كيفية حساب الصلابة، وقوة التمركز، والتآكل، وفشل الإجهاد في وصلات التروس

توجد أنواع مختلفة من وصلات التروس. تتميز هذه الوصلات بعدة خصائص مهمة، منها: الصلابة، والتروس المتداخلة، ومقاومة عدم المحاذاة، ومقاومة التآكل والإجهاد. لفهم كيفية ارتباط هذه الخصائص بوصلات التروس، اقرأ هذه المقالة. ستزودك هذه المقالة بالمعرفة اللازمة لتحديد نوع الوصلة الأنسب لاحتياجاتك. مع العلم أن وصلات التروس عادةً ما تكون كروية الشكل، وهي مصنوعة من الفولاذ.

المنحنيات الحلزونية

يقلل التداخل الجانبي الفعال من عدم محاذاة التروس. عند توصيل وصلتين مسننتين دون أي عدم محاذاة، ينزاح أقصى إجهاد شد جذري إلى اليسار بمقدار خمسة مليمترات. يؤدي التباين الخطي في الخطوة، الناتج عن وصلات متعددة على طول نقطة تلامس الوصلة المسننة، إلى زيادة الخلوص الفعال أو التداخل بنسبة مئوية محددة. يُعد هذا النوع من عدم المحاذاة غير مرغوب فيه عند توصيل المعدات عالية السرعة.
تُستخدم وصلات التروس الحلزونية عادةً في علب التروس. تنقل هذه الوصلات عزم دوران عالٍ، وتتميز بقدرتها على توزيع الحمل بشكل أفضل على أسنان متعددة على محيط الوصلة. يرتبط شكل وصلة التروس الحلزونية وأخطاء التوجيه بالمسافة بين أسنان الوصلة ومجاري المفاتيح. في تطبيقات الوصلات، تستخدم الممارسات الصناعية وصلات تعشيق تتراوح نسبة تعشيق أسنانها بين 25% و50%. يُعد توزيع الحمل هذا أكثر انتظامًا من توزيع الحمل في وصلات المفتاح الواحد التقليدية.
لتحديد التداخل الأمثل للأسنان في وصلة التروس المعقدة، استخدم شيانغ تشن شيو وزملاؤه نموذجًا حاسوبيًا لمحاكاة الإجهاد المُطبق على التروس. وأظهرت نتائج هذه الدراسة ضرورة استخدام قيمة "مسموح بها" لمعامل رويز في عملية الوصل. ومن خلال التنبؤ بمقدار التآكل في التروس المُغطاة بالتاج، تمكن الباحثون من التنبؤ بدقة بمدى الضرر الذي ستلحق بالمكونات أثناء عملية الوصل.
توجد عدة طرق لتحديد زاوية الضغط المثلى للتروس الحلزونية. تُقاس هذه التروس عادةً بزاوية ضغط 30 درجة. وكما هو الحال مع التروس، تُختبر التروس الحلزونية عادةً عن طريق قياس المسافة بين دبابيس. يتضمن ذلك إدخال أسلاك ذات أحجام محددة بين أسنان الترس وقياس المسافة بينها. تُساعد هذه الطريقة في تحديد ما إذا كان للترس شكل أسنان مناسب.
يوضح نظام الشرائح الموضح في الشكل 1 نموذجًا للاهتزاز. تُمكّن هذه المحاكاة المستخدم من فهم كيفية استخدام الشرائح الحلزونية في الربط. يُظهر نموذج الاهتزاز أربع كتل مركزة تُمثل المحرك الرئيسي، والشرائح الداخلية، والحمل. من المهم ملاحظة أن دالة تشوه الشبكة تُمثل القوى المؤثرة على هذه المكونات الثلاثة.

صلابة الوصلة

يتضمن حساب صلابة وصلة التروس قياس مدى تعشيق أسنانها. فيما يلي، نحلل صلابة وصلة التروس ذات أنواع مختلفة من الأسنان باستخدام طريقتين مختلفتين. تقلل كل من طريقة الانعكاس المباشر وطريقة الانعكاس القطاعي من وقت وحدة المعالجة المركزية لحساب الصلابة، إلا أنهما تتطلبان مصفوفات فرعية للتقييم. هنا، نناقش الفروقات بين هاتين الطريقتين.
يُشتق النموذج التحليلي لوصلات الشرائح في القسم الثاني. وفي القسم الثالث، تُشرح عملية الحساب بالتفصيل. ثم نتحقق من صحة هذا النموذج باستخدام طريقة العناصر المحدودة. وأخيرًا، نناقش تأثير اللاخطية في الصلابة على ديناميكيات الدوار. كما نناقش مزايا وعيوب كل طريقة. ونقدم طريقة بسيطة وفعالة لتقدير الصلابة الجانبية لوصلات الشرائح.
تعتمد الحسابات العددية لوصلة السبلاين على نموذج توزيع الحمل شبه التحليلي للسبلاين. تتضمن هذه الطريقة شبكات تلامس مُحسّنة وتحديث مصفوفة المرونة في كل تكرار، مما يستهلك وقتًا حسابيًا كبيرًا. علاوة على ذلك، يصعب تطبيق هذه الطريقة على التحليل الديناميكي للدوار. لهذه الطريقة قيودها الخاصة، ويجب استخدامها فقط عند دراسة وصلة السبلاين دراسةً وافية.
قوة التعشيق هي القوة الناتجة عن وصلة تعشيق غير محاذية. وهي مرتبطة بسُمك التعشيق وعزم الدوران المنقول للدوار. كما ترتبط قوة التعشيق بإزاحة الاهتزاز الديناميكي. وتُعرض نتائج تحليل قوة التعشيق في الأشكال 7 و8 و9.
يهدف التحليل المُقدّم في هذه الورقة إلى دراسة صلابة وصلات التروس المسننة ذات التروس غير المتراصفة. على الرغم من دقة نتائج الدراسات السابقة، إلا أن بعض المشكلات لا تزال قائمة. فعلى سبيل المثال، قد يتسبب عدم تراصف التروس في تلف نقاط التلامس. يهدف هذا المقال إلى دراسة المشكلات المرتبطة بوصلات التروس المسننة غير المتراصفة، واقتراح منهج تحليلي لتقدير ضغط التلامس في وصلة التروس المسننة. كما نقارن نتائجنا بالنتائج التي تم الحصول عليها باستخدام مناهج عددية بحتة.

عدم المحاذاة

لتحديد قوة التمركز، يجب معرفة زاوية الضغط الفعّالة. وباستخدام هذه الزاوية، تُحسب قوة التمركز بناءً على أقصى الأحمال المحورية والشعاعية ومعاملات عدم المحاذاة المُحدَّثة لدودلي. تُعرَّف قوة التمركز بأنها أقصى قوة محورية يمكن نقلها عن طريق الاحتكاك. كما تُؤخذ في الحسبان عدة معاملات عدم محاذاة منشورة. تُقدَّم في هذه الورقة طريقة جديدة تأخذ في الاعتبار تأثير الكامة في القوة العمودية.
في هذه الطريقة الجديدة، يمكن دمج الصلابة على طول وصلة التروس للحصول على صلابة كلية قابلة للتطبيق في تحليل الاهتزاز الالتوائي. كما يمكن حساب صلابة المحامل عند مستويات معينة من عدم المحاذاة، مما يسمح بتقدير دقيق لأبعاد المحامل. يُنصح بفحص صلابة المحامل باستمرار لضمان تحديد أبعادها ومحاذاتها بشكل صحيح.
قد يؤدي عدم محاذاة وصلة التروس إلى تآكلها أو حتى تلفها. وينتج هذا عن عدم محاذاة شكل أسنان الترس بشكل صحيح. غالبًا ما يتم تجاهل هذه المشكلة، نظرًا لتلامس الأسنان على امتداد شكل الترس الحلزوني. وهذا يؤدي إلى عدم توزيع الحمل بالتساوي على طول خط التلامس. لذا، من المهم مراعاة تأثير عدم المحاذاة على قوة التلامس على أسنان وصلة التروس.
يقع مركز الوصلة الذكرية في الشكل 2 فوق الوصلة الأنثوية. كما أن مسافات تعشيق المحاذاة متطابقة. لذا، ستتغير منحنيات قوة التعشيق تبعًا لإزاحة الاهتزاز الديناميكي. من الضروري معرفة معلمات وصلة الوصلة قبل تطبيقها. في هذه الورقة، يُعرض نموذج عدم المحاذاة لوصلات الوصلات والمعلمات ذات الصلة.
باستخدام جهاز اختبار وصلات التروس المسننة المصمم خصيصًا، دُرست تأثيرات عدم المحاذاة على وصلة التروس المسننة. على عكس وصلات التروس المسننة التقليدية، يتسبب عدم المحاذاة في وصلة التروس المسننة في تآكل احتكاكي في موضع محدد على سطح السن. وهذا سبب رئيسي لفشل هذا النوع من الوصلات.

فشل ناتج عن التآكل والإجهاد

يُحدد فشل وصلة التروس نتيجة التآكل والإجهاد بظهور أول تآكل في الأسنان وعدم محاذاة العمود. لا تأخذ طرق التصميم القياسية في الحسبان أضرار التآكل، وتقيّم عمر الإجهاد بتقريبات كبيرة. أُجريت دراسات تجريبية لتقييم أضرار التآكل والإجهاد في وصلات التروس. نُفذت الاختبارات على جهاز اختبار مخصص وجهاز خاص موصول بآلة إجهاد قياسية. تم تغيير معايير التشغيل، مثل عزم الدوران وزاوية عدم المحاذاة والمسافة المحورية، لقياس أضرار الإجهاد. كما تم تقييم زيادة الأبعاد.
أثناء الإجهاد والتآكل، يحدث انزلاق ميكانيكي بين الأجزاء المسننة الخارجية والداخلية، مما يؤدي إلى عطل كارثي. قد يعود نقص الدراسات حول تآكل وإجهاد وصلات التروس في المحركات النفاثة إلى نقص البيانات المتعلقة بتطبيقاتها. يعتمد فشل التآكل والإجهاد في التروس على عدة عوامل، منها نوع المادة، والهندسة، وظروف التشحيم.
يُظهر تحليل وصلات التروس المسننة أن زيادة الأبعاد شائعة وتؤدي إلى أضرار مختلفة في النظام. من أبرز هذه الأضرار التآكل، والتآكل الاحتكاكي، والتآكل الكيميائي، وإجهاد الأسنان. كما لوحظت مشاكل الضوضاء في البيئات الصناعية. مع ذلك، يصعب تقييم سلوك التلامس في وصلات التروس المسننة، وغالبًا ما تُعيق عمليات المحاكاة العددية استخدام برامج محددة وطريقة العناصر الحدية.
نتج فشل وصلة التروس المسننة عن الإجهاد، وبدأ الكسر عند نصف قطر الزاوية السفلية لمجرى المفتاح. وقد تعرض مجرى المفتاح والتروس المسننة لحمل زائد تجاوز حدّ مقاومتها للشد، ولوحظ خضوع ملحوظ في أسنان التروس المسننة. وأظهرت حلقة الكسر المصنوعة من فولاذ سبيكي غير قياسي نصف قطر زاوية حاد، مما شكّل نقطة تركيز إجهاد كبيرة.
تمت دراسة عدة مكونات لتحديد عمرها الافتراضي، وتشمل هذه المكونات عمود التروس، ومسمار منع التسرب، وحلقة الجرافيت. لكل مكون من هذه المكونات مجموعة خاصة به من معايير التصميم. ومع ذلك، توجد أوجه تشابه في توزيعات هذه المكونات. يُعزى تآكل وصلات التروس وفشلها الناتج عن الإجهاد إلى مزيج من هذه العوامل الثلاثة. غالبًا ما يُعرَّف نمط الفشل بأنه توزيع غير خطي للإجهادات والانفعالات.

تم التحرير بواسطة CX بتاريخ 23-10-2023