2. ЗАКРЫТЫЕ ЦИЛИНДРИЧЕСКИЕ ЗУБЧАТЫЕ ПЕРЕДАЧИ.

Зубчатая передача является трехзвенным механизмом – ведущее звено (шестерня, звено меньшего диаметра), ведомое звено (колесо, звено большего диаметра) и неподвижное звено (стойка). На практике приняты все параметры, относящиеся к шестерне обозначать индексом «1», а все параметры, относящиеся к колену индексом «2».

2.1 Выбор материалов зубчатых колес.

Рассмотрим выбор материала зубчатых колес. Зубчатые колеса изготавливают из стали, чугуна и не металлических материалов. Однако в силовых передачах, как правило, чугуны и не металлические материалы не применяют. В дальнейшем, в качестве материалов зубчатых колес будем рекомендовать только стали.

Колеса малоответственных передач в машинах общего назначения, колеса открытых зубчатых передач и колеса, работающих при небольших и средних крутящих моментах (до 200000 Нмм) подвергают объемной закалке с высоким отпуском. У таких передач твердость материала колеса будет НВ₂ £ 350. Зубья могут быть нарезаны после термообработки; благодаря этому отпадает необходимость выполнения дорогих доводочных операций. Для предотвращения заедания и лучшей приработки нижний предел твердости шестерни, как показывает практика, должен быть на ∆HB = 30…50 единиц НВ выше верхнего предела твердости колеса т.е.

НВ₁ = НВ₂ + ∆HB

В табл. №1. приведены механические свойства некоторых марок сталей после объемной закалки в масле. Некоторые рекомендуемые сочетания марок стали для шестерни и колеса при твердости НВ £ 350 приведены в табл. №2.

Табл. № 1

Марка стали	Температ. отпуска 0С	Предел прочности sв, Н/мм2		Предел текучести sт, Н/мм2	Твердость НВ	Примечан.
35	Стали с объемной закалкой
	200 300 400 500 600		1139 1027 911 799 694	970 870 750 560 490	335 302 268 235 204
40	200 300 400 500 600	1410 1224 1054 877 748		1250 1110 880 710 530	415 360 310 258 220
45	200 300 400 500 600	1673 1421 1190 969 802		1550 1270 1020 820 590	492 418 650 285 236
40X	200 300 400 500 600	1800 1640 1376 1076 860		1590 1420 1220 860 740	552 498 417 326 265
30XГСА	225 300 400 500 600	1800 1680 1480 1280 1060		1610 1520 1340 1160 950	545 504 448 388 318
40XНМА	320 400 480 560	1600 1400 1250 1080		1450 1280 1130 970	485 415 375 320
12XНЗА	300 400 500 600	1260 1180 1000 830		-- -- -- --	380 345 295 240

Табл. №2

Марка стали.
шестерни	колеса	шестерни	колеса
45 50 55 50Г	35, 35Л, 40Л 40 45 40, и45, 35Л	35X, 40X 30XГСА 40X Н	50, 55, 40Л 35X, 40X 35X, 40X

Колеса ответственных передач в транспортных машинах, как правило, при Т₂ > 200000 Нмм, должны иметь твердость зубьев НВ₁ = НВ₂ > 350 и более вязкую сердцевину. Различная твердость в одном объеме металла получают, путем поверхностной закалки токами высокой частоты (ТВЦ) или химико – термической обработкой (цементация, азотирование и т.п.).

Наиболее производительна закалка ТВЧ по контуру зубъев колес из сталей с содержанием углерода 0,3…0,5%. Это стали 40Х, 35XM, 40XH. Толщина закаленного слоя при этом 3…4 мм и твердость поверхности 45…55 HRC.

Закалку ТВЧ по технологическим причинам применяют для обработки зубьев с модулем m ³ 5 мм. Мелкомодульные колеса изготавливают из малоуглеродистых сталей (0,12…0,3 % С) с последующей цементацией поверхностных слоев зубьев и закалкой. Глубина цементируемого слоя не превышает 2 мм, твердостью поверхности зубьев 50…60 НКС. Это стали 20X, 18XГТ, 12XHЗА и др.

Выбор термической или химико-термической обработки материалов колес может быть скорректирован после прочностного расчета и определения модуля зацепления. Некоторые рекомендуемые сочетания марок сталей для шестерни и колеса при НВ > 350 приведены в табл. 3.

Табл. № 3

Марка стали.
шестерни	колеса
45, 50 55, 55Г 35X, 40Г 40XH 15X, 20X	40 40, 50 50, 55 35X, 40X 15X, 20X

В табл. 4 приведены механические свойства не­которых марок сталей, полученные поверхностным термическим и химико-термическим упрочнением. Причем НРС указывает на поверх­ностную твердость сталей, а σв , σТ и НВ - это характерис­тики сердцевины.

Табл. 4

Марка стали

Предел прочности, Н/мм2

Предел текучести, Н/мм2

Твердость НВ

Твердость HRC

Стали с цементацией

20X	650	400	192	56-62
20ХГ	800	600	242	56-62
18ХГТ	1000	600	303	56-63
12ХНЗА	1000	600	303	56-63
2оХГНМ	1000	800	303	56-63
20ХНМ	1000	800	303	56-63
Стали с поверхностной закалкой ТВЧ
40Х	900	750	273	42-50
35ХМ	920	750	280	50-56
40ХН	920	750	280	50-56

Закалка колес после цементации приводит к короблению зубьев, поэтому необходимо дополнительные доводочные операции (шлифование, полировка, обкатка) Другие виды химико-термической обработки (азотирование, нитроцементирование и т.п.) в общем, машиностроение применяются редко.

Первоначально студенту трудно выбрать необходимое сочетание материалов шестерни и колеса, поэтому в табл. 5 приведены примерные рекомендации по выбору твердости материала шестерни в зависимости от передаваемого крутящего момента.

Табл. № 5

Т2, Н. мм.	НВ1	∆HB
< 25000	250…280	30…50
25000 £ Т2 < 100000	280…320	30…50
10000 £ Т2 < 200000	320…350	30…50
200000 £ Т2 < 500000	350…450	0
Т2 ³ 500000	450…600	0

Примечание: При выборе НВ₁ для цилиндрической передачи червячно – цилиндрического редуктора (первая ступень червячная, а вторая ступень цилиндрическая передача) есть особенность. Независимо от велечины Т₂ следет брать НВ₁ = 250…300, т.к. существует опасность «налезания» колеса червячной передачи на вал колеса цилиндрической передачи.

Поясним вышеизложенное на примере.

Т₂ = 470400 Н.мм. По табл. 5 требуемая твердость НВ₁ = 350…450 по табл. 3 возможное сочетание материалов шестерня – сталь 40 XH, колесо – сталь 40X с поверхностной закалкой ТВЧ до НВ₁ = НВ₂ = 450 и ∆HB = 0 ( Табл. 4).

Для тихоходных, преимущественно крупногабаритных и открытых зубчатых передач в качестве материала для зубчатых колес возможно применение чугуна различных марок.

В табл. 6 приведены механические свойства некоторых марок чугуна, применяемого для изготовления зубчатых колес.

Табл. 6

Род	Марка	Предел прочности	Твердость
чугуна	чугуна	при изгибе σвм	НВ	С1
		Н/мм2
Серый	СЧ16-32	320	160	15
	СЧЛ4-44	440	170...190
Модифици-	СЧ32-О2	520	170... 241	18
рованный	СЧЗо-56	560	197...248