Основні критерії працездатності зубчастих передач:
· Стійкість до заїдання;
Згинальна міцність - міцність зуба на вигин. Недостатня міцність на вигин призводить до поломки зубів - найбільш небезпечного виду руйнування, часто приводить до пошкоджень інших деталей. Злам відбувається переважно по перетину біля основи зуба. При втомному руйнуванні злам має увігнуту форму, при руйнуванні від перевантаження - опуклу.
Зносостійкість важлива для відкритих передач, що працюють в умовах забрудненого мастила. Розрахунок на зносостійкість - за критеріями контактної міцності.
Розрахунки на стійкість до заїдання зводяться до перевірки температури в місцях контакту і в зіставленні її з температурою при заїдання для різних сполучень матеріалів чи перевірці товщини масляної плівки. Заїдання найчастіше спостерігається у крупномодульних тихохідних зубчастих передач з малим числом зубів з незагартованими поверхнями з однорідних матеріалів. Найбільший опір заїдання надають теплостійкі стали 20Х3НВФА, 16Х3НВФМБ. В даному посібнику розрахунки на стійкість до заїдання не наводяться.
Матеріали зубчастих коліс
При виготовленні сталевих зубчастих коліс застосовують такі види термічної обробки:
· Нормалізація дозволяє отримати твердість 180 ... 220 HB, тому здатність навантаження відносно невелика, але при цьому зуби коліс добре прірабативаются і зберігають точність, отриману при механічній обробці. Нормалізовані колеса зазвичай використовують у допоміжних механізмах, наприклад, в механізмах ручного управління.
Застосовувані стали: 40, 45, 50 і ін. Для підвищення стійкості проти заїдання шестерні і колеса слід виготовляти з різних матеріалів.
· Поліпшення дозволяє отримати твердість поверхні і серцевини 200 ... 240 HB (для невеликих шестерень 280 ... 320 HB), здатність навантаження трохи вище, ніж при нормалізації, але зуби коліс прірабативаются гірше. Зазвичай поліпшені колеса застосовують в умовах дрібносерійного і одиничного виробництва при відсутності жорстких вимог до габаритів.
Застосовувані стали: 40, 45, 50Г, 35ХГС, 40Х та ін.
· Об'ємна гарт до твердості 45 ... 55 HRC. Гартується весь обсяг матеріалу (див. Вище). В даний час майже не застосовується, за винятком ремонтних підприємств, де немає можливості виконати поверхневу загартування.
Застосовувані стали: 40Х, в більш відповідальних випадках - 40ХН та ін.
· Поверхневе загартування з нагріванням струмами високої частоти (ТВЧ) до твердості 50 ... 55 HRC при глибині зміцненого шару до 3 ... 4 мм - дає середню навантажувальну здатність при досить простий технології зміцнення. Оптимальна глибина розжарювання 0,5 ... 1 мм. Загартуванню ТВЧ зазвичай передує поліпшення, тому механічні властивості серцевини - як при поліпшенні.
Згинальна міцність в порівнянні з об'ємною загартуванням вище в 1,5-2 рази. Через підвищеної твердості зубів передачі погано прірабативаются. Розміри зубчастих коліс практично необмежені. Необхідно пам'ятати, що при модулях менше 3 ... 5 мм, зуб прожарюється наскрізь, що призводить до значного їх викривлення і зниження ударної в'язкості.
Застосовувані стали: 40Х, 40ХН, 35ХМ, 35ХГСА.
· Цементація (поверхневе насичення вуглецем) з наступним загартуванням ТВЧ і обов'язкової шліфуванням дозволяє отримати поверхневу твердість 56 ... 63 HRC при глибині зміцненого шару 0,5 ... 2 мм. Здатність навантаження висока, але технологія зміцнення складніша. Згинальна міцність в порівнянні з об'ємною загартуванням вище в 2-2,5 рази.
Широко застосовують сталь 20Х, а для відповідальних зубчастих коліс, особливо працюючих з перевантаженнями і ударними навантаженнями, стали 12ХН3А, 20ХНМ, 18ХГТ, 25ХГМ, 15ХФ.
· Азотування (поверхневе насичення азотом) забезпечує високу твердість і зносостійкість поверхневих шарів при глибині зміцненого шару 0,2 ... 0,5 мм, при цьому не потрібно подальша гарт і шліфування. Мала товщина зміцненого шару не дозволяє застосовувати азотований колеса при ударних навантаженнях і при роботі з інтенсивним зношуванням (при забрудненої мастилі, попаданні абразиву). Тривалість процесу азотування досягає 40-60 годин. Зазвичай азотування застосовують для коліс з внутрішнім зачепленням і інших, шліфування яких утруднено.
Застосовують молибденовую сталь 38Х2МЮА, але можливо азотування сталей 40ХФА, 40ХНА, 40Х до меншої твердості, але більшої в'язкості.
· Лазерна гарт - забезпечує високу твердість до 64 HRC, не вимагає легування, дозволяє місцеве зміцнення, не викликає викривлення, добре автоматизується, але процес дуже повільний.
Характеристики механічних властивостей поширених сталей, що застосовуються для виготовлення зубчастих коліс, після термічної або термохімічної обробки представлені в табл. 2.2.
Отримання потрібних механічних властивостей залежить не тільки від температурного режиму термообробки, але і від найбільших розмірів перетину заготовки D або товщини колеса (рис. 2.11).
При поверхневій термічній обробці зубів механічні характеристики серцевини зуба залежать від попередньої операції - поліпшення. Виняток становлять зуби з m <3 мм, подвергаемые закалке ТВЧ: они прокаливаются насквозь, что приводит к значительному их короблению и снижению ударной вязкости.
Чавунні зубчасті колеса дешевше сталевих, їх застосовують в великогабаритних відкритих передачах. Вони мають малу схильність до заїдання і добре працюють при бідній мастилі, але не витримують ударних навантажень. Застосовують сірі чавуни СЧ 20 ... СЧ 35, а також високоміцні магнієві чавуни з кулястим графітом.
Колеса з неметалічних матеріалів мають невелику масу, не схильні до корозії, безшумні в роботі. Але невисока міцність, великі габарити, схильність до старіння обмежують їх застосування в силових передачах. Зазвичай застосовують пластмасові зубчасті колеса в парі зі сталевою шестернею в слабонавантажених передачах для забезпечення безшумності, або самосмазиваемості, або хімічної стійкості. Сталеві колеса при цьому доцільно загартувати до 45 HRC і відшліфувати. До числа давно застосовуваних пластмас ставляться текстоліт марки ПТ і ПТК і деревно-шаруваті пластики ДСП-Г. Найбільш перспективними слід вважати капролон, полиформальдегид і фенилон.