§ 14. Материалы, термообработка и допускаемые напряжения для зубчатых колес

Зубчатые колеса изготовляют из сталей, чугуна и неметаллических материалов. Колеса из неметаллических материалов имеют небольшую массу и не корродируют, а передачи с ними бесшумны в работе. Но невысокая прочность материалов и, как следствие, большие габариты передачи, сравнительно высокая стоимость изготовления колес ограничивают их применение в силовых механизмах.

Чугунные зубчатые колеса дешевле стальных колес, их применяют в малоответственных открытых передачах. Они имеют малую склонность к заеданию и хорошо работают при бедной смазке, но не выдерживают ударных нагрузок.

Наибольшее распространение в силовых передачах имеют колеса из сталей: Ст5, Ст6, 35, 35Л, 40, 40Л и др., ко­торые подвергают, как правило, термообработке для повы­шения нагрузочной способности.

Колеса малоответственных передач общего назначения, а также колеса передач, габариты которых не ограничены, под­вергают объемной закалке с высоким отпуском до твердости НВ 300 — 350 при диаметре колес до 150 мм. При увели­чении диаметра колес свыше 150 мм их твердость умень­шается до НВ200. Зубья колес, подвергнутых такой об­работке, имеют приблизительно одинаковую твердость НВ350 по всему сечению и могут быть нарезаны после термооб­работки; благодаря этому отпадает необходимость выполне­ния доводочных операций.

Для предотвращения заедания рабочих поверхностей ниж­ний предел твердости шестерни (меньшего колеса), как по­казывает практика, должен быть на 30 — 50 ед. выше верх­него предела твердости колеса.

Колеса ответственных передач в транспортных машинах и передач ограниченных габаритов должны иметь твердость зубьев НВ > 350 (или HRC > 35) и более мягкую (вязкую) сердцевину. Различную твердость в одном объеме металла получают локальной термической обработкой (поверхностной закалкой токами высокой частоты — ТВЧ) или химико-терми­ческой (цементацией, азотированием и т. п.). Наиболее про­изводительна закалка ТВЧ по контуру зубьев колес из сталей с содержанием углерода 0,3 — 0,5 %. Толщина закаленного слоя при этом достигает 3,5 — 4 мм и имеет твердость поверхности HRC 45 — 55.

Закалка ТВЧ широко применяется для обработки зубьев с модулем т5 мм. При т < 5 мм реализовать поверх­ностную закалку технологически сложно, а при т < 2,5 мм практически невозможно. В этом случае путем насыщения углеродом (цементация) поверхностных слоев зубчатых колес из малоуглеродистых сталей (С = 0,120,3 %) с последующей закалкой получают наибольшую нагрузочную способность и наименьшие габариты передач. Глубина цементованного слоя не превышает 2 мм, твердость поверхностей зубьев HRC 50 — 62. Реже применяют другие виды химико-терми­ческой обработки (азотирование, цианирование).

Отметим, что закалка колес после цементации приводит к короблению (деформации) зубьев, поэтому их форму вос­станавливают дополнительными доводочными операциями (шлифованием, хонингованием или обкаткой). Обычные методы нарезания зубьев для их доводки неприемлемы ввиду высо­кой твердости поверхностей.

При выборе материала необходимо иметь в виду, что в крупносерийном и массовом производстве заготовки колес диаметром свыше 500 — 600 мм изготовляют литьем из сталей, а при малых диаметрах — штамповкой. В последнем случае используют стали с высокой пластичностью (12Х2Н4А, 20Х, 20Х2Н4А и др.).

Допускаемые напряжения изгиба при расчете на усталость определяют по формуле

(20.32)

где — предел выносливости зубьев, соответствующий за­данному (установленному) числу циклов нагружений; S_F — ко­эффициент безопасности; Y_R — коэффициент, учитывающий влияние шероховатости поверхности, при полировании пере­ходной поверхности — ко­эффициент, учитывающий влияние абсолютных размеров зубь­ев; К_xF = 1 - 8,3 • 10^-5 d_a — то же, для колес (d_a — диаметр вер­шин колеса, мм; т — модуль, мм).

Величина коэффициента безопасности зависит от техноло­гии изготовления заготовки и требований к передаче: S_F = 1,4 — для поковок стальных, подвергнутых нормализации или улучшению, S_F = 1,6 — для отливок стальных или чугун­ных, подвергнутых отжигу, нормализации или улучшению; S_F = 1,8 — для термически необработанных поковок и отливок из стали и чугуна; S_F = 2,2 — для поковок и стальных отливок, термически обработанных; зубья имеют твердую по­верхность (НВ > 350) и вязкую сердцевину.

Таблица 20.30 Приближенные значения

В передачах, где излом зубьев недопустим по условиям техники безопасности или связан с большими производст­венными потерями, коэффициенты безопасности рекомендуется увеличить на 50 %.

Предел выносливости _Flim, соответствующий числу циклов N_FE, определяют по формуле

где — предел выносливости зубьев при базовом числе циклов N_F0 = 4*10⁶ (табл. 20.3), определяемый при усталост­ных испытаниях непосредственно зубьев на специальных ус­тановках (машинах); K_FL — коэффициент долговечности;

при

=1 при

m — показатель степени в уравнении кривой усталости; т = 9 для зубьев с нешлифованной переходной поверхностью при твердости НВ > 350, в остальных случаях т = 6; N_F0 = 10⁷ принимают при твердости сердцевины НВ 350 и N_F0 = = 15• 10⁷ — то же, при

НВ > 350. Минимальное число циклов в последних равенствах N_min = 5 • 10⁴, при меньшем числе циклов работы зубьев проводят расчет на малоцикловую усталость.

Фактическое число циклов нагружения N_FE при работе на постоянном режиме

N_FE = 60cnt; (20.33)

при нестационарном режиме нагружения эквивалентное число циклов нагружения

(20.34)

здесь — частота вращения (об/мин) колеса на i-м режиме работы при вращающем моменте Тi; i — номер режима на­гружения, i= 1, 2,..., N; с — число зацеплений зуба за один оборот колесах; ti;- продолжительность работы на i-м режиме; — максимальный вращающий момент, учитываемый в расчете;т — показатель степени кривой усталости.

Допускаемые контактные напряжения. Допускаемые напря­жения при расчете на контактную выносливость опреде­ляют по формуле

(20 35)

где — предел контактной выносливости поверхности зубь­ев;S_H — коэффициент безопасности, S_H = 1,2 для зубьев с по­верхностным упрочнением (химико-термической обработкой и др.), S_H = 1,1 — для колес без поверхностного упрочнения; Z_R, Z_v, K_L, K_xH — коэффициенты, учитывающие соответствен­но влияние шероховатости поверхности, окружной скорости, смазочного материала и размеров, их значения в среднем составляют:при 700 мм и К_хН = 0,9 при d_w = 2 500 мм.

В предварительных расчетах можно принимать произведе­ние Z_RZ_vK_LK_xH = 1.

Обратим внимание на более низкие по сравнению с S_F значения коэффициента S_F. Это связано с тем, что после появления признаков выкрашивания передача может работать еще длительное время.

Предел контактной выносливости поверхности зубьев а_Н\_1ту соответствующий фактическому числу циклов нагружения

где — предел выносливости при базовом числе циклов N₀ можно принимать из табл. 20.4 в зависимости от сред­ней твердости поверхности; K_HL— коэффициент влияния огра­ниченного числа циклов (коэффициент долговечности);

Таблица 20.4. Значения пределов выносливости

Таблица 20.5. К расчету коэффициента для колес из стали

при

при

при

Базовое число циклов N_HO и число циклов N_min определяют по табл. 20.5.

Фактическое число циклов нагружения при постоянном и переменном режимах нагружения находят из соотношений (20.33) и (20.34).

Повышать сопротивляемость поверхности зуба выкрашиванию можно увеличением межосевого расстояния, увеличением угла введением смещения, уменьшением шероховатости поверхности зуба, применением материала с повышенной твер­достью поверхностного слоя.