СИЛЫ В ЗАЦЕПЛЕНИИ ЗУБЧАТЫХ ПЕРЕДАЧ

ЦИЛИНДРИЧЕСКИЕ ЗУБЧАТЫЕ ПЕРЕДАЧИ

 

Силы, действующие в зацеплении передачи, принято прикладывать в полюсе зацепления W (рис. 2.10…2.11) в предположении, что вся нагрузка передаётся одной парой зубьев. При этом распределенную нагрузку по линии контакта зубьев заменяют результирующим вектором , направленным по линии зацепления, в нормальной плоскости к поверхности зуба. Выбирают систему координат с началом в полюсе зацепления W посередине ширины венца: ось X направляют вдоль окружной скорости, ось Y перпендикулярно и ось Z вдоль оси зубчатого колеса.

Нормальную силу , приложенную в полюсе зацепления, раскладывают по осям координат.

Для цилиндрической прямозубой передачи (рис. 2.10) силу  раскладывают на окружную  (вдоль оси X) и радиальную  (вдоль оси Y), что удобно при расчёте валов и опор.

При этом силы  и  (Н):

для шестерни

; ;

для колеса

; ,

 

где ,  - вращающий момент соответственно на шестерне 1 и колесе 2, , , - .

Окружные силы на шестерне  и колесе  равны по величине, но противоположно направлены:

;

аналогично радиальная сила на шестерне  равна по величине радиальной силе на колесе , но имеет противоположное направление:

.

 

 

Рис. 2.10. Силы в зацеплении цилиндрической прямозубой передачи

Для цилиндрической косозубой передачи (рис. 2.11) силу  раскладывают на три составляющие:

окружную  (Н) (вдоль оси X):

; ,

где ,  - , , - ;

радиальную  (Н) (вдоль оси Y):

; ;

осевую  (Н) (вдоль оси Z):

; .

При этом:

; ; .

 

Направление сил ,  и  на шестерне противоположно направлению соответствующих сил ,  и  на колесе.

 

 

Рис. 2.11. Силы в зацеплении

Цилиндрической косозубой передачи

 

 

В цилиндрической шевронной передаче осевые силы , действующие на каждую половину шеврона, уравновешиваются на зубчатых колёсах и не передаются на подшипники. Окружную  и радиальную  силы определяют так же, как и для косозубых зубчатых колёс.

КОНИЧЕСКИЕ ЗУБЧАТЫЕ ПЕРЕДАЧИ

 

В конической зубчатой передаче с прямыми и круговыми зубьями нормальную силу , приложенную в полюсе зацепления W, также раскладывают на три составляющие, рассчитываемые по среднему делительному диаметру : ,  и . Расчёт этих сил, а также направление их для шестерни и колеса, подробно рассмотрены в соответствующих примерах расчёта: для конической зубчатой передачи – в примере 2.3, п.11, для конической передачи с прямыми зубьями – в примере 2.4, п.11.

 

ВИДЫ РАЗРУШЕНИЯ ЗУБЬЕВ ЗУБЧАТЫХ ПЕРЕДАЧ

При передаче механической энергии зубья передачи, проходя зону зацепления, подвергаются циклическому нагружению. На контактирующих поверхностях зубьев действуют нормальная к поверхности сила  и сила трения , связанная со скольжением (рис. 2.12, а). Под действием этих сил зуб находится в сложном напряжённом состоянии. На линии контакта зубьев возникают контактные напряжения , распределённые по некоторой площадке контакта, а у основания зуба возникают напряжения изгиба . Для каждого зуба напряжения  и  изменяются во времени по прерывистому отнулевому циклу (рис. 2.12, б). Время действия напряжений (рис. 2.12, )  за один оборот зубчатого колеса ( ) равно продолжительности зацепления одного зуба ( ). Напряжения  действуют ещё меньшее время. Это время, как считает профессор М.Н.Иванов [1], равно продолжительности пребывания в зацеплении данной точки поверхности зуба с учётом зоны распространения контактных напряжений.

   

    

 

     

 

Рис. 2.12. Напряжения, возникающие

в зубьях (а), и характер их

нагружения (б)

 

 

Переменный характер напряжений, возникающих в зубьях, является основной причиной их усталостного разрушения: усталостного выкрашивания поверхностных слоёв зубьев от контактных напряжений и усталостной поломки зубьев от напряжений изгиба. С контактными напряжениями и трением в зацеплении связаны также износ и заедание зубьев.

Усталостное выкрашивание активных поверхностей зубьев от контактных напряжений является наиболее распространённым видом разрушения активных поверхностей зубьев для большинства хорошо смазываемых и защищённых от загрязнений зубчатых передач. Зубья таких передач разделены тонкой масляной плёнкой, что устраняет металлический контакт и снижает до минимума износ. Передача работает длительное время до появления усталости в поверхностных слоях зубьев, которая проявляется в образовании и развитии усталостных микротрещин. Циклическое действие контактных напряжений  приводит к циклическому деформированию активных поверхностей зубьев. В результате повторяющихся микропластических сдвигов усталостные микротрещины образуются в месте концентрации напряжений из-за микронеровностей или неметаллических включений, всегда присутствующих в стали.

В пределах деформированного слоя микротрещина развивается наклонно к поверхности, а затем – по границе деформированного слоя. Перед площадкой контакта в раскрытую силами трения микротрещину попадает смазочный материал, на площадке контакта под нагрузкой микротрещина закрывается, что приводит к созданию повышенного давления в смазке и развитию усталостных трещин в более глубокие слои. Одновременно наблюдается скалывание краёв микротрещин, отрыв частиц металла с поверхности зуба и появление небольших углублений, напоминающих оспинки (раковины). Усталостное выкрашивание начинается обычно на ножках зубьев вблизи полюсной линии (рис. 2.13, ), где действует наибольшая нагрузка (зона однопарного зацепления) и максимальная сила трения (вблизи полюса минимальные скорости скольжения), а скольжение и перекатывание зубьев направлены так, что масло запрессовывается в микротрещины, способствуя выкрашиванию частиц металла. Постепенно усталостное выкрашивание распространяется на всю поверхность ножек зубьев. Поверхности головок выкрашиваются очень редко.

При выкрашивании нарушаются условия образования сплошной масляной плёнки (масло выжимает в выемки), появляется металлический контакт, что приводит к последующему быстрому износу и задиру поверхностей зубьев.

При малой толщине упрочнённого слоя поверхностно-упрочнённых зубьев и при больших контактных напряжениях усталостные микротрещины могут зарождаться в глубине – под упрочнённым слоем или на его границе, т.е. в подкорковом слое. Нарушение равновесия внутрикристаллических связей приводит к отслаиванию тонкого упрочнённого слоя у зубчатых колёс.

Образование первых усталостных раковин не всегда служит признаком начала выхода передачи из строя. В передачах с твёрдостью поверхности зубьев HB наблюдается начальное или ограниченное выкрашивание, связанное с приработкой недостаточно точно изготовленных зубчатых передач. Оно появляется в местах концентрации нагрузки по длине зубьев (в косозубых передачах – по причине неполного использования контактных линий вследствие погрешностей шагов) после непродолжительной работы и затем приостанавливается. Ограниченное выкрашивание практически не отражается на работе передачи, так как образовавшиеся ямки (раковины) постепенно исчезают вследствие сглаживания. Прекращение дальнейшего выкрашивания у прирабатывающихся материалов объясняется тем, что разрушение мест концентрации нагрузки выравнивает её распределение по длине зуба.

При высокой твердости зубьев ( HB) явление ограниченного выкрашивания при работе передачи обычно не наблюдается. Образовавшиеся раковины быстро растут вследствие хрупкого разрушения их краёв, переходя в прогрессирующее выкрашивание.

В передачах, работающих со значительным износом, усталостное выкрашивание не наблюдается, так как поверхностные слои зубьев истираются раньше, чем в них появляются усталостные микротрещины.

Для предотвращения усталостного выкрашивания активные поверхности зубьев рассчитывают на сопротивление контактной усталости.

Поломка зубьев связана с напряжениями изгиба  и является наиболее опасным видом разрушения, так как приводит к полной утрате работоспособности передачи и к повреждению других деталей (валов, подшипников) из-за попадания в них выломившихся кусков зубьев.

Различают усталостную поломку зубьев и поломку от больших перегрузок ударного или даже статического действия.

Усталостная поломка происходит обычно после длительной эксплуатации передачи по причине усталости материала в результате многократно повторяющихся рабочих нагрузок и связана с развитием усталостной трещины у основания зубьев на стороне растянутых волокон.

При поломке зубьев чаще всего наблюдается выламывание углов зубьев вследствие концентрации нагрузки (рис. 2.13, д). Известны случаи выламывания полностью по основанию прямых коротких зубьев. Зубья шевронных и широких косозубых зубчатых колёс обычно выламываются по косому сечению (от основания зуба на одном торце к вершине зуба на противоположном торце под углом  наклона зубьев).

При полном выламывании прямых коротких зубьев по сечению у основания зуба было установлено, что при усталостной поломке на теле зубчатого колеса после излома остаётся вогнутая, а при поломке вследствии больших перегрузок – выпуклая поверхность.

Для предотвращения усталостной поломки зубьев их рассчитывают на сопротивление усталости при изгибе. Поломку от больших перегрузок предупреждают защитой механических приводов от перегрузок или соответствующим расчётом при кратковременной перегрузке.

Износ зубьев является основной причиной выхода из строя открытых передач, а также закрытых передач с недостаточной защитой от загрязнения абразивными частицами (пыль, продукты износа и т.п.). Износ зубьев характерен для передач горных, дорожных, грузоподъёмных, транспортных и сельскохозяйственных машин. По мере изнашивания зуб становится тоньше (рис. 2.13, б), ослабляется его ножка и уменьшается площадь его поперечного сечения. У изношенной передачи увеличиваются зазоры в зацеплении, что приводит к повышению шума и динамических нагрузок, - к ослаблению зубьев и в конечном результате к их поломкам.

При расчёте зубчатых передач, у которых наблюдается износ зубьев, допускаемые контактные напряжения снижают до значений, установленных на основе опыта эксплуатации данных машин или других подобных конструкций.

Заедание зубьев – местное молекулярное сцепление (микросварка) сопряжённых поверхностей зубьев вследствие разрыва масляной плёнки и образования металлического контакта. В результате местного повышения температуры по причине скольжения в зоне контакта происходит как бы сваривание частиц металла с последующим отрывом их от менее прочной поверхности. Образующиеся при разрыве мостиков микросварки наросты задирают рабочие поверхности зубьев в направлении скольжения (рис. 2.13, в).

Меры предупреждения те же, что и против износа: повышение твёрдости и понижение шероховатости активных поверхностей зубьев, нарезание зубьев со смещением инструмента, охлаждение смазки. Эффективным средством является применение противозадирных масел с повышенной вязкостью и химически активными добавками.

 

Рис. 2.13. Виды разрушения зубьев:

а – усталостное выкрашивание;

 б – износ; в - заедание; г, д - поломка

 

Опыт эксплуатации зубчатых передач показал, что заеданию зубьев способствует кромочный удар. Поэтому желательно фланкирование зубьев (выполнение верхнего участка эвольвенты с отклонением в тело зуба). Для нарезания фланкированных зубьев применяют тот же зуборезной инструмент, но при исходном контуре со срезами.

Кроме перечисленных наиболее распространённых видов разрушения зубьев, на практике наблюдаются ещё два вида разрушения: отслаивание твёрдого поверхностного слоя зубьев и пластический сдвиг.

Отслаивание твёрдого упрочнённого поверхностного слоя зубьев, подвергнутых закалке ТВЧ, цементации и азотированию, наблюдается при невысоком качестве термообработки, когда внутренние напряжения не сняты отпуском или когда упрочнённый поверхностный слой зубьев не имеет под собой достаточно прочной сердцевины.

Пластические сдвиги вблизи полюсной линии наблюдаются у тяжелонагруженных передач под действием больших сил трения при низкой твёрдости поверхностей зубьев.

На практике часть выходов из строя зубчатых передач связана с вводом в зацепление на ходу передвижных зубчатых колёс (наблюдается повреждение торцов зубьев), погрешностями изготовления, шлифовочными прижогами и трещинами и т.д.

Из всех видов разрушения зубчатых передач в настоящее время наиболее изучены усталостное выкрашивание активных поверхностей зубьев и их усталостная поломка. Это позволило разработать методику расчёта стальных закрытых хорошо смазываемых эвольвентных зубчатых передач на контактную прочность активных поверхностей зубьев и на прочность зубьев при изгибе.

Специальные методы расчёта для предупреждения других разрушения зубьев в настоящее время ещё не разработаны или недостаточно разработаны. Но так как выбор допускаемых контактных напряжений, являющихся основными напряжениями при расчёте зубчатых передач, проверен опытом эксплуатации этих передач, то они косвенно учитывают и остальные виды повреждений зубьев.

ВЫБОР ВАРИАНТА ТЕРМООБРАБОТКИ ЗУБЧАТЫХ КОЛЁС

 

На выбор твердости, вида термообработки и материала зубчатых колес оказывают влияние конструкция разрабатываемого узла, его назначение, условия эксплуатации, тре­бования к габаритным размерам, доступность имеющимся производственным возможно­стям, а также тип производства: единичный, серийный (мелкосерийный, среднесерийный, крупносерийный) и массовый.

Основными материалами для изготовления зубчатых колес в настоящее время явля­ются термически обрабатываемые стали (табл. 2.1).

В зависимости от твердости Н рабочих (активных) поверхностей зубьев различают зубчатые колеса твердостью Н 350НВ (нормализованные и улучшенные) и зубчатые колеса твердостью Н 350НВ (поверхностно закаленные, цементованные и азотированные).

При нормализации и улучшении, когда Н 350НВ, твердости поверхности зубьев и их сердцевины близки (см. табл. 2.1). При Н 350НВ твердость материала измеряют по Роквеллу HRC_Э (1 HRC_Э 10 НВ). В последнем случае твердости поверхности зубьев и их сердцевины различны.

Чистовое нарезание зубьев стальных зубчатых колес твердостью Н 350НВ производят после термообработки заготовки, что обеспечивает довольно высокую точность их изготовления без дополнительных финишных операций. Такая зубчатая пара хорошо прирабатывается и зубья не подвержены хрупкому разрушению при динамических нагрузках. Для лучшей прирабатываемости твердость зубьев шестерни принимают больше твердости зубьев колеса на 20…30 единиц.

При твердости поверхности зубьев Н> 350НВ термическую или химическую обработку ведут после зубонарезания, что сопровождается короблением поверхностей зубьев, особенно при цементации. Для исправления формы зубьев после термообработки требуются дополнительные отделочные операции (шлифование, притирка, обкатка и т.п.).

Дадим краткую характеристику основным способам упрочнения поверхностей зубьев.

Улучшение. Применяют в мало- и средненагруженных передачах при отсутствии жестких требований к габаритам. В условиях мелкосерийного и единичного производства улучшаемые стали используют для изготовления зубчатых колес малых и средних размеров. Чистовое нарезание зубьев улучшаемых колес производят после термообработки заготовки, что исключает шлифование и позволяет обеспечить высокую точность их изготовления. Зубья хорошо прирабатываются и не подвержены хрупкому разрушению при динамических нагрузках. Применяют качественные углеродистые стали 40, 45 и легированные 35ХМ, 40Х, 40ХН и др. Твердость Н 350НВ, твердости поверхности и сердцевины зуба близки.

Поверхностная закалка токами высокой частоты (ТВЧ). Выполняется после нарезания зубьев. Заготовка зубчатого колеса предварительно перед нарезанием зубьев подвергается термообработке – улучшение. При закалке ТВЧ в течение 20…50 с нагреваются лишь поверхностные слои зубьев. По этой причине толщина закаливаемого слоя мала и деформации при закалке невелики, что в свою очередь не требует шлифования зубьев. Однако в данном случае трудно обеспечить степень точности выше 8-й. Для получения зубчатых колес 6-й и 7-й степеней точности необходимы дополнительные отделочные операции. Размеры зубчатых колес при закалке ТВЧ практически неограничены. Необходимо лишь учитывать, что при модулях  опасно прокаливание зуба насквозь, что делает зуб хрупким и сопровождается его короблением.

Для поверхностной закалки ТВЧ используют среднеуглеродистые легированные стали 40Х, 40ХН, 35ХМ и др. Твердость на поверхности зубьев 45…50 НRС_Э (для стали 40Х) и 48…53 НRС_Э (для сталей 35ХМ и 40ХН) (см. табл. 2.1). Твердость сердцевины зуба для данных марок сталей 269…302 НВ. Из-за повышенной твердости поверхностей зубьев зубчатые колеса плохо прирабатываются.

Сочетание косозубой шестерни, подвергнутой закалке ТВЧ, и косозубого колеса, изготовленного из улучшенной стали, дает большую нагрузочную способность, чем в том случае, если их выполнить только из улучшенных сталей с той же твердостью, что и твёрдость колеса. Такая пара хорошо прирабатывается, и ее применение предпочтительно, когда нельзя обеспечить высокую твердость поверхностей зубьев колеса.

 

Таблица 2.1 – Характеристика сталей, применяемых для зубчатых колес

Марка стали	Термическая обработка	Твердость зубьев		Размеры,
		в сердцевине	на активной поверхности
45	Улучшение	235…262 НВ	235…262 НВ	125	80	540
45	Улучшение	269…302 НВ	269…302 НВ	80	50	650
40Х	Улучшение	235…262 НВ	235…262 НВ	200	125	640
40Х	Улучшение	269…302 НВ	269…302 НВ	125	80	750
40Х	Улучшение+ +закалка ТВЧ	269…302 НВ	45…50 HRCЭ	125	80	750
35ХМ	Улучшение	235…262 НВ	235…262 НВ	315	200	670
35ХМ	Улучшение	269…302 НВ	269…302 НВ	200	125	790
35ХМ	Улучшение+ +закалка ТВЧ	269…302 НВ	48…53HRCЭ	200	125	790
40ХН	Улучшение	235…262 НВ	235…262 НВ	315	200	630
40ХН	Улучшение	269…302 НВ	269…302 НВ	200	125	750
40ХН	Улучшение+ +закалка ТВЧ	269…302 НВ	48…53HRCЭ	200	125	750
20Х, 20ХНМ, 12ХН3А, 18ХГТ, 25ХГМ	Улучшение+ +цементация+ +закалка	300…400 НВ	56…63HRCЭ	200	125	800
40ХНМА, 38Х2МЮА	Улучшение+ +азотирование	269…302 НВ	50…56HRCЭ	125	80	780
35Л	Нормализация	163…207 НВ	163…207 НВ	любой	любая	270
45Л	Улучшение	207…235 НВ	207…235 НВ	315	200	440
Примечания: 1.  и  – максимально допустимые по условиям термообработки диаметр шестерни и толщина стенок колеса соответственно. 2. В обозначениях сталей первые две цифры – содержание углерода в сотых долях процента; буквы – легирующие элементы: Г – марганец, М – молибден, Н – никель, С – кремний, Т – титан, Х – хром, Ю – алюминий; цифры после буквы – процент содержания этого элемента, если он превышает 1%; буквы в конце: А – высококачественная легированная сталь, Л – стальное литье

 

Цементация – поверхностное насыщение углеродом зубьев с последующей закалкой. Проводится для сталей, содержащих углерода менее 0, 3 %. Поверхности зубьев насыщают углеродом до 0, 8…1, 1 % на глубину примерно 0, 3 модуля, но не более 1, 5…2 мм. Выполняется для готовых зубчатых колес, заготовки которых перед нарезанием зубьев были подвергнуты термообработке – улучшение (в целях повышения прочности сердцевины зуба). Цементация обеспечивает очень высокую твердость поверхностей зубьев (56…63 НRС­_Э) и вязкую сердцевину, хорошо сопротивляющуюся изгибным напряжениям. При закалке после цементации форма зуба искажается, а поэтому требуются отделочные операции (шлифование и притирка).

Для цементации требуется специальное оборудование, процесс цементации дорогой и длительный (время цементации на глубину 1 мм составляет примерно 3 часа).

Для цементации широко применяют цементуемые стали: легированную хромистую сталь 20Х, а в ответственных зубчатых передачах, работающими с ударными нагрузками – легированные хромистые стали 20ХНМ, 12ХН3А, безникелевые хромистые стали 18ХГТ, 25ХГМ и др. Вышеуказанные легированные стали обеспечивают повышенную прочность сердцевины и хрупкого поверхностного слоя при перегрузках передачи.

При цементации хорошо сочетаются высокие контактная и изгибная прочности. Ее применяют в высоконагруженных передачах малых и средних размеров разных степеней точности при требованиях ограничения габаритов передачи. Недостаток – плохая прирабатываемость зубьев по причине высокой твердости их активных поверхностей.

Нитроцементация – насыщение поверхностных слоев углеродом и азотом с последующей закалкой, что обеспечивает высокую прочность, износостойкость и сопротивление заеданию. Как и цементация, проводится после нарезания зубьев на улучшенных заготовках. Процесс нитроцементации протекает с достаточно высокой скоростью. При этом упрочняется тонкий поверхностный слой зубьев (толщиной 0, 3…0, 8 мм) до твердости 56…63 НRС­_Э, коробление незначительное, поэтому последующее шлифование не применяют.

Для нитроцементации требуется дорогое уникальное оборудование, изготовляемое только для крупносерийного и массового производства. Поэтому нитроцементация получила широкое применение в редукторах общего назначения, в автомобилестроении и других отраслях - при изготовлении небольших зубчатых колес крупносерийного и массового производства. Для нитроцементации применяют цементуемые безникелевые хромистые стали 25ХГМ, 30ХГТ и др.

Азотирование – насыщение поверхностных слоев зубьев азотом. Обеспечивает особо высокую твердость (58…67 НRС_Э) и износостойкость поверхностных слоев. Азотируют готовые зубчатые колеса без последующей закалки. Однако заготовку перед нарезанием зубьев подвергают улучшению в целях повышения прочности сердцевины зуба. После азотирования практически не отмечается коробление зуба, что позволяет получать зубчатые колеса 7-й степени точности без шлифования или притирки.

Недостатки азотирования – плохая прирабатываемость зубьев, малая толщина упрочненного слоя (0, 2…0, 5 мм) и его хрупкость. Последние два недостатка не позволяют применять азотированные зубчатые колеса при ударных нагрузках из-за опасности растрескивания упрочненного слоя и при работе с интенсивным изнашиванием (при загрязненной смазке).

Для азотирования требуется специальное оборудование, при этом процесс азотирования довольно длительный – 20…50 часов.

Для азотируемых зубчатых колес применяют молибденовую сталь 38Х2МЮА или ее заменители 38ХВФЮА и 38ХЮА.

При отсутствии абразивного изнашивания находит применение мягкое азотирование на глубину 10…15 мкм. Этот процесс более простой и производительный. Для мягкого азотирования применяют улучшенные хромистые стали 40Х, 40ХФА, 40Х2НМА.

Область применения – быстроходные точные передачи, работающие без ударов; при жестких требованиях к габаритам передач; при изготовлении зубчатых колес высокой точности без шлифования; для колес с внутренними зубьями и других, шлифование которых трудно осуществимо.

Стальное литье применяют для изготовления колес больших диаметров. Используют в основном литейные среднеуглеродистые стали 35Л, 50Л и др. Литые колеса подвергают преимущественно нормализации.

Для силовых механических приводов наибольшее распространение получили варианты термообработки, приведенные в табл. 2.2.

 

⇐ Предыдущая6789101112131415Следующая ⇒

Поделиться: