Выбор материалов и расчет допускаемых напряжений

Основными материалами для изготовления зубчатых колес являются термически или химико-термически обработанные стали.

Известно, что габариты и стоимость редуктора существенно зависят от размеров и стоимости зубчатых колес. Размеры и стоимость зубчатых колес определяется, главным образом, твердостью, рабочих поверхностей зубьев. Для снижения массы и габаритов редуктора це­лесообразно использовать материалы и виды термической или хими­ко-термической обработки, позволявшие получить высокую твердость рабочих поверхностей зубьев, Вместе с тем, применение сталей, термически обработанных до высокой твердости, предполагает использование дорогостоящих материалов, усложняет технологию изготовления и следовательно, повышает стоимость изделия.

Поэтому выбор материалов и термообработки приходится решать с учетом назначения и характера эксплуатации конкретной конструк­ции, а также экономической целесообразности использования данной марки стали. Для изготовления зубчатых колес можно рекомендовать нормализованные и улучшенные стали с твердостью рабочих поверхностей 180 … 350 НВ. Если к габаритам и массе редуктора не предъявляют строгих требований. При необходимости уменьшения габаритов и массы (передачи летательных аппаратов, транспортных машин и т. п.) следует назначать стали с высокой твердостью рабочих поверхностей зубьев H₂ >350 HB (38 … 63 HRC, 500 … 700 HV).

С целью сокращения номенклатуры материалов, технологического оборудования и инструмента, желательно по возможности выбирать для зубчатых колес стали одной марки.

Механические характеристики некоторых сталей, применяемых для изготовления зубчатых колес, приведены в приложении (таблица П.1)

В таблице П.3 приложения, составленной в соответствии с ГОСТ 21354-87, приведены формулы определения предела контактной выносливости зубьев и предела выносливости зубьев при изгибе , соответствующие базовому числу циклов перемены напряжений, а также коэффициенты безопасности и .

Данные таблицы П.3 позволяет рассчитать допускаемые напряжения на контактную прочность и на изгиб .

,

, ,

где , - коэффициенты долговечности (для длитель­но работающих передач при непостоянной нагрузке );

- коэффициент, учитывающий характер приложения нагрузки (при одностороннем приложении , при двухстороннем - ).

При твердости рабочих поверхностей зубьев колеса меньшей или равной 350 НВ, твердость шестерни Н₁ следует назначать больше твердости колеса Н_2. Н₁ = Н₂ + (10 … 40).

В противном случае, то есть, если Н₂>350 НВ, выбирают материалы колес и термообработку зубьев так, чтобы Н₁ = Н₂.

Как отмечалось выше, выбор электродвигателя, распределение общего передаточного отношения редуктора по ступеням, а также вы­бор материала и твердости с целью наивыгоднейшего решения по габаритам, массе и стоимости редуктора и всего привода в целом, яв­ляется многовариантной задачей и, следовательно, требует трудоем­ких расчетов, сопоставления получаемых в них результатов при выборе оптимального варианта.

Оптимизация варианта конструкции может оцениваться различными критериями, например, условием смазки, габаритами, массой, стоимостью, размерами или соотношением размеров установочной площади и т.п.

За критерий оптимизации можно например, принять установочные размеры В и L (рис. 1.2). В этом случае выбор электродвигателя и определение твердости материала зубчатых колес удобно выполнять с помощью номограммы, представленной на развороте (рис. 5.1). Использование предлагаемого графического метода с целью получения заданных габаритов редуктора, исключает необходимость многовариантных расчетов. Номограмма построена для двухступенчатых редукторов, схемы которых представлены на рис 1.2.

Для формализации ввода в ЭВМ приняты следующие обозначения типов редукторов (идентификатор TIP) в зависимости от комбинации элементарных передач, составляющих редуктор, и вида зубьев:

1 - коническо-цилиндрический, обе ступени - прямозубые;

2 - коническо-цилиндрический, коническая ступень - прямозубая, цилиндрическая - косозубая;

3 - простой трехосный, обе ступени - прямозубые;

4 - простой трехосный, обе ступени - косозубые;

5 - простой трехосный, быстроходная ступень - косозубая, тихоходная - прямозубая

6 - соосный, обе ступени - прямозубые

7 - соосный. обе ступени - косозубые.

8 - соосный, быстроходная ступень - косозубая, тихоходная -прямозубая.

9 - трехосный с раздвоенной быстроходной ступенью, обе сту­пени - косозубые;

10 - трехосный с раздвоенной быстроходной ступенью, быстро­ходная ступень - косозубая, тихоходная - прямозубая;

11 - трехосный с раздвоенной быстроходной ступень, быстроходная ступень - косозубая, тихоходная ступень состав­лена из шевронных колес.

Номограммой пользуются следующим образом. Через точку , шкалы проводят вертикаль до встречи с горизонталью, соответствующей типу редуктора, и продолжают ее до пересечения с ближайшей наклонной прямой, соответствующей синхронной частоте вращения электродвигателя. По предварительно рассчитанной потребной мощности Р (1.1.1) и синхронному числу оборотов выбирают тип электродвигателя (таблица 1.1). Через точку пересечения вертикали и наклонной линии проводят горизонталь до пересечения с кривой (в правой нижней четверти), соответствующей типу редуктора. Через точку встречи проводят вертикаль в зону кривых твердости (в пра­вой верхней четверти). Далее через точку потребной мощности Р шкалы Р номограммы проводят горизонталь до встречи с наклонной линией, соответствующей синхронной частоте вращения выбранного двигателя, а через нее - вертикаль до встречи с наклонной прямой (в левой верхней четверти), соответствующей выбранному значению коэффициента расчетной ширины зубчатого венца тихоходной ступени . Затем через эту точку проводят горизонталь в верхнюю пра­вую четверть до пересечения с ранее проведенной вертикалью в зону кривых твердости материала колеса. Значение рекомендуемой твердости следует, по возможности, принимать по кривой, расположенной над точкой пересечения горизонтали и вертикали.

Пример.

Дано. Частота вращения исполнительного устройства =96 об/мин, потребная мощность двигателя Р=6,2 кВт, редуктор - простой трехосный, обе ступени - прямозубые.

Решение. Электродвигатель марки 4A132S4, номинальная мощность кВт, частота вращения двигателя об/мин, диаметр и длина выходного конца вала мм, мм. Тип редуктора - 03. Рекомендуемое значение твер­дости колеса соответствует кривой 240 HB (рис. 5.1 на развороте показывает поясняющие построения).

На таблице П.1 выбирают марку стали и режим термообработки, при которой среднее значение твердости колеса HB_ср на указанного в таблице интервала примерно равно найденному значению по номограмме. Так, найденная твердость (240 НВ) позволяет выбрать, например, сталь марки 45 с режимом термообра­ботки - закалка в воду при температуре (810 … 840)° С с последующим отпуском при температуре (400 … 450)° С с твер­достью Н₂ = (236 … 263) НВ. Н_2СР = 0.5(236+263) = 249.5 НВ или сталь 40Х с режимом термообработки - закалка в масло при температуре (920 … 850)° С и отпуск при темпера­туре (600 … 660)° С с твердостью Н₂ = (230 … 257) НВ. Н_2СР = 0.5(230+257) = 243.5 НВ.

1.4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТОВ НАГРУЗКИ K_Н И К_F

Нагрузка на зубья зубчатых колес складывается из номинальной, то есть нагрузки, необходимой для нормального функционирова­ния ИУ, и дополнительной, обусловленной неравномерностью распре­деления нагрузки между зубьями колеса, одновременно участвующими в зацеплении, неравномерностью распределения нагрузки по длине контактных линий и дополнительной динамической нагрузки, обусловленной неравномерностью вращения зубчатых колес в результате погрешностей окружного шага.

Перечисленные дополнительные нагрузки учитывают введением в расчетные формулы коэффициентов при расчете на контактную прочность и при расчете на изгиб.

Коэффициенты и .

Коэффициенты и учитывают неравномерность распределения нагрузки между зубьями (соответственно при расчете на кон­тактную прочность и при расчете на изгиб).

При расчете прямозубых передач принимают равным 1.0.

Для косозубых колес коэффициент рассчитывают по формуле

1.4.1

Значения коэффициентов и выбирают из таблицы 1.4 в зависимости от степени точности передачи и окружной скорости вращения зубчатых колес. Степень точности назначают по таблице 1.5 в зависимости от типа зубьев, их твердости и величины окружной ско­рости.

Таблица 1.4
Значения коэффициентов и .
Степень точности
μ	0.00244	0.00508	0.00814	0.0122
λ	1.0034	1.02	1.051	1.1

Таблица 1.5
Ступени точности зубчатых передач
Тип зубьев	Твердость зубьев, НВ	Окружная скорость колес, м/c
до 2.0	св. 2.0 до 3.5	св. 3.5 до 6.0	св. 6.0 до 10.0	св. 10 до 15
Прямые	≤350
>350
Непрямые	≤350
>350

При расчете на изгиб прямозубых колес и узких косозубых, для которых , принимают равным 1.0.

Для остальных косозубых колес коэффициент К_Fα рассчитывают по формуле 1.4.2, справедливой при условии, что осевой коэффици­ент перекрытия , .

1.4.2

где - степень точности передачи;

- коэффициент торцевого перекрытия.

1.4.3

Коэффициенты и .

Коэффициенты и учитывают неравномерность распределения нагрузки по длине контактных линий (соответственно при расчете на контактную прочность и при расчете на изгиб). Их рассчитывает по формулам:

,

1.4.4

1.4.5

Значения вспомогательных коэффициентов , , и выбирают на таблицы 1.6 в зависимости от типа редуктора, рассчитываемой ступени и твердости рабочих поверхностей зубьев.

Таблица 1.6
Значения коэффициентов , , и
Тип редуктора	Сту­пень	H1 или H2 ≤ 350	H1 или H2 > 350
3, 4, 5	Б	0.157	1.29	0.336	1.26	0.384	1.225	0.579	1.29
	Т	0.0805	1.42	0.162	1.37	0.192	1.47	0.29	1.76
6, 7, 8	Б	0.0805	1.42	0.162	1.37	0.192	1.47	0.29	1.76
	Т	0.103	1.29	0.234	1.38	0.275	1.29	0.395	1.65

При выполнении предварительных расчетов на контактную прочность коэффициент рассчитывают по формуле 1.4.6.

,

1.4.6

Коэффициенты и .

Коэффициенты и учитывает дополнительную динамическую нагрузку (соответственно при расчете на контактную прочность и при расчете на изгиб).

При выполнении предварительных расчетов на контактную прочность коэффициент выделяют по формуле

,

1.4.7

При выполнении проверочных расчетов коэффициенты и вычисляют по формулам 1.4.8 и 1.4.9, предварительно уточнив сте­пень точности и пересчитав коэффициенты и .

,	1.4.8
,	1.4.9

и - коэффициенты, учитывающие влияние типа зубьев и модификации профиля, их значения выбирают ив таблицы 1.7;

- коэффициент, учитывающий влияние равности шагов сопряженных зубчатых колес, его значение выбирают из таблицы 1.8 (при выполнении предварительных расчетов полагают, что модуль менее 3.55 мм).

Таблица 1.7
Значение коэффициентов и
Тип зубьев	H1 или H2 ≤ 350	H1 или H2 > 350
δH	δF	δH	δF
Прямые без модификация	0.006	0.016	0.014	0.016
Прямые c модификацией	0.004	0.011	0.010	0.011
Непрямые	0.002	0.006	0.004	0.006