Выбор материалов, термообработки и допускаемых напряжений
При выборе материалов зубчатых колес следует учитывать назначение передачи, условия эксплуатации и требования к габаритным размерам, возможную технологию изготовления колес. Зубчатые колеса редукторов
в большинстве случаев изготавливаются из сталей, подвергнутых термическому упрочнению. В зависимости от твердости материала стальные зубчатые колеса разделяются на две группы: с твердостью НВ ≤ 350 (ТО: нормализация или улучшение) и с твердостью НВ > 350 (ТО: закалка ТВЧ, цементация, азотирование и др.). Для редукторов, к размерам которых не предъявляют особых требований, редукторов индивидуального и мелкосерийного производства, назначают стали первой группы ( табл.7). Для лучшей приработки рекомендуется назначать материал шестерни и колеса с соотношением твердости: (Шестерней условно называют колесо меньших размеров, участвующее в зацеплении).
НВ1 = НВ2 + (20…70) – при твердости зубьев НВ ≤ 350 и
НВ1 = НВ2 + (25…30) – при твердости зубьев НВ > 350,
где НВ1 – твердость шестерни; НВ2 – твердость колеса.
Необходимую разность в твердости материалов колес можно получить, применяя как различные, так и одинаковые марки стали для шестерни и колеса, но с различной термообработкой.
Чем выше твердость рабочей поверхности зуба, тем выше допускаемые напряжения и тем меньше габариты редуктора. В связи с этим для редукторов общего назначения, к которым не предъявляют повышенных требований, рекомендуется изготавливать зубчатые колеса из дешевых марок сталей типа
сталь 45 или сталь 40Х с термообработкой нормализация, улучшение или закалка ТВЧ. Характеристики марок стали приведены в таблице 8.
Таблица 7
Рекомендуемые сочетания материалов зубчатых колес [ 1, с.16]
| Шестерня | Колесо | Область применения | ||
| Марка стали | термообработка | Марка стали | термообработка | |
| Нормализация, улучшение, закалка, закалка ТВЧ, НВ ≤ 350 | 35Л | Нормализация, улучшение, закалка, закалка ТВЧ, для стального литья и нормализации НВ ≤ 350 | Основное применение для большинства металлургических, подъемно-транспортных машин и машин непрерывного транспорта | |
| 45Л | ||||
| 35Х 40Х 45Х | 40ГЛ | |||
| 40ХН 30ХГС | 35Х 40Х 40ГЛ | |||
| 20Х 12ХН3А 20ХН2М 40ХН2МА 16ХГТ | Цементация и закалка НВ > 350 40…63 НRС | 20Х 12ХН3А 18ХГТ | Цементация и закалка НВ > 350 40…63 НRС | Особо ответственные быстроходные передачи станков и транспортных машин |
Таблица 8
Механические свойства сталей [1, с.17]
| Марка | Твердость по HRC или по НВ | Предел прочности σВ, МПа | Предел текучести σТ, МПа | Термическая обработка |
| 140 … 187 195 … 212 | Н У | |||
| 152 … 207 187 … 217 | Н У | |||
| 167 … 217 180 … 236 | Н У | |||
| 180 … 229 228 … 255 40 … 66HRC | Н У ТВЧ | |||
| 35Х | 190 … 220 220 … 200 | Н У | ||
| 40Х | 200 … 230 215 … 285 45 … 50 HRC 40 … 56 HRC | Н У З ТВЧ | ||
| 45Х | 230 … 280 | У | ||
| 35ХМ | 241 … 269 38 … 55 HRC | У ТВЧ | ||
| 40Х | 220 … 250 241 … 295 48 … 54 HRC | Н У З | ||
| ЗОХГС | 215 … 250 235 … 280 | Н У | ||
| 20Х | 52 … 62 HRC | Ц | ||
| 12ХНЗА | 56 … 63 HRC | Ц |
Примечание: Н – нормализация, У – улучшение, З – закалка, Ц – цементация, ТВЧ – закалка токами высокой частоты.
Допускаемые контактные напряжения для стальных зубчатых колес
(4.1)
Допускаемые напряжения изгиба
(4.2)
где 
– базовые пределы контактной и изгибной выносливости
поверхности зубьев; 
– коэффициенты безопасности.
Таблица 9
Пределы базовой выносливости и коэффициенты безопасности [3, с. 34]
| Термическая обработка | Твердость зубьев | Стали | σH lim b | [SH] | σF lim b | [SF] |
| Нормализация, улучшение | < 350 НВ | 35,40,45, 50,40Х, 40ХН, 35ХМ | 2НВ+70 | 1,1 | 1,8 НВ | 1,75 |
| Объемная закалка | 40…56 HRC | 40Х,40ХН 35ХМ | 18 HRC+150 | 500…600 | ||
| Закалка ТВЧ | > 56 HRC | 12ХНЗА, 20ХН2М, 40ХН2МА, 18ХГТ | 17HRC+200 | 1,2 | ||
| Цементация и закалка | 23HRC | 710…750 | 1,55 |
Примечание: Для проката 
, для литья 
При постоянном режиме работы передачи: KH L = KF L = ZR = Z V = 1,0;
KFc – коэффициент, учитывающий реверсивность работы передачи и твердость поверхностей зубьев; при отсутствии реверсаKFc= 1,0; при реверсивной нагрузке KFc = 0,7…0,8 [7, с. 17-18].
Поскольку прочность зубьев колеса ниже прочности зубьев шестерни, то проектный расчет выполняют по σН2. Проверочные расчеты изгибной прочности зубьев шестерни и колеса выполняют по σF1 или по σF2.
По формулам (4.1) и (4.2) необходимо определить допускаемые напряжения для шестерни и для колеса - 
.