Podívejme se tomu na zoubek

Na první pohled se může zdát, že životnost ozubených kol převodovky jde snadno spočítat. Stačí znát maximální síly, materiál a počet zatížení – a hotovo, že? Ve skutečnosti je to ale mnohem složitější. V praxi se ukazuje, že každý zub je namáhán velmi komplexně: deformuje se, „pracuje“ pod tlakem a každá ostrá jízda v závodním tempu na něj působí jako malý, ale opakovaný test odolnosti.

Příklad si ukážeme na hnaném kole 3. stupně převodovky závodního Mitsubishi Lancer. Při maximálním zatížení působí na jeden zub síla zhruba odpovídající hmotnosti dvou tun! Napětí přitom stále zůstává hluboko pod mezí kluzu materiálu (napětí, které materiál snese, aniž by se trvale deformoval), takže zub se zdá bezpečný. Problémem však není jen samotné napětí – zub se deformuje, i když jen o setiny milimetru. Tato deformace způsobuje, že zuby nevstupují do záběru přesně podle matematické teorie, což může vést k lehkým kolizím s nově zapadajícími zuby. Vnějším projevem této okolnosti bude jakési „hvízdání“ převodovky při zatížení; mnohem nebezpečnější důsledek je tzv. cyklické buzení jednotlivých zubů, které velmi dramaticky snižuje únavovou pevnost ozubených kol. Při těchto kolizích zároveň vznikají lokální napěťové špičky, které postupně oslabují materiál a mohou vést k prasknutí.

Jedním z řešení je tzv. výšková modifikace evolventy* zubů – malé úpravy geometrie záběrové plochy* zubu, které odklánějí záběr a snižují hranové kolize. Technologie se provádí buď broušením, nebo řezáním drátem, a výrazně zlepšuje životnost převodovky. I tak ale nelze přesně určit, kdy zub selže. Simulace ukazují, že zub s mikrotrhlinou do 5 mm stále bezpečně přenáší zatížení, ale pokud trhlina dosáhne 6 mm, hrozí ulomení.

Při závodní jízdě je důležitá teorie únavy materiálu. Každý zub je vystaven stovkám tisíc cyklů zatížení. Například při maximálních otáčkách motoru 5500 min⁻¹ se hnané kolo 3. stupně otočí zhruba 3740krát za minutu. Každý zub se podílí na záběru vždy jednou za otáčku kola. To znamená, že za hodinu zub zažije více než 200 000 cyklů. Po několika hodinách ostrého provozu se počet cyklů blíží milionu – a právě kolem této hranice se začíná projevovat únava materiálu.

Únavové poškození se často projevuje vznikem mikrotrhlin v kritických místech zubu, například v oblasti paty, kde je nejmenší křivost profilu. Trhliny se postupně zvětšují, dokud nedosáhnou kritické velikosti – tehdy zub selže náhle a „ulomí se“. Lze si to představit jako kombinaci hladkých a drsných ploch lomové plochy: hladké jsou výsledkem postupného vzniku trhlin, drsné vznikají při okamžitém přetržení materiálu.

V závodní praxi proto platí, že i když je zub teoreticky předimenzovaný, nelze spoléhat pouze na výpočty. Doporučuje se:

• Pravidelná kontrola zubů po dvou až třech ostrých závodech.
• Cyklická výměna exponovaných kol, i když se některé součásti mohou zdát stále v pořádku.
• Sledování deformací a mikrotrhlin, protože právě ty jsou indikátorem únavového poškození.

I přes sofistikované simulace a výpočty je životnost zubů vždy do určité míry otázkou pravděpodobnosti – i perfektně navržené součásti se někdy ulomí. Na druhou stranu, díky pravidelné údržbě, kontrole a výměně nejvíce namáhaných kol lze dramaticky snížit riziko selhání a dokončit každý závod bez problémů.

Závěrem: design a výpočty jsou důležité, ale závodní realita je nevyzpytatelná. Přesné stanovení životnosti je nemožné – můžeme pouze minimalizovat riziko a maximalizovat šanci, že převodovka vydrží až do cíle.