Часть I. Проектировочный расчет

Методические указания к курсовому проекту

по деталям машин для студентов

машиностроительных специальностей

всех форм обучения

4-е издание, переработанное

Нижний Новгород

Составители А.А. Ульянов, Ю.П. Кисляков, Л.Т. Крюков

УДК 621.833: 539.4 (075.5)

Зубчатые и червячные передачи. ЧI: Проектировочный расчет: Метод. указания

к курсовому проекту по деталям машин для студентов машиностроительных спец. всех форм обучения.- 4-е изд., перераб. / НГТУ; Сост.: А.А. Ульянов,

Ю.П. Кисляков, Л.Т. Крюков - Н. Новгород, 2001. – 31 с.

Научный редактор Н.В. Дворянинов

Редактор И.И. Морозова

Подп. к печ. Формат 60х84¹/16. Бумага газетная.. .

Печать офсетная Печ. л. 2. Уч.- изд. л. . Тираж 1000 экз. Заказ .

Нижегородский государственный технический университет.

Типография НГТУ,. 603600, .Н. Новгород, ул. Минина, 24.

© Нижегородский государственный

технический университет, 2001

ВВЕДЕНИЕ

В данной работе приведены методические указания по проектировочному расчету цилиндрических и конических зубчатых передач, а также червячных передач с цилиндрическими червяками.

Настоящие указания являются 4-м переработанным изданием методи-ческих указаний кафедры 1991 года. Основаниями для переработки послужили ГОСТ 21354-87 [1] и методики расчетов, изложенные в [2]…[5].

Проектировочные расчеты являются ориентировочными, служат для предварительного определения размеров передач и не могут заменить проведения окончательных проверочных расчетов на прочность.

1. МАТЕРИАЛЫ И ТЕРМООБРАБОТКА

Зубчатые передачи

1.1.1. Основной материал - термически обработанные стали с содержанием углерода 0,1…0,6 %.

1.1.2. В зависимости от твердости поверхностей зубьев зубчатые колеса разделяют на три группы:

а) мягкие - с твердостью поверхности Н £ 350 НВ (обычно 163…302 НВ – после нормализации или улучшения);

б) твердые – 350 НВ < Н < 56 HRC_Э (обычно 40…56 HRC_Э – закаленные)

в) высокотвердые – Н > 56 HRC_Э (обычно 56…63 HRC_Э – цементированные, нитроцементированные, азотированные).

1.1.3. Связь между единицами твердости НВ (Бринелля), HRC_Э (Роквелла) и НV (Виккерса) представлена на рис.1.1.

1.1.4. Мягкие зубчатые переда-чи хорошо прирабатываются. С увеличением твердости активных поверхностей зубьев, а также окружной скорости прирабатываемость зубчатых колес снижается.

Для ускорения прирабатывае-мости зубьев и повышения несущей способности рекомендуют для передач :

а) прямозубых

Н_1m – H_2m > 25 HB;

Рис.1.1. Соотношение твердостей HB, HRCЭ, HV

б) косозубых и шевронных

Н_1m – H_2m > 100 НВ,

где Н_1m , H_2m – средние твердости поверхностей зубьев.

` 1.1.5. При Н £ 350 НВ чистовое нарезание зубьев производят после термообработки, что позволяет получать высокие степени точности без применения дорогих отделочных операций.

1.1.6. Зубья с твердостью Н > 350 НВ нарезают до термообработки, после которой подвергают отделочным операциям (обкатке, шлифованию, полиро-ванию, притирке и т.д.)

Твердые и высокотвердые зубья – плохо прирабатывающиеся. Для них принимают Н_1m » Н_2m и применяют в массовом и крупносерийном производ-ствах для снижения габаритов и массы передачи.

1.1.7. Основные виды термо и химико – термических упрочнений зубча-тых колес :

а) нормализация – нагрев выше критической температуры с охлажде-нием на воздухе; применяется для колес больших размеров, во вспомогате-льных механизмах и с ручным приводом.

б) закалка – нагрев выше критической температуры ацетиленовым пламенем или токами высокой частоты (закалка ТВЧ), выдержка и охлаждение с определенной скоростью (в воде, в масле и т.п.).

Объемная закалка не сохраняет вязкой сердцевину и вытесняется поверх-ностными методами упрочнения.

Поверхностная закалка ТВЧ широко применяется для средненапря-женных передач и скоростей до 12,5 м/с; должна проводиться с охватом впадин зубьев и целесообразна для шестерен в паре с улучшенными колесами;

в) улучшение – закалка с высоким отпуском до t⁰ = 550…650 ⁰С с целью снижения внутренних напряжений и повышения пластичности; применяют при отсутствии жестких требований к габаритам и массе передачи в мелкосерийном и единичном производствах;

г) цементация (56…63 HRC_Э) – диффузионное насыщение углеродом при t⁰ = 900…950 ⁰С поверхностного слоя низкоуглеродистой стали на глубину 1…2 мм с последующими закалкой и низким отпуском (до 250 ⁰С);

д) нитроцементация (56…64 HRC_Э) – насыщение поверхности угле-родом и азотом в газовой среде; требует дорогого оборудования;

е) азотирование (до 750…900 HV) – насыщение поверхности азотом на глубину 0,3…0,6 мм; минимальное искажение формы зубьев, не требует отде-лочных операций (например, для колес с внутренними зубьями); рекомендуют для высокоскоростных и высокоточных передач.

1.1.8. При любом способе получения высокотвердой поверхности зубьев твердость сердцевины не должна превышать 40…45 HRC_Э.

1.1.9. В целях унификации материалов в многоступенчатых редукторах рекомендуют для всех ступеней сохранять одно и то же сочетание марок сталей шестерни и колеса, а разные механические характеристики поверхностей зубь-ев получать за счет изменения режимов термо – или химико – термической обработки.

1.1.10. Зубчатые колеса больших размеров ( d_a ³ 500 мм ) изготавливают литыми из стали и чугуна или бандажированными (из центра и зубчатого венца

1.1.11. Выборка марок сталей для курсового проекта и механические характеристики зубьев в зависимости от термообработки приведены в табл. 1.1.

Таблица 1.1. Характеристики механических свойств сталей зубчатых колес

D = da + 6 мм

D = dae + 6 мм

S = c или S = d d = 2,2 m + 0,05b2

S = c или S = d d = 2,5 mte + 2 мм

Марка стали

Размеры, мм, не более

Термо-обработка

Механические свойства

Отнси- тель-ная стои-мость

твердость

sв, МПа

sт, МПа

НВ cердце- вины

HRCЭ повер- хности

D

S

любые

нормализация

163 - 192

---

любые

нормализация

179 - 207

---

1,0

улучшение

235 - 262

---

улучшение

269 – 302

---

40Х

улучшение

235 – 262

---

40Х

улучшение

269 – 302

---

1,3

40Х

закалка ТВЧ

269 – 302

45 – 50

35ХМ

улучшение

235 – 262

---

35ХМ

улучшение

269 – 302

---

1.5

35ХМ

закалка ТВЧ

269 – 302

48 – 53

40ХН

улучшение

235 – 262

---

40ХН

улучшение

269 – 302

---

2,0

40ХН

закалка ТВЧ

269 – 302

48 – 53

45ХЦ

улучшение

235 – 262

---

45ХЦ

улучшение

269 – 302

---

1,8

45ХЦ

закалка ТВЧ

269 – 302

50 - 56

20ХНМ

цементация

300 – 400

56 – 63

2,0

12ХН3А

цементация

300 – 400

56 – 63

2,4

25ХГНМ

цементация

300 – 400

56 – 63

1,8

18ХГТ

нитроцементац

300 – 400

56 – 63

1,2

Окончание табл.1.1
40ХНМА			азотирование			269 – 302	50 – 56	3,0
38ХМЮА			азотирование			269 – 302	850 –900 HV	2,5
35Л	любые	нормализация			163 – 207	---
45Л			улучшение			207 – 235	---
50ГЛ			улучшение			235 – 262	---
Примечания: 1. При поверхностном упрочнении зубьев механические характеристики сердцевины зуба определяются предшествующей термообработкой – улучшением. Исключение – зубья с модулем m < 3 мм, подвергаемые закалке ТВЧ, которые прокаливаются насквозь. 2. Стали поставляются в виде поковок или проката, кроме 35Л, 45Л, 50ГЛ, которые поставляют в виде отливок.

Червячные передачи

1.2.1. Для червяков используют стали, приведенные в табл.1.1. Поверх-ности витков закаливают ТВЧ или цементируют с последующими шлифова-нием или полированием. Архимедовы червяки в связи со сложностью шлифо-вания в настоящее время почти не применяют.

1.2.2. Материалы венцов червячных колес, представленные в табл. 1.2, по ухудшению их антифрикционных и антизадирных свойств можно разбить на три группы:

- группа I. Бронзы оловянистые и сурьмяноникелевые применяют при скоростях скольжения v_s > 5 м/с и длительной работе; дефицитны и дороги. Стоимость оловянистой бронзы примерно в 10 раз больше стоимости стали 45;

- группа II. Бронзы безоловянные и латуни – заменители оловянистых бронз при v_s до 3…5 м/с;

- группа III. Мягкие серые чугуны при v_s £ 2…3 м/с – во вспомогатель-ных механизмах.

1.2.3. В случае применения материалов из групп I и II червячные колеса выполняют сборными: центры (чугун или сталь) и зубчатые венцы (бронза или латунь).

Таблица 1.2. Материалы для червячных колес

Марка материала	Способ отливки	Механические свойства	Допускаемая скорость сколь-жения vs, м/c
sв, МПа	sт, МПа	твердость, НHB	Е×10-5, МПа
Г Р У П П А I
БрО10Ф1	З			80 – 100	0,75	£ 25
	М			80 – 100	0,75	£ 25
БрО10Н1Ф1	Ц			100 – 120	1,0	£ 35
БрО6Ц6С3	З			60 – 75	0,75	£ 12
	М			60 – 75	0,75	£ 12
Окончание табл. 1.2
БрО5Ц5С5	М			60 – 75	0,75	£ 12
БрСу7Н2	--				0,75	£ 25
Г Р У П П А II
БрА9Ж4	З				1,0	£ 5
	М				1,0	£ 5
	Ц				1,0	£ 5
БрА10Ж4Н4	М, Ц				1,0	£ 5
БрА10Ж3Мц1,5	М			120 – 140	1,0	£ 5
Л66А6Ж3Мц2	З				1,0	£ 5
	М				1,0	£ 5
	Ц				1,0	£ 5
Л58Мц2С2	М				1,0	£ 5
Л58Мц2О2С2	М				1,0	£ 5
Г Р У П П А III
СЧ12	З	280 *	---	120 – 150	0,75 – 1,0	£ 3
СЧ15	З		---	163 – 229	0,75 – 1,0	£ 3
СЧ18	З		---	170 – 241	0,75 – 1,0	£ 2
Примечания: 1. Обозначение способа отливки: З – в землю: М – в металлическую форму; Ц – центробеж- ный. 2. * - для чугунов предел прочности на изгиб.

2. РЕЖИМ РАБОТЫ И ЧИСЛО ЦИКЛОВ ПЕРЕМЕНЫ

НАПРЯЖЕНИЙ

Режим работы передачи

2.1.1. По заданиям на курсовой проект переменная нагрузка передач (при n_i – const) задается циклограммой нагру-

жения (рис.2.1).

На рис.2.1 каждый постоянный

i-й блок нагружения характеризуется отношением вращающих моментов T_i / T (i = 1,2,…) и соответствующего ему относительного времени наработки

L_hi / L_h.

При этом Т- номинальный момент (наибольший из длительно дей-ствующих T_i); L_h = SL_hi – суммарное время действия всех блоков нагрузки (S L_hi / L_h = 1).

2.1.2. Переменный режим при рас-

четах заменяют условным постоянным Рис.2.1. Циклограмма нагружения

режимом, эквивалентным по усталостному воздействию на передачу, используя коэффициент приведения :

m = S (T_i / T_max)^m (L_hi / L_h), (2.1)

где T_max = T₁ = T (при i = 1). Кратковременные пиковые моменты (пуска, торможения, буксования и т.д.), суммарное число циклов которых не более 5×10⁴, при расчете на сопротивление усталости не учитывают;

m – показатель степени отношения моментов: m_H = q_H / 2, m_F = q_F, где

q_H и q_F – показатели степени кривых усталостей соответственно по контакт-ным и изгибным напряжениям :

а) зубчатые передачи:

1) q_H = 6; m_H = 3 ;

2) q_F = m_F = 6 – зубья с однородной структурой материала, вклю-чая закаленные ТВЧ со сквозной закалкой и со шлифованной переходной поверхностью независимо от твердости и термообработки;

3) q_F = m_F = 9 – для цементированных, нитроцементированных и азотированных зубьев с нешлифованной переходной поверхностью ;

б) червячные передачи:

q_H = 8, m_H = 4; q_F = m_F = 9.

2.1.3. Коэффициенты приведения m_H и m_F для типовых, нормализованных режимов нагружения представлены в табл.2.1.

Таблица 2.1. Коэффициенты m_H и m_F для типовых режимов нагружения

Типовой режим	Зубчатые и червячные передачи
нагружения	mH при mH	mF при mF
	mH = 3	mH = 4	mF = 6	mF = 9
0 – Постоянный	1,0	1,0	1,0	1,0
I - Тяжелый	0,5	0,416	0,3	0,2
II - Средний равновероятный	0,25	0.2	0,143	0,1
III– Средний нормальный	0,18	0,121	0,065	0,04
IV- Легкий	0,125	0,081	0,038	0,016
V – Особолегкий	0,063	0,034	0,013	0,004