§ 8.4. Критерии работоспособности и расчета

Условия работы зуба в зацеплении. При передаче крутящего момента (рис. 8.9) в зацеплении кроме нормальной силы Р_п действует сила трения /^г_хр = /^г_и/, связанная со скольжением. Под действием этих сил зуб находится в сложном напряженном

Рис. 8.10

состоянии (рис. 8.10). Решающее влияние на его работоспособ­ность оказывают два основных напряжения: контактные напря­жения ст_я и напряжения изгиба о_Г¹. Для каждого зуба ст_я и а_Г не являются постоянно действующими. Они изменяются во времени по некоторому прерывистому отнулевому циклу (см. рис. 8.9). Время действия о_Г за один оборот колеса (/_х) равно продолжительности зацепления одного зуба (/₂). Напряжения сг_я действуют еще меньшее время. Это время равно продолжи­тельности пребывания в зацеплении данной точки поверхности зуба с учетом зоны распространения контактных напряжений.

Переменные напряжения являются причиной усталостного разрушения зубьев: поломка зубьев от напряжений изгиба и выкрашивание поверхности от контактных напряжений. С контактными напряжениями и трением в зацеплении связаны также износ, заедание и другие виды повреждения поверхностей зубьев.

Поломка зубьев (рис. 8.11). Поломка связана с напряжениями изгиба. На практике чаще наблюдается выламывание углов* зубьев вследствие концентрации нагрузки. Различают два вида поломки зубьев:

поломка от больших перегрузок ударного или даже статичес­кого действия (предупреждают защитой привода от перегрузок или учетом перегрузок при расчете);

усталостная поломка, проис­ходящая от действия переменных напряжений в течение сравните­льно длительного срока службы (предупреждают определением размеров из расчета на уста­лость). Особое значение имеют меры по устранению концент­раторов напряжений (рисок от обработки, раковин и трещин в отливках, микротрещин от тер­мообработки и т. п.).

Рис. 8.11

Общие меры предупреждения поломки зубьев — увеличение модуля, положительное смещение при нарезании зубьев, тер­мообработка, наклеп, уменьшение концентрации нагрузки по краям (жесткие валы, зубья со срезанными углами—см. рис. 8.13, ж, бочкообразные зубья—см. рис. 8.14, в и пр.).

Повреждение поверхности зубьев. Все виды повреждения поверхности зубьев (рис. 8.12) связаны с контактными напряже­ниями и трением.

Усталостное выкрашивание от контактных напряжений (рис. 8.12, а) является основным видом разрушения поверхности

Рис. 8.12

зубьев при хорошей смазке передачи (чаще а) я) л) всего это бывают за-

крытые, сравнительно быстроходные переда­чи, защищенные от пы­ли и грязи). Зубья та­ких передач разделены тонким слоем масла, устраняющим метал­лический контакт. При этом износ зубьев мал. Передача работает

длительное время до появления усталости в поверхностных слоях зубьев. На поверхности появляются небольшие углубле­ния, напоминающие оспинки, которые растут и превращается в раковины. Выкрашивание начинается обычно вблизи полюс­ной линии на ножках зубьев там, где нагрузка передается одной парой зубьев, а скольжение и перекатывание зубьев направлены так, что масло запрессовывается в трещины и способствует выкрашиванию частиц металла (см. рис. 8.8). При выкрашивании нарушаются условия образования сплошной масляной пленки, появляется металлический контакт с после­дующим быстрым износом или задиром поверхности. Об­разование первых усталостных раковин не всегда служит признаком близкого полного разрушения зубьев. В передачах,

зубья которых имеют невысокую твердость (<350 НВ), на­блюдаются случаи так называемого ограниченного или началь­ного выкрашивания. Начальное выкрашивание связано с при­работкой зубьев недостаточно точно изготовленных передач. Оно появляется в местах концентрации нагрузки после не­продолжительной работы и затем приостанавливается. При этом образовавшиеся раковины не развиваются и даже совер­шенно исчезают вследствие сглаживания. Прекращение даль­нейшего выкрашивания в этом случае объясняется тем, что разрушение мест концентрации нагрузки выравнивает ее рас­пределение по поверхности зуба. При высокой твердости зубьев (>350 НВ) явление ограниченного выкрашивания обыч­но не наблюдается. Образовавшиеся раковины быстро растут вследствие хрупкого разрушения их краев.

В передачах, работающих со значительным износом, вы­крашивание не наблюдается, так как поверхностные слои снимаются раньше, чем появляются трещины усталости.

Основные меры предупреждения выкрашивания: определение размеров из расчета на усталость по контактным напряжениям; повышение твердости материала путем термообработки; по­вышение степени точности и в особенности по норме контакта зубьев.

Абразивный износ (рис. 8.12, б) является основной причиной выхода из строя передач при плохой смазке. К таким передачам относятся прежде всего открытые передачи, а также закрытые, но недостаточно защищенные от загрязнения аб­разивными частицами (пыль, продукты износа и т. п.). Такие передачи можно встретить в сельскохозяйственных и транспорт­ных машинах, горнорудном оборудовании, грузоподъемных машинах и т. п. У изношенной передачи увеличиваются зазоры в зацеплении, появляется шум, возрастают динамические нагрузки. В то же время прочность изношенного зуба понижа­ется вследствие уменьшения площади его поперечного сечения. Все это может привести к поломке зубьев, если зубчатые колеса своевременно не забраковать.

Расчет на износ затруднен тем, что интенсивность износа зависит от многих случайных факторов, в первую очередь от интенсивности загрязнения смазки¹.

На практике при расчете передач, у которых наблюдается износ зубьев, понижают допускаемые контактные напряжения до значений, установленных на основе опыта эксплуатации подо­бных конструкций.

Основные меры предупреждения износа — повышение твер­дости поверхности зубьев, защита от загрязнения, применение специальных масел.

Заедание (рис. 8.12, в) наблюдается преимущественно в вы- соконагруженных и высокоскоростных передачах. В месте соприкасания зубьев этих передач развивается высокая тем­пература, способствующая разрыву масляной пленки и об­разованию металлического контакта. Здесь происходит как бы сваривание частиц металла с последующим отрывом их от менее прочной поверхности. Образовавшиеся наросты задирают рабочие поверхности зубьев в направлении скольже­ния. Кромочный удар (см. ниже) способствует заеданию.

Меры предупреждения заедания те же, что и против износа. Желательно фланкирование зубьев и интенсивное охлаждение смазки. Эффективно применение противозадирных масел с повы­шенной вязкостью и химически активными добавками. Правиль­ным выбором сорта масла можно поднять допускаемую нагрузку по заеданию над допускаемыми нагрузками по другим критериям.

Пластические сдвиги наблюдаются у тяжелонагруженных тихоходных зубчатых колес, выполненных из мягкой стали. При перегрузках на мягкой поверхности зубьев появляются пластические деформации с последующим сдвигом в направлении скольжения (см. рис. 8.6). В результате у полюсной линии зубьев ведомого колеса образуется хребет, а у ведущего—соответствующая канавка. Образование хребта нарушает правильность зацепления и приводит к разрушению зубьев. Пластические сдвиги можно устранить повышением твердости рабочих поверхностей зубьев.

Отслаивание твердого поверхностного слоя зубьев, подвер­гнутых поверхностному упрочнению (азотирование, цементи­рование, закалка т. в. ч. и т. п.). Этот вид разрушения наблюдается при недостаточно высоком качестве термической обработки, когда внутренние напряжения не сняты отпуском или когда хрупкая корка зубьев не имеет под собой достаточно прочной сердцевины. Отслаиванию способствуют перегрузки.

Из всех перечисленных видов разрушения поверхности зубьев наиболее изучено выкрашивание. Это позволило вы­работать нормы допускаемых контактных напряжений, устраня­ющих выкрашивание в течение заданного срока службы. Расчеты по контактным напряжениям, предупреждающие вы­крашивание, получили широкое распространение.

Специальные методы расчета для предупреждения других видов разрушения поверхности зубьев или еще не разработаны (при пластическом сдвиге, отслаивании), или недостаточно разработаны (при износе, заедании), а поэтому здесь не рассматриваются. Поскольку упомянутые нормы допускаемых контактных напряжений проверяют опытом эксплуатации пе­редач, приближенно можно полагать, что эти нормы учитывают кроме выкрашивания и другие виды повреждения поверхности

зубьев. При этом рекомендуют выполнять указанные меры предупреждения повреждений.

В современной методике расчета из двух напряжений а_н и а_г за основные в большинстве случаев приняты контактные напряжения, так как в пределах заданных габаритов колес а_н остаются постоянными, а а_г можно уменьшать путем увеличения модуля.