Повреждение поверхности зубьев

Все виды повреждения поверхности зубьев связаны с контактными напряжениями и трением.

Усталостное выкрашивание от контактных напряжений является основным видом разрушения поверхности зубьев при хорошей смазке передачи (чаще всего это закрытые, сравнительно быстроходные передачи, защищённые от пыли и грязи).

Зубья таких передач разделены тонким слоем масла, устраняющим металлический контакт. При этом износ зубьев мал. Передача работает длительное время до появления усталости в поверхностных слоях зубьев. На поверхности появляются небольшие углубления, напоминающие оспинки, которые растут и превращаются в раковины. Выкрашивание начинается обычно вблизи полосной линии на ножках зубьев, где нагрузка передаётся одной парой зубьев, а скольжение и перекатывание зубьев направлены так, что масло запрессовывается в трещины и способствует выкрашиванию частиц металла. При выкрашивании нарушаются условия образования сплошной масляной плёнки, появляется металлический контакт с последующим быстрым износом или задиром поверхности.

В передачах, работающих со значительным износом, выкрашивание не наблюдается, так как поверхностные слои снимаются раньше, чем появляются трещины усталости.

Основные меры предупреждения выкрашивания: определение размеров из расчёта на усталость по контактным напряжениям; повышение твёрдости материала путём термообработки; повышение степени точности и в особенности по норме контакта зубьев.

Абразивный износ – основная причина выхода из строя передач при плохой смазке. Это прежде всего открытые передачи, а также закрытые, но недостаточно защищённые от загрязнения. Например, передачи в сельскохозяйственных или транспортных машинах. У изношенной передачи увеличиваются зазоры в зацеплении, появляется шум, возрастают динамические нагрузки. В тоже время прочность изношенного зуба понижается вследствие уменьшения площади его поперечного сечения. Всё это может привести к поломке зубьев, если зубчатые колёса своевременно не заменить.

Расчёт на износ затруднителен тем, что интенсивность износа зависит от многих случайных факторов и, в первую очередь, от интенсивности загрязнения смазки.

Основные меры предупреждения износа – повышение твёрдости поверхности зубьев, защита от загрязнения, применение специальных масел.

Заедание – наблюдается преимущественно у высоконагруженных и высокоскоростных передачах. В месте соприкосновения зубьев этих передач развивается высокая температура, способствующая разрыву масляной плёнки и образованию металлического контакта. Здесь происходит как бы сваривание частиц металла с последующим отрывом их от менее прочной поверхности. Образовавшиеся наросты задирают рабочие поверхности зубьев в направлении скольжения.

Меры предупреждения заедания – те же, что против износа. Желательно плакирование зубьев и интенсивное охлаждением смазки. Эффективно применение противозадирных масел с повышенной вязкостью.

Пластичные сдвиги наблюдаются у тяжело нагруженные колёс, выполненных из мягкой стали. При перегрузках на мягкой поверхности зубьев появляются пластические деформации с последующим сдвигом в направлении скольжения. В результате у полюсной линии зубьев ведомого колеса образуется хребет, а у ведущего соответствующая канавка. Образование хребта нарушает правильность зацепления и приводит к разрушению зубьев.

Пластические сдвиги можно устранить повышением твёрдости рабочих поверхностей зубьев.

Отслаивание твёрдого поверхностного слоя зубьев, подвергнутых поверхностному упрочнению (азотирование, цементирование, закалка). Этот виз разрушений наблюдается при недостаточно высоком качестве термической обработки, когда внутренние напряжения не сняты отпуском или когда хрупкая корка зубьев ни имеет под собой достаточно прочной сердцевины. Отслаиванию способствуют перегрузки.

Во всех перечисленных видах разрушения поверхности зубьев наиболее изучено выкрашивание. Это позволило разработать нормы допускаемых контактных напряжений, устраняющих выкрашивание в течение заданного срока службы. Расчёты по контактным напряжениям, предупреждающие выкрашивание, получили широкое распространение.

В современной методике расчёта из двух напряжений s_H и s_F за основное в большинстве случаев принимают контактное напряжение s_H, так как в пределах заданных габаритов колёс s_H остаются постоянными, а s_F можно уменьшать путём увеличения модуля.

Расчётная нагрузка

При работе зубчатых передач вследствие деформации валов, корпусов, опор и самих зубчатых передач, а также неизбежных погрешностей изготовления и монтажа в зацеплении создаются дополнительные динамические нагрузки, а полезная нагрузка распределяется неравномерно по длине зуба. Влияние этих факторов на прочность зубьев учитывается введением при расчёте понятия расчётной нагрузки.

За расчётную нагрузку принимают максимальное значение удельной нагрузки, распределённой по линии контакта зубьев: ,

где: F_n – нормальная сила, направленная по линии зацепления перпендикулярно к рабочим поверхностям зубьев; K – коэффициент расчётной нагрузки; l_S - суммарная длина контактных линий.

Коэффициент расчётной нагрузки определяется как K = K_bK_v,

где: K_b - коэффициент концентрации нагрузки;

K_v - коэффициент динамической нагрузки.

Концентрация нагрузки и динамические нагрузки различно влияют на прочность по контактным и изгибным напряжениям. Соответственно различают K_H, K_Hb, K_Hv при расчётах по контактным напряжениям и K_F, K_Fb, K_Fv – по напряжениям изгиба.

Коэффициент концентрации нагрузки К_b. Концентрация или неравномерность распределения нагрузки по длине зуба связана с деформацией валов, корпусов, опор и самих зубчатых колёс, а также с погрешностями изготовления передачи. Поясним это сложное явление на примере, учитывающем только прогиб валов.

Рассмотрим взаимное расположение зубчатых колёс при деформированных валах в случаях: симметричного, несимметричного и консольного расположения колёс относительно опор. Валы прогибаются в противоположные стороны под действием сил в зацеплении.

Рис. 5.7. Взаимное расположение опор зубчатых колес

При симметричном расположении опор прогиб балов не вызывает перекоса зубчатых колёс и, следовательно, почти не нарушает распределения нагрузки по длине зуба. Это самый благоприятный случай.

При несимметричном и консольном расположении опор колеса колёса перекашиваются на угол g, что привод к нарушению правильного касания зубьев.

Рис. 5.8. Взаимное расположение при несимметричном и консольном расположении опор зубчатых колес

Если бы зубья были абсолютно жёсткими, то они соприкасались бы с только своими концами. Деформация зубьев уменьшает влияние перекосов и в большинстве случаев сохраняет их соприкасание по свей длине. Однако при этом нагрузка перераспределяется в соответствии с деформацией отдельных участков зубьев.

Рис. 5.9. Нагрузки на зубъя колес

Отношение максимальной удельной нагрузки q_max к средней интенсивности нагрузки q_cp есть коэффициент концентрации нагрузки К_b:

При прочих равных условиях влияние перекоса зубьев увеличивается с увеличением ширины колёс, поэтому её ограничивают.

Если колёса изготовлены из прирабатывающихся материалов (например, стали твёрдостью НВ < 350), то концентрация нагрузки постепенно уменьшается вследствие повышенного местного износа. При постоянной нагрузке приработка зубьев может полностью устранить концентрацию нагрузки.

При высокой твёрдости поверхности зубьев (НВ > 350) благоприятное влиянием приработки значительно меньше. Меньше приработки и при высоких окружных скоростях (v >15м/с), так как здесь между зубьями образуется масляный слой, защищающий их от износа.

При конструировании передачи необходимо учитывать все факторы, влияющие на концентрацию нагрузки, и в, в первую очередь, не применять нежёстких валов, опор и корпусов.

Расчёт К_b связан с определением угла прекоса g. При этом следует учитывать не только деформацию валов, опор и самих колёс, но также ошибки монтажа и приработку зубьев. Всё это затрудняет расчёт К_b. Поэтому при инженерных расчётах К_b определяют по графикам, приводимым в справочной литературе. Графики разработаны для распространённого на практике режима работы с переменной нагрузкой и окружной скоростью v <15 м/с.

При постоянной нагрузке, при НВ £ 350 и v < 15 м/с можно принимать К_b = 1.

Коэффициент динамической нагрузки K_v. Погрешности нарезания зубьев являются причиной непостоянства мгновенных значений передаточного отношения. Это значит, что при w₁ = const, w₂ ¹ const и d_w2/d_t ¹ 0. В зацеплении появляется дополнительный динамический момент:

где: J - момент инерции ведомых масс.

Основное влияние на величину динамических нагрузок имеют ошибки шага. Кроме того, динамические нагрузки зависят от окружной скорости, присоединённых масс, упругости зубьев и пр.

Расчёт коэффициента Kv не менее сложен, чем расчёт К_b. Для приближённой оценки K_v пользуются таблицами, которые даются в справочной литературе.