2.Материалы и термообработка

Практикой эксплуатации и специальными исследованиями установлено, что нагрузка, допускаемая по контактной про­чности зубьев, определяется в основном твердостью материала. Высокую твердость в сочетании с другими характеристиками, а следовательно, малые габариты и массу передачи можно получить при изготовлении зубчатых колес из сталей, подвер­гнутых термообработке. Сталь в настоящее время — основной материал для изготовления зубчатых колес и в особенности для зубчатых колес высоконагруженных передач..

В зависимости от твердости (или термообработки) стальные зубчатые, колеса разделяют на две основные группы: твердостью Н  350 НВ — зубчатые колеса, нормализованные или улучшен­ные; твердостью Н > 350 НВ — с объемной закалкой, закалкой ТВЧ, цементацией, азотированием и др. Эти группы различны по технологии, нагрузочной способности и способности к при­работке.

Твердость материала Н  350 НВ позволяет производить чистовое нарезание зубьев после термообработки. При этом можно получать высокую точность без применения дорогих отделочных операций (шлифовки, притирки и т. п.). Колеса этой группы хорошо прирабатываются и не подвержены хрупкому разрушению при динамических нагрузках. Для лучшей приработки зубьев твердость шестерни рекомендуют назначать больше твердости колеса не менее чем на 10...15 единиц:

H₁  H₂ + (10...15) HB

Технологические преимущества материала при Н < 3 50 НВ обеспечили ему широкое распространение в условиях ин­дивидуального и мелкосерийного производства, в мало- и средненагруженных передачах, а также в передачах с большими колесами, термическая обработка которых затруднена.

При Н>350 НВ (вторая группа материалов) твердость вы­ражается обычно в единицах Роквелла— HRC (1HRC  10 HB).

Специальные виды термообработки позволяют получить твердость Н=(50...60) HRC. При этом допускаемые контактные напряжения увеличиваются до двух раз, а нагрузочная способность передачи—до четырех раз по сравнению с нормализованными или улучшенными сталями. Возрастают также износостойкость и стойкость против заедания.

Применение высокотвердых материалов является большим резервом повышения нагрузочной способности зубчатых передач. Однако с высокой твердостью связаны некоторые допол­нительные трудности:

1. Высокотвердые материалы плохо прирабатываются, поэтому они требуют повышенной точности изготовления, повышенной жесткости валов и опор, желательно фланкирование зубьев прямозубых колес.

2. Нарезание зубьев при высокой твердости затруднено, поэтому термообработку выполняют после нарезания. Неко­торые виды термообработки (объемная закалка, цементация) сопровождаются значительным короблением зубьев. Для ис­правления формы зубьев требуются дополнительные операции: шлифовка, притирка, обкатка и т. п. Эти трудности проще преодолеть в условиях крупносерийного и массового произ­водства, когда окупаются затраты на специальное оборудова­ние, инструменты и приспособления. В изделиях крупносерий­ного и массового производства применяют, как правило, колеса с высокотвердыми зубьями.

Объемная закалка — наиболее простой способ получения высокой твердости зубьев. При этом зуб становится твердым по всему объему. Для объемной закалки используют углеродис­тые и легированные стали со средним содержанием углерода 0,35...0,5% (стали 45, 40Х, 40ХН и т. д.). Твердость на поверхности зуба 45...55 HRC.

Недостатки объемной закалки: коробление зубьев и необ­ходимость последующих отделочных операций, понижение изгибной прочности при ударных нагрузках (материал приоб­ретает хрупкость); ограничение размеров заготовок, которые могут воспринимать объемную закалку. Последнее связано с тем, что для получения необходимой твердости при закалке скорость охлаждения не должна быть ниже критической. С увеличением размеров сечений детали скорость охлаждения падает, и если ее значение будет меньше критической, то получается так называемая мягкая закалка. Мягкая закалка дает пониженную твердость.

Объемную закалку во многих случаях заменяют поверх­ностными термическими и химико-термическими видами об­работки,, которые обеспечивают высокую поверхностную тве­рдость (высокую контактную прочность) при сохранении вязкой сердцевины зуба (высокой изгибной прочности при ударных нагрузках).

Поверхностная закалка токами высокой частоты или пламенем ацетиленовой горелки обеспечивает Н = (48...54) HRC и применима для сравнительно крупных зубьев (m  5 мм). При малых модулях опасно прокаливание зуба насквозь, что делает зуб хрупким и сопровождается его короблением. При относительно тонком поверхностном закаливании зуб искажа­ется мало. И все же без дополнительных отделочных операций трудно обеспечить степень точности выше 8-й. Закалка ТВЧ требует специального оборудования и строгого соблюдения режимов обработки. Стоимость обработки ТВЧ значительно возрастает с увеличением размеров колес. Для поверхностной закалки используют стали 40Х, 40ХН, 45 и др.

Цементация (насыщение углеродом поверхностного слоя с последующей закалкой) — длительный и дорогой процесс. Однако она обеспечивает очень высокую твердость (58....63HRC). При закалке после цементации форма зуба искажается, а поэтому требуются отделочные операции. Для цементации применяют низкоуглеродистые стали простые (сталь 15 и 20) и легированные (20Х, 12ХНЗА и др.). Легированные стали обеспечивают повышенную прочность сердцевины и этим предохраняют продавливание хрупкого поверхностного слоя при перегрузках. Глубина цементации около 0,1 ...0,15 от толщины зуба, но не более 1,5...2 мм.

При цементации хорошо сочетаются весьма высокие контактная и изгибная прочности. Ее применяют в изделиях, где масса и габариты имеют решающее значение (транспорт, авиация и т. п.).

Нитроцементация - насыщение углеродом в газовой среде. При этом по сравнению с цементацией сокращаются длитель­ность и стоимость процесса,- упрочняется тонкий поверхностный слой (0,3...0,8 мм) до 60...63 HRC, коробление уменьшается, что позволяет избавиться от последующего шлифования. Нитроцементация удобна в массовом производстве и получила широкое применение в редукторах общего назначения, в автомобилестро­ении и других отраслях - материалы 25ХГМ, 25ХГТ и др.

Азотирование (насыщение поверхностного слоя азотом) обеспечивает не меньшую твердость, чем при цементации.

Малая толщина твердого слоя (около 0,1...0,6 мм) делает зубья чувствительными к перегрузкам и непригодными для работы в условиях повышенного абразивного износа (например, плохая защита от загрязнения). Степень коробления при азотировании мала. Поэтому этот вид термообработки особен­но целесообразно применять в тех случаях, когда трудно выполнить шлифование зубьев (например, колеса с внутренними зубьями). Для азотируемых колес применяют молибденовую сталь 38ХМЮА или ее заменители 38ХВФЮА и 38ХЮА. Заготовку зубчатого колеса, предназначенного для азотирова­ния, подвергают улучшению в целях повышения прочности сердцевины.

При отсутствии абразивного износа целесообразно приме­нять так называемое мягкое азотирование на глубину 10...15 мкм. Оно значительно проще, обеспечивает минимальное коробление и позволяет получать зубья 7-й степени точности без отделочных операций. Для мягкого азотирования применя­ют улучшенные хромистые стали типа 40Х, 40ХФА, 40Х2НМА.

Как было отмечено, высокая твердость зубьев значительно повышает их контактную прочность. В этих условиях реша­ющей может оказаться не контактная, а изгибная прочность. Для повышения изгибной прочности высокотвердых зубьев рекомендуют проводить упрочнение галтелей путем дробест­руйного наклепа, накатки и т. п.

В зависимости от способа получения заготовки различают литые, кованые, штампованные колеса и колеса, изготовляемые из круглого проката. Стальное литье обладает пониженной прочностью и используется обычно для колес крупных раз­меров, работающих в паре с кованой шестерней.

Чугун применяют главным образом для изготовления крупногабаритных, тихоходных колес и колес открытых зуб­чатых передач. Основной недостаток чугуна — пониженная прочность по напряжению изгиба. Однако чугун хорошо противостоит усталостному выкрашиванию и заеданию в усло­виях скудной смазки. Он не дорог и обладает хорошими литейными свойствами, хорошо обрабатывается. Разработан­ные новые сорта модифицированного чугуна позволяют чугун­ному литью конкурировать со стальным литьем также и в за­крытых передачах. Для изготовления зубчатых колес применя­ют серый и модифицированный чугун, а также магниевый чугун с шаровидным графитом (см. ГОСТ 1412—85).

Из пластмасс для изготовления зубчатых колес находят применение главным образом, текстолит ( E=6000...8000 МПа) и лигнофоль (E=10000...12000 МПа), а также полиамиды типа капрона. Из пластмассы изготовляют обычно одно из зубчатых колес пары. Из-за сравнительно низкой нагрузочной способности пластмассовых колес их целесообразно применять в ма­лонагруженных и кинематических передачах. В силовых передачах пластмассовые колеса используют только в отдельных случаях, например при необходимости обеспечить бесшумную работу высокоскоростной передачи, не прибегая к высокой точности изготовления, и вместе с тем при условии, что габариты этой передачи допускают повышенные размеры колес. Пластмассовые колеса целесообразно применять и в тех случаях, когда трудно обеспечить точное расположение валов (нет общего жесткого корпуса). Эти колеса менее чувствительны к неточностям сборки и изготовления благодаря малой жесткости, материала.

3.Последовательность расчета цилиндрических зубчатых передач

Исходные данные

Рис. 3.14. Схема редуктора

Рис. 3.15. График нагрузки

3.1.Определение коэффициента режима работы

3.1.1.Ресурс передачи

Ресурс передачи определяется по зависимости

Т = 24 К_сут 365 К_год L (ч) (3.1)

3.1.2.Эквивалентное число циклов нагружения зубьев при расчете на контактную прочность

N_ц.экв = (60/M³_max) (M³_max t_max n_max +M³₁ t₁ n₁ +… +M³_q t_q n_q) (3.2)

При n₁ = n = Const, M_max = M_н, для нашего случая эквивалентное число циклов нагружения зубьев шестерни

N_ц.экв.1=(60n₁/M³_н) (M³_н0,2Т +(0,7M_н)³ 0,5Т +(0,3M_н)³0,3Т) (3.3)

3.1.3.Эквивалентное число циклов нагружения для зубьев колеса

N_ц.экв.2 = N_ц.экв.1/U (3.4)

3.1.4. Эквивалентное число циклов нагружения зубьев при расчете на изгибную прочность

N_ц.экв = (60/M⁹_max) (M⁹_max t_max n_max +M⁹₁ t₁ n₁ +… +M⁹_q t_q n_q) (3.5)

При n₁ = n = Const, M_max = M_н, для нашего случая

N_ц.экв.1=(60n₁/M⁹_н)(M⁹_н0,2Т +(0,7M_н)⁹0,5Т +(0,3M_н)⁹0,3Т) (3.6)

3.1.5.Эквивалентное число циклов нагружения для зубьев колеса

N_ц.экв.2 = N_ц.экв.1/U (3.7)

3.1.6.Расчет коэффициента долговечности для контактной прочности

Для нормализуемой и улучшенной сталей (HB ≤ 350)

, (3.8)

Если N_ц.экв ≥ 10⁷, то принять К_HL = 1,0.

Для закаленных сталей и чугуна базовое число циклов принимают N_Б = 25•10⁷, а минимальное значение K_HL = 0,585. Если N_ц.экв ≥ 25•10⁷, то принять К_HL = 0,585.

3.1.7. Определение коэффициента долговечности при расчете на изгиб

, (3.9)

Если N_ц.экв ≥ 5*10⁶, то принять К_FL = 1,0.

3.2.Определение допускаемых напряжений

3.2.1.Допускаемые контактные напряжения

Допускаемые контактные напряжения назначают в зависимости от принятого материала (табл. 1) и его термической обработки (табл.2).

Для углеродистых и легированных сталей любых марок при HB ≤ 350 (нормализация и улучшение) допускаемые контактные напряжения определяют по зависимости

[σ]_H = σ_{H lim} K_HL Z_R Z_V /S_H, (3.10)

где σ_{H lim} – предел контактной выносливости при базовом числе циклов нагружения; K_HL – коэффициент долговечности; Z_R – коэффициент, учитывающий шероховатость поверхности зубьев; Z_V – коэффициент, учитывающий окружную скорость (для приближенных расчетов можно принимать Z_R Z_V = 1,0); S_H – коэффициент запаса (при нормализации и объемной закалке S_H =1,1…1,2; при поверхностном упрочнении S_H = 1,2…1,3).

Для прямозубых колес в качестве расчетного принимают допускаемое контактное напряжение для колеса, поскольку оно меньше, чем у шестерни.

Для косозубых и шевронных колес в качестве расчетного принимают среднее арифметическое значение

[σ]_H =([σ]_H1 +[σ]_H2)/2 (3.11)

Допускаемые контактные и изгибные напряжения для зубчатых колес

Группа сталей	контактное Hlim, Мпа	sHmin	изгибное Hlim, Мпа	sF	[H]max, МПа	[F]max, МПа
40, 45, 40Х, 40ХН, 45ХЦ, 35ХМ	2HB + 70	1,1	1,8 HB	1,75	2,8т	2,74 HB
40Х, 40ХН, 45ХЦ, 36ХМ	18HRC + 150		550		2,8т	1400
55ПП, У6, 35ХМ	17НRCпов+	1,2	900		40HRCпов	1260
40Х, 40ХН 35ХМ, 40Х, 40ХН	+ 200 17НRCпов+ + 200		650 550		40HRCпов	>> 1430
35ХЮА, 38ХМЮА, 40Х 40ХФА, 40ХНМА	1050 >>		12HRCсердц +300	1,75	40HRCпов 30HRCпов	1000 >>
Цементируемые стали всех марок	23HRCпов		750	1,5	40HRCпов	1200
Молибденовые стали 25ХГМ, 25ХГНМ	23HRCпов		1000		40HRCпов	1520
Безмолибденовые стали 25ХГТ, 30ХГТ, 35Х	23HRCпов		750		40HRCпов	1520

Термическая обработка сталей для зубчатых колес

Марка стали	B, МПа	Т, МПа	Термическая обработка
35	550	270	Нормализация
45	600	320	>>
45	780	540	Улучшение
45	890	650	>>
40Х	790	640	>>
40Х	900	750	>>
40Х	900	750	Улучшение + закалка ТВЧ
35ХМ	800	670	Улучшение
35ХМ	920	790	>>
35ХМ	920	790	Улучшение + закалка ТВЧ
40ХН	800	630	Улучшение
40ХН	920	750	>>
40ХН	920	750	Улучшение + закалка ТВЧ
20ХНМ	1000	800	Улучшение + цементация + закалка
18ХГТ	1000	800	>>
12ХНЗА	1000	800	>>
25ХГМ	1000	800	>>
40ХНМА	980	780	Улучшение + азотирование
35Л	550	270	Нормализация
45Л	680	440	Улучшение

3.2.2.Допускаемые изгибные напряжения

Допускаемые изгибные напряжения выбирают для двух случаев нагружения.

3.2.3.Одностороннее действие нагрузки (отнулевой цикл)

, (3.12)

где [n] – требуемый коэффициент запаса прочности, [n]=1,4…2,2; К_FL – коэффициент долговечности при изгибе; К_σ – эффективный коэффициент концентрации напряжений у ножки зуба, К_σ = 1,4…1,6; σ_-1 – предел выносливости сталей: для углеродистых сталей σ_-1 ≈ 0,43 σ_В МПа; для легированных сталей σ_-1≈0,35 σ_В +(70…120) МПа.

3.2.4.Переменное направление нагрузки (симметричный знакопеременный цикл)

(3.13)

3.3.Определение коэффициента нагрузки и степени точности передачи

Во все зависимости для определения основных параметров зацепления и напряжений, возникающих при работе передачи, входит не номинальная, а расчетная нагрузка.

М_расч =М_н К = М_н К_дин К_кц, (3.14)

где К – коэффициент нагрузки; К_дин – коэффициент динамичности, зависит от величины окружной скорости и точности изготовления; К_кц – коэффициент концентрации нагрузки, учитывает неравномерность распределения нагрузки по длине зуба за счет деформации валов и колес.

При выполнении проектного расчета, когда параметры передачи и окружная скорость еще неизвестны, принимают: при симметричном расположении колес относительно опор К= К_дин К_кц = 1,3; при несимметричном или консольном расположении К= К_дин К_кц = 1,5.

После определения размеров передачи значение коэффициента нагрузки уточняют по фактическим данным.