4. Материалы зубчатых колес

Материалы, применяемые для изготовления зубчатых колес, должны обеспечивать высокую контактную прочность рабочих поверхностей зубьев, а также прочность зубьев на изгиб. Основным критерием работоспособности зубчатых передач, работающих в масляной ванне (закрытых передач типа редукторов и коробок скоростей), является контактная прочность зубьев.

Контактная прочность в основном определяется поверхностной твердостью зубьев. Таким образом, для обеспечения высокой прочности зубьев по контактным напряжениям, уменьшения габаритов и массы зубчатых передач и редуктора в целом необходимо выбирать такие материалы и назначать такие методы химико-термического упрочнения, которые гарантируют высокую поверхностную твердость зубьев. Однако, изготовление зубчатых колес из таких материалов сопряжено с дополнительными затратами вследствие сложности термообработки и необходимости выполнения отделочных операций (шлифование, притирка и т.п.) для исправления формы зубьев из-за их коробления в процессе термообработки.

При выборе материала зубчатых колес конструктор обязан учитывать всю совокупность факторов, определяющих условия изготовления и работы: возможность получения требуемой твердости зубьев в условиях конкретного производства, а также возможность их обработки, серийность производства (величину партии колес), дефицитность и стоимость материала, назначение и характер использования проектируемого редуктора.

В большинстве случаев в машиностроении для изготовления зубчатых колес применяют стали различных марок. Реже используют чугун и пластмассы.

В зависимости от величины поверхностной твердости зубьев зубчатые колеса принято условно разделять на две группы:

1) Прирабатывающиеся зубчатые колеса. К этой группе относят зубчатые передачи, у которых твердость хотя бы одного из зацепляющихся зубчатых колес не превышает 350 единиц по Бринеллю (НВ  350).

2) Неприрабатывающиеся зубчатые колеса. У зубчатых передач, относящихся к этой группе, оба зацепляющихся колеса имеют высокую твердость зубьев (НВ > 350).

У прирабатывающихся зубчатых колес неравномерность распределения нагрузки по длине зуба, возникающая из-за неточностей изготовления или погрешностей монтажа, в процессе работы зубчатой передачи уменьшается благодаря взаимному износу (приработке) зубьев в начальный период эксплуатации. Для того, чтобы процесс приработки зубьев протекал быстрее, поверхностную твердость зубьев шестерни назначают на 20…30 единиц Бринелля выше твердости зубьев колеса. Для повышения несущей способности косозубых передач эту разницу часто назначают значительно большей (до 100 и более единиц Бринелля). Например, для шестерни в качестве термообработки назначают закалку, а для колеса - улучшение.

Зубчатые колеса второй группы вследствие высокой твердости рабочих поверхностей зубьев не прирабатываются, поэтому назначать для них разную твердость зубьев шестерни и колеса нет необходимости. Начальная концентрация нагрузки по длине зуба у таких колес сохраняется в процессе всего срока службы передачи.

Зубчатые колеса первой группы изготавливают из нормализованных (НВ = 150…250) или улучшенных (НВ = 200…300) среднеуглеродистых или легированных сталей (35, 40, 45, 50, 50Г, 35ХГС, 40Х, 40ХН и др.). Нарезание зубьев у колес этой группы производится, как правило, после термообработки заготовки.

Для изготовления зубчатых колес второй группы применяются:

1) Среднеуглеродистые конструкционные и легированные стали (45, 50, 40Х, 40ХН и др.) с поверхностной или объемной закалкой рабочих поверхностей зубьев до твердости НRС = 40…55. Следует иметь в виду, что эффект поверхностной закалки достигается лишь на зубчатых колесах с модулем m  3…4 мм. При меньших модулях зубья прокаливаются на всю толщину. Применяются для слабо- и средненагруженных передач.

2) Малоуглеродистые конструкционные стали типа 15Х, 20Х, 12ХНЗА, 18ХГТ и др. с цементацией и последующей закалкой до НRС = 58…63. Зубья колес из таких материалов имеют высокую поверхностную твердость и вязкую сердцевину.

Применяются для тяжело нагруженных ответственных передач.

3) Азотируемые стали 38ХМЮА, 38ХВФЮ, 35ХЮА и др. Для зубчатых колес из этих материалов не требуется проводить дополнительные отделочные операции, т.к. азотирование осуществляется при сравнительно низкой температуре и изменения формы зубьев при этом практически не происходит.

Азотированные зубья имеют высокую поверхностную твердость (НV = 850…900) и высокую нагрузочную способность. Однако упрочненный слой имеет малую толщину, что вызывает опасность подслойного разрушения при динамических нагрузках. Кроме того, процесс азотирования длителен и дорогостоящ. Азотированные колеса используют, в основном, при невозможности зубошлифования, а также для передач, работающих при высоких температурах и средних нагрузках.

Механические свойства зубьев колес зависят не только от используемых для их изготовления материалов и вида термообработки, но и размеров и формы заготовки, определяющих толщину упрочненного слоя. Поэтому в справочных таблицах обычно указывается диапазон изменения характеристик, достигаемых для данного материала в зависимости от размеров заготовки.

В табл. 4.1 приведены механические характеристики наиболее распространенных сталей, применяемых для изготовления зубчатых колес. Механические характеристики, указанные в таблице, характерны для размеров заготовок зубчатых колес, которые получаются при расчете зубчатых передач по принятым на кафедре конструкций машин вариантам заданий на проектирование индивидуальных приводов.

Таблица 4.1

Марка стали	Термообработка	Механические свойства		Твердость )
		в, МПа	т, МПа	сердцевины, НВ	поверхности, НRC
35 40 45 45 60Г 20Х 40Х 40Х 40Х 40Х 35ХМ 35ХМ 40ХН 20ХН2М 12ХНЗА 18ХГТ 38ХМЮА	нормализация нормализация улучшение объемная закалка нормализация цементация и закалка улучшение объемная закалка улучшение и закалка ТВЧ азотирование улучшение улучшение и закалка ТВЧ улучшение и закалка ТВЧ цементация и закалка цементация и закалка цементация и закалка азотирование	550 620 890 1000 850 800 950 1200 950 1000 920 920 950 1000 920 1150 1000	270 340 650 750 440 650 800 950 800 800 790 790 800 800 700 950 850	163…192 170…195 269…302 335…490 220…250 230…350 269…302 340…420 269…302 269…302 269…302 269…302 269…302 300…400 250…350 400 350	- - - 35…50 - 58…63 - 35…45 45…50 НV 525 - 48…53 48…53 56…63 56…63 56…63 НV 850

^) Сравнительная таблица твердости металлов

НRC	40	42	44	46	48	50	52	54	56	58	60	62	64
HV	390	412	435	467	502	542	587	606	649	694	774	835	904
HB	375	394	418	437	460	586	512	532	555	578	613	640	664