Dua Batas Kelelahan Independen — Mengapa Keduanya Harus Diperiksa
A roda gigi heliks Sepasang komponen dapat mengalami kegagalan melalui dua mekanisme yang sepenuhnya berbeda pada beban operasi yang sama, dan keduanya harus diperiksa secara independen karena sifat material, faktor geometri, dan margin keamanan berbeda di antara keduanya. Lulus satu pemeriksaan tidak berarti lulus pemeriksaan lainnya:
Periksa 1 — Ketahanan Terhadap Kelelahan Kontak (Kelelahan Akibat Kontak)
Tegangan kontak Hertz σ_H pada sisi gigi harus tetap di bawah tegangan kontak yang diizinkan material σ_H lim. Pengikisan (pitting) adalah mekanisme kelelahan permukaan — ia dimulai pada atau tepat di bawah permukaan sisi gigi pada garis pitch, di mana lapisan EHL paling tipis. Ini bersifat progresif (peringatan sebelum kegagalan katastropik) dan diatur oleh kekerasan permukaan. Faktor keamanan minimum tipikal S_H min = 1,0–1,2.
Pemeriksaan 2 — Kekuatan Lentur Akar Gigi
Tegangan lentur σ_F pada fillet akar gigi harus tetap di bawah tegangan lentur yang diizinkan material σ_F lim. Fraktur akar gigi adalah mekanisme kelelahan lentur — dimulai pada fillet akar sisi tarik dan menyebar menjadi fraktur gigi yang dahsyat tanpa peringatan. Hal ini dipengaruhi oleh ketangguhan inti dan geometri akar. Faktor keamanan minimum tipikal S_F min = 1,3–2,0 (lebih tinggi daripada pitting karena kegagalan terjadi tiba-tiba).
Rumus Tegangan Kontak ISO 6336 — Perhitungan Ketahanan Terhadap Korosi Lubang
ISO 6336-2 menghitung tegangan kontak nominal pada titik pitch suatu roda gigi heliks σ_H0 pada titik pitch dari sebuah roda gigi heliks kemudian memasangkan dan menerapkan faktor pengaruh beban untuk mendapatkan tegangan kontak efektif σ_H:
σ_H = Z_H × Z_E × Z_ε × Z_β × √( F_t/(b × d₁) × (u+1)/u ) × √(K_A × K_V × K_Hα × K_Hβ) [MPa]
| Faktor | Nama | Nilai Khas | Makna Fisik |
|---|---|---|---|
| Z_H | Faktor zona | 2,35 pada β=20°, α_n=20° | Mengubah gaya tangensial menjadi tegangan kontak pada roda gigi heliks titik pitch; sedikit berkurang seiring dengan sudut heliks. |
| Z_E | Faktor elastisitas | 189,8 √MPa (baja/baja) | Sifat elastis material; ditetapkan pada 189,8 untuk setiap pasangan roda gigi baja-pada-baja. |
| Z_ε | Faktor rasio kontak | 0,75–0,88 (lebih rendah = lebih baik) | Akun untuk pembagian beban roda gigi heliks dari rasio kontak total; ε_γ yang lebih tinggi mengurangi Z_ε, mengurangi σ_H — keuntungan roda gigi heliks dikuantifikasi |
| Z_β | Faktor sudut heliks | √(cos β): 0,97 pada β=20° | Memperhitungkan garis kontak yang miring; manfaat yang sederhana dari sudut heliks di luar Z_ε |
| F_t/(b × d₁) | Beban unit | N/mm² | Beban Hertzian nominal — intensitas fundamental sebelum konsentrasi tegangan. |
| kamu | Rasio gigi | = z₂/z₁ | Faktor kelengkungan: nilai u yang lebih tinggi berarti roda gigi yang lebih kecil (pinion) memiliki tegangan kontak yang lebih tinggi daripada roda gigi yang lebih besar. |
| K_A | Faktor aplikasi | 1.0–3.0 | Variasi beban eksternal (faktor layanan); mengalikan tegangan kontak dan tegangan lentur secara merata. |
| K_Hβ | Faktor distribusi beban permukaan (kontak) | 1,05–1,8 | Beban tidak seragam di seluruh roda gigi heliks Lebar muka; memperhitungkan defleksi poros dan ketidaksejajaran. Dikurangi dengan pembentukan lengkungan timah. |
Faktor keamanan pitting untuk roda gigi heliks sepasang (pinion dan roda diperiksa secara terpisah):
S_H = σ_H lim_eff / σ_H ≥ S_H_min (biasanya 1,00 untuk industri umum; 1,20 untuk aplikasi dengan riwayat beban yang tidak pasti)
Rumus Tegangan Lentur ISO 6336 — Perhitungan Kekuatan Akar Gigi
Penampang melintang gigi roda gigi heliks — fillet akar gigi adalah lokasi tegangan lentur tertinggi di seluruh roda gigi. ISO 6336-3 menghitung tegangan lentur nominal untuk suatu roda gigi heliks σ_F0 pada lokasi ini dan menerapkan faktor pengaruh beban K_A, K_V, K_Fα, dan K_Fβ untuk mendapatkan tegangan efektif untuk dibandingkan dengan σ_F lim
σ_F = (F_t / (b × m_n)) × Y_Fa × Y_Sa × Y_ε × Y_β × K_A × K_V × K_Fα × K_Fβ [MPa]
| Faktor | Nama | Nilai Khas | Makna Fisik |
|---|---|---|---|
| Y_Fa | Faktor bentuk gigi | 2,5–3,5 (menurun seiring bertambahnya z) | Lengan momen lentur pada roda gigi heliks Fillet akar relatif terhadap jarak antar gigi; bergantung pada jumlah gigi dan pergeseran profil. |
| Y_Sa | Faktor koreksi stres | 1,55–1,80 | Konsentrasi tegangan pada fillet akar; memperhitungkan efek takik dari radius fillet. Fillet yang lebih besar → Y_Sa yang lebih rendah → σ_F yang lebih rendah |
| Y_ε | Faktor rasio kontak (pembengkokan) | 0,62–0,75 | Efek pembagian beban pada pembengkokan; pengurangan lebih kecil daripada Z_ε untuk kontak karena beban masih terkonsentrasi pada masing-masing gigi. |
| Y_β | Faktor sudut heliks (pembengkokan) | 1 − εβ × β/120 (kira-kira) | Garis kontak heliks memperluas zona pembebanan akar; manfaat sedang untuk pembengkokan pada β=20–25° |
| K_Fβ | Faktor beban muka (lentur) | 1.05–2.0 | Beban tidak seragam di seluruh lebar permukaan; mirip dengan K_Hβ tetapi diterapkan pada pembengkokan. Beban tepi akibat ketidaksejajaran secara langsung meningkatkan σ_F |
Faktor keamanan lentur untuk roda gigi heliks:
S_F = σ_F lim_eff / σ_F ≥ S_F_min (biasanya 1,40–1,60 untuk industri umum; 2,00 untuk aplikasi yang sangat penting bagi keselamatan)
Tegangan yang Diizinkan untuk Material — σ_H lim dan σ_F lim Referensi
Dikarburisasi roda gigi heliks — Kekerasan permukaan HRC 58–62 yang dicapai melalui karburisasi gas menghasilkan σ_H lim sebesar 1500–1800 MPa (kualitas material ISO 6336-5 MQ hingga ME) — kira-kira 3 kali lebih tinggi daripada roda gigi sisi lunak QT, memungkinkan beban yang ditransmisikan 3 kali lebih besar atau masa pakai sekitar 9 kali lebih lama pada beban yang sama.
| Kelas Material | Perlakuan Panas | Kekerasan Permukaan | σ_H lim (MPa) ISO MQ | σ_F lim (MPa) ISO MQ | Kualitas ISO 6336-5 |
|---|---|---|---|---|---|
| 45# (C45) | QT | HB 220–280 | 490–560 | 190–225 | ML (minimum) |
| 40Cr (41Cr4) | QT | HB 260–320 | 530–600 | 210–240 | ML |
| 42CrMo (42CrMo4) | Induksi HRC 52 | HRC 50–55 | 820–950 | 340–380 | MQ |
| 20CrMnTi | Dikarburisasi + digiling | HRC 58–62 | Tahun 1500–1650 | 430–480 | MQ ke ME |
| 17CrNiMo6 | Dikarburisasi + digiling | HRC 58–62 | Tahun 1600–1800 | 450–500 | SAYA (terbaik) |
Tingkat kualitas material ISO 6336-5: ML = minimum; MQ = kualitas menengah (standar industri); ME = kualitas tinggi (otomotif dan kelautan). Nilai σ_H lim dan σ_F lim dari Tabel 1 dan 2 ISO 6336-5.
Contoh Perhitungan — Pasangan Gigi Heliks M5, 75 kW pada 1500 RPM
Diketahui: M5, z₁=24, z₂=72, β=20°, α_n=20°, b=80 mm, 20CrMnTi karburisasi, P=75 kW, n₁=1500 RPM, KA=1,25 (guncangan ringan)
Langkah 1 — Geometri
d₁ = 5 × 24 / cos20° = 127,8 mm | d₂ = 5 × 72 / cos20° = 383,4 mm
u = z₂/z₁ = 3.0 | C = (127.8 + 383.4)/2 = 255.6 mm
Langkah 2 — Gaya tangensial dan beban satuan
T₁ = 9550 × 75 / 1500 = 477,5 N·m
F_t = 2T₁ / d₁ = 2 × 477.500 / 127,8 = 7.475 N
F_t/b = 7.475 / 80 = 93,4 N/mm → Beban satuan w_t = F_t × (u+1)/(b × u) = 7475 × 4/(80 × 3) = 124,6 N/mm
Langkah 3 — Tegangan kontak σ_H (disederhanakan, KV=1,05, KHβ=1,15, KHα=1,0)
σ_H0 = Z_H × Z_E × Z_ε × Z_β × √(w_t)
= 2,35 × 189,8 × 0,79 × 0,970 × √(124,6)
= 2,35 × 189,8 × 0,79 × 0,970 × 11,16
= 380 MPa (nominal)
σ_H_eff = σ_H0 × √(KA × KV × KHβ × KHα)
= 380 × √(1,25 × 1,05 × 1,15 × 1,0)
= 380 × √1,509 = 380 × 1,229 = 467 MPa
Langkah 4 — Faktor keamanan pitting
σ_H lim (20CrMnTi karburasi, ISO MQ) = 1500 MPa
S_H = 1500 / 467 = 3.21 ✓ (minimum 1,0 — terlampaui dengan aman)
Langkah 5 — Tegangan lentur σ_F (YFa=2.65, YSa=1.60, Yε=0.68, Yβ=0.88, KFβ=1.18)
σ_F0 = (F_t / (b × mn)) × YFa × YSa × Yε × Yβ
= (7475 / (80 × 5)) × 2,65 × 1,60 × 0,68 × 0,88
= 18,69 × 2,545 = 47,6 MPa
σ_F_eff = σ_F0 × KA × KV × KFα × KFβ
= 47,6 × 1,25 × 1,05 × 1,0 × 1,18
= 47,6 × 1,550 = 73,7 MPa
Langkah 6 — Faktor keamanan pembengkokan
σ_F lim (20CrMnTi karburasi, ISO MQ) = 450 MPa
S_F = 450 / 73.7 = 6.11 ✓ (minimum 1,4 — terlampaui dengan mudah)
Batasan mana yang berlaku — kelelahan akibat kontak atau kelelahan akibat tekukan?
Korea Ever-Power melakukan perhitungan kelelahan kontak dan kelelahan lentur ISO 6336 untuk setiap pesanan khusus. roda gigi heliks perintah — melaporkan S_H dan S_F terhadap faktor keamanan minimum yang ditentukan dan menandai setiap perubahan geometri yang akan meningkatkan margin kekuatan
Dalam praktiknya, batas yang menentukan — mana dari kedua pemeriksaan tersebut yang memiliki margin faktor keamanan lebih kecil — terutama bergantung pada ukuran dan material peralatan:
Daya dan kecepatan transmisi tinggi (F_t tinggi per satuan lebar muka); material QT sisi lunak di mana σ_H lim relatif rendah; roda gigi modul besar di mana giginya tinggi dan fillet akarnya besar (Y_Fa × Y_Sa rendah). roda gigi heliks Diameter pitch harus ditingkatkan atau material ditingkatkan untuk memenuhi S_H_min.
Pinion dengan jumlah gigi rendah (z₁ < 18 → Y_Fa tinggi); modul kecil dan lebar muka sempit; beban pembalik (Y_M = 0,7); beban kejut menyebabkan K_Fβ tinggi; beban benturan tidak sepenuhnya tercakup dalam KA. roda gigi heliks Modul harus ditingkatkan atau radius fillet akar diperbesar untuk memenuhi S_F_min.
Korea Ever-Power — Perhitungan ISO 6336 pada Setiap Pesanan Industri
Korea Ever-Power melakukan perhitungan kekuatan ISO 6336-2 dan ISO 6336-3 secara lengkap untuk setiap presisi. roda gigi potong heliks Pesanan industri — melaporkan S_H dan S_F untuk pinion dan roda gigi, dengan semua faktor K dinyatakan secara eksplisit. Untuk pelanggan yang menyediakan daya, kecepatan, rasio, dan jenis aplikasi, tim teknik Korea Ever-Power memilih modul dan lebar muka yang mencapai faktor keamanan target dengan material yang paling hemat biaya. Sebagai dampak langsung produsen roda gigi heliksKorea Ever-Power menyertakan ringkasan perhitungan ISO 6336 dalam dokumentasi pesanan, sehingga dasar teknis untuk spesifikasi peralatan menjadi sepenuhnya transparan. Jelajahi rangkaian produk roda gigi heliks untuk aplikasi penggerak industri.
Pertanyaan yang Sering Diajukan
Batas kelelahan kontak σ_H lim berbanding lurus dengan kuadrat kekerasan permukaan (kelelahan kontak Hertz adalah fenomena permukaan yang diatur oleh lapisan yang dikeraskan). Melipatgandakan kekerasan permukaan dari HB 280 menjadi HRC 60 akan melipatgandakan σ_H lim lebih dari tiga kali lipat. Batas kelelahan lentur σ_F lim lebih berbanding lurus dengan ketangguhan inti daripada kekerasan permukaan — retakan patahan akar gigi merambat melalui material inti, bukan lapisan permukaan yang keras. Meningkatkan kekerasan permukaan hanya sedikit meningkatkan σ_F lim (dengan meningkatkan tegangan sisa tekan di zona akar dari transformasi karburisasi) sementara secara dramatis meningkatkan σ_H lim. Asimetri ini berarti bahwa untuk material yang dikarburisasi roda gigi heliks, faktor keamanan pitting S_H biasanya jauh lebih tinggi daripada faktor keamanan tekukan S_F — kelelahan tekukan lebih sering menentukan ukuran roda gigi minimum yang dapat diterima untuk yang dikarburisasi roda gigi heliks pasangan.
Sudut heliks masuk ke dalam rumus tegangan kontak ISO 6336 melalui tiga faktor: Z_ε (faktor rasio kontak, meningkat dengan ε_β), Z_β (faktor sudut heliks = √cos β, sedikit menurun dengan β), dan Z_H (faktor zona, sedikit menurun). Efek bersih dari peningkatan β dari 20° menjadi 25° pada σ_H adalah sekitar −5 hingga −8% (yaitu tegangan kontak lebih rendah, ketahanan terhadap korosi pitting lebih baik) — terutama karena ε_β meningkat dari sekitar 0,9 menjadi 1,3 untuk roda gigi industri tipikal, yang secara signifikan mengurangi Z_ε. Untuk pemeriksaan lentur, Y_β sedikit meningkat dengan β, yang selanjutnya mengurangi σ_F. Kedua faktor keamanan meningkat ketika β dinaikkan dari 20° menjadi 25°, dengan konsekuensi peningkatan gaya dorong aksial (F_a meningkat sebesar tan 25°/tan 20° = 1,28 × nilai semula) — sebuah kompromi yang lazim.
Ya — AGMA 2101 dan ISO 6336 didasarkan pada rumus tegangan kontak Hertz dan tegangan lentur Lewis yang sama, dengan nomenklatur faktor yang berbeda dan konvensi faktor keamanan yang sedikit berbeda. Untuk sebagian besar aplikasi, roda gigi yang dinilai dengan benar sesuai ISO 6336 dengan S_H ≥ 1,1 dan S_F ≥ 1,5 juga akan memenuhi kriteria penilaian AGMA 2101 dengan penerapan faktor layanan yang sesuai. Korea Ever-Power menggunakan ISO 6336 sebagai standar perhitungan default tetapi dapat menyediakan output format AGMA 2101 untuk pelanggan yang membutuhkannya — sama roda gigi heliks dihasilkan tanpa memperhatikan standar mana yang digunakan dalam perhitungan tersebut.
ISO 6336 dimaksudkan untuk bersifat konservatif (pesimistis) untuk kualitas material median (tingkat MQ) — roda gigi yang lolos ISO 6336 pada S_H = 1,0 seharusnya dapat bertahan selama masa pakai desain dengan probabilitas yang baik untuk kualitas material dan manufaktur rata-rata. Standar ini dapat meremehkan masa pakai aktual untuk material berkualitas ME (roda gigi karburisasi premium dengan kontrol metalurgi yang sangat ketat) dan melebih-lebihkan masa pakai ketika: material berada pada batas bawah rentang MQ; KA diremehkan (beban puncak aktual melebihi faktor layanan yang diasumsikan); atau faktor ketidaksejajaran K_Hβ terlalu rendah (ketidaksejajaran residual setelah pemasangan lebih tinggi daripada yang diasumsikan dalam perhitungan). Untuk aplikasi kritis, Korea Ever-Power merekomendasikan untuk menentukan faktor K aktual dari defleksi poros yang diukur dan keselarasan rumah daripada menggunakan perkiraan yang ditabelkan.
Minta Perhitungan Kekuatan ISO 6336 untuk Roda Gigi Heliks Anda
Berikan data daya, kecepatan, rasio gigi, jarak pusat, dan jenis aplikasi Anda. Korea Ever-Power melakukan perhitungan ISO 6336-2 (pengikisan) dan ISO 6336-3 (pembengkokan) secara lengkap dan merekomendasikan modul, lebar muka, dan material yang tepat untuk mencapai faktor keamanan yang dibutuhkan — termasuk sebagai standar dalam setiap pesanan roda gigi industri.
ISO 6336-2 uji pitting · ISO 6336-3 uji tekuk · S_H dan S_F dilaporkan · Semua faktor K dinyatakan · Termasuk dalam setiap pesanan
Editor: Cxm
