Выбор материалов зубчатых колес. Материалы зубчатых колес

Выбор материалов зубчатых колес зависит от назначения передачи и условий ее работы. Наибольшее применение находят стальные зубчатые колеса из термически обрабатываемых сталей. Реже применяют колеса чугунные и пластмассовые. Чугунные зубчатые колеса дешевле стальных, их используют в малонагруженных открытых передачах. Они имеют малую склонность к заеданию, но не выдерживают ударных нагрузок. Пластмассовые зубчатые колеса имеют низкую прочность и сравнительно высокую стоимость. В силовых передачах их не применяют.

В зависимости от твердости поверхности зубьев после термообработки стальные зубчатые колеса можно условно разделить на две группы.

Первая группа - зубчатые колеса с твердостью поверхности зубьев H≤350 HB. Материалами для колес этой группы служат углеродистые стали 40, 45, легированные стали 40Х, 45Х, 40ХН и др. Способы термообработки для получения колес этой группы – нормализация (закалка с высоким отпуском) и улучшение (нагревание с охлаждением на воздухе). Термообработку проводят до нарезания зубьев. Твердость сердцевины зуба и его рабочей поверхности одинаковы. Колеса этой группы хорошо прирабатываются и не подвержены хрупкому разрушению. С целью снижения вероятности заедания, улучшения прирабатываемости зубьев и повышения нагрузочной способности косозубых передач твердость рабочей поверхности зуба у шестерни должна быть на 30…50 НВ выше, чем у колеса.

Вторая группа - зубчатые колеса с твердостью поверхности зубьев H>350 HB. Используется следующая технология получения колес этой группы. Зубья нарезают до термообработки. Искажение формы зубьев, возникшее в результате термообработки, исправляют шлифованием или обкаткой со специальными пастами.

Наибольшее применение находят следующие способы термической или химико-термической обработки для получения колес этой группы.

Объемная закалка – наиболее простой способ получения высокой твердости зубьев. Применяют для углеродистых и легированных сталей с содержанием углерода 0,35…0,5% (стали 45, 40Х, 40ХН и т.д.). Достигается твердость поверхности зуба 45…55 HRCэ. Зуб прокаливается по всему объему и не сохраняет вязкую сердцевину. Недостатками объемной закалки являются: значительное коробление зубьев и необходимость последующих отделочных операций; низкое сопротивление ударным нагрузкам. Применяют в основном для малоответственных передач.

Остальные способы получения колес этой группы обеспечивают высокую твердость поверхности зуба при сохранении вязкой сердцевины.

Поверхностная закалка ТВЧ (токами высокой частоты) или пламенем ацетиленовой горелки обеспечивает поверхностную твердость 48…55 HRCэ. Является высокопроизводительным способом. Применяется для сталей с содержанием углерода 0,3…0,5% при модуле не менее 2,5 мм. В мелкомодульном колесе возникает опасность сквозного прокаливания зубьев, что вызывает их повышенную хрупкость и коробление. Толщина закаленного слоя достигает в долях модуля (0,25…0,4)m. Поскольку при закалке ТВЧ нагреваются только поверхностные слои зубьев, то значительно снижается искажение формы зубьев, уменьшаются припуски на выполнение доводочных операций. Колеса сравнительно невысокой степени точности (7- я и грубее) можно получать без доводочных операций.

Цементация – насыщение углеродом поверхностного слоя с последующей закалкой. Обеспечивает поверхностную твердость зуба 56…62 HRCэ. Применяют для низкоуглеродистых сталей с содержанием углерода до 0,3% (сталь 20, 20Х, 12ХН3А, 20ХНМ). Глубина цементации составляет 0,1…0,15 от толщины зуба, но не более 1,5…2 мм. Закалка после цементации приводит к короблению зуба, и потому требуются отделочные операции.

Азотирование – насыщение азотом поверхностного слоя. Обеспечивает особо высокую твердость (до 70 HRCэ) и износостойкость поверхностных слоев. Зубья после азотирования не подвергают закалке, имеют незначительное искажение формы и не требуют дополнительных доводочных операций. Применяют для низкоуглеродистых сталей с содержанием углерода до 0,3% (сталь 20, 20Х, 12ХН3А, 20ХНМ). Для азотируемых колес применяют стали, легированные хромом, никелем, молибденом, алюминием, например, 38ХМЮА, 35ХЮА. Основным недостатком азотируемых колес является малая толщина упрочненного слоя 0,2…0,6 мм, не позволяющая применять их при ударных нагрузках и при работе с абразивным изнашиванием, из-за опасности истирания упрочненного слоя и быстрого выхода передачи из строя.

Нитроцементация – одновременное насыщение поверхностного слоя углеродом и азотом с последующей закалкой. Обеспечивает поверхностную твердость зуба 58…64 HRCэ. Применяют для среднеуглеродистых сталей (например, 40Х, 25ХГТ). Толщина упрочненного слоя составляет (0,13…0,2)m, но не более 1,2 мм. Искажения зубьев существенно меньше, чем при цементации, не требуются дополнительные доводочные операции. Характеристики сталей, рекомендуемых для изготовления зубчатых колес, приведены в табл. 4. В таблице приняты следующие обозначения: способы термообработки: Н - нормализация, У - улучшение, З - закалка, Ц - цементация; Dm - наружный диаметр заготовки вал-шестерни, Sm - характерный размер заготовки для насадного зубчатого колеса (рис. 10).

Таблица 1. Механические характеристики сталей

Марка стали			Термо­обработка	Твердость поверхности	Предел прочности, МПа	Nho, млн циклов

Для ориентировочного определения Dm и Sm используются следующие формулы:

где T1 - крутящий момент на шестерне, Нм; u - передаточное число зубчатой передачи; km - коэффициент, учитывающий вид передачи, (km= 24 для прямозубых цилиндрических передач, km= 28 для прямозубых конических передач и km= 20 для не прямозубых передач).

Рис. 10. Характерные размеры сечения заготовки

При выборе материала заготовок должны выполняться следующие условия: для вал-шестерни Dm ≤ Dm1, для насадного зубчатого колеса Sm ≤ Sm1.

1. Марки сталей одинаковы для колеса и шестерни 40, 45, 40Х, 40ХН и 35ХМ. Термообработка – улучшение. Твердость зуба шестерни 269…302 НВ, твердость зуба колеса 235…262 НВ.
2. Марки сталей одинаковы для колеса и шестерни 40, 45, 40Х, 40ХН и 35ХМ. Термообработка зуба шестерни – улучшение с последующей закалкой ТВЧ, твердость поверхности зуба шестерни 45…50 НRCэ, или 48…53 НRCэ. Термообработка зуба колеса - улучшение, твердость зуба колеса 235…262 НВ.
3. Марки сталей одинаковы для колеса и шестерни 40, 45, 40Х, 40ХН и 35ХМ. Термообработки колеса и шестерни одинаковы – улучшение с последующей закалкой ТВЧ, твердость поверхности зуба шестерни и колеса 45…50 НRCэ, или 48…53 НRCэ.
4. Марки сталей для колеса 40Х, 40ХН и 35ХМ. Термообработка колеса – улучшение с последующей закалкой ТВЧ, твердость поверхности зуба колеса 45…50 НRCэ, или 48…53 НRCэ. Марки сталей для шестерни 20Х, 20ХНМ и 18ХГТ. Термообработка шестерни – улучшение с последующей цементацией и закалкой, твердость поверхности зуба шестерни 56…63 НRCэ.

Ориентировочно диаметр заготовки зубчатого колеса определяется по формуле

Заготовки колес больших диаметров dк > 500 мм получают литьем, в этом случае рекомендуется использовать стали марок 35Л и 45Л.

• Просмотров: 25259

Расчет закрытых цилиндрических передач ведется из условия сопротивления контактной усталости зубьев и начинается с выбора материала и определения допускаемых контактных напряжений.

Предпочтительные марки стали представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Марки стали

Термообработка применяется для повышения механических характеристик.

При выборе марки сталей предварительно задаются диаметром шестерни.

Для лучшей приработки зубьев, а также с целью обеспечения условия равнопрочности передачи твердость зубьев шестерни (НВ 1) следует назначать больше твердости колеса (НВ 2) не менее чем на 15-20 единиц для сталей марки 45 и 40Х и не менее 1-7 единиц для сталей марки 35ХМ и 20ХН2М т.е.

НВ 1 = НВ 2 + (15…20), НRC­ 1 = HRC 2 + (1…7). (1)

Чем выше твердость поверхности зубьев, тем выше допускаемые контактные напряжения и меньше размер передачи. Поэтому для редукторов, к размерам которых не предъявляют высоких требований, следует применять дешевые марки стали, типа 45 и 40Х.

Допускаемые контактные напряжения σ н  для прямозубых передач определяют по формуле

,

(2)

где

- предел контактной усталости поверхности зубьев. Значенияσ но приведены в таблице 1.

- коэффициент безопасности, равный:

Для нормализованных и улучшенных зубчатых колес – 1,1;

Для колес с поверхностным упрочнением зубьев – 1,2.

K HL - коэффициент долговечности (для редукторов с ресурсом 38000 часов

K HL = 1).

Для не прямозубых колес расчетное допускаемое контактное напряжение определяют по формуле:

где

- допускаемое контактное напряжение, МПа, соответственно для шестерни и колеса, определяемые по формуле (1).

Определяем межосевое расстояние а ω (мм) из условия сопротивления контактной усталости рабочих поверхностей зубьев по формуле:

(4)

где К а – числовой коэффициент, равный:

Для прямозубых передач К а = 495,

Для косозубых передач К а = 430.

-

- передаточное число на данном этапе.

Номинальные передаточные числа цилиндрических зубчатых редукторов общего назначения, согласно СТ СЭВ 221-75 представлены в таблице 2.

Таблица 2 - Передаточные числа

- вращающий момент на ведомом валу.

здесь Р 1 и Р 2 - мощность на ведущем и ведомом валах,

- угловая скорость колеса

- КПД редуктора – выбирается из табл.3.

Таблица 3 - Значения КПД редуктора

Тип передачи		Тип передачи
Зубчатая (с опорами) Цилиндрическая Коническая Планетарная Одноступенчатая Двухступенчатая Червячная при передаточном числе Свыше14 до 30 Свыше8 до 14		Ременная (все типы) Подшипники качения (одна пара) Муфта соединительная

Общий КПД одноступенчатого редуктора складывается из КПД зубчатой передачи и КПД подшипников качения.

(5)

здесь - КПД зубчатой передачи,

- КПД подшипников качения.

К нβ – коэффициент, учитывающий распределение нагрузки по ширине венца. При постоянной нагрузке и твердости НВ ≤ 350 К=1.

Ψ а – относительная ширина колес, значение которой принимают в зависимости от положения колес относительно опор (Таблица 4).

Таблица 4 - Значения Ψ а

Полученные значения а ω , для редукторов серийного и массового производства округляют до большего стандартного ближайшего значения. Межосевые расстояния для цилиндрических зубчатых редукторов в соответствии с СТ СЭВ 229-75 представлены в табл.5.

Таблица 5 - Стандартные значения межосевых расстояний, мм.

(6)

и округляем его до целого значения.

Для передач с твердостью зубьев НВ< 350 ширину шестерни назначают на 3...5 мм больше ширины венца колеса т.е.

в 1 =в 2 + (3…5), (7)

а для передач с твердостью зубьев HRC > 45 ширина колес и шестерни одинакова:

в 1 =в 2 (8)

Шевронные зубчатые колеса отличаютcя от других видов цилиндрических колес большей шириной корпуса и венца.

Задаемся значением нормального модуля

m п = (0,01…0,02)∙ а ω (9)

и округляем до стандартного значения (таблица 6).

Таблица 6 - Стандартные значения модуля, мм. (СТ СЭВ 310-75)

Задаемся углом наклона зубьев β:

Для косозубых передач β = 8…16 о;

Для шевронных β = 25…40 о

Для косозубых и шевронных передач определяем модуль в торцовом сечении по формуле

. (10)

Определяем суммарное число зубьев шестерни и колеса

. (11)

тогда число зубьев шестерни будет равно

, (12)

Z 2 = Z C - Z 1 , (13)

Полученные значения Z 1 и Z 2 округляют до целых чисел.

По принятым числам зубьев Z 1 и Z 2 и модулю m уточняем передаточное число

U = , (14)

и межосевое расстояние

, (15)

При необходимости значение a ω можно незначительно изменять, меняя величину угла β.

Фактическое передаточное число не должно отличаться от номинального (стандартного) больше чем на 2,5% при U<4,5 и на 4% при U>4,5.

∆U =

, (16)

9. Определяем диаметры колеса и шестерни

Делительный

,

, (17)

Выступов

,

, (18)

. (19)

Определяем окружную скорость в зацеплении (м/с)

, (20)

и назначаем степень точности передачи согласно таблицы 7

Таблица 7 - Степень точности для редукторов общего назначения

Окружная скорость (м/с)		Степень точности
прямозубой	косозубой
		9 (пониженная точность) 8 (средняя точность)

11. Определяем силы, действующие в зацеплении

Окружная

, (21)

Радиальная

, (22)

где α=20 о - угол зацепления tg 20 о =0,364

(23)

Результаты расчетов сводим в таблицу 8.

Таблица 8 - Основные параметры зубчатого зацепления редуктора

Наименование параметров зубчатого зацепления редуктора	Обозначение параметра и размер
Мощность на ведущем валу кВт Угловая скорость, рад/с Ведущего вала Ведомого Номинальный момент на ведомом валу, Н∙м Тип передачи Межосевое расстояние, мм Числа зубьев Шестерни Модуль нормальный, мм Диаметры делительной окружности, мм Шестерни Ширина венца, мм Шестерни Угол наклона зубьев, град Силы в зацеплении, кН Окружная Радиальная	P 1 = ω 1 = ω 2 = M 2 = a ω = Z 1 = Z 2 = m n = d 1 = d 2 = b 1 = b 2 = β = F t = F r = F a =

Задание 2 . Определение основных размеров ведомого вала редуктора, подбор шпонок.

Исходными для расчета является момент М 2 , полученный при выполнении задания 1.

К основным параметрам вала относятся диаметры ступеней и их длины.

2.1 Определяем основные размеры ведомого вала.

Диаметр расчетного сечения выходного конца тихоходного вала определяют по формуле

(24)

Полученное значение диаметра округлить до стандартного значения

(ГОСТ 6636-69) из ряда:

Таблица 9 - Стандартные значения исходных значений диаметров вала

Длину ступени выходного конца вала определяют по соотношению

. (25)

Диаметр опор под подшипник определяют по формуле

. (26)

(округлить до значения кратного 5 в сторону большего значения).

Длину ступени вала под подшипник находят по формуле

. (27)

Диаметр вала под колесо определяют из соотношения

(округлить до стандартного значения см. данные, приведенные выше).

Длина ступени под колесо l к должна быть равной длине выступающей ступицы колеса l стк , (если принято колесо со ступицей), которая в свою очередь должна быть не меньше ширины зубчатого венца l стк ≥ b 2 . Следовательно:

Для колеса плоской формы (см. Задание 5)

, (29)

Для выступающей ступицы колеса

> b 2 . (230)

Окончательно форму и размеры вала определяют после подбора подшипников, когда выявятся необходимые размеры цапф.

Подбираем шпонки.

Подбор и проверку призматических шпонок (рис.1) со скруглеными торцами для соединения вала с колесом производят следующим образом.

Для принятого диаметра вала в месте посадки колеса (Таблица 10) выбирают сечение шпонки b и h , а также глубину пазов t 1 и t 2 на валу и ступице.

Таблица 10 - Основные размеры призматических шпонок

Длину шпонки l ш принимают на 5…8 мм меньше длины ступицы l ст колеса

. (31)

Полученное расчетное значение длины шпонки приводят к стандартному из ряда (Таблица 11).

Таблица 11 - Стандартные значения длины шпонок

Выбранную шпонку проверяют на смятие по формуле

, (32)

где М 2 – передаваемый момент, Н*м;

d к – диаметр вала в месте расположения шпонки, мм;

l p – расчетная длина шпонки при округленных торцах шпонки

. (33)

Допускаемое напряжение смятия при стальной ступице принять равным 100…120, а при чугунной – 50…60 Мпа.

Если при проверке шпоночного соединения условие прочности

не соблюдается, то необходимо назначить две шпонки с меньшим сечением или (ЧТО КРАЙНЕ НЕ ЖЕЛАТЕЛЬНО) увеличить длину ступицы и, следовательно, длину шпонки.

Задание 3 . Подбор подшипников качения для ведомого вала

Исходными данными являются:

Угловая скорость вала, ω 2

Силы зацепления,

Размеры вала,

Компоновочная схема узла.

После назначения диаметров посадочных мест вала для установки подшипников выбирают их тип и схему установки. При выборе типов подшипников в первую очередь принимают во внимание величину и направление нагрузки на опору, удобство сборки и разборки, а также стоимость подшипника.

Прежде всего, целесообразно рассматривать возможность применения однорядных радиальных шарикоподшипников, как наиболее простых и дешевых.

При действии на опору радиальной и значительной осевой нагрузки (

) выбирают радиально – упорные подшипники.

Выбор подшипника производится по каталогу – справочнику, ориентируясь на лёгкую серию по диаметру цапфы в месте установки подшипника. Затем по динамической грузоподъемности (при ω >0,1 рад/с) или по статической грузоподъемности (при ω<0,1 рад/с), значения которых указаны в каталоге рассчитывают долговечность (ресурс в часах) подшипника и сравнивают его с требуемой. Долговечность подшипников должна соответствовать сроку службы передачи.

Для определения долговечности подшипников необходимо вычислить эквивалентную динамическую нагрузку на подшипники, используя эскизную компоновку узла ведомого вала. На основании эскизной компоновки узла строим расчетную схему ведомого вала (рис. 2).

Чтобы вычислить эквивалентную динамическую нагрузку на подшипники, надо предварительно найти радиальные реакции опор (радиальные нагрузки).

Для радиальных подшипников, у которых осевая сила отсутствует, реакции опор находим по формуле

F AY = F BY = , (34)

Для радиально-упорных подшипников (при наличии осевой составляющей силы) расчет ведется по формуле

R AY = (Fr·l 1 + F A), (35)

R BY = Fr - R AY , (36)

R A x = R B x =Ft/2, (37)

Суммарные радиальные реакции подшипников:

Для опоры А

, (38)

Для опоры В

. (39)

Дальнейшие расчеты ведутся для более нагруженной опоры.

Вычисляем отношение осевой нагрузки F A к статической грузоподъемности C O (см.. таблицу 26 в приложении 2) намеченного подшипника F А / С О

и по таблице 26 путем интерполяции, находим коэффициент осевого нагружения е и коэффициенты радиальной Х и осевой У нагрузки. Подставляя найденные значения Х и У в формулу

Rэ =(Fr A · X +Fa· Y), (40)

находим эквивалентную нагрузку более нагруженного подшипника.

Определяем долговечность подшипника по формуле

, (41)

где р =3 для шариковых подшипников,

р = 3,33 для роликовых подшипников.

Если L расч.<L треб. Выбирают подшипник следующей серии того же диаметра и повторяют расчет до выполнения условия L расч.>L треб.

Задание 4. Эскизное проектирование.

После определения межосевого расстояния, размеров зубчатых колес и ведомого вала приступают к разработке компоновочной схемы редуктора, первым этапом которой является выполнение эскизного проекта.

При эскизном проектировании определяют расположение деталей передач, расстояния между ними, ориентировочные диаметры ступеней вала, выбирают типы подшипников и схемы их установки.

При определении расстояния между деталями исходят из условия, что поверхности вращающихся колес не должны задевать за внутреннюю поверхность стенок корпуса. Для этого между деталями и стенками оставляют зазор а , мм, который определяют по формуле

, (42)

где L – наибольшее расстояние между внешними поверхностями деталей передач, мм., равное:

L=d 1 +d 2 +2m.. (43)

После вычисления значения а округляют в большую сторону до целого числа.

Расстояние b 0 между дном корпуса и поверхностью колес для всех типов редукторов принимают равным

. (44)

Используя табл.8 и найденные значения а и b 0 , начертить компоновочный эскиз редуктора, в соответствии с требованиями ГОСТ.

Задание 5 . Конструирование зубчатых колес.

Форма зубчатого колеса может быть плоской (рис. 3а, б) или с выступающей ступицей (рис.3в).

Длину посадочного отверстия (ступицы) колеса l стк желательно принимать равной:

Для плоского колеса - ширине зубчатого венца колеса

l стк = b 2 , (45)

Для колеса с выступающей ступицей колеса

l стк = (1…1,8) ∙ d к . (46)

Диаметр ступицы d стк и ширину торцов зубчатого венца выполняют равными

, (47)

. (48)

На торцах зубчатого венца выполняют фаску размером

под углом

.

Высота зубца определяется формулой

В тех случаях, когда важно снижение массы конструкции (например, в самолетостроении) колеса делают с более тонким диском с≈ 0,25* b 2

Классификация зубчатых передач.

Общие сведения о зубчатых передачах.

Зубчатая передача - это механизм, который с помощью зацепления передает или преобразует движение с изменением скоростей и моментов (по величине и направлению).

Меньшее зубчатое колесо передачи называется шестерней , большее - колесом .

1). В зависимости от взаимного расположения зубчатых колес различают передачи:

- с внешним зацеплением ;

- с внутренним зацеплением .

Передачи с внутренним зацеплением компактнее передач с внешним зацеплением, но их изготовление и монтаж сложнее (значительную трудность представляет финишная обработка профилей зубьев колеса), поэтому более распространены передачи с внешним зацеплением.

2). По форме зубчатых колес различают:

- цилиндрические передачи;

- конические передачи;

- эллиптические передачи;

- фигурные передачи.

Наиболее широко распространены зубчатые колеса круглой формы, т.е. цилиндрические и конические (особенно цилиндрические); остальные зубчатые колеса встречаются крайне редко.

3). По форме и расположению зубьев на поверхности колеса различают:

- передачи с прямым зубом (прямозубые);

- передачи с косым зубом (косозубые);

- шевронные передачи ;

- передачи с арочным (круговым) зубом .

Прямозубыми называют передачи, у которых зубья расположены параллельно осям колес, косозубыми - передачи, у которых зубья наклонены под углом () к образующей делительного цилиндра при параллельных осях колес.

4). По взаимному расположению геометрических осей валов различают передачи:

- с параллельными осями (цилиндрические);

- с пересекающимися осями (конические);

- с перекрещивающимися осями (винтовые и гипоидные).

Цилиндрические зубчатые передачи могут быть прямозубыми, косозубыми, шевронными и с круговым зубом; конические зубчатые передачи - прямозубыми, косозубыми и с круговым зубом. Винтовые передачи состоят из двух цилиндрических косозубых колес; гипоидные передачи - из двух конических косозубых или с круговым зубом колес.

5). По величине окружной скорости различают:

- тихоходные

- скоростные зубчатые передачи (окружная скорость м/с);

- быстроходные зубчатые передачи (окружная скорость м/с).

Некоторые зубчатые передачи работают со скоростями до 150 м/с.

6). По конструктивному исполнению различают:

- закрытые зубчатые передачи;

- открытые зубчатые передачи.

В открытых передач зубья колес работают всухую или периодически смазываются пластичным смазочным материалом и не защищены от влияния внешней среды. Закрытые передачи помещаются в пыле- и влагозащитные корпуса (картеры) и работают в масляной ванне (например, редукторы).

7). В зависимости от числа ступеней зубчатые передачи бывают:

- одноступенчатые ;

- многоступенчатые (т.е. включающие две и более последовательно расположенных зубчатых передачи (ступени), например, первая ступень может быть цилиндрической прямозубой, а вторая - конической косозубой и т.д.).

8). В зависимости от относительного движения валов различают:

- рядовые передачи (оси передачи не перемещаются в пространстве);

- планетарные передачи (оси передачи перемещаются в пространстве).

Зубчатые передачи наиболее распространены среди механических передач. Их применяют в широком диапазоне нагрузок: от часовых механизмов и приборов до тяжелых машин для передачи различных вращающих моментов (до ) и мощностей (до 50 МВт) с диаметрами колес от долей миллиметра до 10 м и более.

Достоинства зубчатых передач (по сравнению с другими механическими передачами):

Малые габариты;

Высокий КПД (до 97-98%);

Высокая долговечность и надежность в работе (в том числе и при больших нагрузках);

Постоянство передаточного отношения (из-за отсутствия проскальзывания);

Сравнительно малые нагрузки на валы и опоры;

Простота обслуживания.

Недостатки зубчатых передач:

Повышенные требования к точности изготовления и монтажа;

Шум в работе при больших скоростях;

Высокая жесткость (не позволяет компенсировать динамические нагрузки).

Выбор материала зубчатых колес зависит от:

Назначения передачи;

Передаваемой мощности;

Окружной скорости;

Точности изготовления.

Основными материалами зубчатых колес служат термически обрабатываемые стали , так как они по сравнению с другими материалами лучше обеспечивают контактную прочность и прочность зубьев на изгиб.

В зависимости от твердости рабочих поверхностей зубьев различают стальные зубчатые колеса:

1). твердостью . Чистовое нарезание зубьев производят после термообработки (нормализации, улучшения). При этом получают довольно высокую точность изготовления зубьев без применения отделочных операций (шлифовки, притирки и т.д.). Стальные зубья твердостью хорошо прирабатываются и воспринимают динамические нагрузки. Для выравнивания долговечности колес и лучшей прирабатываемости твердость зубьев шестерни принимают больше твердости зубьев колеса:

Для прямозубых передач

Для косозубых передач ,

где – твердость зубьев шестерни по Бринеллю; - твердость зубьев колеса.

Зубчатые колеса твердостью применяют в мало- и средненагруженных передачах, а также в передачах с большими колесами, термическая обработка которых затруднена (в основном в мелкосерийном и единичном производстве).

Зубчатые колеса обычно изготавливают из качественных углеродистых сталей 35, 40, 45, 50 и легированных сталей 35Х, 40Х, 40ХН и др.

2). твердостью (в этом случае используют шкалу Роквелла , ). Стальные зубья твердостью плохо прирабатываются и нуждаются в высокой точности изготовления. Нарезание зубьев производят до термической обработки (вследствие высокой твердости заготовок после ТО (закалки ТВЧ, цементирования, азотирования, нитроцементации)). Причем некоторые виды термообработки вызывают коробление зубьев, поэтому для исправления формы зубьев применяют отделочные операции. При твердости колес не требуется обеспечивать разность твердости рабочих поверхностей зубьев шестерни и колеса.

С увеличением твердости рабочей поверхности зубьев допускаемые напряжения увеличиваются раза (например, для стали 40ХН МПа и МПа - до и после термообработки соответственно), а нагрузочная способность - в раза.

Зубчатые колеса твердостью применяют средне- и тяжелонагруженных передачах при больших окружных скоростях (в основном в крупносерийном и массовом производстве).

Зубчатые колеса твердостью обычно изготавливают из средне- и малоуглеродистых легированных сталей 40Х, 40ХН, 12ХН3А, 15Х, 18ХГТ, 38Х2МЮА и др.

Помимо сталей зубчатые колеса выполняют из чугунов и пластмасс.

Чугуны в основном применяют для изготовления крупногабаритных зубчатых колес тихоходных открытых передач (т.к. чугунные зубья могут работать при бедной смазке и хорошо сопротивляются заеданию). Основные недостатки чугунов - малые допускаемые напряжения и низкая прочность при ударных нагрузках. Чугунные колеса изготавливают из серого и модифицированного чугуна марок СЧ21, СЧ24, СЧ25, СЧ30, СЧ35.

Пластмассы (текстолит, капролон, нейлон и др.) применяют в быстроходных малонагруженных передачах, в приборах и небольших силовых установках (часто в паре с металлическими колесами). Пластмассовые зубчатые колеса (по сравнению с металлическими) хорошо воспринимают переменные нагрузки (амортизируют удары, гасят механические вибрации) и, следовательно, обеспечивают бесшумность работы передачи, имеют более низкий износ зубьев.

Исходные параметры

Для расчёта передачи должны быть заданы или определены предвари-тельным расчётом привода следующие параметры:

передаточное число передачи u; частота вращения шестерни ,об/мин; крутящий (вращающий) момент на валу шестерни ; ресурс передачи в часах . Если нагрузка на передачу дана в виде мощности, момент определяется по зависимости

где мощность, подводимая к валу шестерни, кВт.

Нагрузка на передачу может быть постоянной или изменяющейся во времени. В последнем случае нагрузка задаётся в виде циклограммы (Рис.1.1).

Выбор материалов для зубчатых колёс

Выбор материалов для зубчатых колёс обусловливается необходимостью обеспечения достаточной изгибной и контактной прочности зубьев, характером производства, требованиями к габаритам передачи и другими соображениями.

Основными материалами для зубчатых колёс являются термически обработываемые стали. Значительно реже применяются чугуны и пластмассы.

В массовом и крупносерийном производстве применяют исключительно стальные зубчатые колёса высокой твёрдости, которые подвергаются отделочным операциям после термической обработки. Находят применение следующие виды термической и химико-термической обработки: объёмная и поверхностная закалка, цементация и нитроцементация с закалкой и азотирование.

Объёмная закалка не сохраняет вязкой сердцевину зуба при высокой твёрдости его поверхности. Поэтому в настоящее время этот вид обработки уступает место поверхностным методам обработки.

Поверхностную закалку применяют для зубчатых колёс малых и средних размеров с нагревом т.в.ч. Этот вид обработки получил широкое распространение для средне напряжённых зубчатых колёс. Его целесообразно применять для шестерён, работающих в паре с улучшенными колёсами, из-за хорошей прирабатываемости такой передачи.

Цементация (поверхностное насыщение углеродом) с последующей закалкой обеспечивает высокую твёрдость и несущую способность поверхностных слоёв и весьма высокую изгибную прочность зубьев.

Насыщение углеродом и азотом применяют для среднеуглеродистых сталей. При этом виде обработки упрочняется тонкий поверхностный слой (0,3 – 0,8 мм), последующее шлифование зубьев не проводят. Применяют насыщение в газовой среде - нитроцементация и насыщение в содержащих цианистые соли ваннах – цианирование.

Азотирование (насыщение азотом) обеспечивает особо высокую твёрдость и износостойкость поверхностных слоёв. Зубья после азотирования, в связи с минимальным короблением, не шлифуют. Недостатком азотирования является малая толщина упрочнённого слоя (0,2 – 0,5мм), не позволяющая применять азотированные зубчатые колёса при ударных нагрузках и при работе с интенсивным износом.

Улучшаемые стали применяют для изготовления зубчатых колёс в условиях мелкосерийного и индивидуального производства при отсутствии жёстких требований к габаритам. Чистовое нарезание зубьев улучшаемых зубчатых колёс производят после термической обработки, что облегчает изготовление передач. Передачи из улучшаемых сталей хорошо прирабатываются.

Твёрдость улучшенных зубчатых колёс обусловливается условием обеспечения достаточной стойкости зуборезного инструмента – для небольших зубчатых колёс НВ 280 – 320, для крупных – НВ 200 – 240. Твёрдость шестерён прямозубых передач, для уменьшения опасности заедания и для обеспечения долговечности передачи, рекомендуется назначать на 10 – 15 НВ выше твёрдости колёс. Шестерни косозубых и шевронных передач рекомендуется подвергать цементации, азотированию или поверхностной закалке для обеспечения высокой поверхностной твёрдости. Это повышает контактную прочность косозубых и шевронных передач.

Стали в нормализованном состоянии для обоих сопряжённых зубчатых колёс применяют только во вспомогательных механизмах, например, в механизмах ручного управления. Для повышения стойкости передачи против заедания следует шестерню и колесо изготовлять из разных материалов.

Литейные стали (преимущественно в нормализованном состоянии) применяют для колёс больших размеров.

Таблица 1.1

Марка стали	Размеры заготовки в мм, не более	Твёрдость	Термическая обработка
сердцевины НВ	поверхности
диаметр	толщина
40Х 40Х 40Х 35ХМ 35ХМ 35ХМ 40ХН 40ХН 40ХН 20ХНМ 18ХГТ 12ХН3А 25ХГНМ 40ХНМА	любой любой	любая любая	163…192 179…207 235…262 269…302 235…262 269…302 269…302 235…262 269…302 269…302 235…262 269…302 269…302 300…400 300…400 300…400 300…400 269…302	45…50 48…53 48…53 56…63 56…63 56…63 56…63 50…56	Н Н У У У У У+ ТВЧ У У У+ ТВЧ У У У+ ТВЧ У+ Ц У+ Ц У+ Ц У+ Ц У +А

Основными материалами зубчатых колес служат термически обрабатываемые стали, так как они по сравнению с другими материалами в наибольшей степени обеспечивают контактную прочность и прочность зубьев на изгиб. Реже зубчатые колеса выполняют из чугунов и пластмасс.

В зависимости от твердости рабочих поверхностей стальных зубьев различают зубчатые колеса твердостью НВ≤350 , нормализованные, улучшенные или закаленные, и зубчатые колеса твердостью НВ>350 , закаленные, цементированные, азотированные и цианированные. Чистовое нарезание зубьев стальных зубчатых колес твердостью НВ≤350 производят после окончательной термообработки. При этом получают довольно высокую точность изготовления зубьев без применения дорогих отделочных операций (шлифовки, притирки и т. п.). Стальные зубья твердостью НВ≤350 хорошо прирабатываются и не подвержены хрупкому разрушению при динамических нагрузках. Для лучшей прирабатываемости твердость зубьев шестерни рекомендуется принимать больше твердости зубьев колеса. Благодаря технологическим преимуществам стальные зубчатые колеса твердостью НВ≤350 имеют широкое применение в мало- и средненагруженных передачах , а также в передачах с большими колесами, термическая обработка которых затруднена.

Улучшенные зубчатые колеса изготовляют обычно из качественных углеродистых сталей 35, 40, 45, 50, 50Г и легированных сталей 35Х, 40Х, 40ХН и др. Нормализованные зубчатые колеса небольших размеров выполняют из углеродистой стали обыкновенного качества Ст5, Ст6 и качественных углеродистых сталей 35, 40, 45 и 50 , а больших размеров - из углеродистого стального литья 35Л, 40Л, 45Л, 50Л , а также из марганцовистого н низколегированного стального литья различных марок.

Для повышения контактной прочности зубьев и соответственно нагрузочной способности зубчатых передач применяют стальные зубчатые колеса твердостью НВ>350 . С увеличением твердости рабочей поверхности зубьев возрастают также износостойкость и сопротивление заеданию зубьев. Однако зубья с большой твердостью рабочей поверхности плохо прирабатываются и нуждаются в высокой точности изготовления. Кроме того, их механическая обработка затруднена, для облегчения ее эти зубья нарезают до термической обработки. Так как некоторые виды термообработки вызывают коробление зубьев, то для исправления формы зубьев применяют отделочные операции: шлифовку, притирку, обкатку и т. п.

Закалка зубьев.

Закалка зубьев может быть объемной, осуществляемой в воде или масле, и поверхностной, осуществляемой для зубчатых колес малых и средних размеров токами высокой частоты (ТВЧ), а для крупных зубчатых колес - с нагревом ацетиленовым пламенем. Недостатками объемной закалки являются повышение коробления зубьев и понижение вязкости их сердцевины, вызывающее уменьшение прочности зубьев на изгиб при действии ударных нагрузок. Поэтому объемная закалка во многих случаях заменяется поверхностной закалкой, цементацией, азотированием и цианированием.

Зубчатые колеса с повышенной твердостью рабочих поверхностей зубьев изготовляют:

• закаленные - из углеродистых и легированных сталей со средним содержанием углерода (45, 35Х, 40Х, 40ХН, ЗОХНЗА, 40ХН2МА и т. п.);
• цементированные - из углеродистых и легированных сталей с низким содержанием углерода (15, 20, 15Х, 20Х, 12ХНЗА, 15ХФ, 18ХГТ, 18Х2Н4А и т.п.);
• азотированные - из легированных сталей 38Х2Ю, 38Х2МЮА;
• цианированные - из среднеуглеродистых сталей.

Зубчатые колеса из чугуна.

Чугуны применяют для изготовления крупногабаритных зубчатых колес тихоходных и в особенности открытых передач, где они могут работать при бедной смазке, так как чугунные зубья сравнительно хорошо сопротивляются заеданию. Основной недостаток обычных серых чугунов - их пониженная прочность, особенно при ударных нагрузках. Но чугунные зубья сравнительно хорошо сопротивляются выкрашиванию, чугунные зубчатые колеса легче отливать, и они значительно дешевле зубчатых колес из стального литья. Поэтому высокопрочные чугуны широко применяют вместо стального литья для изготовления зубчатых колес закрытых передач. Чугунные зубчатые колеса изготовляют из серого чугуна СЧ21, СЧ24 , модифицированного чугуна СЧ25, СЧ30, СЧ35 , а также из высокопрочного чугуна всех стандартных марок. Для неответственных зубчатых колес применяют серый чугун СЧ15 и СЧ18 .

Зубчатые колеса из пластмассы.

Пластмассы применяют в быстроходных малонагруженных передачах. Пластмассовые зубчатые колеса изготовляют главным образом из древеснослоистых пластиков (ДСП), текстолита и полиамидов (нейлона и капрона).

Достоинства пластмассовых зубчатых колес по сравнению с металлическими зубчатыми колесами - это способность амортизировать удары при передаче переменных нагрузок и гасить механические вибрации и тем самым обеспечивать бесшумность работы передачи; более низкий износ зубьев.

Шестерни из текстолита и ДСП.

Шестерни из текстолита и ДСП применяют обычно в паре с металлическими колесами в тех случаях, когда требуется уменьшить динамические нагрузки и шум, а также когда трудно или невозможно добиться точного выполнения или установки деталей передачи. Такие зубчатые колеса широко применяют в передачах небольшой мощности от электродвигателей к различным станкам и в других установках, подшипники валов которых располагаются в отдельных корпусах. Чтобы не повредить зубья пластмассовой шестерни кромками зубьев металлического колеса, ширина колеса должна быть больше ширины сопрягаемой пластмассовой шестерни.

Зубчатые колеса из полиамидов.

Зубчатые колеса из полиамидов широко применяют в приборах и небольших силовых установках. Износ полиамидных зубьев незначительный, и полиамидные зубчатые колеса могут работать без смазки. Так как полиамиды химически устойчивы, то полиамидные зубчатые колеса применяют при работе в агрессивной среде, например в шестеренчатых насосах для перекачки химически активных жидкостей.

В некоторых случаях, когда рабочие поверхности зубьев металлических зубчатых колес подвергаются сильному износу, их покрывают тонким слоем (0,05...0,5 мм) нейлона. Покрытие осуществляется погружением зубьев, нагретых до температуры плавления нейлона, в порошкообразный нейлон. При этом на поверхности металлических зубьев образуется ровный, тонкий и прочно соединенный с металлом слой нейлона, не требующий какой-либо последующей обработки. В этом случае комбинируют антифрикционные и износостойкие свойства нейлонового покрытия зубьев с высокой прочностью на изгиб металлических зубчатых колес.