طراحان چرخدنده هميشه از اين موضوع تعجب مي کنند که چرا بعضي از چرخدنده ها بهتر و بيشتر از آنچه در فرمول هاي طراحي انتظار مي رفت کار مي کنند در حاليکه تعدادي ديگر حتي وقتي در داخل محدوده طراحي، بارگذاري  شده اند ناگهان دچار شکست مي شوند.

به همين دليل لازم است که عوامل خستگي چرخدنده به دقت بررسي شود.

انجمن چرخدنده سازان آمريکا (AGMA) خستگيهاي چرخدنده را به 5 دسته کلي زير تقسيم مي نمايد:

در اين مقاله عوامل خستگي و شکست دندانه هاي چرخدنده مورد بررسي قرار گرفته است. عواملي که باعث خستگي دندانه و در نهايت شکست آن مي شوند عبارتند از : 1ـ شکست حاصل از ممان هاي خمشي 2ـ سايش 3ـ کندگي 4ـ خراش که هر يک از عوامل خود به چند دسته تقسيم مي شوند.
اين عوامل ممکن است بر اثر نقص هايي باشد که در خود دندانه وجود دارد يا ممکن است بوسيله عملکرد ساير قطعاتي که در مجموعه چرخدنده اي بکار رفته اند ايجاد شوند. وقتي با يک دندانه آسيب ديده مواجه مي شويم براحتي نمي توان در مورد علت آسيب قضاوت کرد زيرا اين امر مستلزم تجربه کافي و تحقيقات دقيق مي باشد. با اين حال در اين مقاله سعي شده است بصورت کلي با اين پديده ها آشنا شويم.
مقدمه :
طراحان چرخدنده هميشه از اين موضوع تعجب مي کنند که چرا بعضي از چرخدنده ها بهتر و بيشتر از آنچه در فرمول هاي طراحي انتظار مي رفت کار مي کنند در حاليکه تعدادي ديگر حتي وقتي در داخل محدوده طراحي، بارگذاري  شده اند ناگهان دچار شکست مي شوند.
به همين دليل لازم است که عوامل خستگي چرخدنده به دقت بررسي شود.

انجمن چرخدنده سازان آمريکا (AGMA) خستگيهاي چرخدنده را به 5 دسته کلي زير تقسيم مي نمايد:

1ـ سايش (wear)

2ـ  خستگي سطحي

3 ـ تغيير شکل پلاستيک (plastic flow)

4ـ شکست دندانه

5ـ شکست هاي خستگي که 2 يا چند عامل فوق را با هم دارند.

هر يک از اين دسته ها خود به چند نوع و شکل مختلف تقسيم مي شود که در نهايت يک مهندس که  در  زمينه  چرخدنده  کار  مي کند  با  18 شکل مختلف از خستگي چرخدنده مواجه مي شود. به همين دليل در مواجه با يک  چرخدنده آسيب ديده بايد تلفيقي از علم و هنر آناليز صحيح را بکار برد. اگر آناليز خستگي بطور صحيحي انجام نشود ممکن است علت خستگي چيزي غير از علت اصلي تشخيص داده شود که در اين صورت طراح را به سمت ساخت يک مجموعه چرخدنده اي بزرگتر از آنچه که نياز است هدايت مي کند در حاليکه طراحي جديد نيز ممکن است داراي همان عيب قبلي باشد زيرا عامل اصلي تخريب هنوز تصحيح نشده است. به عنوان مثال يک چرخدنده که در سرعت بالا کار مي کند ممکن است براي ماهها داراي ارتعاش قابل قبولي باشد اما ناگهان علائم ارتعاش با دامنه بالا پديدار مي شود. تحقيقات دقيق روشن مي کند در مدتي که چرخدنده کار مي کرده دندانه ها دچار سايش شده اند و در نتيجه فاصله بين دندانه ها افزايش يافته که همين عامل باعث افزايش دامنه ارتعاش چرخدنده شده است. پس مشکل اصلي سايش دندانه ها است نه ارتعاش و ارتعاش بايد به عنوان يک عامل ثانويه در نظر گرفته شود. نکته مهم ديگري که بايد در نظر گرفته شود اين است که گاهي طراحي چرخدنده صحيح است ولي چرخدنده بر اثر رفتار ساير قطعاتي که در مجموعه چرخدنده اي شرکت دارند يا ساير عوامل (محيط، خطاي نصب و استقرار و …) دچار خستگي ناخواسته مي شود. به عنوان مثال فرض کنيد محور يک توربين توسط يک اتصال کوپلينگ به محور پينيون وصل شده است، در صورتيکه اين اتصال در انتقال نيرو داراي خطاي زيادي باشد يعني نيرو را طوري انتقال دهد که نيروهاي شعاعي و محوري بيشتر از آنچه در طراحي در نظر گرفته شده به پينيون وارد شود در آنصورت پينيون و ياتاقان محور آن به سرعت دچار سايش يا حتي شکست مي شوند. بنابراين راه حل طراحي مجدد پينيون يا تعويض ياتاقان محور آن نيست بلکه بايد در وضعيت اتصال (coupling) تجديد نظر کرد.

با اين مقدمه به سراغ انواع خستگي هايي که در يک چرخدنده رخ مي دهد مي رويم. تذکر اين نکته ضروري است که منظور از شکست خستگي در يک چرخدنده، گسيختگي (جدا شدن) دندانه نمي باشد بلکه هر عاملي که باعث شود چرخدنده از شرايط کاري مطلوب خارج گردد به عنوان يک نوع شکست خستگي محسوب مي شوند. لذا سايش نيز براي چرخدنده نوعي شکست خستگي محسوب مي شود.

1ـ سايش (wear) :
از نقطه نظر يک مهندس چرخدنده، سايش عبارتست از زدوده شدن يکنواخت يا غير يکنواخت فلز از روي سطح دندانه. 
علل اصلي سايش دندانه‌، تماس فلز به علت نامناسب بودن ضخامت لايه روغن، ذرات ساينده موجود در روغن که با شکستن لايه روغن باعث سايش سريع يا ايجاد خراش مي گردند و سايش شيميايي به علت ترکيب روغن و مواد افزوده شده است به آن مي باشند. سايش باعث کم شدن ضخامت دندانه و تغيير شکل پروفيل آن مي گردد که در نتيجه شکل پروفيل دندانه از حالت مطلوب (مثلا منحني اينولوت) خارج شده و خواص آن از بين مي رود. سايش بخصوص در چرخدنده هايي که بايد براي مدت نامحدود با سرعت بالا کار کنند يک پديده بسيار مهم است. البته سايش هميشه يک عامل منفي نيست بلکه وجود مقدار بسيار ظريفي سايش باعث اصلاح دندانه هاي درگير با هم و هماهنگ شدن آنها مي شود. پوليش کــــردن (polishing) که يک نوع عمليات پرداخت بسيار ظريف است نيز به معناي سائيدن قطعه به مقدار بسيار کمي مي باشد.

در شکل 1 مراحل رشد سايش در دندانه هاي چرخدنده اي با سختي قابل ماشينکاري نشان داده شده است. در مرحله اول سايش در حد پرداخت دندانه ها مي باشد که کمترين مقدار آن در حدود  خط گام رخ مي دهد. علاوه بر آن کندگيهاي ريزي در نزديک ريشه دندانه مشاهده مي شود. در مرحله دوم در سردندانه تغيير شکل پلاستيک که البته مقدار آن بسيار کوچک است آغاز مي گردد. علاوه بر اينکه سايش و کندگي در نزديک ريشه بيشتر شده است و اين روند تا مرحله چهارم ادامه مي يابد. همانطور که مشاهده مي کنيد در تمامي اين مراحل منطقه نزديک خط گام از کمترين سايش برخوردار است. (زيرا از نظر تئوري در نقطه گام غلتش محض و از نظر عملي مقدار ناچيزي لغزش وجود دارد) به همين علت در مرحله چهارم، منطقه خط گام بيشتر بار را انتقال خواهد داد که اين عمل باعث افزايش تنش هاي تماسي در منطقه خط گام و اغلب منجر به کندگي اين ناحيه مي گردد. در نتيجه چرخدنده دچار شکست شده و از حالت کاري مطلوب خارج خواهد شد. کاهش بار انتقالي و افزايش کيفيت روغنکاري براي بهبود اين وضعيت بسيار مفيد خواهد بود. توجه کنيد که سايش را مي توان مقدمه ظهور ساير شکست ها در دندانه دانست. بر اثر سائيده شدن دندانه ضخامت آن کاهش مي يابد. لذا علاوه بر کاهش مقاومت خمشي، در آغاز درگيري ضربه زيادي بر دندانه وارد مي شود که ممکن است باعث شکست دندانه شود. علاوه بر آن تغيير شکل پروفيل دندانه باعث تمرکز تنش در بعضي نقاط روي سطح دندانه مي شود که ممکن است باعث کندگي و يا شکست دندانه شود. در صورتي که علت سايش وجود مواد خارجي مانند براده هاي ماشين کاري ، باقيمانده هاي سنگزني و يا موادي که به طريقي وارد فضاي کاري چرخدنده ، شده اند باشد به اين سايش، اصطکاک ساينده (abrasive wear)  گويند. اما در صورتي که عامل سايش مواد شيميايي موجود در روانساز يا مواد آلوده کننده اي مانند آب، نمک رطوبت محيطي و … باشد به آن اصطکاک خورنده (corrosvie wear) گويند. اما شايد مهمترين سايش، سايشي باشد که ناشي از شکسته شدن موضعي لايه روغن به علت حرارت بيش از حد، مي باشد که باعث تماس فلز با فلز و اصطکاک چسبنده به شکل يک جوش و يا پارگي و يا خراش مي شود که اصطلاحا به اين نوع سايش scuffing گويند که خود به چند نوع نقسيم مي شود.  بطور کلي مستعدترين مکان ها براي اين نوع سايش، سر و ته دندانه مي باشد. (براي توضيحات بيشتر به منبع دوم مراجعه نمائيد.) از روش هاي جلو گيري از اين نوع سايش مي توان افزايش ويسکوزيته روغن، افزايش سختي چرخدنده، پرداخت خوب سطح دندانه و در بعضي مواقع اصلاح پروفيل دندانه و تاج گذاري دندانه (crowing) که در اين روش وسط دندانه به صورت يک برآمدگي، بالا مي آيد و بدين ترتيب بيشتر بار توسط اين قسمت منتقل مي شود را نام برد.

2ـ تغيير شکل پلاستيک (plastic flow) :
اين نوع شکست وقتي حاصل مي شود که سطوح تماس تسليم شده و تحت بار سنگين تغيير شکل دهند. معمولا اين نوع شکست در نوک و در دو انتهاي (طرفين) دندانه رخ مي دهد. اما در مواقعي که نيروهاي لغزشي در سطح دندانه زياد باشند تغيير شکل در سراسر دندانه مشاهده مي شود. بطوريکه سطح دندانه بصورت موج موج در مي آيد. (به اين نوع تغيير شکل پلاستيک rippling گويند) براي جلو گيري از تغيير شکل دندانه مي توان بار اعمالي را کم کرده يا بر سختي دندانه افزود. نوع ديگري از تغيير شکل پلاستيک که به علت سرعت لغزشي بالا در حلزون ها و چرخ حلزون ها و چرخدنده هاي هيپوئيد مشاهده مي شود شيار شيار شدن سطح دندانه است که به اين نوع تغيير شکل Ridging (شيار شيار شدن يا چروک شدن) گويند.

3ـ شکست دندانه :
شکست دندانه چرخدنده، شکستي است که در آن تمام يا قسمت قابل توجهي از يک دندانه بر اثر بارگذاري بيش از حد، ضربه يا اغلب بر اثر تنش هاي خمشي مکرري که بيش از مقدار حد دوام ماده چرخدنده است، از چرخدنده جدا مي شود. اين نوع از شکست حاصل خستگي خمشي دندانه تحت بار خمشي وارد بر آن مي باشد.

در بررسي شکست دندانه بررسي چند موضوع ضروري است :

1ـ3ـ نقطه کانوني :
نقطه کانوني، نقطه اي است که شکست از آنجا آغاز مي شود. اين نقطه ممکن است يک شيار يا پارگي در ناحيه منحني ريشه (Root fillet) ، يکي از ترکهايي که بر اثرعمليات  حرارتي در سطح قطعه بوجود مي آيد و يا نقطه اتصال بين منحني ريشه دندانه به منحني پروفيل دندانه (اين نقطه از نظر تئوري ضعيف ترين نقطه در مقابل تنش هاي خمشي است) باشد.

2ـ3ـ خورندگي مخرب (Fretting corrosion) :
در طول زماني که ترک در حال رشد است روغن به درون آن نفوذ کرده و هر گاه دندانه وارد درگيري مي شود فشار هيدروليکي زيادي توليد مي کند که اين فشار باعث تخريب و اشاعه ترک به زير سطح دندانه چرخدنده مي شود.

3ـ3ـ شکست براثر بارگذاري بيش از حد مجاز (over load Breakage) :
اگر شکست دندانه به علت بارگذاري بيش از حد مجاز يا بر اثر ضربه رخ داده باشد معمولا سطح شکسته شده به صورت ريش ريش است، حتي اگر دندانه کاملا سخت شده باشد. با اين حال سطح شکست شبيه رشته هاي يک ماده پلاستيکي است که جدا جدا پيچانده شده اند.

4ـ3ـ موقعيت شکست : 
معمولا شکست دندانه هاي چرخدنده از ناحيه منحني ريشه بخصوص در منطقه پيوستن منحني ريشه به منحني پروفيل دندانه، آغاز مي شود. (يک تير يک سردرگير در تکيه گاه داراي ضعيف ترين مقطع است). گاهي اوقات کندگي خط گام به قدري شديد است که باعث شروع شکست دندانه از خط گام مي شود. گاهي اوقات نيز انطباق تداخلي ناخواسته اي که بين دندانه هاي درگير رخ مي دهد يا تنش هاي پسماند عمليات حرارتي باعث مي شود که شکست در ناحيه ريشه در وسط دو دندانه آغاز شود. در برخي موارد نيز نقص هاي ساختاري که در عمليات آهنگري (forging) قطعه ايجاد شده باعث مي شود که دندانه از نقطه اي غير قابل پيش بيني بشکند.

4ـ کندگي در دندانه هاي چرخدنده (pitting) :
کندگي عبارتست از شکست خستگي حاصل از تنش هاي تماسي (hertzian stresses) که باعث مي شود قسمت هايي از سطح دندانه چرخدنده بصورت حفره کنده شود. بر اساس شدت خسارتي که به سطح خورده است مي توان کندگي را به سه دسته تقسيم کرد:

1ـ4 ـ کندگي اوليه : 
در اين کندگي، قطر حفره ها بسيار کوچک و در حد 0.4 تا 0.8 ميليمتر مي باشد. اين کندگي در نقاطي رخ مي دهد که تنش از حد مجاز تجاوز نمايد و بدين وسيله تمايل دارد تا با کندن اين نقاط از روي سطح، بار را دوباره پخش نمايد. بدين ترتيب با پخش هموارتر بار، عمل کندگي کاهش يافته و در نهايت متوقف مي شود. به همين دليل  به اين نوع کندگي، کندگي تصحيح کننده (corrective pitting) نيز گويند.

2ـ4 ـ کندگي مخرب (destructive pitting) : 
اين نوع کندگي نسبت به کندگي اوليه شديدتر و قطر حفره هاي کندگي نيز بزرگتر است و وقتي بوجود مي آيد که تنش سطحي در مقايسه با حد دوام ماده بزرگ باشد. در اين نوع کندگي در صورتي که بار کاهش نيابد کندگي بطور پيوسته ادامه مي يابد تا جائي که چرخدنده بايد از سرويس خارج شود.

3ـ4 ـ کندگي خرد کننده (spalling) : 
اين نوع کندگي حالت شديدتر کندگي مخرب است که کندگي ها داراي قطر بزرگتري بوده و ناحيه قابل توجهي را در برمي گيرد. کندگي خرد کننده معمولا پس از کندگي مخرب روي مي دهد و علت آن خستگي سطحي سطوح باقيمانده (سطوح کنده نشده توسط کندگي مخرب)‌ و يا راه يافتن حفره هاي حاصل از کندگيهاي مخرب به يکديگر مي باشد.

وقوع کندگي مخرب يا خرد کننده حاکي از عدم تحمل تنش هاي تماسي توسط سطح مي باشد در بعضي موارد افزايش سختي ماده يا استفاده از موادي که کربوره يا نيتريده شده اند به جاي مواد فعلي مي تواند اين مشکل را حل کند در غير اين صورت يک طراحي مجدد بايد انجام شود که در آن ضخامت دندانه يا فاصله مراکز دو چرخدنده افزايش مي يابد (افزايش فاصله مراکز بار انتقالي را کاهش مي دهد)در درگيري ميان چرخدنده و پينيون، پينيون از استعداد بيشتري براي کندگي برخوردار است زيرا معمولا ‌به علت کوچکتر بودن نسبت به چرخدنده، تعداد دور بيشتري مي زند و در نتيجه بيشتر در معرض تنش هاي سطحي قرار مي گيرد. ثانيا در صورتي که پينيون به عنوان راننده (driver) بکار رود (که اغلب چنين است) جهت نيروهاي لغزش از خط گام به سمت طرفين خط گام مي باشد که اين عامل باعث مي شود ماده در ناحيه خط گام تحت کشش قرار گرفته و آماده ترک شود. (براي توضيحات بيشتر به منبع دوم مراجعه فرمائيد)

نتيجه :
با توجه به مباحث فوق،‌ نمودار تجربي نشان داده شده در شکل 6  را به عنوان حاصل بحث مورد توجه قرار دهيم. اين نمودار حاصل آزمايش و انجام تستهاي تجربي بر روي يک چرخدنده نوعي مي باشد که نتايج آن  براي ساير چرخدنده ها نيز قابل تعميم است. در اين نمودار که برحسب گشتاور و سرعت خطي گام رسم شده 5 ناحيه مختلف را مشاهده مي کنيد. در ناحيه اول، از آنجا که سرعت چرخدنده آن قدر زياد نيست که بتواند لايه روغن هيدرو ديناميکي را تشکيل دهد. لذا اين ناحيه اغلب با خستگي سايشي مواجه مي شود. در ناحيه سوم با اينکه سرعت براي تشکيل يک لايه روغن مناسب است اما سرعت به قدري بالا است که حرارت ناشي از آن باعث شکسته شدن لايه روغن  شده و در نتيجه پديده خراش (scoring) يا جوش خوردگي رخ مي دهد. در ناحيه چهارم کندگي رخ مي دهد. اين پديده از آنجا که يک نوع شکست خستگي است لذا وابسته به زمان و بار اعمالي مي باشد و در صورتي که نتش هاي تماسي بيش از حد دوام ماده باشد در هر سرعتي بالاخره رخ خواهد داد. لذا اين ناحيه در تمامي نواحي بالاي حد دوام مشاهده مي شود. در ناحيه پنجم دندانه بيشترين استعداد را براي شکسته شدن دارد. علت اصلي شکست در اين ناحيه ضعيف شدن سطح مقطع دندانه بر اثر سايش، تغيير شکل پروفيل دندانه و تمرکز تنش در برخي نقاط بخصوص در ناحيه‏ ريشه بر اثر سايش يا شوک و ضربه وارد به دندانه بر اثر سايش و بالاخره خستگي خمشي مي باشد. بنابراين طراح بايد سعي کند براي يک عمر نامحدود، شرايط کاري چرخدنده را در ناحيه دوم قرار دهد.