Материалы зубчатых колес

Зубчатые передачи (рис. 1 ) относятся к деталям приводной техники, подвергаемым значительным циклическим нагрузкам. В условиях высоких окружных скоростей и передаваемых мощностей зубчатые передачи должны обладать соответствующими прочностными свойствами. Объективным критерием оценки их прочности является изгибная и контактная выносливость зубьев .

а) б)
Рис. 1. Зубчатые передачи: а) - цилиндрические; б) - конические.

Изгибная выносливость зубьев характеризуется сопротивлением зубчатого зацепления усталостным поломкам, она зависит от уровня изгибных напряжений в основании зуба, характера и места приложения силы, действующей нормально к боковой поверхности зуба . Нормальную силу (рис. 2 ) определяют с помощью окружной силы Р окр по формуле
Р н = Р окр /cos α, где -α - угол зацепления.

Максимальные напряжения изгиба возникают в основании зуба в области сопряжения боковой поверхности и впадины. При этом на стороне зуба, к которой прилагается сила (точка С), действуют напряжения растяжения, а на противоположной стороне (точка D) - напряжения сжатия.

Рис. 2. Схема действия нормальной силы: Рр и Рт - радиальная и тангенциальная составляющие нормальной силы.

Контактная выносливость зубьев характеризуется сопротивлением типовым отказам боковых поверхностей зубьев - питингу, микропитингу, заеданию, износу под действием высоких контактных напряжений. Она определяется точностью изготовления, формой и расположением пятна контакта сопряжённых зубьев, твёрдостью их поверхностей, наличием качественной смазки, высотой и структурой расположения микронеровностей на поверхности зубьев, а также уровнем контактных напряжений.

Для обеспечения хороших эксплуатационных свойств зубчатые колёса из стали подвергают термической и химико-термической обработке (ХТО). В таблице 1 приведены наиболее часто применяемые в промышленности процессы упрочнения зубчатых колёс, достигаемые пределы изгибной и контактной выносливости, а также твёрдость поверхности зубьев по Роквеллу (HRC) и Виккерсу (HV).

Таблица 1.
Влияние термической и химико-термической обработки
на прочность зубчатых колёс

Вид обработки	Предел выносливости при изгибе зубьев, МПа	Предел контактной выносливости зубьев, МПа	Твёрдость HRC (HV) зубьев
Улучшение (легированые стали)	200-350	570-920	18…41 (200…400)
Газовое азотирование (азотируемые стали)	520-690	1150-1450	57…63 (700-850)
Цементация, нитроцементация (легированные стали)	400-700	1250-1650	55…63 (650…850)

Улучшение представляет собой термическую обработку, при которой нагретую до температуры 800–930°С сталь закаливают, т. е. производят быстрое охлаждение в воде или масле до достижения мартенситной структуры. Затем для получения высокой вязкости и пластичности стали производят отпуск после повторного нагрева. При этом, как правило, достигают максимальную твёрдость поверхности зубьев ≈ 41 HRC (табл. 1), которая не обеспечивает требуемой долговечности работы зубчатых колёс при высоких нагрузках. Поэтому процесс улучшения очень часто применяют для подготовки сердцевины зуба (твёрдость 33…45 HRC) под последующие азотирование, цементацию или нитроцементацию.

Температуру отпуска после улучшения выбирают приблизительно на 20°С выше температуры последующего азотирования, цементации или нитроцементации. Это позволяет избежать снижения твёрдости, а также значительных изменений размеров и формы зубчатых колёс при последующей химико-термической обработке. Типичным для улучшаемых сталей является содержание углерода 0,22–0,5%. Среди улучшаемых сталей следует отметить не легированные 35, 40, 45 и легированные стали 40Х, 38ХА, 40ХН, 45ХМФА, 50ХГФА.

Азотирование и цементация (нитроцементация) относятся к химико-термическoй обработке, которая представляет собой совокупность процессов теплового и химического воздействий, направленных на изменение химического состава и структуры поверхностного слоя зубчатых колёс после их механической обработки. Она характеризуется введением в поверхностный слой металла благодаря химической реакции различных элементов из внешней среды: углерода, азота, кислорода, кремния и др. При этом на поверхности зубчатых колёс образуется твёрдый диффузионный слой, которому свойственно по мере углубления снижение концентрации диффундирующих элементов и микротвёрдости .

Азотирование - это процесс насыщения азотом поверхности стали при температуре 500–580°С. В качестве азотосодержащего газа используют аммиак, который при высокой температуре распадается на азот и водород. Температура при азотировании ниже температуры фазовых превращений, поэтому зубчатые колёса имеют незначительные деформации. Азотированию подвергают зубчатые колёса мелкого (m ≤ 2 мм) и среднего (m = 2…7 мм) модуля.

К азотируемым относятся стали, легированные молибденом, хромом, ванадием, титаном, алюминием. Эти легирующие элементы затрудняют диффузию азота в поверхностный слой, уменьшают толщину азотированного слоя, но значительно повышают твёрдость поверхности зубьев до 65–67 HRC. Однако высокая результирующая хрупкость поверхностного слоя не всегда позволяет использовать азотированные зубчатые передачи в условиях высоких динамических нагрузок.

Проведённые на АМО ЗИЛ экспериментальные исследования процесса газового азотирования цилиндрических зубчатых колёс (mn = 3,5 мм, z = 31, β = 25°, α = 20°) грузового автомобиля, изготовленных из высоколегированных сталей 38Х2 Н2 МА, 40ХН2 МА и 38Х2 МЮА, показали (рис. 3 ), что для достижения глубины азотированного слоя Нα = 0,5–0,55 мм требуется время t = 55–65 часов. Это свидетельствует о низкой производительности процесса и больших энергозатратах. Несмотря на положительные свойства процесса азотирования - незначительные деформации зубчатых колёс, его применение ограниченно. Хрупкость и небольшая глубина азотированного слоя сокращают область применения этого процесса для зубчатых колёс, контактные напряжения которых не превышают 800 МПа .

Рис. 3. Зависимость глубины азотированного слоя Нα от времени t при азотировании зубчатых колёс из сталей: 1-40ХН2 МА; 2-38Х2 Н2 МА; 3-38Х2 МЮА.

Для эффективного упрочнения поверхности зубчатых колёс широко применяют цементацию и нитроцементацию. Исследования, проведённые доктором технических наук, профессором В. М. Зинченко, позволили установить основные преимущества процессов цементации и нитроцементации по сравнению с азотированием:
1. Широкий диапазон регулирования толщины упрочнённого слоя;
2. Возможность проведения ХТО зубчатых колёс из экономно легированных сталей (низко- и среднелегированных);
3. Высокая производительность ХТО зубчатых колёс с возможностью проведения закалки после подстуживания или непосредственно с температуры диффузионного насыщения;
4. Высокие показатели изгибной и контактной выносливости зубьев.
График испытаний изгибной усталостной прочности цементованных (сталь 18ХГТ) и азотированных (сталь 38Х2 МЮА) зубьев цилиндрических колёс с одинаковыми геометрическими параметрами приведён на рис. 4 . Изгибная выносливость характеризуется способностью упрочнённого слоя и сердцевины тормозить развитие усталостного разрушения у основания зуба. Эту способность оценивают пределом выносливости при изгибе зубьев σизг, который является важным критерием работоспособности зубчатых колёс.

Рис. 4. Усталостная изгибная прочность в основании зуба цилиндрических колёс.

Зубчатые колёса после цементации 2 имеют более высокие показатели по изгибной выносливости по сравнению с зубчатыми колёсами после азотирования 4 . Шлифование боковых поверхностей зубьев и дна впадины после ХТО позволяет повысить изгибную выносливость как цементованных 1 , так и азотированных 3 колёс .

Рис. 5. Схемы химико-термического процесса (а) и строения термически упрочнённого поверхностного слоя зубьев (б).

Цементацию - насыщение поверхности углеродом при высоких температурах, применяют для зубчатых колёс из сталей с содержанием углерода 0,10–0,25%. Химико-термическую обработку большинства зубчатых колёс из низко- и среднелегированных сталей производят по схеме, приведённой на рис. 5,а . Температура насыщения составляет 930°С и более. По завершению науглероживания непосредственно с температуры цементации или после незначительного подстуживания (например, для сталей, содержащих менее 2% никеля - 20Х, 25ХГТ, 25ХГМ и др.) выполняют охлаждение (закалку).

Нитроцементация - это процесс насыщения поверхности стали углеродом и азотом. По сравнению с цементацией снижается температура нагрева в среднем на 100°С, уменьшается цикл обработки, благодаря чему снижается изменение формы и размеров зубчатых колёс после закалки.

При газовой нитроцементации в смесь цементирующего газа добавляют около 10% аммиака. Достигается необходимая толщина диффузионного слоя. Газовая нитроцементация с точки зрения обеспечения минимальной деформации является предпочтительной, но требует тщательного контроля и регулирования условий насыщения.

В целях снижения напряжений и сохранения высоких значений твёрдости и износостойкости поверхности после цементации и нитроцементации с последующей закалкой применяют низкий отпуск при температуре 150–220°С. Температурно-временные параметры ХТО в значительной степени зависят от химического состава применяемых сталей и имеющегося оборудования.

Благоприятным сочетанием упрочнённого слоя являются :
1. Микроструктура, состоящая из мартенсита и равномерно распределённого аустенита (25–30%). Для высоконагруженных зубчатых колёс содержание остаточного аустенита желательно уменьшить до 15–25%. Допускается наличие незначительного количества мелких изолированных карбидов и карбонитридов.
2. Концентрация углерода на поверхности зубьев должна составлять в среднем 0,8–1,1% (рис. 5,б ). Для зубчатых колёс, работающих при высоких контактных нагрузках и подвергающихся значительному износу, содержание углерода на поверхности зубьев целесообразно повысить, например, до 1,1–1,4%. В сердцевине зубьев содержание углерода должно соответствовать исходному значению (для большинства сталей 0,15–0,25%).
3. Эффективная толщина упрочнённого слоя hэф - поверхностная часть слоя 1, имеющего твёрдость ≥ 51 HRC, определяется в зависимости от модуля зубчатого колеса, а также изгибных и контактных напряжений при его эксплуатации (рис. 6, а ).
4. Твёрдость сердцевины рекомендуется выдерживать в диапазоне 33–45 HRC. Принимая во внимание, что у зубчатых колёс начальный очаг усталостного разрушения развивается на боковых поверхностях или во впадине зубьев, прочность и пластичность упрочнённого слоя является определяющим фактором.

а) б)
Рис. 6. Схема распределения твёрдости в сечении зуба (а) и толщина слоя цементации в зависимости от модуля зубчатого колеса (б).

В то же время большое число исследований показало, что стабильно высокие эксплуатационные свойства зубчатых колёс достигают при благоприятном сочетании толщины упрочнённого слоя и прочности сердцевины зубьев.

Известно, что в процессе ХТО цилиндрические и конические зубчатые колёса деформируются и точность их зубьев снижается на 1–2 степени (соответственно по ГОСТ 1643–81 и ГОСТ 1758–81). В связи с этим после ХТО применяют финишные операции (зубошлифование, зубофрезерование и зубонарезание твёрдосплавными инструментами, зубохонингование, зубопритирку), которые позволяют существенно снизить погрешности зубьев и повысить эксплуатационные свойства зубчатых передач.

Очень важно, чтобы припуск на финишную операцию был минимальным, но достаточным для устранения погрешностей, возникших при ХТО . Это позволит лишь незначительно уменьшить эффективную толщину 1 упрочнённого слоя (рис. 6, б ).

Эффективная толщина упрочнённого слоя h эф зависит от нормального модуля mn зубчатого колеса (рис. 7 ). При этом максимальные значения по изгибным напряжениям σ изг у зубчатого колеса получают при эффективной толщине слоя 0,1mn. В связи с этим для зубчатых колёс, у которых напряжения зубьев на изгиб имеют решающее значение, эффективную толщину слоя после ХТО следует определять по формуле:
h эф = 0,1m n + Z max
где Z max - максимальный припуск на финишную операцию на сторону зуба.

В то же время контактные напряжения σкон, которые характеризуются пределом контактной выносливости и противодействуют износу рабочих поверхностей, а также питингу и микропитингу, достигают максимальных значений при толщине эффективного слоя более 0,25m n . Поэтому для зубчатых колёс, у которых наиболее важными являются контактные напряжения, толщину эффективного слоя целесообразно увеличить

h эф ≥ 0,25m n + Z max

Технологию газовой цементации (нитроцементации) зубчатых колёс, как правило, производят в автоматизированных проходных или камерных печах в контролируемой эндотермической атмосфере из природного газа или пропан-бутановой смеси .

Рис. 7. Влияние эффективной толщины слоя на изгибные σ изг и контактные σкон напряжения.

Такая технология имеет ряд существенных недостатков:
- большой расход атмосферы процесса и высокие затраты на её изготовление;
- постоянный выброс СО 2 и СО в окружающую среду из-за неполного сгорания атмосферы после завершения процесса.
- окисление рабочих поверхностей зубьев колёс, которое снижает твёрдость поверхности зубьев и их контактную прочность;
- большие энергетические расходы и трудоёмкость обслуживания оборудования.

В связи с этим в последнее время всё более широкое применение получает газовая вакуумная цементация. Хотя вакуумная цементация с использованием ацетилена известна уже давно (авторское свидетельство СССР В. Крылова № 668978 от 28.06.1979 г.), потребовалось несколько десятилетий для разработки специальных конструкций вакуумных печей и режимов цементации, обеспечивающих высокое качество ХТО. При этом наилучшие результаты были достигнуты при применении вакуумной цементации в комбинации с последующей закалкой газом (гелий, азот) под давлением.

В отличии от атмосферной вакуумную цементацию в производстве зубчатых колёс выполняют при низком давлении в среде газов пропана (содержание углерода С ≈ 82%) и ацетилена (С ≈ 92%) или их смеси. Эти газы обладают в диапазоне температур 900–1050°С высокой скоростью диссоциации и успешно применяются при газовой цементации.
Вследствие более высокого содержания углерода ацетилен используют, главным образом, для зубчатых колёс со сложной геометрической формой. Чтобы исключить внутреннее окисление упрочнённого слоя, необходимо использовать только чистый ацетилен.

Типовой вакуумный процесс науглероживания начинается с создания вакуума в печи и нагрева заготовок в среде азота (рис. 8 ). Его производят при атмосферном давление от 1 до 20 мбар после нагрева заготовок до температуры цементации и подачи науглероживающего газа.

Рис. 8. Схема процесса вакуумной цементации и последующей закалки газом под давлением.

Вакуумная цементация характеризуется очень высокой скоростью передачи углерода на поверхности заготовок, поэтому значительно снижается продолжительность процесса по сравнению с атмосферным науглероживанием. Чтобы избежать образования карбидов особенно в области головки зуба, вакуумную цементацию проводят импульсами путём чередования коротких фаз насыщения углеродом и продолжительных фаз диффузии углерода вовнутрь заготовки .

Целью фазы диффузии, действующей после фазы науглероживания, является снижение концентрации углерода на поверхности заготовок зубчатых колёс, например, до уровня 75% максимального насыщения перед последующей фазой подачи углеродосодержащего газа. Пульсирующий процесс вакуумной цементации гарантирует получение равномерных, хорошо сформированных науглероженных слоев на всех поверхностях зубчатых колёс, включая дно впадины зубьев.

Большим преимуществом газового науглероживания при низком давлении является возможность значительного повышения производительности процесса и сокращения затрат энергии и цикла изготовления зубчатых колёс. Так повышение температуры при насыщении углеродом поверхности зубьев (mn=3,5 мм, z=31, β=35°, α=20°) до толщины науглероженного слоя 1,2 мм с 950°С до 1050°С позволяет снизить время цементации приблизительно на 60% (рис. 9).

Обычно росту температуры цементации сопутствует укрупнение зерна и получения грубой микроструктуры как в поверхностном слое, так и в сердцевине.

Рис. 9. Зависимость времени вакуумной газовой цементации от температуры.

Однако короткое время науглероживания, а также целевое легирование на стадии изготовления сталей такими микроэлементами, как Al, Ti и Nb позволяют стабильно достигать мелкозернистую структуру у стальных заготовок зубчатых колёс после цементации и закалки.

Очень важно, что при вакуумной цементации по сравнению с атмосферной не происходит окисления поверхностного слоя зубчатых колёс. Объясняется это тем, что при цементации присутствующий в газовой атмосфере кислород, вступает в реакцию с железом и легирующими элементами стальной заготовки и в приповерхностной зоне глубиной 0,02–0,03 мм возникают окислы и перлитные образования с невысокой твёрдостью.

Если на контактную износостойкость наличие окисления и перлита в приповерхностной зоне не оказывает существенного влияния, то на изгибную износостойкость их воздействие имеет решающее воздействие. У большинства зубчатых колёс дно впадины зубьев после ХТО механически не обрабатывается, поэтому окислы и отдельные включения перлита способствуют снижению допустимого предела выносливости при изгибе в основании зуба, где изгибные напряжения при эксплуатации достигают максимальных значений.

Для повышения изгибной выносливости зубчатых колёс после атмосферной цементации и закалки, как правило, производят дробеструйную обработку дна впадины зубьев или шлифуют всю впадину зубьев, включая основание.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Промышленное использование технологии вакуумной газовой цементации (нитроцементации) позволило выявить её основные преимущества по сравнению с аналогичными процессами в атмосферной среде:
1. Короткое время процесса при высоком потоке углерода;
2. Отсутствие поверхностного окисления;
3. Равномерность толщины науглероженного слоя;
4. Возможность проведения процесса при высоких температурах до 1080°С;
5. Низкое энергопотребление и отсутствие выбросов СО 2 и СО в окружающую среду.
6. Возможность создания непрерывного высокопроизводительного процесса ХТО, включающего вакуумную газовую цементацию с последующей закалкой газом под давлением;
7. Возможность встраивания ХТО в линию механической обработки зубчатых колёс.

А. С. Калашников, д. т. н., профессор
Московский государственный
машиностроительный университет (МАМИ)
e‑mail: [email protected]

Литература

Зинченко В. М. Инженерия поверхности зубчатых колёс методами химико-термической обработки. М.: Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2001. 302 с.
Калашников А. С., Моргунов Ю. А., Калашников П. А. Современные методы обработки зубчатых колёс. М.: Издательский дом «Спектр», 2012. 238 с.
Loser K. Innovative Warmebehandlungsprozesse und - anlage in der Getribeproduktion. Доклад на конгрессе «GETPRO», Германия, Вюрцбург, март 2007.15 с.
Шандров Б. В., Моргунов Ю. А., Калашников П. А. Экспериментальные исследования припусков при непрерывном обкатном зубошлифование. - Справочник. Инженерный журнал №11. М.: Машиностроение, 2007. С. 17-22.
Bausch Tomas. Innovative Zahnradfertigung. Expert verlag GmbH, D‑71268, Reningen, Germany, 778 s.
Елисеев Ю. С., Крымов В. В., Нежурин И. П., Новиков В. С., Рыжов Н. М. Производство зубчатых колёс газотурбинных двигателей. «Высшая школа», Москва, 2001, 495 с.

Классификация зубчатых передач.

Общие сведения о зубчатых передачах.

Зубчатая передача - это механизм, который с помощью зацепления передает или преобразует движение с изменением скоростей и моментов (по величине и направлению).

Меньшее зубчатое колесо передачи называется шестерней , большее - колесом .

1). В зависимости от взаимного расположения зубчатых колес различают передачи:

- с внешним зацеплением ;

- с внутренним зацеплением .

Передачи с внутренним зацеплением компактнее передач с внешним зацеплением, но их изготовление и монтаж сложнее (значительную трудность представляет финишная обработка профилей зубьев колеса), поэтому более распространены передачи с внешним зацеплением.

2). По форме зубчатых колес различают:

- цилиндрические передачи;

- конические передачи;

- эллиптические передачи;

- фигурные передачи.

Наиболее широко распространены зубчатые колеса круглой формы, т.е. цилиндрические и конические (особенно цилиндрические); остальные зубчатые колеса встречаются крайне редко.

3). По форме и расположению зубьев на поверхности колеса различают:

- передачи с прямым зубом (прямозубые);

- передачи с косым зубом (косозубые);

- шевронные передачи ;

- передачи с арочным (круговым) зубом .

Прямозубыми называют передачи, у которых зубья расположены параллельно осям колес, косозубыми - передачи, у которых зубья наклонены под углом () к образующей делительного цилиндра при параллельных осях колес.

4). По взаимному расположению геометрических осей валов различают передачи:

- с параллельными осями (цилиндрические);

- с пересекающимися осями (конические);

- с перекрещивающимися осями (винтовые и гипоидные).

Цилиндрические зубчатые передачи могут быть прямозубыми, косозубыми, шевронными и с круговым зубом; конические зубчатые передачи - прямозубыми, косозубыми и с круговым зубом. Винтовые передачи состоят из двух цилиндрических косозубых колес; гипоидные передачи - из двух конических косозубых или с круговым зубом колес.

5). По величине окружной скорости различают:

- тихоходные

- скоростные зубчатые передачи (окружная скорость м/с);

- быстроходные зубчатые передачи (окружная скорость м/с).

Некоторые зубчатые передачи работают со скоростями до 150 м/с.

6). По конструктивному исполнению различают:

- закрытые зубчатые передачи;

- открытые зубчатые передачи.

В открытых передач зубья колес работают всухую или периодически смазываются пластичным смазочным материалом и не защищены от влияния внешней среды. Закрытые передачи помещаются в пыле- и влагозащитные корпуса (картеры) и работают в масляной ванне (например, редукторы).

7). В зависимости от числа ступеней зубчатые передачи бывают:

- одноступенчатые ;

- многоступенчатые (т.е. включающие две и более последовательно расположенных зубчатых передачи (ступени), например, первая ступень может быть цилиндрической прямозубой, а вторая - конической косозубой и т.д.).

8). В зависимости от относительного движения валов различают:

- рядовые передачи (оси передачи не перемещаются в пространстве);

- планетарные передачи (оси передачи перемещаются в пространстве).

Зубчатые передачи наиболее распространены среди механических передач. Их применяют в широком диапазоне нагрузок: от часовых механизмов и приборов до тяжелых машин для передачи различных вращающих моментов (до ) и мощностей (до 50 МВт) с диаметрами колес от долей миллиметра до 10 м и более.

Достоинства зубчатых передач (по сравнению с другими механическими передачами):

Малые габариты;

Высокий КПД (до 97-98%);

Высокая долговечность и надежность в работе (в том числе и при больших нагрузках);

Постоянство передаточного отношения (из-за отсутствия проскальзывания);

Сравнительно малые нагрузки на валы и опоры;

Простота обслуживания.

Недостатки зубчатых передач:

Повышенные требования к точности изготовления и монтажа;

Шум в работе при больших скоростях;

Высокая жесткость (не позволяет компенсировать динамические нагрузки).

Выбор материала зубчатых колес зависит от:

Назначения передачи;

Передаваемой мощности;

Окружной скорости;

Точности изготовления.

Основными материалами зубчатых колес служат термически обрабатываемые стали , так как они по сравнению с другими материалами лучше обеспечивают контактную прочность и прочность зубьев на изгиб.

В зависимости от твердости рабочих поверхностей зубьев различают стальные зубчатые колеса:

1). твердостью . Чистовое нарезание зубьев производят после термообработки (нормализации, улучшения). При этом получают довольно высокую точность изготовления зубьев без применения отделочных операций (шлифовки, притирки и т.д.). Стальные зубья твердостью хорошо прирабатываются и воспринимают динамические нагрузки. Для выравнивания долговечности колес и лучшей прирабатываемости твердость зубьев шестерни принимают больше твердости зубьев колеса:

Для прямозубых передач

Для косозубых передач ,

где – твердость зубьев шестерни по Бринеллю; - твердость зубьев колеса.

Зубчатые колеса твердостью применяют в мало- и средненагруженных передачах, а также в передачах с большими колесами, термическая обработка которых затруднена (в основном в мелкосерийном и единичном производстве).

Зубчатые колеса обычно изготавливают из качественных углеродистых сталей 35, 40, 45, 50 и легированных сталей 35Х, 40Х, 40ХН и др.

2). твердостью (в этом случае используют шкалу Роквелла , ). Стальные зубья твердостью плохо прирабатываются и нуждаются в высокой точности изготовления. Нарезание зубьев производят до термической обработки (вследствие высокой твердости заготовок после ТО (закалки ТВЧ, цементирования, азотирования, нитроцементации)). Причем некоторые виды термообработки вызывают коробление зубьев, поэтому для исправления формы зубьев применяют отделочные операции. При твердости колес не требуется обеспечивать разность твердости рабочих поверхностей зубьев шестерни и колеса.

С увеличением твердости рабочей поверхности зубьев допускаемые напряжения увеличиваются раза (например, для стали 40ХН МПа и МПа - до и после термообработки соответственно), а нагрузочная способность - в раза.

Зубчатые колеса твердостью применяют средне- и тяжелонагруженных передачах при больших окружных скоростях (в основном в крупносерийном и массовом производстве).

Зубчатые колеса твердостью обычно изготавливают из средне- и малоуглеродистых легированных сталей 40Х, 40ХН, 12ХН3А, 15Х, 18ХГТ, 38Х2МЮА и др.

Помимо сталей зубчатые колеса выполняют из чугунов и пластмасс.

Чугуны в основном применяют для изготовления крупногабаритных зубчатых колес тихоходных открытых передач (т.к. чугунные зубья могут работать при бедной смазке и хорошо сопротивляются заеданию). Основные недостатки чугунов - малые допускаемые напряжения и низкая прочность при ударных нагрузках. Чугунные колеса изготавливают из серого и модифицированного чугуна марок СЧ21, СЧ24, СЧ25, СЧ30, СЧ35.

Пластмассы (текстолит, капролон, нейлон и др.) применяют в быстроходных малонагруженных передачах, в приборах и небольших силовых установках (часто в паре с металлическими колесами). Пластмассовые зубчатые колеса (по сравнению с металлическими) хорошо воспринимают переменные нагрузки (амортизируют удары, гасят механические вибрации) и, следовательно, обеспечивают бесшумность работы передачи, имеют более низкий износ зубьев.

Выбор материала зубчатых колес зависит от назначения передачи и условий ее работы. Чаще всего применяют стали, реже чугуны и пластмассы.

Стали. Основными материалами для изготовления зубчатых колес силовых передач служат термически обрабатываемые стали.

В зависимости от твердости рабочих поверхностей зубьев после термообработки зубчатые колеса можно условно разделить на две группы.

Первая группа - зубчатые колеса с твердостью поверхностей зубьев Н < 350 НВ. Материалами для колес этой группы служат углеродистые стали марок 40, 45, 50Г, легированные стали марок 40Х, 45Х, 4QXH и др. Термообработку - улучшение - производят до нарезания зубьев. Твердость сердцевины зуба и его рабочей поверхности для улучшенных

колес одинакова. Колеса при твердости поверхностей зубьев Н<350 НВ хорошо прирабатываются и не подвержены хрупкому разрушению. Применяют в слабо- и средненагруженных передачах. Область применения улучшенных зубчатых колес сокращается.

Твердость шестерни прямозубой передачи рекомендуется принимать на (25...30) НВ больше твердости колеса. Это способствует прирабатываемое™, сближению долговечности шестерни и колеса, повышению сопротивления заеданию зубчатых колес.

Для косозубых передач твердость рабочих поверхностей зубьев шестерни желательна по возможности большая, так как с ее ростом увеличивается несущая способность передачи по критерию контактной прочности.

Если в прямозубой передаче в процессе зацепления пары зубьев контактная линия зацепления движется параллельно основанию зуба, то в косозубой передаче контактная линия зацепления наклонена к основанию зуба и проходит одновременно по поверхностям головки и ножки зубьев. Ножки зубьев обладают меньшей стойкостью против выкрашивания, чем головки, так как у них неблагоприятное сочетание направления скольжения и перекатывания зубьев (см. рис. И.21). Следовательно, ножка зуба колеса, работающая с головкой зуба шестерни, начнет выкрашиваться в первую очередь. При этом вследствие наклона контактной линии нагрузка (полностью или частично) передается на головку зуба колеса, работающую с ножкой зуба шестерни. Слабая ножка зуба колеса разгружается, и выкрашивание уменьшается. Дополнительная нагрузка ножки зуба шестерни не опасна, так как она изготовлена из более стойкого материала. Применение высокотвердой шестерни позволяет дополнительно повысить нагрузочную способность косозубых передач до 30 %.

Повышение твердости достигают применением различных методов поверхностного упрочнения.

Вторая группа - колеса с твердостью рабочих поверхностей Н > 45 HRC (Н > 350 НВ). При Н > 350 НВ твердость материала измеряется по шкале HRC. Высокая твердость поверхностных слоев материала при сохранении вязкой сердцевины достигается применением поверхностного термического или химико-термического упрочнения: поверхностной закалки, цементации и нитроцементации с закалкой, азотирования.

Поверхностная закалка зубьев с нагревом токами высокой частоты (ТВЧ) целесообразна для зубчатых колес с модулем > 2 мм. При малых модулях мелкий зуб прокаливается насквозь, что приводит к короблению и делает зуб хрупким. Для закалки ТВЧ применяют стали марок 45, 40Х, 40ХН, 35ХМ.

Цементация (поверхностное насыщение углеродом) с последующей закалкой наряду с большой твердостью поверхностных слоев обеспечивает и высокую прочность зубьев на изгиб. Для цементации применяют стали марок 20Х, 12ХНЗА, 18ХГТ.

Азотирование (насыщение азотом) обеспечивает особо высокую твердость поверхностных слоев зубьев. Оно сопровождается малым

короблением и позволяет получать зубья высокой точности без доводочных операций. Азотированные колеса не применяют при ударных нагрузках (из-за опасности растрескивания тонкого упрочненного слоя) и при работе в загрязненной абразивом среде (из-за опасности истирания). Для азотируемых колес применяют стали марок 38Х2МЮА, 40ХНМА.

Зубья колес с твердостью Н > 45 HRC нарезают до термообработки. Отделку зубьев производят после термообработки.

Передачи с твердыми (Н > 45 HRC) рабочими поверхностями зубьев плохо прирабатываются и обеспечивать в этих передачах разность твердостей зубьев шестерни и колеса не требуется.

Выбор марок сталей для зубчатых колес. Без термической обработки механические характеристики всех сталей близки, поэтому применение легированных сталей без термообработки нерационально.

Прокаливаемость сталей различна: высоколегированных - наибольшая, углеродистых - наименьшая. Стали с плохой прокаливаемостью при больших сечениях заготовок нельзя термически обработать до высокой твердости. Поэтому марку стали для зубчатых колес выбирают с учетом размеров их заготовок (поковок). Окончательно решить вопрос о пригодности заготовки можно после проведения прочностных расчетов и определения геометрических размеров зубчатой передачи.

На рис. 12.1, a - в показаны эскизы заготовок червяка, вала-шестерни и колеса с выемками.

Характеристики механических свойств сталей, применяемых для изготовления зубчатых колес, после термообработки приведены в табл. 12.1.

При поверхностной термической или химико-термической обработке зубьев механические характеристики сердцевины зуба определяет предшествующая термическая обработка (улучшение).

Из табл. 12.1 видно, что характеристики сталей зависят не только от химического состава и вида термообработки, но и от предельных размеров заготовок.

Расчетные размеры заготовки D заг и S заг (см. рис. 12.1) не должны превышать предельных значений D и S, приводимых в табл. 12.1.

Применяют следующие стали и виды термической обработки (ТО):

Таблица 12.1. Механические характеристики сталей для изготовления зубчатых колес и других деталей

Марка стали	Термообработка	Предельные размеры заготовки, мм	Твердость зубьев	Механические характеристики, Н/мм 2
D	S	сердцевины	поверхности	σ в	σ т	σ -1
40Л	Нормализация	Л юбые	I63...207HB	163...207 НВ
	Улучшение Улучшение	125 80 80 50	235. .262 НВ 269...302 НВ	235. .262 НВ 269..302 НВ	780 890	540 650	335 380
40Х		200 125 125 80 125 80	235...262 НВ 269. .302 НВ 269...302 НВ	235...262 НВ 269. .302 НВ 45...50 HRC	790 900	640 750	375 410
40ХН 35ХМ	Улучшение Улучшение Улучшение и закалка ТВЧ	315 200 200 125 200 125	235...262 НВ 269...302 НВ 269...302 НВ	235...262 НВ 269...302 НВ 48...53HRC	800 920	630 750	380 420
40ХНМА	Улучшение и азотирование	125 80	269...302 НВ	50...56 HRC
20Х 20ХНМ 80ХГТ	Улучшение, цементация и закалка	200 125	300...400 НВ	56...63HRC

I - 45, 40Х, 40ХН,
улучшение, твердость 269...302 НВ;

II - марки сталей одинаковы для колеса и шестерни: 40Х, 40ХН,
35ХМ. ТО колеса - улучшение, твердость 235...262 НВ. ТО шестерни -
улучшение и последующая закалка ТВЧ, твердость 45...50 HRC,
48...53 HRC и др. (зависит от марки стали);

III- марки сталей одинаковы для колеса и шестерни: 40Х, 40ХН, 35ХМ. ТО колеса и шестерни одинакова - улучшение и последующая закалка ТВЧ, твердость 45...50 HRC, 48...53 HRC и др. (зависит от марки стали);

IV - марки сталей различны для шестерни и колеса. Для колеса: 40Х, 40ХН, 35ХМ; ТО -улучшение и последующая закалка ТВЧ, твердость 45...50 HRC, 48...53 HRC и др. (зависит от марки стали).

Марки сталей для шестерни: 20Х, 20ХНМ, 18ХГТ. ТО шестерни - улучшение, затем цементация и закалка; твердость 56...63 HRC.

V - марки сталей одинаковы для колеса и шестерни: 20Х, 20ХНМ,
18ХГТ. ТО колеса и шестерни одинакова - улучшение, затем цемента
ция и закалка; твердость 56...63 HRC.

Несущая способность зубчатых передач по контактной прочности тем выше, чем выше поверхностная твердость зубьев. Поэтому целесообразно применение поверхностного термического или химико-термического упрочнения. Эти виды упрочнения позволяют в несколько раз повысить нагрузочную способность передачи по сравнению с улучшенными сталями.

Однако при назначении твердости рабочих поверхностей зубьев следует иметь в виду, что большей твердости соответствуют более сложная технология изготовления зубчатых колес и небольшие размеры передачи (что может привести к трудностям при конструктивной разработке узла).

Стальное литье. Применяют при изготовлении крупных зубчатых колес (J„>500 мм). Марки сталей - 35Л...55Л. Литые колеса подвергают нормализации.

Чугуны. Применяют при изготовлении зубчатых колес тихоходных открытых передач. Марки чугунов - СЧ20...СЧ35. Зубья чугунных колес хорошо прирабатываются, могут работать при скудном смазывании. Имеют пониженную прочность на изгиб, поэтому габариты чугунных колес значительно больше, чем стальных.

Пластмассы. Применяют в быстроходных слабонагруженных передачах для шестерен, работающих б паре с металлическими колесами. Зубчатые колеса из пластмасс отличаются бесшумностью и плавностью хода. В высоконагруженных передачах неработоспособны. Наиболее распространены текстолит (марок ПТ и ПТК), капролон, полиформальдегид, фенилон.

Проходя зону зацепления, при работе передачи зубья подвергаются циклическому нагружению. При этом на контактирующих поверхностях зубьев действует нормальная к ним сила F„ (см. рис. 13.1) и сила трения. Для каждого зуба напряжения изменяются во времени по прерывистому отнулевому циклу (см. рис. 2.6). Повторно-переменные напряжения являются причиной усталостного разрушения зубьев - их поломки или выкрашивания рабочих поверхностей. Скольжение и силы трения в зацеплении вызывают изнашивание и заедание зубьев.

Поломка зубьев. Это наиболее опасный вид разрушения. Излом зубьев является следствием действующих в зубьях повторно-переменных напряжений изгиба или перегрузки. Усталостные трещины (см. рис. 13.3) образуются у основания зуба на той стороне, где от изгиба возникают наибольшие напряжения растяжения. Прямые короткие зубья выламываются полностью по сечению у основания зуба. При усталостном разрушении на теле колеса после излома остается вогнутая, а при поломке вследствие перегрузки - выпуклая поверхность. Зубья шевронных и широких косозубых колес разрушаются по наклонному сечению (рис. 12.2, а).

Повышению прочности зуба способствуют: увеличение модуля, снижение концентрации напряжений в основании зубьев, применение модификации, повышение прочности материала колес, повышение точности изготовления и монтажа передачи.

Для предупреждения усталостной поломки зубьев проводят расчет на прочность по напряжениям изгиба о>. Индекс F приписывают всем

Рис. 12.2. Виды разрушения зубьев

параметрам, связанным с расчетом по напряжениям изгиба, который выполняют для основания ножки (Foot) зуба.

Усталостное выкрашивание рабочих поверхностей зубьев. Это основной вид разрушения зубьев для большинства закрытых хорошо смазываемых передач. Является следствием действия повторно-переменных контактных напряжений а н (см. рис. 2.6). Индекс Н приписывают всем параметрам, связанным с расчетом по контактным напряжениям. Разрушение начинается на ножке зуба вблизи полюсной линии, где действуют наибольшая нагрузка (зона однопарного зацепления) и большая сила трения (вблизи полюса минимальные скорости скольжения, см. § 11.9), способствующая образованию микротрещин на поверхности зубьев (см. рис. 2.7). Развитию трещин способствует расклинивающий эффект смазочного материала, попавшего в трещины зубьев. Развитие трещин приводит к выкрашиванию частиц материала с поверхности, образованию мелких ямок (рис. 12.2, б), переходящих затем в более крупные раковины. При выкрашивании нарушаются условия образования сплошной масляной пленки (масло выжимается в ямки), что приводит к быстрому изнашиванию и задиру зубьев. Возрастают динамические нагрузки, шум, повышается температура.

Выкрашивание может быть ограниченным и прогрессирующим. Ограниченное выкрашивание наблюдается на участках с концентрацией напряжений. В колесах из хорошо прирабатывающихся материалов такое выкрашивание после приработки прекращается, не отражаясь на работе передачи. Опасно прогрессирующее выкрашивание, постепенно поражающее всю рабочую поверхность ножек зубьев.

Предотвращению выкрашивания способствует повышение твердости поверхности зубьев, уменьшение шероховатости рабочих поверхностей, модификация профиля, правильный выбор сорта масла. Для предупреждения усталостного выкрашивания зубьев проводят расчет на прочность по контактным напряжениям с н.

В открытых передачах выкрашивания не происходит, так как изнашивание поверхности зубьев опережает развитие усталостных трещин.

Изнашивание зубьев. Это основной вид разрушения зубьев открытых передач и передач с твердосмазочными покрытиями. По мере изнашивания зуб утончается (рис. 12.2, в), ослабляется его ножка, увеличиваются зазоры в зацеплении, что приводит к потере кинематической точности

и в конечном счете - к поломке зубьев. Разрушению зубьев предшествует возникновение повышенного шума при работе передачи. Изнашивание можно уменьшить защитой от попадания абразивных частиц, повышением твердости и понижением шероховатости рабочих поверхностей зубьев, уменьшением скольжения зубьев путем модификации.

Заедание зубьев (см. § 10.3) заключается в приваривании частиц материала одного зуба к другому вследствие разрушения смазочной пленки и местного повышения температуры в зоне контакта. Образовавшиеся наросты на зубьях задирают рабочие поверхности сопряженных зубьев, бороздя их в направлении скольжения (рис. 12.2, г). Заедание зубьев предупреждают повышением твердости, понижением шероховатости рабочих поверхностей зубьев, применением модификации, подбором противозадирных масел.

При работе зубчатой передачи зубья, входя поочередно в зацепление, подвергаются нагружению по прерывистому отнулевому циклу (см. рис. 2.6). Если параметры цикла неизменны во времени, то режим нагружения называют постоянным.

Большинство зубчатых передач работает в условиях переменных режимов нагружения, которые задают циклограммой, т. е. графиком изменения вращающего момента Т во времени (рис. 12.3, а).

Исследованиями установлено, что при всем многообразии циклограмм моментов их можно приближенно свести к шести стандартным типовым режимам нагружения.

При вычерчивании графиков типовых режимов нагружения фактическую циклограмму (см. рис. 12.3, а) заменяют упорядоченной циклограммой (см. рис. 12.3, б), на которой вращающие моменты Т i , действующие в течение требуемого ресурса N K , располагают последовательно в порядке убывания их значений. Затем строят эту циклограмму в относительных координатах T j /T max , ΣN,/N K и полученную ступенча-

Рис. 12.4. Типовые режимы нагружения

тую циклограмму заменяют плавной огибающей кривой. Так получают графическое изображение шести типовых режимов нагружения, которые на рис. 12.4 обозначены: 0 - постоянный; I -тяжелый; II -средний равновероятный; III - средний нормальный; IV -легкий; V - особо легкий.

На рис. 12.4: 7) - текущее значение вращающего момента; T m ах - максимальный из вращающих моментов; ΣN i - суммарное число циклов нагружения при работе с моментами, равными Т i ; N k - число циклов нагружения за расчетный срок службы передачи (требуемый ресурс).

0 - постоянный режим нагружения - является наиболее тяжелым. Его принимают за расчетный для неопределенных режимов нагружения (например, редуктор общего назначения может быть использован в различных условиях). К режимам постоянного нагружения относят режимы с отклонениями до 20 %. При этом за расчетную принимают нагрузку, соответствующую номинальной мощности двигателя.

1 -тяжелый режим нагружения - характерен для машин, которые работают большую часть времени с нагрузками, близкими к номинальным, например для горных машин.

II - средний равновероятный режим нагружения - характерен для
машин, которые работают одинаковое время при всех значениях на
грузок, например для транспортных машин.

III - средний нормальный режим нагружения - характерен для машин, которые работают большую часть времени при средних нагрузках, например для достаточно интенсивно эксплуатируемых машин.

IV -легкий режим нагружения - характерен для машин, которые работают большую часть времени с нагрузками ниже средних, например для широко универсальных металлорежущих станков.

V -особо легкий режим нагружения - характерен для машин, которые работают большую часть времени с малыми нагрузками, например для металлорежущих станков.

В расчетах зубчатых передач на выносливость фактический переменный режим нагружений заменяют эквивалентным (по усталостному воздействию) постоянным режимом.

Остановимся на основных понятиях об эквивалентных режимах работы. Предположим, что зубья зубчатого колеса работают в переменном режиме нагружения, имеющем несколько ступеней, и на каждой i-й ступени испытывают N i циклов нагружения. Экспериментально установлено, что разрушение зубьев при действии циклических напряжений происходит после ΣN i циклов нагружений в результате постепенного накопления в материале повреждений (например, в виде микротрещин). Опытом установлено, что при работе на нескольких ступенях нагружения повреждения продолжают независимо нарастать по закону прямой и поэтому их можно линейно суммировать.

Эквивалентные числа циклов нагружения N HE и N FE при расчете на контактную и изгибную прочность определяют соответственно по формулам:

где коэффициенты эквивалентности:

здесь q F - показатель степени уравнения кривой усталости (см. § 2.3): для нормализованных и улучшенных колес g F =6, для закаленных и поверхностно упрочненных зубьев q F =9.

Требуемый ресурс N K рассчитываемого зубчатого колеса в циклах при частоте вращения п, мин", и времени работы L k , ч:

где n 3 число зацеплений зуба рассчитываемого колеса за один его

оборот (численно равно числу колес, находящихся в зацеплении с рассчитываемым).

Значения коэффициентов эквивалентности μ H и μ F для типовых режимов нагружения приведены в табл. 12.2.

Таблица 12.2. Характеристики типовых режимов нагружения

Выбор материалов зубчатых колес зависит от назначения передачи и условий ее работы. Наибольшее применение находят стальные зубчатые колеса из термически обрабатываемых сталей. Реже применяют колеса чугунные и пластмассовые. Чугунные зубчатые колеса дешевле стальных, их используют в малонагруженных открытых передачах. Они имеют малую склонность к заеданию, но не выдерживают ударных нагрузок. Пластмассовые зубчатые колеса имеют низкую прочность и сравнительно высокую стоимость. В силовых передачах их не применяют.

В зависимости от твердости поверхности зубьев после термообработки стальные зубчатые колеса можно условно разделить на две группы.

Первая группа - зубчатые колеса с твердостью поверхности зубьев H≤350 HB. Материалами для колес этой группы служат углеродистые стали 40, 45, легированные стали 40Х, 45Х, 40ХН и др. Способы термообработки для получения колес этой группы – нормализация (закалка с высоким отпуском) и улучшение (нагревание с охлаждением на воздухе). Термообработку проводят до нарезания зубьев. Твердость сердцевины зуба и его рабочей поверхности одинаковы. Колеса этой группы хорошо прирабатываются и не подвержены хрупкому разрушению. С целью снижения вероятности заедания, улучшения прирабатываемости зубьев и повышения нагрузочной способности косозубых передач твердость рабочей поверхности зуба у шестерни должна быть на 30…50 НВ выше, чем у колеса.

Вторая группа - зубчатые колеса с твердостью поверхности зубьев H>350 HB. Используется следующая технология получения колес этой группы. Зубья нарезают до термообработки. Искажение формы зубьев, возникшее в результате термообработки, исправляют шлифованием или обкаткой со специальными пастами.

Наибольшее применение находят следующие способы термической или химико-термической обработки для получения колес этой группы.

Объемная закалка – наиболее простой способ получения высокой твердости зубьев. Применяют для углеродистых и легированных сталей с содержанием углерода 0,35…0,5% (стали 45, 40Х, 40ХН и т.д.). Достигается твердость поверхности зуба 45…55 HRCэ. Зуб прокаливается по всему объему и не сохраняет вязкую сердцевину. Недостатками объемной закалки являются: значительное коробление зубьев и необходимость последующих отделочных операций; низкое сопротивление ударным нагрузкам. Применяют в основном для малоответственных передач.

Остальные способы получения колес этой группы обеспечивают высокую твердость поверхности зуба при сохранении вязкой сердцевины.

Поверхностная закалка ТВЧ (токами высокой частоты) или пламенем ацетиленовой горелки обеспечивает поверхностную твердость 48…55 HRCэ. Является высокопроизводительным способом. Применяется для сталей с содержанием углерода 0,3…0,5% при модуле не менее 2,5 мм. В мелкомодульном колесе возникает опасность сквозного прокаливания зубьев, что вызывает их повышенную хрупкость и коробление. Толщина закаленного слоя достигает в долях модуля (0,25…0,4)m. Поскольку при закалке ТВЧ нагреваются только поверхностные слои зубьев, то значительно снижается искажение формы зубьев, уменьшаются припуски на выполнение доводочных операций. Колеса сравнительно невысокой степени точности (7- я и грубее) можно получать без доводочных операций.

Цементация – насыщение углеродом поверхностного слоя с последующей закалкой. Обеспечивает поверхностную твердость зуба 56…62 HRCэ. Применяют для низкоуглеродистых сталей с содержанием углерода до 0,3% (сталь 20, 20Х, 12ХН3А, 20ХНМ). Глубина цементации составляет 0,1…0,15 от толщины зуба, но не более 1,5…2 мм. Закалка после цементации приводит к короблению зуба, и потому требуются отделочные операции.

Азотирование – насыщение азотом поверхностного слоя. Обеспечивает особо высокую твердость (до 70 HRCэ) и износостойкость поверхностных слоев. Зубья после азотирования не подвергают закалке, имеют незначительное искажение формы и не требуют дополнительных доводочных операций. Применяют для низкоуглеродистых сталей с содержанием углерода до 0,3% (сталь 20, 20Х, 12ХН3А, 20ХНМ). Для азотируемых колес применяют стали, легированные хромом, никелем, молибденом, алюминием, например, 38ХМЮА, 35ХЮА. Основным недостатком азотируемых колес является малая толщина упрочненного слоя 0,2…0,6 мм, не позволяющая применять их при ударных нагрузках и при работе с абразивным изнашиванием, из-за опасности истирания упрочненного слоя и быстрого выхода передачи из строя.

Нитроцементация – одновременное насыщение поверхностного слоя углеродом и азотом с последующей закалкой. Обеспечивает поверхностную твердость зуба 58…64 HRCэ. Применяют для среднеуглеродистых сталей (например, 40Х, 25ХГТ). Толщина упрочненного слоя составляет (0,13…0,2)m, но не более 1,2 мм. Искажения зубьев существенно меньше, чем при цементации, не требуются дополнительные доводочные операции. Характеристики сталей, рекомендуемых для изготовления зубчатых колес, приведены в табл. 4. В таблице приняты следующие обозначения: способы термообработки: Н - нормализация, У - улучшение, З - закалка, Ц - цементация; Dm - наружный диаметр заготовки вал-шестерни, Sm - характерный размер заготовки для насадного зубчатого колеса (рис. 10).

Таблица 1. Механические характеристики сталей

Марка стали			Термообработка	Твердость поверхности	Предел прочности, МПа	Nho, млн циклов

Для ориентировочного определения Dm и Sm используются следующие формулы:

где T1 - крутящий момент на шестерне, Нм; u - передаточное число зубчатой передачи; km - коэффициент, учитывающий вид передачи, (km= 24 для прямозубых цилиндрических передач, km= 28 для прямозубых конических передач и km= 20 для не прямозубых передач).

Рис. 10. Характерные размеры сечения заготовки

При выборе материала заготовок должны выполняться следующие условия: для вал-шестерни Dm ≤ Dm1, для насадного зубчатого колеса Sm ≤ Sm1.

Марки сталей одинаковы для колеса и шестерни 40, 45, 40Х, 40ХН и 35ХМ. Термообработка – улучшение. Твердость зуба шестерни 269…302 НВ, твердость зуба колеса 235…262 НВ.
Марки сталей одинаковы для колеса и шестерни 40, 45, 40Х, 40ХН и 35ХМ. Термообработка зуба шестерни – улучшение с последующей закалкой ТВЧ, твердость поверхности зуба шестерни 45…50 НRCэ, или 48…53 НRCэ. Термообработка зуба колеса - улучшение, твердость зуба колеса 235…262 НВ.
Марки сталей одинаковы для колеса и шестерни 40, 45, 40Х, 40ХН и 35ХМ. Термообработки колеса и шестерни одинаковы – улучшение с последующей закалкой ТВЧ, твердость поверхности зуба шестерни и колеса 45…50 НRCэ, или 48…53 НRCэ.
Марки сталей для колеса 40Х, 40ХН и 35ХМ. Термообработка колеса – улучшение с последующей закалкой ТВЧ, твердость поверхности зуба колеса 45…50 НRCэ, или 48…53 НRCэ. Марки сталей для шестерни 20Х, 20ХНМ и 18ХГТ. Термообработка шестерни – улучшение с последующей цементацией и закалкой, твердость поверхности зуба шестерни 56…63 НRCэ.

Ориентировочно диаметр заготовки зубчатого колеса определяется по формуле

Заготовки колес больших диаметров dк > 500 мм получают литьем, в этом случае рекомендуется использовать стали марок 35Л и 45Л.

Просмотров: 25259

Баклицкий В.Ф. Прикладная механика. Детали машин (Документ)

Денисов Г.П. Детали машин (Документ)

Иванов М.А., Финогенов В.А. Детали машин (Документ)

Фролов М.И. Техническая механика: Детали машин (Документ)

Бучаков Ю.В., Добровольский В.П., Пахотин Е.И. (Составители) Элементы конструирования деталей машин (Документ)

Лебедева А.П. Основы расчета и конструирования деталей машин. Кинематический расчет привода (Документ)

Баловнев Н.П. Расчет резьбовых соединений и винтовых механизмов (Документ)

n1.doc

11.14. Конструкции колес зубчатых передач

В зависимости от назначения, размеров и технологии получения заготовки зубчатые колеса имеют различную конструкцию. Цилинд рические и конические шестерни выполняют заодно целое с валом (вал-шестерня). Это связано с малыми размерами шестерен и с тем, что раздельное изготовление снижает точность и увеличивает стоимость производства вследствие увеличения числа посадочных поверхностей, требующих точной обработки, а также вследствие необходимости применения того или иного соединения (например, шпоночного).

Насадные шестерни применяют при больших диаметрах и в тех случаях, когда они должны перемещаться вдоль вала по условиям работы или сборки (см. рис. 11.26 и 8.3).

Рис. 11.28. Литые (а) и сварные (б) зубчатые колеса

Рис. 11.29. Бандажированные (а), свертные (б) и клепаные (в) зубчатые

Контрольные вопросы

Каковы основные достоинства и недостатки зубчатых передач по сравнению с другими передачами?
По каким признакам классифицируют зубчатые передачи?
В чем сущность основной теоремы зацепления?
Что такое эвольвента окружности и какими свойствами она обладает?
Почему эвольвентное зацепление имеет преимущественное применение?
Что называют полюсом зацепления, линией зацепления и углом зацепления?
Как определить на линии зацепления точки, соответствующие началу и концу зацепления одной пары зубьев?
Каков стандартный исходный контур инструментальной рейки эвольвентного зацепления?
В чем сущность нарезания зубьев методом копирования и методом обкатки? Их сравнительная характеристика.

Какие окружности зубчатых передач называют начальными и какие окружности зубчатых колес называют делительными? В каких зубчатых передачах они совпадают?
Что называют шагом и модулем зацепления?
Что понимают под коэффициентом торцового перекрытия? Как влияет его величина на работу зубчатой передачи?
Каково влияние числа зубьев на их форму и прочность?
Как возникает подрезание зубьев при нарезании их инструментом реечного типа?
Что понимают под зубчатым зацеплением со смещением (модифицированным) и для чего его применяют?
Какие применяют два вида модификации передач и как их осуществляют?
Какие факторы влияют на выбор степени точности зубчатых передач? Какие степени точности передач применяют в общем машиностроении? Какие нормы характеризуют степень точности?
С какой целью производят смазывание зубчатых передач?
В чем сущность картерного смазывания зубчатых передач?
Какие основные факторы влияют на КПД зубчатых передач?

Глава 12

Основы расчета на прочность зубчатых передач

12.1. Материалы зубчатых колес

Первая группа - зубчатые колеса с твердостью поверхностей зубьев Н Термообработку - улучшение - производят до нарезания зубьев. Твердость сердцевины зуба и его рабочей поверхности для улучшенных

Колес одинакова. Колеса при твердости поверхностей зубьев Н хорошо прирабатываются и не подвержены хрупкому разрушению. Применяют в слабо- и средненагруженных передачах. Область применения улучшенных зубчатых колес сокращается.

Твердость шестерни прямозубой передачи рекомендуется принимать на (25...30) НВ больше твердости колеса. Это способствует прирабатываемое™, сближению долговечности шестерни и колеса, повышению сопротивления заеданию зубчатых колес.

Для косозубых передач твердость рабочих поверхностей зубьев шес терни желательна по возможности большая, так как с ее ростом увеличивается несущая способность передачи по критерию контактной прочности.

Если в прямозубой передаче в процессе зацепления пары зубьев контактная линия зацепления движется параллельно основанию зуба, то в косозубой передаче контактная линия зацепления наклонена к основанию зуба и проходит одновременно по поверхностям головки и ножки зубьев. Ножки зубьев обладают меньшей стойкостью против выкрашивания, чем головки, так как у них неблагоприятное сочетание направления скольжения и перекатывания зубьев (см. рис. И.21). Следовательно, ножка зуба колеса, работающая с головкой зуба шестерни, начнет выкрашиваться в первую очередь. При этом вследствие наклона контактной линии нагрузка (полностью или частично) передается на головку зуба колеса, работающую с ножкой зуба шестерни. Слабая ножка зуба колеса разгружается, и выкрашивание уменьшается. Дополнительная нагрузка ножки зуба шестерни не опасна, так как она изготовлена из более стойкого материала. Применение высокотвердой шестерни позволяет дополнительно повысить нагрузочную способность косозубых передач до 30 %.

Повышение твердости достигают применением различных методов поверхностного упрочнения.

Вторая группа - колеса с твердостью рабочих поверхностей Н > 45 HRC (Н > 350 НВ). При Н > 350 НВ твердость материала измеряется по шкале HRC. Высокая твердость поверхностных слоев материала при сохранении вязкой сердцевины достигается применением поверхностного термического или химико-термического упрочнения: поверхностной закалки, цементации и нитроцементации с закалкой, азотирования.

Короблением и позволяет получать зубья высокой точности без доводочных операций. Азотированные колеса не применяют при ударных нагрузках (из-за опасности растрескивания тонкого упрочненного слоя) и при работе в загрязненной абразивом среде (из-за опасности истирания). Для азотируемых колес применяют стали марок 38Х2МЮА, 40ХНМА.

Зубья колес с твердостью Н > 45 HRC нарезают до термообработки. Отделку зубьев производят после термообработки.

Передачи с твердыми (Н > 45 HRC) рабочими поверхностями зубьев плохо прирабатываются и обеспечивать в этих передачах разность твердостей зубьев шестерни и колеса не требуется.

Выбор марок сталей для зубчатых колес. Без термической обработки механические характеристики всех сталей близки, поэтому приме нение легированных сталей без термообработки нерационально.

Прокаливаемость сталей различна: высоколегированных - наибольшая, углеродистых - наименьшая. Стали с плохой прокаливаемостью при больших сечениях заготовок нельзя термически обработать до высокой твердости. Поэтому марку стали для зубчатых колес выбирают с учетом размеров их заготовок (поковок). Окончательно решить вопрос о пригодности заготовки можно после проведения прочностных расче тов и определения геометрических размеров зубчатой передачи.

На рис. 12.1, a - в показаны эскизы заготовок червяка, вала-шестерни и колеса с выемками.

При поверхностной термической или химико-термической обработ ке зубьев механические характеристики сердцевины зуба определяет пред шествующая термическая обработка (улучшение).

Расчетные размеры заготовки D заг и S заг (см. рис. 12.1) не должны превышать предельных значений D и S , приводимых в табл. 12.1.

Применяют следующие стали и виды термической обработки (ТО):

Таблица 12.1. Механические характеристики сталей для изготовления зубчатых колес и других деталей

Марка стали	Термообработка	Предельные Заготовки, мм		Твердость зубьев		Механические Характеристики, Н/мм 2
Марка стали	Термообработка	D	S	сердцевины	поверхности	? в	? т	? -1
40Л	Нормализация	Л юбые		I63...207HB	163...207 НВ	550	320	220
45	Улучшение Улучшение	125 80 80 50		235. .262 НВ 269...302 НВ	235. .262 НВ 269..302 НВ	780 890	540 650	335 380
40Х		200 125 125 80 125 80		235...262 НВ 269. .302 НВ 269...302 НВ	235...262 НВ 269. .302 НВ 45...50 HRC	790 900	640 750	375 410
40ХН 35ХМ	Улучшение Улучшение Улучшение и закалка ТВЧ	315 200 200 125 200 125		235...262 НВ 269...302 НВ 269...302 НВ	235...262 НВ 269...302 НВ 48...53HRC	800 920	630 750	380 420
40ХНМА	Улучшение и азотирование	125 80		269...302 НВ	50...56 HRC	980	780	440
20Х 20ХНМ 80ХГТ	Улучшение, цементация и закалка	200 125		300...400 НВ	56...63HRC	1000	800	450

I - 45, 40Х, 40ХН,

улучшение, твердость 269...302 НВ;

- марки сталей одинаковы для колеса и шестерни: 40Х, 40ХН, 35ХМ. ТО колеса и шестерни одинакова - улучшение и последующая закалка ТВЧ, твердость 45...50 HRC, 48...53 HRC и др. (зависит от марки стали);
- марки сталей различны для шестерни и колеса. Для колеса: 40Х, 40ХН, 35ХМ; ТО -улучшение и последующая закалка ТВЧ, твердость 45...50 HRC, 48...53 HRC и др. (зависит от марки стали).

Несущая способность зубчатых передач по контактной прочности тем выше, чем выше поверхностная твердость зубьев. Поэтому целесообразно применение поверхностного термического или химико-термического упрочнения. Эти виды упрочнения позволяют в несколько раз повысить нагрузочную способность передачи по сравнению с улучшенными сталями.

Однако при назначении твердости рабочих поверхностей зубьев следует иметь в виду, что большей твердости соответствуют более сложная технология изготовления зубчатых колес и небольшие размеры передачи (что может привести к трудностям при конструктивной разработке узла).

Проходя зону зацепления, при работе передачи зубья подвергаются циклическому нагружению. При этом на контактирующих поверхностях зубьев действует нормальная к ним сила F „ (см. рис. 13.1) и сила трения. Для каждого зуба напряжения изменяются во времени по преры вистому отнулевому циклу (см. рис. 2.6). Повторно-переменные напряже ния являются причиной усталостного разрушения зубьев - их поломки или выкрашивания рабочих поверхностей. Скольжение и силы трения в зацеплении вызывают изнашивание и заедание зубьев.

Рис. 12.2. Виды разрушения зубьев

Параметрам, связанным с расчетом по напряжениям изгиба, который выполняют для основания ножки (Foot) зуба.

Усталостное выкрашивание рабочих поверхностей зубьев. Это основ ной вид разрушения зубьев для большинства закрытых хорошо смазыва емых передач. Является следствием действия повторно-переменных контактных напряжений а н (см. рис. 2.6). Индекс Н приписывают всем параметрам, связанным с расчетом по контактным напряжениям. Разрушение начинается на ножке зуба вблизи полюсной линии, где действуют наибольшая нагрузка (зона однопарного зацепления) и большая сила трения (вблизи полюса минимальные скорости скольжения, см. § 11.9), способствующая образованию микротрещин на поверхности зубьев (см. рис. 2.7). Развитию трещин способствует расклинивающий эффект смазочного материала, попавшего в трещины зубьев. Развитие трещин приводит к выкрашиванию частиц материала с поверхности, образованию мелких ямок (рис. 12.2, б), переходящих затем в более крупные раковины. При выкрашивании нарушаются условия образования сплошной масляной пленки (масло выжимается в ямки), что приводит к быстрому изнашиванию и задиру зубьев. Возрастают динамические нагрузки, шум, повышается температура.

Выкрашивание может быть ограниченным и прогрессирующим. Огра ниченное выкрашивание наблюдается на участках с концентрацией напряжений. В колесах из хорошо прирабатывающихся материалов такое выкрашивание после приработки прекращается, не отражаясь на работе передачи. Опасно прогрессирующее выкрашивание, постепенно поражающее всю рабочую поверхность ножек зубьев.

Предотвращению выкрашивания способствует повышение твердости поверхности зубьев, уменьшение шероховатости рабочих поверхностей, мо дификация профиля, правильный выбор сорта масла. Для предупреждения усталостного выкрашивания зубьев проводят расчет на прочность по контактным напряжениям с н .

Изнашивание зубьев. Это основной вид разрушения зубьев открытых передач и передач с твердосмазочными покрытиями. По мере изнашивания зуб утончается (рис. 12.2, в), ослабляется его ножка, увеличиваются зазоры в зацеплении, что приводит к потере кинематической точности

И в конечном счете - к поломке зубьев. Разрушению зубьев предшест вует возникновение повышенного шума при работе передачи. Изнашивание можно уменьшить защитой от попадания абразивных частиц, повышением твердости и понижением шероховатости рабочих поверхностей зубьев, уменьшением скольжения зубьев путем модификации.

Большинство зубчатых передач работает в условиях переменных ре жимов нагружения, которые задают циклограммой, т. е. графиком изменения вращающего момента Т во времени (рис. 12.3, а).

Исследованиями установлено, что при всем многообразии циклограмм моментов их можно приближенно свести к шести стандартным типовым режимам нагружения.

Рис. 12.3. Циклограмма моментов

При вычерчивании графиков типовых режимов нагружения фактическую циклограмму (см. рис. 12.3, а) заменяют упорядоченной циклограммой (см. рис. 12.3, б), на которой вращающие моменты Т i , действующие в течение требуемого ресурса N K , располагают последовательно в порядке убывания их значений. Затем строят эту циклограмму в относительных координатах T j / T max , ? N ,/ N K и полученную ступенча-

Рис. 12.4. Типовые режимы нагружения

Тую циклограмму заменяют плавной огибающей кривой. Так получают графическое изображение шести типовых режимов нагружения, которые на рис. 12.4 обозначены: 0 - постоянный; I -тяжелый; II -средний равновероятный; III - средний нормальный; IV -легкий; V - особо легкий.

На рис. 12.4: 7) - текущее значение вращающего момента; T m ах - максимальный из вращающих моментов; ?N i - суммарное число циклов нагружения при работе с моментами, равными Т i ; N k - число циклов нагружения за расчетный срок службы передачи (требуемый ресурс).

- постоянный режим нагружения - является наиболее тяжелым. Его принимают за расчетный для неопределенных режимов нагружения (например, редуктор общего назначения может быть использован в различных условиях). К режимам постоянного нагружения относят режимы с отклонениями до 20 %. При этом за расчетную принимают нагрузку, соответствующую номинальной мощности двигателя.
-тяжелый режим нагружения - характерен для машин, которые работают большую часть времени с нагрузками, близкими к номинальным, например для горных машин.

- средний нормальный режим нагружения - характерен для машин, которые работают большую часть времени при средних нагрузках, например для достаточно интенсивно эксплуатируемых машин.
-легкий режим нагружения - характерен для машин, которые работают большую часть времени с нагрузками ниже средних, например для широко универсальных металлорежущих станков.

В расчетах зубчатых передач на выносливость фактический перемен ный режим нагружений заменяют эквивалентным (по усталостному воздействию) постоянным режимом.

Остановимся на основных понятиях об эквивалентных режимах работы. Предположим, что зубья зубчатого колеса работают в переменном режиме нагружения, имеющем несколько ступеней, и на каждой i-й ступени испытывают N i циклов нагружения. Экспериментально установлено, что разрушение зубьев при действии циклических напряжений происходит после ? N i циклов нагружений в результате постепенного накопления в материале повреждений (например, в виде микротрещин). Опытом установлено, что при работе на нескольких ступенях нагружения повреждения продолжают независимо нарастать по закону прямой и поэтому их можно линейно суммировать.

Следовательно фактический пере менный режим нагружения можно за менить эквивалентным постоянным режимом, при котором зубья колеса приобретают ту же степень повреждения. В качестве эквивалентного (рис. 12.5) принимают постоянный редким с но минальным моментом, равным наибольшему из длительно действующих моментов (на рис. 12.3 T max = T 3), и эк вивалентным числом циклов нагруже ния N E .

Рис. 12.5. Схема к определению

Эквивалентного постоянного режима

Нагружения

Эквивалентные числа циклов нагру жения N HE и N FE при расчете на контактную и изгибную прочность определяют соответственно по формулам:

Где коэффициенты эквивалентности:

Здесь q F - показатель степени уравнения кривой усталости (см. § 2.3): для нормализованных и улучшенных колес g F =6, для закаленных и поверхностно упрочненных зубьев q F =9.

Требуемый ресурс N K рассчитываемого зубчатого колеса в циклах при частоте вращения п, мин", и времени работы L k , ч:

Где n 3 число зацеплений зуба рассчитываемого колеса за один его

Оборот (численно равно числу колес, находящихся в зацеплении с рассчитываемым).

Значения коэффициентов эквивалентности ? H и ? F для типовых режимов нагружения приведены в табл. 12.2.