Polimerik dişlilerde sonlu elemanlar metodu ile gerilme analizi

Abstract

ÖZET Bu çalışmada, polimerik dişlilerin gerilme analizleri yapılarak, polimerik dişlilerin tasarımına yardımcı olacak sonuçlar elde edilmeye çalışılmıştır. Polimerik dişlilerin tasarımında uluslar arası kabul edilmiş bir standart oluşturma çalışmaları devam ederken, halihazırda polimerik dişli tasarımı metalik dişlilerdeki standartlar kullanılarak yapılmaktadır. Polimer dişliler ilk olarak güç iletmekten ziyade hareket ileten dişli çarklar olarak tanıtıldılar ve halen de aynı işi görmektedirler. Polimer dişliler üzerine yapılan bu çalışmanın ve diğer çalışmaların amaçlarından biri: polimer dişli çarkların performansını arttırmak ve böylece bu dişli çarkları güç ileleten mekanizmalarda de kullanabilir hale getirmektir. Bu çalışmada polimerik dişlilerin gerilme analizleri (ANSYS) sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak yapılmıştır. Ancak, polimerik malzemelerin esnekliğinin yüksek olması nedeniyle, dişli teması ANSYS paketinin mevcut yaklaşımları ile modellenemediğinden, bir temas analizi yöntemi geliştirilmiştir. Geliştirilen bu yöntem, silindirlerin 2 ve 3 boyutlu temas problemlerine uygulanarak, analitik çözümlerle karşılaştırılarak doğrulanmıştır. Ayrıca, esnekliğin yük dağılımına etkileri ile, dişlilerin kenar ve kuşak kalınlıklarının gerilim dağılımına etkileri incelenerek, malzeme, ağırlık ve sonucunda maliyet açısından uygun bir tasarımın yapılmasına katkıda bulunulmaya çalışılmıştır. Yapılan bu çalışmada yüksek diş sayısının diş modülünden bağımsız olarak gerçek temas oranını arttırdığını tespit edilmiştir. Bu durum, hesaplanan eğme gerilemesini kesinlikle etkilemektedir. Bu nedenle, polimerik dişlilerin tasarımında yük paylaşımının bu etkisini hesaba alan bir metot önerilmiştir. Ayrıca diş modülü ile izin verilen eğme yorulma dayanımının birbiri ile bağlılığını ortaya koyan üç sebebi de gözönüne koymuştur. Bunlar: aynı yük ve hızda düşük modüllü dişlilerin daha az sürtünme hızına sahip oldukları, daha az ısı meydana çıkmasıyla daha yüksek yük taşıma kabiliyetine sahip oldukları ve üçüncü olarak yük paylaşımına etkileridir. ANAHTAR KELİMELER: Polimer dişli, Sonlu Elemanlar Yöntemi

VI ABSTRACT In this study, stress analyses of polymer gears were performed to obtain results for polymer gear design. Rating of polymer gears is carried out by using metallic gear rating standards while it has been tried to introduce a world wide valid international polymeric gear rating standard. Polymer gears were introduced as motion rather than power transmitted and is still probably the case. One of the objectives of this and other researches on polymer gears has been aimed at improving their performance so they can be used as power transmission drives. In this work, stress anayses of polymer gears were done using ANSYS finite element package. However, the contact pattern of polymer gears can not be modelled using existing ANSYS modelling approach due to higher flexibility of polymer gears, so that a new contact model was developed. The developed method was applied to 2-D and 3-D contact problems and the results validated by comparing analytic solutions. Additionally, flexibity effects on load sharing, the effect of web and flange thicknesses on stress distribution were investigated and an attempt has been made to propose a reasonable design according to material, weight and cost optimization. In the presented study, it has been shown that large tooth numbers will give a high increase in real contact ratio, independent of the module. This will certainly have an effect on calculated bending stresses. For this reason, a method of accounting for the effect of load sharing in the rating ofnon-metallic gears is proposed. This work has also highligted the three reasons put forward for the dependence of alllowable bending fatigue strenght on the tooth module. For the same torque and speed, low module gears have lower sliding velocities and generation and hence higher load carrying capacity, and the third is due to load sharing between gear teeth. KEYWORDS: Polymer Gears, Finite Element Method