Материалы зубчатых колес. Способы упрочнения зубьев

Практикой эксплуатации и специальными исследованиями установ­лено, что нагрузка, допускаемая по контактной прочности зубьев, определяется в основном твердостью поверхности материала. Наибольшую твердость, а следовательно и наименьшие габариты и массу передачи можно получить при изготовлении зубчатых колес из сталей, подвергну­тых термической и химико-термической обработке.

Основным материалом для изготовления зубчатых колес силовых передач служат легированные или углеродистые стали. В зависимости от твердости рабочих поверхностей зубьев после термической обработки зубчатые колеса можно условно разделить на две группы: с твердостью не более 350 НВ — нормализованные или улучшенные, с твердостью более 350 НВ (более 45 HRC) — закаленные, цементованные, нитроцементованные, азотированные.

При твердости материала не более 350 НВ чистовое нарезание зубьев производят после окончательной термической обработки заготовки.

Поверхности нормализованных и улучшенных зубьев хорошо прирабатываются, в результате чего погрешности, допущенные при нарезании зубьев и сборке передачи, частично устраняются. К недостаткам улучшенных и нормализованных зубчатых колес следует отнести их сравнительно невысокую прочность, вследствие чего передачи с такими колесами получаются относительно больших размеров. Поэтому рассматриваемые способы упрочнения зубьев используют в передачах, масса и размеры которых строго не ограничены.

Известно, что масса деталей резко уменьшается с увеличением допускаемых контактных напряжений . Величина связана с твердостью контактирующих поверхностей зависимостью, близкой к прямопропорциональной. Для снижения массы деталей следует назначать по возможности более высокие твердости активных поверхностей зубьев.

В правильно спроектированной зубчатой паре соотношение твердостей активных поверхностей зубьев шестерни и колеса не может быть выбрано произвольно.

При твердости зубьев до 350 НВ для их лучшей приработки твердость шестерни Н₁ на (10–15) НВ больше твердости колеса Н_2.

Если твердость рабочих поверхностей зубьев не превышает 350–400 НВ, то для снижения опасности заедания и увеличения несущей способности косозубых передач следует выдерживать условие Н₁ – Н₂ ≥ 40–50 НВ, где Н₁ и Н₂ — твердость рабочих поверхностей шестерни и колеса соответственно.

Повысить несущую способность косозубой передачи на 25–30% можно при назначении Н₁ ≥ 400 НВ, а Н₂ ≤ 320 НВ, где Н₁ и Н₂ — твердость рабочих поверхностей шестерни и колеса соответственно.

Для малонагруженных передач находят применение стальное литье и чугун. При специальных требованиях используют неметаллические зубчатые колеса.

В табл. 4.1 приведены усредненные значения механических характеристик и виды термообработки некоторых распространенных марок конструкционных сталей (углеродистых качественных ГОСТ 1050–88 и легированных ГОСТ 4543–71), используемых для изготовления зубчатых колес, а также других деталей машин (валов, осей, звездочек цепных передач, червяков, деталей муфт и т. п.). Как следует из таблицы, механические характеристики сталей зависят не только от химического состава и вида термообработки, но и от размеров характерного сечения заготовок (рис. 4.1).

Отсюда можно сделать вывод, что выбор материала зубчатых колес является важным этапом при проектировании редуктора.

Для стали одной и той же марки в зависимости от термической обработки можно получить различные механические свойства, поэтому с целью сокращения номенклатуры материалов для шестерни и колеса передачи обычно применяют одну и ту же сталь.

Для унификации используемых в производстве материалов и упрощения изготовления запасных частей рекомендуется выбирать стали следующих марок:

1) нормализация — 35, 45, 35Л;

2) улучшение — 45, 40Х, 35ХМ, 40ХН, 45Л, 40ГЛ;

3) закалка при нагреве ТВЧ-35ХМ, 40ХН, 50ХН, применение углеродистых сталей типа «Сталь 45» недопустимо;

4) пламенная закалка — 35ХМ, 40ХН;

5) объёмная закалка — 45, 40Х, 35ХМ, 40ХН;

6) цементация — 20ХН2М, 18ХГТ, 12ХНЗА;

7) газовая нитроцементация — 25ХГМ;

8) азотирование (мягкое) — 40ХН2МА.

Таблица 4.1

Механические характеристики сталей некоторых марок, используемых для изготовления зубчатых колес и других деталей машин

Рисунок 4.1 — Размеры характерных сечений заготовок