahildir. Materyaller makalenin Creative Commons lisansına dahil edilmemişse ve kullanım amacınız yasalarca izin verilmiyorsa veya izin verilen kullanımı aşıyorsa, doğrudan hak sahibinden izin almanız gerekir. Bu lisansın bir kopyasını görüntülemek için lütfen http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ adresini ziyaret edin.

Yayıncının notu

Springer Nature, yayınlanan haritalardaki coğrafi işaretler ve kurumsal bağlantılarla ilgili yasal anlaşmazlıklar konusunda tarafsız kalmaktadır.

• Springer Nature, 24.05.2024