Алгоритм проектирования цилиндрических зубчатых передач

1. Выбрать материалы и термообработку для изготовления шестерни, и колеса передачи.

2. Вычислить допускаемые контактные напряжения и напряжения изгиба.

3. Назначить степень точности изготовления передачи.

4. Вычислить расчетный крутящий момент.

5. Определить межосевое расстояние передачи исходя из условия контактной прочности зубьев колеса.

6. Произвести согласование межосевого расстояния с ГОСТ 2185 – 66.

7. Рассчитать основные геометрические и кинематические параметры передачи.

8. По величине фактической окружной скорости в зацеплении уточнить степень точности изготовления передачи и величину расчетного крутящего момента.

9. Произвести проверочные расчеты зубьев шестерни и колеса на усталостную прочность.

10. Выполнить эскизную компоновку рассчитанной передачи.

11. Сконструировать шестерню и колесо.

12. Выбрать подшипники для опор валов передачи.

13. Произвести проверочный расчет выбранных подшипников, по результатам которого сконструировать опорные узлы валов передачи.

14. выбрать сорт и способ смазки зацеплений и подшипников. Вычислить требуемый объём масляной ванны и уровни масла в редукторе.

15. Сконструировать и проверить на усталостную прочность валы редуктора.

16. Сконструировать корпусные детали передачи.

17. Выбрать стандартные фланцевые крышки и уплотнения для подшипников, а также весь необходимый для сборки редуктора крепеж.

18. Вычертить редуктор в трех проекциях.

19. Назначить допуски и посадки. Проставить все необходимые для сборочного чертежа размеры и надписи (технические требования и техническая характеристика).

20. Составить спецификацию редуктора. Проставить позиции спецификации на чертеже. Завершить оформление чертежа.

Основные сведения к расчетам зубчатых передач

При расчетах зубчатых передач (цилиндрических и конических) следует иметь в виду, что:

· твердость поверхностей зубьев шестерни (НВ₁) должна быть выше, чем у зубьев колеса (НВ₂), так как каждый зуб шестерни попадает под нагрузку в передаточное число раз чаще зуба колеса;

· чем тверже поверхность зубьев, тем они прочнее, тем меньше габаритные размеры передачи;

· объемную закалку зубьев не следует применять (особенно для косозубых колес! ), так как она приводит к короблению зубьев и к изменению структуры материала – снижению его пластичности;

· поверхностное упрочнение следует применять только при необходимости значительного уменьшения габаритных размеров ступени редуктора;

· при твердости поверхностей зубьев в передаче до 350НВ соотношение средних значений твердости поверхностей зубьев шестерни и колеса должно быть таковым: НВ₁= НВ₂+ (20...70);

· при твердости поверхностей зубьев свыше 350НВ это соотношение:

НВ ₁= НВ₂+ (25...30);

· на стадии проектного расчета передачи (определение межосевого расстояния) следует назначать 7-ю или 8-ю степени точности изготовления передач (при окружной скорости в зацеплении колес не более 5 м/с [13, с. 32]), так как 9-ю степень точности не рекомендуют применять в редукторных зубчатых передачах;

· если проверочный расчет по контактным напряжениям покажет запас прочности зубьев колес более [20%], лучше всего уменьшить коэффициент ширины зубчатого венца Ψ _ba до его предыдущего значения в стандартном ряду коэффициентов или следует перейти к предыдущему значению межосевого расстояния передачи по стандартному ряду;

· запас прочности зубьев по контактным напряжениям s_H и по напряжениям изгиба s_F не должен превышать [20%]. Однако, основной вид разрушения редукторной зубчатой передачи – это усталостное выкрашивание контактных поверхностей зубьев (Питтинг-процесс), поэтому запас прочности зубьев по напряжениям изгиба может превышать [20%].

Выбор материалов, термообработки и допускаемых

Напряжений

При выборе материалов зубчатых колес следует учитывать назначение передачи, условия эксплуатации, требования к габаритным размерам передачи и технологию изготовления колес.

Зубчатые колеса редукторов в большинстве случаев изготавливают из сталей, подвернутых термическому упрочнению. Чугуны применяются для малонагруженных или редко работающих передач, для которых габариты и масса не имеют определяющего значения.

На практике, в основном, применяют следующие сочетания материалов и термической обработки (ТО) [13, с. 34]:

I – марки сталей одинаковы для шестерни и колеса: 45, 40Х, 40 ХН и др.; при этом в качестве ТО назначают улучшение;

II – марки сталей одинаковы для шестерни и колеса: 40Х, 40 ХН и др.; при этом ТО колеса – улучшение, а шестерни – улучшение и закалка ТВЧ;

III – марки сталей одинаковы для шестерни и колеса: 40Х, 40 ХН и др.; при этом ТО колеса и шестерни одинаковая – улучшение и закалка ТВЧ;

IV – материал колеса – стали 40Х, 40 ХН, 35ХМ и др. с ТО: улучшение и закалка ТВЧ. Материал шестерни – сталь марки 20Х, 20ХН2М, 18ХГТ, 12ХН3А и др. с ТО: улучшение, цементация и закалка;

V – марки сталей одинаковые для шестерни и колеса: 20Х, 20ХН2М, 18ХГТ, 12ХН3А и др.; при этом одинаковая ТО – улучшение, цементация и закалка.

Наряду с цементацией возможно применение нитроцементации и азотирования, при которых образуется тонкий поверхностный упрочненный слой.

Чем выше твердость рабочей поверхности зуба, тем выше допускаемые контактные напряжения и тем меньше размеры передачи. Поэтому для редукторов, к размерам которых не предъявляют особых требований, следует применять дешевые марки сталей типа стали 45 или стали 40Х с ТО по вариантам I или II.

Стали I и II группы позволяют производить чистовое нарезание зубьев после термообработки, что позволяет получить высокую точность зубьев без применения дорогостоящих отделочных операций. Зубчатые колеса этой группы хорошо прирабатываются и не подвержены хрупкому разрушению при ударных нагрузках. Поэтому для редукторов, к размерам которых не предъявляют особых требований, редукторов индивидуального и мелкосерийного производства назначают стали I или II группы. Для лучшей приработки рекомендуется назначить материал шестерни и колеса с соотношением твердости:

НВ₁ = НВ₂ + (20…70) – при твердости зубьев НВ ≤ 350

НВ₁ = НВ₂ + (25 … 30) – при твердости зубьев НВ > 350,

где НВ₁ – среднее значение твердости зуба шестерни, НВ₂ – среднее значение твердости зуба колеса.

Необходимое различие в твердости материалов зубчатых колес можно получить, комбинируя сочетания марок материалов и способов термообработки. Например, можно использовать одинаковую марку стали для шестерни и колеса, но различные их термические обработки или применить различные марки сталей для шестерни и колеса, а термическую обработку одинаковую (таблицы 10 и 11).

Таблица 10 – Рекомендуемые сочетания материалов зубчатых колес [13, с. 34]

Шестерня	Колесо	Область применения
Марка стали	Термообработка	Марка стали	Термообработка
	Нормализация, улучшение, закалка, закалка ТВЧ, НВ ≤ 350	35Л	Нормализация, улучшение, закалка, закалка ТВЧ для стального литья и нормализации НВ ≤ 350	Основное применение для большинства металлургических, подъёмно-транспортных машин и машин непрерывного транспорта
	45Л
35Х 40Х45Х	40ГЛ
40ХН ЗХГС	35Х 40Х 40ГЛ
20Х 12ХНЗА 20ХН2М 40ХН2МА 16ХГТ	Цементация и закалка НВ > 350 40…63 НRС	20Х 12ХНЗА 18ХГТ	Цементация и закалка НВ > 350 40 … 63 НRС	Особо ответственные быстроходные передачи станков и транспортных машин

Допускаемые контактные напряжения для стальных зубчатых колес определяют по зависимости:

(13)

Допускаемые напряжения изгиба:

(14)

где σ _H _lim _b, σ _F _lim _b– пределы выносливости материалов колес при базовом числе циклов, соответственно: контактной и изгибной выносливости.

[S_H], [S_F] - коэффициенты безопасности по контактным напряжениям и напряжениям изгиба;

K_HL, K_FL – коэффициенты долговечности по контактным напряжениям и напряжениям изгиба; их вычисляют по зависимостям (15) и (16);

K_FC – коэффициент, учитывающий реверсивность работы передачи и твердость поверхностей зубьев (таблица 11).

При постоянном режиме работы передачи: K_HL = K_FL = Z_R = Z_V = 1, 0 (при ином режиме работы передачи – см. [6, с. 146]).

Коэффициенты долговечности рассчитывают по зависимостям:

, (15)

где N_o, N – соответственно: базовое и фактическое число циклов нагружения зубьев.

Таблица 11 – Значение коэффициента К_FC [13, с.45]

Условия работы передачи	К_FC
Зуб работает одной стороной двумя сторонами (НВ≤ 350) двумя сторонами (НВ> 350)	1, 0 0, 7 0, 8

Таблица 12 – Механические свойства сталей [13, с. 35]

Марка	Твердость по HRC или по НВ	Предел прочности, МПа	Предел текучести, МПа	Термическая обработка
	140 … 187 195 … 212			Н У
	152 … 207 187 … 217			Н У
	167 … 217 180 … 236			Н У
	180 … 229 228 … 255 40 … 66HRC			Н У ТВЧ
35Х	190 … 220 220 … 200			Н У
40Х	200 … 230 215 … 285 45 … 50 HRC 40 … 56 HRC			Н У З ТВЧ
45Х	230 … 280			У
35ХМ	241 … 269 38 … 55 HRC			У ТВЧ
40Х	220 … 250 241 … 295 48 … 54 HRC			Н У З
ЗОХГС	215 … 250 235 … 280			Н У
20Х	52 … 62 HRC			Ц
12ХНЗА	56 … 63 HRC			Ц
18ХГТ	52 … 62 HRC			Ц
35Л	142 НВ			Н
45Л	157 НВ			Н
55Л	171 НВ			Н

Примечание. Н – нормализация, У – улучшение, З – закалка, Ц – цементация, ТВЧ – закалка токами высокой частоты.

Таблица 13 – Пределы базовой выносливости и коэффициенты безопасности

[13, с. 34 и с. 45]

Термическая обработка	Твердость зубьев	Стали	σ _H_lim _b	[S_H]	σ _F_lim _b	[S_F]
Нормализация, улучшение	НВ < 350	35, 40, 45, 50, 40Х, 40ХН, 35ХМ	2НВ+70	1, 1	1, 8 НВ	1, 75
Объемная закалка	45…56HRC	40Х, 40ХН 35ХМ	18 HRC+150	500…600
Закалка ТВЧ	52…65HRC	12ХНЗА, 20ХН2М, 40ХН2МА, 18ХГТ	17HRC+200	1, 2
Цементация и закалка	23HRC	710…750	1, 55

Примечание. Для проката [S_F] = 1, 9 … 2, 0; для литья [S_F] = 2, 1 … 2, 2

Фактическое число циклов нагружения зубьев шестерни можно определить по зависимости:

N = t ^. k _год^.365 ^.k _c_ут^.24^.60^.n₁ , (16)

где t – срок службы передачи; обычно принимают для зубчатой передачи

t = 8 лет;

k _год – коэффициент работы передачи в году;

k _c_ут – коэффициент работы передачи в сутки.

Если фактическое число циклов нагружения зубьев равно или больше базового, то расчет коэффициентов долговечности не выполняют, а принимают их равными K _FL = K_HL = 1.

Допускаемые напряжения для материалов шестерни и колеса σ _НР2, σ _F_Р1, σ _FР2 следует рассчитать по формулам 13 и 14.

⇐ Предыдущая 1 234 5 6 Следующая ⇒