Väitös

Väitös: Hammasvaihteiden vauriomuotojen ja äärimmäisten kuormitustapausten yhteyden ymmärtäminen hyödyttää hammaspyörien mitoitusta

Matti Savolainen
Odottamattomia hammaspyörävaihteiden vaurioita esiintyy edelleen, vaikka niiden kestävyyttä on tutkittu laajasti ja kattavia mitoitusohjeita on ollut saatavilla jo pitkään. Yhtenä syynä vaurioitumisiin voivat olla satunnaiset ylikuormitussyklit. Matti Savolainen tutki väitöstyössään ylikuormitusten vaikutusta tahmautumisvaurion esiintymiseen sekä menetelmiä pinnan alta ydintyvän väsymisvaurion kokeelliseen ja laskennalliseen käsittelyyn.

Tahmautuminen (scuffing) on vauriomuoto, joka esiintyy vuorovaikutuksessa olevien pintojen välillä voimakkaassa kosketuspaineessa sekä intensiivisen liukumisen yhteydessä kohonneessa lämpötilassa. Tahmautuminen voidaan havaita kosketuspintojen vaurioitumisena, joka johtaa koneenosan, kuten hammaspyörän, kuormankantokyvyn pienenemiseen ja koko laitteen värähtely- ja äänitasojen nousuun. Jos koneen käyttöä jatketaan, tahmautumisvaurio saattaa kehittyä edelleen toiseksi vauriotyypiksi, joka lopulta johtaa komponentin hajoamiseen ja rikkoo koneen.

– Tahmautumisvaurion muodostuminen eroaa muista hammaspyörien vauriomuodoista siten, että se saattaa kehittyä hampaan pinnalle nopeasti, ainoastaan muutaman haitallisen kuormitussyklin aikana. Yleensä vauriot kehittyvät tuhansien tai miljoonien kuormitussyklien tuloksena. Tästä johtuen hetkittäisillä ylikuormitussykleillä voi olla merkittävä vaikutus hammaspyörän kestoikään, Matti Savolainen kertoo.

Kiekko-kiekko-testilaitteella saatujen tulosten mukaan uusien kosketuksessa olevien pintojen sisäänajautumisella on suuri merkitys. Ylikuormitussyklit sisäänajautumisen aikana lisäsivät tahmautumisvaurion riskiä, kun taas pintojen altistaminen hallitusti ylikuormitussykleille mahdollisti merkittävän kuormitustason noston ilman vaurion muodostumista.

Toinen vauriomuoto, jota esiintyy hammaspyörissä, voidaan kuvata käsitteellä ”pinnan alta ydintyvä väsyminen”. Perinteisesti komponentin väsyminen alkaa sen pinnalta tai pinnan läheisyydestä, kun taas tässä muodossa särön ydintyminen tapahtuu pintakarkaistun hampaan pinnan karkaisukerroksen alapuolelta. Väitöstyössään Matti Savolainen esittää menetelmän, jonka avulla voidaan tutkia pinnan alta ydintyvää väsymistä vierintä/liuku- ja korkean kosketuspaineen alaisissa dynaamisesti kuormitetuissa komponenteissa.

– Tuloksia voidaan jo sellaisenaan hyödyntää esimerkiksi hammaspyörien sisäänajon suunnittelussa tai mitoitustilanteissa, joissa työkaluna käytetään elementtimenetelmää, Savolainen kertoo.

Lisäksi hänen väitöstyössään tekemänsä selvitys luo vahvan pohjan vauriomuotojen jatkotutkimukselle, jonka tavoitteena on komponenttien kestoiän pidentäminen tai mitoitussääntöjen tarkentaminen varsinkin tapauksissa, joissa kuormitus on voimakkaasti muuttuvaa.

Diplomi-insinööri Matti Savolaisen väitöskirja An Investigation into Scuffing and Subsurface Fatigue in a Lubricated Rolling/Sliding Contact tarkastetaan julkisesti Tampereen yliopiston tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunnassa perjantaina 28.6.2019 klo 12 Hervannan kampuksella Konetalon salissa K1702 (Korkeakoulunkatu 6, Tampere). Vastaväittäjinä toimivat professori Ulf Olofsson (Royal Institute of Technology, KTH) ja Associate Professor Niels Pedersen (Technical University of Denmark, DTU). Tilaisuutta valvoo professori Arto Lehtovaara Tampereen yliopiston tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunnasta.

Väitöskirjaan voi tutustua osoitteessa https://trepo.tuni.fi//handle/10024/114127