مطالعه چند مقیاسی تخریب چرخ‌دنده‌های پلیمری در شرایط گشتاور متغیر

مکانیزم‌های تخریب چرخ‌دنده‌های پلیمری به‌شدت تحت تاثیر گشتاورهای اعمال‌شده و دمای سطحی ناشی از آن قرار دارند. افزایش گشتاور می‌تواند منجر به افزایش تنش تماسی و دمای سطحی شود که این عوامل به‌طور مستقیم در تسریع تخریب نقش دارند. استفاده از آزمون‌های چرخ‌دنده در گشتاورهای مختلف و تحلیل چندمقیاسی این امکان را فراهم می‌کند تا مکانیزم‌های اصلی تخریب شناسایی و رابطه میان بارهای مکانیکی و رفتار حرارتی مواد بررسی شود. در پژوهش حاضر، پلی‌استال، پلیمر پرکاربرد در ساخت چرخ‌دنده‌های پلاستیکی، بعنوان ماده اولیه برای ساخت چرخ‌دنده‌ها انتخاب شد. آزمون چرخ‌دنده با استفاده از پنج سطح گشتاور مختلف (n.m 6، 8، 10، 12 و 14) انجام شد. دمای سطحی دنده‌ها به‌طور آنلاین در طول آزمون اندازه‌گیری گردید. برای تحلیل مکانیزم‌های تخریب، از دو مقیاس ماکروسکوپی و میکروسکوپی استفاده شد. نتایج نشان داد که افزایش گشتاور از n.m 6 به 14، منجر به افزایش دمای سطحی دنده‌ها، تا 98 درصد شد. افزایش دمای دنده‌ها در گشتاورهای بالا به نتیجه مستقیم ترکیبی از عوامل مکانیکی و حرارتی نسبت داده شد. در سطوح گشتاور n.m 6، 8 و 10، خرابی‌هایی مانند ترک در ناحیه گام، تغییر شکل پلاستیکی و سایش دنده مشاهده شد. اما در گشتاورهای بالاتر از n.m 10، جریان مواد در مقیاس ماکروسکوپی و سایش چسبان، همراه با جریان شدید مواد در مقیاس میکروسکوپی، رخ داد که به ضعف هدایت حرارتی پلی‌استال نسبت داده شد.

multiscale study of polymer gear failure under variable torque conditions

the failure of polymer gears is strongly affected by applied torque and surface temperature. higher torque increases contact stress and temperature, accelerating gear degradation. this study investigates failure mechanisms through multiscale analysis under five torque levels (6, 8, 10, 12, and 14 n·m) using polyoxymethylene (pom), a common polymer for plastic gears. gear surface temperature was monitored online during tests. failure mechanisms were examined on both macroscopic and microscopic scales. macroscopically, surface characteristics were analyzed, while scanning electron microscopy (sem) provided insights into microscopic wear patterns. results revealed that increasing torque from 6 to 14 n·m raised surface temperature by up to 98%, attributed to combined mechanical and thermal effects. at lower torque levels (6–10 n·m), pitch-line cracks, plastic deformation, and wear were observed. however, at torques above 10 n·m, material flow and adhesive wear became dominant, with severe microscopic material movement linked to pom’s low thermal conductivity.