Suoran tehonsiirtoakselin väsyminen: Vauriotapausten tarkastelu

Abstract

Monien koneiden päätoimintoja toteutetaan tehonsiirtoakseleiden avulla. Tehonsiirtoakseleihin kohdistuu dynaamisia ja vaihtelevia rasituksia, jotka altistavat akselin väsymiselle. Materiaalin väsyminen onkin yksi merkittävimmistä syistä akselivaurioille. Tämän työn tavoitteena on ymmärtää miksi tehonsiirtoakselit väsyvät. Työn alkusi rakennetaan teorian avulla perusymmärrys väsymisestä ilmiönä. Teorian jälkeen työssä on kirjallisuuskatsaus, jossa käsitellään suorien tehonsiirtoakseleiden vaurioanalyysejä. Vaurioanalyysien avulla pyritään muodostamaan ymmärrys akselien väsymisvaurioitumiselle. Kokonaisuudessaan työ on kirjallisuuskatsaus, jossa teoria on muodostettu oppaiden sekä muun tieteellisen kirjallisuuden avulla. Vaurioanalyysien aineisto perustuu tieteellisiin artikkeleihin ja konferenssijulkaisuihin. Materiaalin väsyminen on seurausta vaihtelevan jännityksen, paikallisen vetojännityksen ja plastisen muodonmuutoksen yhtäaikaisesta toiminnasta. Tehonsiirtoakseliin tyypillisesti kohdistuvat kuormitukset aiheuttavat niin vaihtelevaa jännitystä kuin vetojännitystä. Plastinen muodonmuutos on useimmiten mikroskooppista ja seurausta akseliin syntyvistä korkeista jännityskeskittymistä, joissa materiaalin myötölujuus ylitetään. Tyypillisiä jännityskeskittymiä aiheuttavia tekijöitä ovat akselissa esiintyvät geometriset epäjatkuvuudet, kuten olakkeet, kiilaurat, poraukset ja urat. Tällaiset epäjatkuvuudet ovat usein välttämättömiä akselin ja koneen toiminannan kannalta, mutta niiden aiheuttamien jännitysten suuruuteen voidaan vaikuttaa suunnittelulla. Suunnittelussa ja valmistuksessa tapahtuu kuitenkin virheitä, jotka johtavat jännitysten kasvuun ja akselin lyhentyneeseen käyttöikään. Huonosti suunniteltu kappaleen geometria dynaamisesti rasitetussa kohdassa, kuten akselissa olakkeen pohjan pyöristys, nostaa merkittävästi alueen jännityksiä. Geometristen epäjatkuvuuksien lisäksi epäpuhtaassa materiaalissa esiintyvät inkluusiot ja niiden kasaumat johtavat jännityskeskittymiin ja lyhentyneeseen väsymisikään. Myös käyttöön soveltuvan akselimateriaalin valinnalla ja sen mekaanisilla ominaisuuksilla on merkittävä vaikutus väsymiskestävyyteen. Metallien mekaanisia ominaisuuksia muokataan erilaisin lämpökäsittelyin. Lämpökäsittely on kuitenkin vaativa prosessi, jossa voi tapahtua virheitä, jotka johtavat suunniteltua heikompaan väsymiskestävyyteen. Suorien tehonsiirtoakselien väsymistä tarkastellaan muutamien tyypillisten esimerkkien avulla, mikä auttaa ymmärtämään tehonsiirtoakselien väsymistä. Työ ei kuitenkaan anna kaiken kattavaa vastausta siihen miksi suorat tehonsiirtoakselit väsyvät, koska väsymiseen vaikuttaa niin moni tekijä. Koska materiaalin väsymisellä on merkittävä vaikutus akselin elinikään, on väsymisen huomioiminen todella tärkeää akselin suunnittelussa ja erityisesti lujuuslaskennassa.