Зубчатые передачи. Достоинства и недостатки. Основные виды зубчатых передач. Основные параметры зубчатых колес. Передаточное число. Материалы и обработка

Контактные напряжения. Виды разрушения, вызываемые контактными напряжениями. Какие передачи рассчитываются по сопротивлению контактной усталости. Формулы Герца и их использование в расчетах на контактную прочность.

Работоспособность ряда деталей характеризуется прочностью поверхностных слоев сопрягаемых деталей – контактной прочностью.

При передаче сил через поверхности, размеры которых малы по сравнению с размерами сопрягаемых тел, возникают контактные напряжения.

Виды контакта: 1) по плоскости 2) по линии 3) в точке.

Передача сил от одной детали к другой в машинах осу­ществляется по сопряженным поверхностям контакта. Перво­начальный контакт (контакт без нагрузки) в сопряжениях де­талей машин происходит по поверхности, в точке или по линии. В зависимости от характера взаимно­го перемещения контактирующих поверхностей под нагруз­кой различают неподвижные и подвижные сопряжения де­талей.

Задачей расчета сопряжений является определение напря­жений и деформаций. Они нужны для расчета деталей на прочность, износостойкость и для определения жесткости (или обратной величины — податливости) соединения. Расчет напряжений и деформаций в сопрягаемых деталях называют решением контактной задачи, а напряжения — контактными. В точной общей постановке ее решение связано со значитель­ными трудностями, обусловленными сложной формой дета­лей. Поэтому обычно задачу решают приближенно для част­ных форм деталей и условий нагружения.

Особый класс задач составляют задачи с первоначальным контактом деталей в точке или по линии. Решения этих задач обычно выполнены для неподвижного контакта и используют­ся при расчете на прочность подшипников качения, зубчатых и фрикционных передач. Учитывая, что в подшипниках каче­ния и передачах контакт подвижный (действуют силы трения) и часто присутствует смазочный материал в сопряжениях, ус­ловие прочности имеет вид

.

Расчетное контактное напряжение σ_н сравнивают с допус­каемым [σ]_н, полученным экспериментально на реальных об­разцах в реальных условиях работы.

Решение задачи о контакте двух непо­движных шаров было получено извест­ным немецким механиком Г. Герцем в 1881 г. при следующих допущениях: ма­териал шаров изотропный и подчиняется закону Гука, поверхности без смазочного материала и абсолютно гладкие (шерохо­ватость отсутствует), размеры площадки контакта малы по сравнению с радиусами кривизны шаров, площадка контакта плоская.

,

Где E – модуль упругости, υ – коэффициент Пуассона, - приведенный радиус кривизны.

Если контактируют одинаковые материалы, то формула сокращается:

, где w_n – распределенная нагрузка по длине образующей цилиндров.

Наибольшие контактные напряжения возникают в тонком поверхностном слое материала. Поэтому для повышения кон­тактной прочности достаточно упрочнить только поверхност­ный слой детали. Для зубчатых передач толщина этого слоя составляет 0,2...0,3 модуля. На практике это достигается раз­личными методами термической и химико-термической обра­ботки материала.

Виды разрушения:

1) на поверхности контакта происходят сдвиги (т.к. нагрузка циклическая, то материал в результате циклического нагружения постоянно меняет свою форму и изнашивается)

2) усталостное выкрашивание – любая точка поверхности испытывает циклическую нагрузку, возникает поверхностный микросдвиг, это приводит к образование микротрещин, которые в свою очередь раскрываются в зоне растяжения, в них попадает смазка, жидкость плохосжимаема – трещина увеличивается в размерах, и при многократных повторениях цикла происходит вырывание частиц.

3) Смятие контактных поверхностей. Если оно произошло, то была ударная или вибрационная нагрузка (неправильная эксплуатация). Смятие – пластическая деформация поверхностного слоя.

4) заедание – возникает в случае отсутствия смазки или разрыв смазочного слоя в случае большой ударной нагрузки. Появление местного повышения температуры и отрыв частиц с переносом их на другую поверхность.

Зубчатые передачи. Достоинства и недостатки. Основные виды зубчатых передач. Основные параметры зубчатых колес. Передаточное число. Материалы и обработка.

Зубчатая передача — это механизм, который с помощью зуб­чатого зацепления передает или преобразует движение с изме­нением скоростей и моментов.

Цилиндрические зубчатые передачи между параллельны­ми валами выполняют с помощью колес с прямыми, косыми и шевронными зубьями. Конические передачи между валами с пересекающимися осями осуществляют коле­сами с прямыми и круговыми зубьями, реже ко­сыми (тангенциальными) зубьями. Преобразова­ние вращательного движения в поступательное и наоборот осу­ществляют цилиндрическим колесом и рейкой.

Зубчатые передачи — самые распространенные среди меха­нических передач. Годовой выпуск зубчатых колес составляет несколько миллионов. Диапазон их применения широк: от ча­сов и приборов до самых тяжелых машин.

Достоинства зубчатых передач: малые габариты; высокий КПД; постоянство передаточного отношения из-за отсутствия проскальзывания; возможность применения в широком диа­пазоне вращающих моментов, скоростей и передаточных отно­шений; надежность в работе и простота обслуживания.

Недостатки зубчатых передач: высокие требования к точ­ности изготовления; шум при работе со значительными ско­ростями.

Начальная окружность - ;

- передаточное отношение;

- межосевое расстояние;

- модуль, он стандартизован;

- делительный диаметр;

- коэффициент ширины зубчатого венца, где b – ширина колеса.

Для косозубых передач водят угол наклона зубьев β, для конических углы конусности δ, причем δ₁+ δ₂=180º.

Еще вводят параметры: стандартный угол профиля, окружности все, коэфф. торцевого перекрытия, смещение, линия зацепления и активная линия зацепления, высота и толщина зуба, ну может, что еще придумаете.

При выборе материалов для зубчатых колес необходимо обес­печить сопротивление контактной усталости поверхностных слоев зубьев, прочность зубьев на изгиб, сопротивление заеда­нию и износу. Основными материалами являются термически обрабатываемые стали. Допускаемые контактные напряжения примерно пропорциональны твердости материа­лов. Это указывает на целесообразность широкого применения для зубчатых колес сталей, закаливаемых до значительной твердости.

Твердость Н материала измеряют по Бриннелю, когда Н < 350 НВ или по Роквеллу НRС_Э при Н > 350 НВ. Прибли­женно 10 НВ ~ 1 НRС_Э. При твердости Н < 350 НВ шестерню выполняют с несколько большей твердостью, чем колесо, на (20...30) НВ. Термическую обработку заготовки (нормализа­цию, улучшение) выполняют до нарезания зубьев. После наре­зания зубьев не требуется дополнительных финишных опера­ций. Такие передачи хорошо прирабатываются.

При твердости Н > 350 НВ химико-термическую обработку ведут после зубонарезания, при этом зубья коробятся и в ре­зультате ухудшаются их точностные показатели. В массовом и крупносерийном производстве применяют исключительно зубчатые колеса высокой твердости, которые подвергают отде­лочным операциям после термической обработки.

Объемная закалка вызывает увеличение твердости не толь­ко поверхности зуба, но и его сердцевины. В результате зуб становится хрупким и легко разрушается при ударах. По­этому объемная закалка уступила место поверхностным тер­мическим и химико-термическим методам упрочнений. Такой обработкой можно достигнуть высокой твердости поверхно­стных слоев материала зубьев при сохранении вязкой сердце­вины.

Для зубчатых колес применяют следующие основные виды поверхностных термических и химико-термических упрочне­ний: поверхностная закалка, цементация и нитроцементация с закалкой, азотирование.

Поверхностную закалку в основном обеспечивают за счет нагрева токами высокой частоты (ТВЧ). В связи с тем, что на­греваются поверхностные слои в течение 20...50 с, толщина закаливаемого слоя мала и деформации при закалке невели­ки. Поэтому можно обойтись без последующего шлифования зубьев (однако это понижает точность на одну-полторы степе­ни). Материалы в этом случае — среднеуглеродистые легиро­ванные стали 40Х, 40ХН, 35ХМ и др. Обычно твердость на по­верхности зубьев (50...55) НRС_Э.

Поверхностная закалка зубьев без охвата переходной по­верхности (с обрывом твердого слоя у впадины зубьев) повы­шает износостойкость и сопротивление выкрашиванию, но по­нижает прочность при изгибе, так как создает концентратор напряжений у корня зуба. Желательно, чтобы закаленный слой повторял очертание впадин.

Цементация — поверхностное насыщение углеродом сталей, содержащих углерода менее 0,3%, с последующей закалкой. Цементация обеспечивает большую твердость (56...63) НRС_Э, несущую способность поверхностных слоев зубьев и высокую прочность на изгиб. Целесообразно при­менять газовую цементацию как более производительную. Применяют цементируемые стали: 20Х, а для ответственных зубчатых колес, работающих с ударными нагрузками, хро-моникелевые стали 12ХНЗА, 20ХНМ, безникелевые стали 18ХГТ, 25ХГТ и др. Толщина цементированного слоя при­мерно 0,3 модуля. Время цементации на глубину 1 мм при­мерно 3 часа — процесс длительный. При цементации рабо­чие поверхности зубьев искажаются и требуется их шлифо­вание.

Азотирование — насыщение поверхностных слоев азотом, обеспечивает высокую твердость (58...65) НRС_Э и износостой­кость поверхностных слоев. Азотируют готовые детали без по­следующей закалки. Для азотируемых колес применяют мо­либденовую сталь 38Х2МЮА, безалюминиевые стали типа 40ХФА, 40ХНА, 40Х. Зубья после азотирования в связи с ма­лой толщиной слоя насыщения и малым короблением не шли­фуют. Поэтому азотирование применяют для колес с внутрен­ними зубьями и других, шлифование которых трудно осу­ществимо. Недостатком азотированных колес является малая толщина упрочненного слоя (0,2...0,5 мм), не позволяющая применять их при ударных нагрузках из-за опасности растрес­кивания упрочненного слоя и при работе с интенсивным изна­шиванием (при загрязненной смазке).

Нитроцементация — насыщение поверхностных слоев уг­леродом и азотом с последующей закалкой — обеспечивает им высокую прочность, износостойкость и сопротивление заеда­нию. Нитроцементация идет с достаточно высокой скоростью и в связи с малыми толщиной упрочняемого слоя и его дефор­мациями позволяет обойтись без последующего шлифования.

Улучшаемые стали применяют для зубчатых колес, преимущественно изготовляемых в условиях мелкосерийного и единичного производства при отсутствии жестких требова­ний к габаритам. Чистовое нарезание зубьев улучшаемых ко­лес производят после термической обработки заготовки, что исключает необходимость шлифования и позволяет обеспе­чить высокую точность. Применяют качественные углеродис­тые стали 40, 45 и легированные 35ХГС, 40Х и др.

Стали в нормализованном состоянии для обоих сопряженных зубчатых колес применяют только во вспомогательных механизмах, например в механизмах с руч­ным приводом. Основные материалы — среднеуглеродистые стали 40, 45, 50. Для повышения стойкости против заедания шестерни и колеса изготовляют из разных материалов.

Стальное литье применяют для колес больших диа­метров. Основные материалы — литейные среднеуглеродис­тые стали 35Л, 50Л и др. Литые колеса подвергают преимуще­ственно нормализации.

Ч у г у н ы используют для изготовления тихоходных, крупногабаритных и открытых передач. Кроме того, из чугуна изготовляют сменные колеса (поочередно работающие). При­меняют чугуны СЧ20...СЧ35, а также высокопрочные магние­вые чугуны с шаровидным графитом.

Пластмассовые зубчатые колеса в паре с ме­таллическими применяют в слабонагруженных передачах для обеспечения бесшумности, самосмазываемости или химиче­ской стойкости. Используют текстолит (рекомендуемые марки ПТ и ПТК) и древесно-слоистые пластики. Наиболее перспек­тивными следует считать капролон, полиформальдегид и фенилон.