Матеріали і зміцнення зубів зубчастих коліс
При виборі матеріалів і термічній обробці необхідно враховувати надійність, задану довговічність, найменшу масу і габаритні розміри редукторів, а також вимоги технології та економії виготовлення. При розрахунку зубчастих передач основними характеристиками міцності матеріалу є: тимчасове опір, межа плинності, межа витривалості, відносне подовження, ударна в'язкість і твердість.
При виготовленні редукторів використовують такі матеріали: сталь, чавун, бронзу і латунь.
Для зниження маси і зменшення габаритних розмірів редукторів використовують великий асортимент марок сталей і застосовують різні методи термічної обробки.
Стали для зубчастих коліс, що піддаються термообробці до нарізування зубів, мають межа твердості т 250 до 330 одиниць по Брінеллю. Верхня межа твердості встановлюється можливостями механічної обробки при нарізуванні зубів. Необхідно враховувати глибину прокаливаемости стали, що важливо для згинальної міцності зубів.
ГОСТ 4543-71 визначає марки легованих конструкційних сталей і технічні вимоги по іміческому складу.
При загальній термообробці при діаметрах до 200 мм використовують марки сталей: 35Х, 40Х, 45Х, 30ХГТ, 5ХГМ, 38ХМ, понад 200 мм: 40ХН, 30ХГСА, 38ХГН, 40ХН2МА, 38XH3MA. Останні марки забезпечують олее глибоку прокаліваемость і твердість в межах від 260 до 331 одиниці по Брінеллю.
При виготовленні литих зубчастих коліс використовують литі марки стали третьої групи (для особливо відповідального призначення) по ГОСТ 977-75, найбільш часто застосовують стали марок: 35Л, 40Л, 35ХМЛ, 5ХГСЛ.
Стали, що піддаються поверхневому зміцненню струмами високої частоти (ТВЧ). Широко використовують поверхневе зміцнення ТВЧ зубів і западини зубів коліс з конструкційних сталей марок: 35, 40, 50, OX, 45Х, 38ХГН, 38ХМ, 38ХНМА.
Встановлено, що поверхневе зміцнення ТВЧ дає значну деформацію зубів внаслідок нагрівання поверхні до високої температури.
Крокові і профільні відхилення бувають настільки значні, що точність зачеплення знижується на два ступені в порівнянні з отриманою після нарізування зубів. При поверхневому зміцненні ТВЧ зубів косозубих зубчастих коліс встановлено, що під впливом високої температури відбувається випрямлення косого зуба, як, наприклад, у валу-шестерні з т = 12 мм, z = 22, b = 370 мм; β = 9 ° 22'00 "ізменяетcя на 0 ° 1'22".
З огляду на зниження точності зубчастих коліс при загартуванню ТВЧ без подальшої механічної обробки рекомендується застосовувати їх при окружних швидкостях не більше 8 м / с b = 0,25aw. з більшою шириною - при швидкості не більше 5 м / с. Подальше підвищення окружної швидкості призведе до шуму вище санітарних норм, до вібрації і зниження терміну роботи.
При використанні після ТВЧ механічної обробки (шліфування, обробка лезовий інструментом) окружна швидкість може бути збільшена. При резкоударних навантаженнях (в екскаваторах, механізмах прокатних станів, в дробильно-розмеленого обладнання) мало місце руйнування зубів, загартованих ТВЧ. У таких випадках рекомендується знижувати допустимі напруження по згинальної міцності на 20. 30% о порівняно із загальною термообробкою.
Цементаційні стали. Цементація і подальша термічна гарт поверхні зубів є одними з основних методів хіміко-термічної обробки металів, які дають можливість підвищувати контактно-втомну міцність в 3. 4 рази, в порівнянні із загальною термообробкою, і збільшувати згинальну міцність в 1,5 рази при отриманні поверхонь твердості 55. 60 HRC3 і твердості серцевини 10. 45 HRCе.
Нітроцементація підвищує зносостійкість поверхні зубів на 20. 30% в порівнянні з цементацією [12] і має високу піттінгоустойчівостью.
Відповідно до ГОСТ 4543-71 використовуються леговані конструкційні стали, сприймають цементацию: 12ХНЗА, 12Х2НЧА, 20ХНЗА, 20ХН2М, 20Х2НЧА, 18Х2НЧМА, 18Х2НЧВА.
При нітроцементації рекомендуються стали марок: 20ХНЗА, 25ХГМ, 30ХГТ.
Для забезпечення високої міцності зубів при згині нарізку зубів необхідно виконувати з протуберанцем, з радіусним переходом поверхні від профілю до западині.
Глибину цементованого шару робочих поверхонь зубів приймають в залежності від величини модуля [20]:
Примітка. Наведені розміри глибини цементації необхідно збільшити на величину припуску на шліфування і викривлення після термічної обробки.
Азотування - ефективний метод зміцнення поверхонь деталей, що працюють на тертя, з полутреніем поверхневої твердості 600. 800 HV при глибині твердого шару 0,2-0,8 мм. Азотування поверхні зубів зубчастих коліс використовується рідше, ніж цементація. Це пояснюється тим, що при резкоударних тривалих навантаженнях азотований шар металу відшаровується у вигляді тонкої плівки з товщиною, близькою до глибини твердого шару.
При спокійній навантаженні і ступеня перекриття в зачепленні більше чотирьох зубчасті передачі працюють надійно і тривало. Іонну Азотування застосовують для порівняно невеликих виробів, але в порівнянні з азотуванням воно має перевагу, т. К. Збільшується зносостійкість поверхонь тертя. Значно скорочується загальний час процесу за рахунок зменшення нагрівання та охолодження деталей, цей процес економічніше.
При азотуванні виробів застосовують стали марок: 38Х2Ю, 38Х2МЮА, 40Х, 40ХФА.
Для важко навантажених деталей машин, що працюють в умовах циклічних изгибающих і контактних напружень, застосовують сталі марок: 38XH3MA, 3ОХЗМ, 38ХГМ.
Технологічний процес азотування досить тривалий, так наприклад для отримання твердого шару 0,8 мм потрібно близько 100 ч.
Глибину азотированного шару на робочій поверхні зубів зубчастих коліс приймають в залежності від величини модуля [20].
Поверхнево-пластичне деформування підвищує контактну і згинальну витривалість зубів зубчастих коліс так само, як і при загальній термічної загартуванню, загартуванню ТВЧ, цементації і азотуванні.
Дослідження і практика експлуатації показує, що зубчасті колеса з обкаткою роликами перехідної кривої поверхні від профілю до западині зуба, загартованих ТВЧ за профілем і западині при модулі т = 26 мають двох-триразове збільшення згинальної довговічності.
Для центрів бандажірованного зубчастих коліс, корпусів і кришок застосовують литі стали і чавуни марок СЧ20 і СЧ25.
Розрахунок міцності та геометрії циліндричних зубчастих передач. Розрахунок міцності визначає конструктивні розміри зубчастої передачі, надійність і довговічність зубчастої передачі на заданий термін служби.
Розрахунками визначають усунення усталостного викришування робочих поверхонь, заїдання, зносу і поломку зубів.
Міцність циліндричних евольвентних зубчастих передач зовнішнього зачеплення розраховують по ГОСТ 21354-87.
Останні 30 років широко використовувалася методика розрахунку циліндричних передач, розроблена А. І. Петрусевич. Ця методика виправдала себе в середньому і важкому машинобудуванні, де вона була перевірена в найрізноманітніших приводах машин і механізмів.
Розрахунок геометрії евольвентних циліндричних передач зовнішнього зачеплення встановлює ГОСТ 16532-70, внутрішнього зачеплення - ГОСТ 19274-73.
Перевірка зубчастих передач на нагрів може бути виконана за методикою професора В. Н. Кудрявцева [7].