Выбор материалов для зубчатых колёс

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.

Рекомендуемые для изготовления зубчатых колёс марки сталей приведены в табл. 1.1, а варианты термической обработки зубчатых колёс – в табл. 1. 2.

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

Таблица 1.2

Вариант	I	II	III	IV	V
шестерня	У	ТВЧ	ТВЧ	Ц	Ц
колесо	У	У	ТВЧ	ТВЧ	Ц