Материалы зубчатых колес. Способы упрочнения зубьев

Расчет зубчатых и червячных передач

При расчете необходимо определить минимальные размеры передачи, которые обеспечивали бы ее работоспособность в течение заданного срока службы. Наиболее рациональное решение такой задачи возможно при проведении прочностного расчета с учетом влияния геометрических параметров зацепления, термической и термохимической обработок зубьев на нагрузочную способность передачи.

Из анализа работы зубчатой передачи, очевидно, что зубья под действием нормальной силы и силы трения находятся в сложном на­пряженном состоянии. Решающее влияние на их работоспособность оказывают контактные напряжения σ_Ни напряжения изгиба σ_F, изменяющиеся по некоторому прерывистому циклу.

Переменные контактные напряжения и трение профилей вызы­вают повреждения рабочих поверхностей зубьев, что учитывается при расчете на усталость по контактным напряжениям повышением твердости поверхностей зубьев и степени их точности. Напряжения изгиба являются причиной поломки зубьев. Усталостные поломки могут быть предупреждены правильным расчетом на усталость по напряжениям изгиба, поломки от перегрузок — защитой передачи от случайных неучтенных при расчете перегрузок.

Материалы зубчатых колес. Способы упрочнения зубьев

Практикой эксплуатации и специальными исследованиями уста­новлено, что нагрузка, допускаемая по контактной прочности зубь­ев, определяется в основном твердостью материала. Наибольшую твердость, а, следовательно, и наименьшие габариты и массу пере­дачи, можно получить при изготовлении зубчатых колес из сталей, подвергнутых 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 НВ 350 — нормализованные или улучшенные и с твердостью более НВ 350 (более HRC 45) — закален­ные, цементированные, нитроцементированные, азотированные.

При твердости материала не более НВ 350 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 при сборке передачи, частично устраняются. К недостаткам улучшенных и нормализованных зубчатых колес сле­дует отнести главным образом их сравнительно невысокую проч­ность, вследствие чего передачи с такими колесами получаются от­носительно больших размеров. Поэтому рассматриваемые способы упрочнения зубьев используют в передачах, масса и габаритные раз­меры которых строго не ограничены.

Зубчатые колеса с твердостью рабочих поверхностей зубьев более НВ 350 применяют в средне- и высоконагруженных передачах (при М₂ ≥ 4000Нм) в целях уменьшения их габаритов.

Закаленные колеса обладают средней нагрузочной способностью. Зубья после закалки обычно шлифуют для устранения неточностей, обусловленных изменением при закалке их формы и размеров (ко­роблением). Однако шлифование малопроизводительно и удаляет слой материала с наибольшей контактной прочностью, поэтому же­лательно избежать шлифования. Это удается сделать в зубчатых передачах при небольших окружных скоростях колес (до 12,5 м/с). Для за­калки используют углеродистые и легированные стали со средним содержанием углерода 0,35...0,5% (стали 45, 40Х, 35ХМ и т.д.). Твердость поверхности зубьев HRC 45...55.

Цементации (насыщение углеродом поверхностного слоя с по­следующей закалкой) подвергают колеса из низкоуглеродистых (сталь 15 и 20) и легированных (20Х, 20ХН2М и др.) сталей. Этот вид упрочнения зубьев является длительным и дорогим процессом. Однако цементация обеспечивает очень высокую твердость поверх­ностного слоя (HRC 56...63) с сохранением повышенной прочности сердцевины у легированных сталей, что предохраняет продавливание хрупкого поверхностного слоя при перегрузках. Иными сло­вами, при цементации хорошо сочетаются весьма высокие контакт­ная и изгибная прочности. Ее применяют в изделиях, для которых масса и габариты имеют решающее значение (на транспорте, в авиа­ции и пр.).

Зубчатые колеса после газовой нитроцементации, ха­рактеризуются высокой и стабильной нагрузочной способностью. Но по­требность в уникальном и дорогом оборудовании ограничивает распространение этого вида упрочнения зубьев.

Изломная прочность зубьев может быть значительно повышена (до 40%) накаткой впадин и переходных участков у ножки зубьев, чеканкой или обдувкой дробью, путем уничтожения тонкого дефектного поверхностного слоя и нагартовкой.

Рисунок 2.1 – График зависимости между величинами НВ и HRC

Азотирование (насыщение поверхностного слоя азотом) обеспе­чивает не меньшую твердость, чем цементация. Степень коробления при азотировании достаточно мала. Для азотирования применяют коле­са из молибденовых сталей типа 38Х2МЮА. В связи с длительностью и дороговизной этого процесса его применяют с ограничением, на­пример, когда трудно выполнить шлифование зубьев (у колес с внутренними зубьями волновых и планетарных передач и в дру­гих высокоответственных передачах).

Кроме термических и химико-термических способов упрочнения зубьев применяют механическое упрочнение и электрополирование.

Электрополирование уничтожает тонкий дефектный слой (на­пример, после закалки), снижает шероховатость поверхности, обра­зуя небольшие завалы, имитирующие бочкообразность, которая ис­ключает очень опасный кромочный контакт.

В правильно спроектированной зубчатой паре соотношение твер­дости рабочих поверхностей зубьев шестерни и колеса не может быть выбрано произвольно. Если твердость рабочих поверхностей зубьев колеса не более НВ 350, то в целях выравнивания долговеч­ности зубьев шестерни и колеса, ускорения их приработки и повы­шения сопротивляемости заеданию твердость поверхностей зубьев шестерни назначается выше твердости зубьев колеса. Для прямозу­бых колес разность средних твердостей шестерни и колеса должна составлять не менее НВ 20...30, для косозубых колес эта разность должна быть большей. Чем выше твердость рабочих поверхностей зубьев шестерни, тем больше несущая способность передачи по критерию контактной выносливости. Если твердость рабочих поверх­ностей зубьев шестерни и колеса более НВ 350 (не менее НRС 45), то обеспечивать разность твердостей зубьев шестерни и колеса не требуется. Ниже приведены рекомендации по выбору марки стали в зависимости от вида термической или химико-термической обработки.

Основные механические характеристики наиболее часто используемых сталей представлены в таблице 2.1.

Для равномерного изнашивания зубьев и лучшей их прирабатываемости твердость шестерни HB₁ назначается больше твердости колеса НВ₂. Разность средних твердостей рабочих поверхностей зубьев шестерни и колеса в передачах с прямыми и непрямыми зубьями составляет НВ_1ср - НВ_2ср = 20…50.

Таблица 2.1 - Механические характеристики и термообработка некоторых сталей

Марка стали	, МПа	, МПа	Твердость НВ	Термообработка
	500…600 700…800 800…900		140…170 194…222 223…250	Нормализация Закалка 860ºС, вода +отпуск 600 ºС Закалка 860ºС, вода +отпуск 500 ºС
35Л	500…600		163…207	Нормализация
	500…600 700…800		152…207 192…228	Нормализация Закалка 860ºС, вода +отпуск 550 ºС
40Л			153…196	Закалка 870ºС, вода +отпуск 600 ºС
	600…700 700…800 800…900		167…194 194…222 223…250	Закалка 860ºС, вода +отпуск 600 ºС Закалка 860ºС, вода +отпуск 400 ºС Нормализация
45Л	500…600 600…700		160…212 207…235	Нормализация Закалка 860ºС, вода +отпуск 600 ºС
	700…900		179…228 228…255	Закалка 840ºС, вода +отпуск 600 ºС Закалка 860ºС, вода +отпуск 400 ºС
35Х	700…750		220…260	Закалка 860ºС, вода +отпуск 600 ºС
35 ХМ	700…800 900…950		235…262 269…302	Закалка 860ºС, вода +отпуск 600 ºС Закалка 860ºС, вода +отпуск 500 ºС
35 ХГСА				Закалка 880ºС, масло +отпуск 600 ºС Закалка 880ºС, масло +отпуск 500 ºС
40 Х	700…800 800…900 900…1000		200…230 230…257 257…287	Закалка 860ºС, масло +отпуск 650 ºС Закалка 860ºС, масло +отпуск 600 ºС Закалка 860ºС, масло +отпуск 500 ºС
45 Х	800…900		240…280	Закалка 850ºС, масло +отпуск 500 ºС
40 ХН	800…900 900…1000		215…243 265…295	Нормализация Закалка 790ºС, масло +отпуск 540 ºС
20ХН2М	900…1000		30…43	Цементация + закалка

В ряде случаев для увеличения нагрузочной способности передачи, уменьшения ее габаритов и металлоемкости достигают разности средних твердостей НВ_1ср - НВ_2ср ≥ 70. При этом твердость рабочих поверхностей зубьев колеса составляет ≤ 350 НВ, а зубьев шестерни ≥ 350 НВ и измеряется по шкале Роквелла. Соотношение твердостей в единицах НВ и НRС представлено выше на рисунке 2.1.

Определение допускаемых контактных напряжений

Допускаемые контактные напряжения при расчетах на прочность определяются отдельно для зубьев шестерни и колеса в следующем порядке:

1. Определяется коэффициент долговечности К_HL:

 

 

где - число циклов перемены напряжений, соответствующее пределу выносливости (таблица 2.2);

- число циклов перемены напряжений за весь срок службы (наработка).

 

Таблица 2.2 – Значение числа циклов

Средняя твердость поверхности зубьев	НВср
HRCср	---
, млн.циклов		16,5		36,4

 

Рекомендуется принимать в зависимости от термообработки. Если , то необходимо принять .

2. Определить допускаемое контактное напряжение , соответствующее пределу контактной выносливости при числе циклов перемены напряжений .

 

Таблица 2.3 – Определение допускаемых напряжений

Термообработка	Марка стали	,МПа	,МПа
Улучшение	45 40Х 40ХН 35ХМ 45ХЦ	1,8 НВср+70	1,03НВср
Закалка по контуру	40Х 40ХН 35ХМ 45ХЦ	14НRСср+170
Закалка сквозная
Цементация и закалка	20Х 20ХНМ 18ХГТ 12ХН3А 25ХГНМ	19НRСср

 

3. Определить допускаемые контактные напряжения для зубьев шестерни и колеса :

 

Цилиндрические и конические зубчатые передачи с прямыми и непрямыми зубьями при НВ_1ср – НВ_2ср = 20…50 рассчитывают по меньшему из полученных значений для шестерни ( и колеса ( ), т.е. по менее прочным зубьям.

 

Таблица 2.4 – Предельные значения коэффициентов долговечности и для зубчатых передач

Материал зубчатого колеса
min	max	min	max
Сталь НВ ≤ 350		2,6		2,08
НВ > 350		2,6		1,63
Чугун		1,4		1,63
Неметаллические

 

 

Зубчатые передачи с непрямыми зубьями при разности средних твердостей рабочих поверхностей зубьев шестерни и колеса НВ_1ср – НВ_2ср ≥ 70 и твердости зубьев колеса ≤ 350 НВ₂ рассчитывают по среднему допускаемому контактному напряжению:

 

При этом не должно превышать 1,23 для цилиндрических косозубых колес и 1,15 для конических колес с непрямыми зубьями. В противном случае и .

4. Определить допускаемые напряжения изгиба . Проверочный расчет зубчатых передач на изгиб выполняется отдельно для зубьев шестерни и колеса по допускаемым напряжениям изгиба и , которые определяются в следующем порядке:

- определяется коэффициент долговечности К_FL:

 

 

где - число циклов перемены напряжений для всех сталей, соответствующее пределу выносливости;

- число циклов перемены напряжений за весь срок службы (наработка).

При твердости ≤ 350 НВ . Если имеем твердость > 350 НВ . Если , то необходимо принять .

- определить допускаемое напряжение изгиба , соответствующее пределу изгибной выносливости при числе циклов перемены напряжений (определяем по таблице 2.3)

- определить допускаемые контактные напряжения изгиба для зубьев шестерни и колеса :

 

Для реверсивных передач уменьшают на 25%.

 

Таблица 2.5 – Материалы для червячных колес

5. При расчете червячной передачи червяки изготавливают из тех же марок сталей, что и шестерни зубчатых передач. Выбор марки стали для червяка и определение ее механических характеристик производят аналогично зубчатому зацеплению. При этом для передач малой мощности (менее 1кВт) применяют термообработку – улучшение с твердостью ≤ 350 НВ, а для передач большей мощности с целью повышения КПД – закалку ТВЧ до твердости ≥ 45 НRС, шлифование и полирование витков червяка.

Материалы для изготовления зубчатых венцов червячных колес условно делят на три группы: группа I - оловянные бронзы; группа II - безоловянные бронзы и латуни; группа III - серые чугуны. В учебных целях при проектировании достаточно принимать материалы I группы.