La trasmissione a ingranaggi è ampiamente applicata in varie apparecchiature meccaniche grazie ai suoi vantaggi di rapporto di trasmissione preciso ed elevata efficienza di trasmissione. La Cina è diventata un importante paese produttore di ingranaggi, con un valore di produzione dell'industria degli ingranaggi che ha superato i 236 miliardi di yuan nel 2017, classificandosi al primo posto nel mondo, e si è formato un sistema industriale relativamente completo. Essendo il componente principale per la trasmissione di potenza e l'erogazione di energia, le prestazioni degli ingranaggi influenzano direttamente l'efficienza operativa e l'affidabilità delle apparecchiature. Durante la trasmissione, gli ingranaggi sopportano carichi estremamente complessi, che li rendono soggetti a fenomeni di guasto come vaiolatura, sfaldamento, usura, strisciamento e rottura per fatica flessionale. In passato, la progettazione della resistenza degli ingranaggi considerava principalmente la resistenza al contatto della superficie dei denti; tuttavia, con lo sviluppo della tecnologia ingegneristica, i sistemi di trasmissione a ingranaggi tendono ad essere leggeri e la resistenza a fatica flessionale alla radice del dente è gradualmente diventata un fattore chiave.

 

 

 

Durante la trasmissione a ingranaggi, la massima sollecitazione di trazione sul dente dell'ingranaggio agisce sul lato caricato, mentre la massima sollecitazione di compressione agisce sul lato opposto. Il punto di sollecitazione zero si trova al di sotto dell'intersezione del cerchio di base e dell'asse del dente, con conseguente grave concentrazione di sollecitazioni alla radice del dente sul lato caricato. Con il funzionamento continuo dell'ingranaggio, la sezione pericolosa diventa un'area soggetta all'innesco di cricche da fatica, la prima fase della frattura del dente dell'ingranaggio.

 

Le cricche innescate si propagano ulteriormente verso il punto di sollecitazione zero, che si sposta verso il basso lungo la radice del dente man mano che le cricche si espandono. Questa è la seconda fase: propagazione stabile delle cricche (vedi Figura 1). La fase di propagazione stabile può essere generalmente suddivisa in due sottofasi: nella Fase I, la cricca si propaga lungo la direzione della sollecitazione di taglio massima di 45° con una profondità superficiale; nella Fase II, a causa delle diverse orientazioni e dell'ostruzione dei bordi dei grani, la direzione di propagazione è gradualmente influenzata dalla sollecitazione normale e cambia in una direzione perpendicolare alla sollecitazione normale.

 

Quando la parte rimanente della radice del dente non può più sopportare il carico esterno, si verifica una frattura istantanea: la terza fase: propagazione instabile delle cricche (frattura). L'area corrispondente sulla superficie di frattura da fatica è relativamente ruvida, spesso accompagnata da pieghe formate dallo strappo del materiale.

 

 

Si ritiene generalmente che l'esistenza di sollecitazioni residue di trazione aumenti il livello di sollecitazione media nella sollecitazione ciclica, accelerando così il tasso di crescita delle cricche da fatica e riducendo l'affidabilità degli ingranaggi. Al contrario, la sollecitazione residua di compressione è utile per prolungare la durata a fatica degli ingranaggi. Durante la lavorazione degli ingranaggi, l'ampiezza della sollecitazione residua generata nei denti degli ingranaggi può raggiungere migliaia di megapascal, il che ha un impatto significativo sulle prestazioni a fatica degli ingranaggi. Pertanto, la sollecitazione residua è un fattore indispensabile nella produzione anti-fatica degli ingranaggi e l'accurato monitoraggio dello stato di sollecitazione residua alla radice del dente riveste un'importante importanza ingegneristica.

 

Le tipiche curve di distribuzione delle sollecitazioni residue della superficie della radice del dente dopo la cementazione e la tempra sono generalmente mostrate nella Figura 2. Nella produzione effettiva di ingranaggi, la sollecitazione residua sulla superficie della radice del dente non presenta sempre la distribuzione ideale come mostrato nella Figura 2(a). In condizioni di lavoro pratiche, a causa dell'effetto di accoppiamento della sollecitazione termica e della sollecitazione strutturale durante la tempra e il raffreddamento, la deformazione plastica superficiale fa sì che lo strato di sollecitazione residua di compressione massima si sposti verso il sottosuolo, presentando possibilmente la caratteristica di distribuzione mostrata nella Figura 2(b). Attualmente, nella produzione nazionale di ingranaggi, la decarburazione e l'ossidazione interna sono inevitabili sulla superficie dei denti degli ingranaggi dopo la cementazione e la tempra. In particolare, l'ossidazione interna forma strutture non martensitiche. In questo momento, la tipica distribuzione delle sollecitazioni residue dello strato temprato è mostrata nella Figura 2(c), ovvero la sollecitazione residua di trazione si forma sulla superficie più esterna del dente dell'ingranaggio e, a causa di fattori strutturali geometrici, questa sollecitazione di trazione è spesso più grave alla radice del dente.

 

Le caratteristiche di distribuzione della sollecitazione residua determinano direttamente le prestazioni a fatica degli ingranaggi. Tuttavia, va notato in particolare che il processo di trattamento termico degli ingranaggi è un processo non lineare complesso che coinvolge l'interazione di temperatura, trasformazione strutturale e sollecitazione, accompagnato da deformazione plastica. Pertanto, è quasi impossibile ottenere la sollecitazione residua utilizzando metodi analitici. Quindi, nell'ingegneria pratica, la determinazione della sollecitazione residua è di grande importanza per la valutazione della durata e delle prestazioni degli ingranaggi.

 

 

Attualmente, esistono molti metodi per misurare la sollecitazione residua, ma il metodo più comunemente utilizzato e ad alta precisione in ingegneria è la tecnologia di diffrazione a raggi X (XRD). La tecnologia XRD consente test non distruttivi e le apparecchiature portatili possono completare rapidamente i test in loco in produzione. Al momento, questa tecnologia è stata riconosciuta a livello internazionale, con standard nazionali ed esteri per garantire la precisione della misurazione e le apparecchiature di misurazione e gli strumenti di supporto sono relativamente sofisticati. L'apparecchiatura mostrata nella Figura 3 è stata utilizzata nell'industria degli ingranaggi in patria e all'estero per misurare la sollecitazione residua alla radice dell'ingranaggio. Tra questi, la sezione pericolosa della radice del dente è generalmente definita dal metodo tangente a 30° e la sollecitazione residua in questa posizione viene selezionata per rappresentare la sollecitazione residua della radice. Per il metodo specifico di misurazione della sollecitazione residua mediante XRD, fare riferimento all'articolo precedente "Come determinare la sollecitazione residua mediante il metodo di diffrazione a raggi X?"