2. Точность зубчатых передач

Работоспособность зубчатых передач существенно зависит от точности изготовления зубчатых колес. Неизбежны погрешности изготовления: отклонения шага, профиля, направления зуба; ради­альное биение зубчатого венца; отклонение от параллельности и пе­рекос осей колес; колебание измерительного межосевого расстояния и др. Эти погрешности приводят к повышенному шуму во время ра­боты, потере точности вращения ведомого колеса, нарушению пра­вильности и плавности зацепления, возникновению колебаний, по­вышению динамичности и снижению равномерности распределения по длине контактных линий действующей в зацеплении нагрузки и к другим вредным эффектам.

Точность зубчатых колес, а также цилиндрических и кониче­ских передач регламентируют стандарты, в которых предусмотрены двенадцать степеней точности, обозначаемых в порядке убывания точности цифрами от 1 до 12. Наиболее часто применяют 6, 7 и 8-ю степени точности: 6-я степень соответствует высокоточным скоро­стным передачам, 7-я - передачам нормальной точности, работаю­щим с повышенными скоростями и умеренными нагрузками или с умеренными скоростями и повышенными нагрузками, 8-я - переда­чам пониженной точности.

Для каждой степени точности установлены три нормы:

норма кинематической точности ;

норма плавности работы ,;

норма контакта зубьев ,

Регламентирован также боковой зазор зубчатой передачи - рас­стояние между боковыми поверхностями зубьев, определяющее свободный поворот одного из зубчатых колес при неподвижном парном зубчатом колесе. Боковой зазор необходим для предотвра­щения заклинивания зубьев передачи вследствие их расширения при рабочей температуре, для размещения смазочного материала и обес­печения свободного вращения колес. Боковой зазор обеспечивают допусками на толщину зубьев и межосевое расстояние. Размер зазо­ра задают видом сопряжения зубчатых колес в передаче: Н - ну­левой зазор, Е - малый, D и С - уменьшенный, В - нормальный, А -увеличенный. Чаще всего применяют сопряжение вида В и С. Для реверсивных передач рекомендуют применять сопряжения с умень­шенными зазорами. Пример обозначения степени точности цилинд­рической передачи для редуктора категории точности 1: 7-6-6-С.

Материалы зубчатых колес вклеить!

,Для силовых передач чаще всего применяют стали, реже чугуны и пластмассы. Важнейшими крите­риями при выборе материалов являются масса и габариты передачи.

Стали. Минимальную массу и габариты имеют передачи со стальными зубчатыми колесами. Причем масса и габариты тем меньше, чем выше твердость рабочих поверхностей зубьев, которая, в свою очередь, зависит от марки стали и термической обработки.

Термообработка улучшение - закалка с высоким отпуском на сорбит, обеспечивает наиболее благоприятное сочетание прочности, вязкости и пластичности.

Термообработку улучшение проводят до нарезания зубьев. Ма­териалами для колес служат углеродистые стали марок 40, 45, 50Г, легированные стали марок 40Х, 45Х, 40ХН и др. Твердость сердце вины зуба и его рабочей поверхности для улучшенных колес одина­ковая - 235 ... 302 НВ. Зубья колес из улучшаемых сталей хорошо

прирабатываются и не подвержены хрупкому разрушению, но име­ют ограниченную нагрузочную способность. Применяют в слабо- и средненагруженных передачах.

Высокую твердость (Н >350 НВ) поверхностных слоев материа­ла при сохранении вязкой сердцевины достигают применением по­верхностного термического или химико-термического упрочнения предварительно улучшенных зубчатых колес: поверхностной закал­ки, цементации и нитроцементации с закалкой, азотирования (в поверхностном слое создаются остаточные напряжения сжатия) .

Поверхностная закалка зубьев с индукционным нагревом то­ками высокой частоты (ТВЧ) целесообразна для зубчатых колес с модулем > 2 мм. При малых модулях мелкий зуб прокаливается на­сквозь, что приводит к короблению и делает зуб хрупким. Для за­калки с нагревом ТВЧ применяют стали марок 45, 40Х, 40ХН, 35ХМ. Твердость поверхностных слоев 45 ... 53 HRC. При Н > 350 НВ твер­дость материала измеряют по шкале С-Роквелла. Твердость сердце­вины зуба соответствует термообработке улучшение.

Цементация (поверхностное насыщение углеродом) с после­дующей закалкой наряду с высокой твердостью поверхностных сло­ев обеспечивает и высокую прочность зубьев на изгиб. Для цемен­тации применяют стали марок 20Х, 12ХНЗА, 18ХГТ (твердость на поверхности зуба 56 ... 63 HRC).

Азотирование (насыщение азотом) обеспечивает особо высо­кую твердость поверхностных слоев зубьев без последующей закал­ки. Оно сопровождается малым короблением и позволяет получать зубья высокой точности без доводочных операций. Азотированные колеса не применяют при ударных нагрузках (из-за опасности рас­трескивания тонкого упрочненного слоя). Для азотируемых колес при­меняют стали марок 38Х2МЮА, 40ХНМА (твердость 58 ... 65 ИКС).

Зубья колес с твердостью Н> 45 HRC нарезают до термообра­ботки. Отделку зубьев (шлифование и пр.) выполняют после термо­обработки.

Передачи с твердыми (Н > 45 HRC) рабочими поверхностями зубьев плохо прирабатываются.

При поверхностной термической или химико-термической об­работке зубьев механические характеристики сердцевины зуба оп­ределяет предшествующая термическая обработка (улучшение).

Несущая способность зубчатых передач по контактной проч­ности тем выше, чем выше поверхностная твердость зубьев. , Например, допускаемые кон­тактные напряжения [σ]_Н цементованных зубчатых колес в два раза превышают значения [σ]_Н колес, подвергнутых термическому улуч­шению, что позволяет уменьшить массу в четыре раза.

Но большей твердости соответствует более сложная технология изготовления зубчатых колес и малые размеры передачи.

Стальное литье. Применяют при изготовлении крупных зубча­тых колес (d > 600 мм). Марки сталей - 35Л ... 55Л. Литые колеса подвергают нормализации.

Чугуны. Применяют при изготовлении зубчатых колес тихо­ходных, крупногабаритных и открытых передач. Марки чугунов -СЧ20 ... СЧ35. Зубья чугунных колес хорошо прирабатываются, мо­гут работать при скудном смазывании. Имеют пониженную проч­ность на изгиб, поэтому габариты чугунных колес значительно больше, чем стальных.

Пластмассы. Применяют в быстроходных слабонагруженных передачах.

Пластмассовые колеса делают уже, чем сопряженные, во избе­жание повышенного изнашивания кромками сопряженных колес. отличает бесшумность и плавность хода; Распространены текстолит (марки ПТ и ПТК), капролон, полифор­мальдегид, фенилон.

Характер и причины отказов зубчатых передач ВКЛЕИТЬ!!!

Проходя зону зацепления при работе передачи, зубья подверга­ются циклическому нагружению. При этом на контактирующих по-

верхностях зубьев действует нормальная к поверхности сила и сила трения. Для каждого зуба напряжения изменяются во времени по отнулевому циклу, что является причиной усталостного разруше­ния: выкрашивания рабочих поверхностей или поломки зубьев. Скольжение и силы трения в зацеплении вызывают изнашивание и заедание зубьев.

Усталостное выкрашивание рабочих поверхностей зубьев -основной вид разрушения зубьев для большинства закрытых хорошо смазываемых передач - является следствием периодического дейст­вия контактных напряжений. Разрушение начинается вблизи полюс­ной линии 1 (рис..4, а), где действуют наибольшая нагрузка (зона однопарного зацепления) и максимальная сила трения (вблизи по­люса минимальные скорости скольжения), способствующая образо­ванию и развитию микротрещин и выемок 2 на поверхности зубьев. В открытых передачах (без смазывания) выкрашивания не наблю­дают - изнашивание поверхности зубьев опережает развитие уста­лостных трещин.

Рис. 4.

Смятие рабочих поверхностей зубьев происходит при дейст­вии значительных по величине нагрузок или при ударном приложе­нии нагрузки.

Поломка зубьев. В сравнении с повреждениями рабочих по­верхностей поломка зубьев встречается значительно реже, однако является наиболее опасным видом разрушения, так как приводит к полной утрате работоспособности. Поломку зубьев относят к кате­гории внезапных и полных отказов. Излом зубьев является следст-

вием действия отнулевого цикла напряжений изгиба или перегрузки. Усталостная поломка связана с развитием трещины 3 (рис..4, 6) у основания зуба на той стороне, где от изгиба возникают наибольшие напряжения растяжения. Прямые короткие зубья выламываются полностью по сечению у основания зуба. При усталостном разруше­нии на теле колеса после излома остается вогнутая А, а при поломке вследствие перегрузки - выпуклая Б поверхность.

Изнашивание зубьев. Основной вид разрушения зубьев от­крытых передач, передач с твердосмазочными покрытиями и пере­дач с очень малой толщиной смазочного слоя (до ~ 3 мкм). По мере изнашивания зуб утоняется, ослабляется его ножка, увеличиваются зазоры в зацеплении, что приводит к потере кинематической точно­сти, а при большом износе - к поломке зубьев. Разрушению зубьев предшествует повышенный шум при работе передачи.

Заедание зубьев - молекулярное сцепление (микросварка) со­пряженных поверхностей зубьев вследствие разрушения смазочной пленки и местного повышения температуры при относительном скольжении в зоне контакта. Образующиеся при разрыве мостиков микросварки наросты на зубьях задирают рабочие поверхности со­пряженных зубьев, бороздя их в направлении скольжения. Заедание зубьев предупреждают повышением твердости, понижением шеро­ховатости рабочих поверхностей зубьев, нарезанием зубьев со сме­щением инструмента, подбором противозадирных масел.

Критерии работоспособности зубчатых передач

Для хорошо смазываемых зубчатых передач, работающих в за­крытом корпусе, основными критериями работоспособности явля­ются: контактная прочность и прочность при изгибе.

Под контактной прочностью понимают способность контак­тирующих поверхностей зубьев обеспечить требуемую безопасность против прогрессирующего усталостного выкрашивания.

Расчет на предупреждение усталостного разрушения сводится к выполнению условия прочности: σ_{H ≤} [σ]_{H ,}

где σ_H - контактное напряжение в полюсе зацепления; [σ]_H - допус- каемое контактное напряжение.

Расчет на предупреждение смятия при перегрузке сводится к выполнению условия:

σ_H max ≤ [σ]_H max ,

где σ_{H max} и [σ]_Hmax - соответственно фактическое и допускаемое контактные напряжения при действии пиковой нагрузки (например,

при пуске).

Прочность при изгибе - это способность зубьев обеспечить требуемую безопасность против усталостного излома зуба.

Расчет на предупреждение усталостного разрушения сводится к выполнению условия прочности:

σ _f ≤[σ]_F,

где σ_F - напряжение изгиба в опасном сечении; [σ]_F - допускаемое напряжение изгиба зуба.

Расчет на предупреждение поломки от перегрузки сводится к выполнению условия:

σ_Fmax ≤ [σ]_{Fmax ,}

где σ_Fmax и [σ]_Fmax - соответственно фактическое и допускаемое напряжения изгиба при действии пиковой нагрузки.

Цель расчетов зубчатых передач - обеспечение работоспособ­ности по всем рассмотренным критериям. При проектировочном расчете определяют геометрические размеры зубчатой передачи по заданным условиям нагружения. При проверочном расчете по известным параметрам передачи определяют ее нагрузочную спо­собность или соответствие основным критериям работоспособ­ности.

Расчет на прочность стальных эвольвентных цилиндрических зубчатых передач внешнего зацепления с модулем т > 1 мм стан­дартизован (ГОСТ 21354-87). Ниже приведены основы этого расчета с некоторыми упрощениями, мало влияющими на результаты для большинства случаев практики.

Чаще всего размеры закрытой передачи определяют расчетом на контактную прочность, а расчет зубьев на изгиб является про­верочным с целью определения минимально возможного значения модуля.

При очень высокой твердости (Н ≥ 56 HRC) рабочих поверхно­стей размеры передачи определяют расчетом зубьев на прочность при изгибе, а расчет на контактную прочность является провероч­ным.

172

173

,