4.2. Види руйнування зубців, критерії їх роботоздатності та

розрахунки на міцність

Злам зубця (кутів або цілого зубця біля основи) є одним з розповсюджених видів пошкоджень передач. Він може бути як результат великих перевантажень (ударного або статичного характеру) або часто від тривалої змінної навантаги, під дією якої в зонах концентрації напруг утворюється і розвивається тріщина втомленості (або декілька тріщин).

Втомне викришування поверхневих шарів зубців є найпоширенішим і небезпечним видом руйнування робочих поверхонь зубців більшості закритих і добре змащуваних зубчастих передач. Воно полягає у тому, що при великих контактних напругах на робочій поверхні (як правило, на ніжках, поблизу полюсної лінії) з'являються тріщини втомленості, що приводить до викришування дрібних частинок матеріалу зубців та утворення на поверхні зубця невеликих заглиблень. З часом під впливом тиску мастила, що втискується з великою силою спряженим зубцем в утворені заглиблення і тріщини, вони перетворюються в раковини.

У передачах, які працюють із великим спрацюванням активних поверхонь зубців, наприклад в умовах недостатнього змащування та абразивного забруднення, втомне викришування не спостерігається, бо поверхневі шари матеріалу зубців стираються раніше, ніж з'являються тріщини втомленості.

Для запобігання викришування активних поверхонь зубців слід обмежити контактні напруги розрахунками розмірів передачі, підвищити твердість матеріалів коліс відповідною термообробкою, точність виготовлення коліс та монтаж передачі.

Абразивне спрацювання робочих поверхонь зубців виникає, головним чином, у відкритих передачах в результаті попадання на зубці пилу, бруду, піщинок, які відіграють роль абразиву. Абразивному спрацюванню піддаються також зубці закритих передач гірничих, сільськогосподарських, будівельних, транспортних та інших машин, що працюють в середовищі, забрудненому абразивними частинками.

Заходи попередження спрацювання: підвищення твердості поверхонь зубців, захист передач від забруднення, використання спеціальних мастил.

Заїдання зубців спостерігається переважно у дуже навантажених і високошвидкісних передачах внаслідок розриву мастильної плівки або при відсутності змащування зубців. При цьому відбувається відрив часток матеріалу від робочої поверхні зубців одного із зубчастих коліс і молекулярне зчеплення їх з робочою поверхнею зубців спряженого колеса. Відбувається ніби зварювання частинок металу з наступним відривом від менш міцної поверхні і утворення наростів, які задирають робочі поверхні зубців у напрямку ковзання, залишаючи на них глибокі борозни.

Заходи попередження заїдання ті ж самі, що і при спрацюванні поверхонь зубців. Азотування і ціанування зубців є ефективним засобом проти заїдання. Позитивні результати дає використання зубців із модифікованим профілем, інтенсивне охолодження мастил та застосування протизадирних мастил із підвищеною в'язкістю.

Пластичні зсуви спостерігаються у важконавантажених тихохідних зубчастих коліс, що виготовлені із м'якої сталі. При перевантаженнях на м'якій поверхні зубців з’являються пластичні деформації з наступним зсувом в напрямку ковзання. В результаті біля полюсної лінії зубців веденого колеса утворюється хребет, а у ведучого – борозна.

Пластичні зсуви можна усунути підвищенням твердості робочих поверхонь зубців.

Відшаровування твердого поверхневого шару зубців, які піддаються поверхневому зміцненню (азотування, цементування, гартування і т. ін.). Цей вид руйнування спостерігається при недостатній якості термічної обробки коліс.

Критерії роботоздатності та розрахунку на міцність зубчастих передач. При передачі обертового моменту в зачепленні окрім нормальної сили F_n діє сила тертя F_т=F_nf, яка пов'язана із ковзанням. Під дією цих сил зубець знаходиться у складному напруженому стані.

Отже, вирішальний вплив на роботоздатність зубця передачі спричиняють дві основні напруги: контактна і згинальна. Для кожного зубця σ_con і σ_F не є постійно діючими. Вони змінюються в часі за деяким переривчастим віднульовим циклом. Час дії σ_F за один оберт колеса (t₁) дорівнює тривалості зачеплення одного зубця (t₂). Напруга σ_con діє ще менший час. Цей час дорівнює тривалості перебування в зачепленні даної точки поверхні зубця з урахуванням зони поширення контактних напруг.

Змінні напруги є причиною втомного руйнування зубців: злам зубців від напруг згину і викришування поверхні від контактних напруг. З контактними напругами і тертям в зачепленні пов’язані також спрацювання, заїдання та інші види пошкоджень поверхонь зубців.

Міждержавний стандарт ГОСТ 21354 рекомендує методи розрахунку зубчастих передач на міцність активних поверхонь зубців і на міцність зубців при згині, які поширюються на силові зубчасті передачі зовнішнього зачеплення, що складаються зі сталевих коліс, початковий контур яких відповідає вимогам ГОСТ 13755, вбудовані або виконані як самостійні аґреґати, що працюють у мастилі в закритому корпусі при колових швидкостях не більше 25 м/с в межах температур довкілля від мінус 40 до плюс 100⁰С.

Терміни та означення стосовно міцності передач. Навантажувальна здатність – навантага, яку може безвідмовно передавати зубчаста передача протягом заданого строку служби при заданих режимах навантаження і умовах експлуатації.

Контактна міцність активних поверхонь зубців – здатність цих поверхонь забезпечувати потрібну безпечність проти втомного викришування, яке може прогресувати, а також запобігання залишкової деформації або крихкого руйнування поверхневого шару.

Міцність зубців при згині – здатність забезпечити потрібну безпечність проти втомного або крихкого зламу зубця, а також його залишкової деформації.

Рекомендуються такі види розрахунків на міцність зубців циліндричних евольвентних передач:

– розрахунок на контактну витривалість, щоб запобігти втомному викришуванню активних поверхонь зубців;

– розрахунок на контактну міцність при дії максимальної навантаги, щоб запобігти залишкових деформацій або крихкого руйнування поверхневого шару;

– розрахунок на витривалість при згині, щоб запобігти втомному зламу зубців;

– розрахунок на малоциклову витривалість при згині, щоб запобігти зламу зубців від малоциклової втоми при плавних та ударних навантагах;

– розрахунок на міцність при згині максимальною навантагою, щоб запобігти залишковим деформаціям або крихкому зламу зубців.