12.2.Классификация зубчатых передач

Зубчатые передачи, используемые в виде агрегатов, могут быть трех видов:

1) открытые, не имеющие кожуха для смазки, обычно тихоходные;

2) полуоткрытые, имеющие кожух для масляной ванны;

3) закрытые, у которых зубчатые колеса работают в закрытых корпусах, выполняющих силовые функции.

Зубчатые передачи классифицируются по ряду отличительных признаков:

а) по расположению осей валов – с параллельными, пересекающимися и перекрещивающимися осями валов;

б) по форме – цилиндрические, конические, эллиптические (в курсе ДМ изучаются только цилиндрические и конические, остальные – в специальных курсах);

в) по форме и расположению зубьев – с прямыми, косыми, шевронными и криволинейными зубьями.

В зависимости от сочетания рассмотренных признаков, зубчатые передачи называются:

Цилиндрическая – прямозубая или косозубая, шевронная;

Коническая – прямозубая, косозубая и с круговыми зубьями;

Винтовая – состоящая из 2-х цилиндрических косозубых колес с перекрещивающимися осями валов;

Гипоидная – коническая винтовая.

В зависимости от расположения зубчатых колес, различают зубчатые передачи с внешним и внутренним зацеплением.

Разновидностью зубчатой передачи является реечная передача, которая служит для преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное и наоборот.

Самыми распространенными передачами являются цилиндрические и конические, а из них – цилиндрические, т.к. они проще в изготовлении. В шевронной передаче отсутствуют осевые усилия, действующие на валы. Винтовая и гипоидная передачи обладают большей плавностью работы, но КПД у них ниже и зубья изнашиваются быстрее вследствие повышенного скольжения. Винтовые передачи применяются редко. Гипоидные обладают повышенной несущей способностью (начальное касание в точке), поэтому по сравнению с винтовыми, они применяются значительно шире.

12.3.Точность зубчатых передач

Нормы точности эвольвентных цилиндрических зубчатых колес и передач с m ≥ 1 содержатся в СТ СЭВ 641-77. Он распространяется на зубчатые колеса с исходным контуром по СТ СЭВ 309-76.

Установлено 12 степеней точности: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12. Наиболее точная – 1, наименее точная – 12. Для степеней точности 3 – 11 цилиндрических и 5 – 11 конических передач установлены нормы: кинематической точности, плавности работы колеса и контакта зубьев.

Нормы точности на зубчатые передачи с перекрещивающимися осями и коническими зубчатыми колесами установлены в СТ СЭВ 186-75.

Нормы кинематической точности определяют суммарную ошибку угла поворота зубчатого колеса за один оборот в зацеплении с эталонным колесом. Нарушение кинематической точности происходит за счет ошибок шага и профиля. Мгновенные значения передаточного числа не остаются постоянными (постоянным сохраняется среднее значение).

Нормы плавности работы колеса определяют многократно повторяющиеся за один оборот колеса колебания скорости. В быстроходных передачах ошибки шага и погрешности профиля вызывают дополнительные динамические нагрузки, вибрации и шум в зацеплении.

Нормы контакта зубьев определяют ошибки в направлении зубьев и сборке передачи, влияющие на размеры пятна контакта. Ошибки в направлении зубьев, а также перекос валов приводят к неравномерному распространению нагрузки по длине зуба.

Как правило, степень точности назначается в зависимости от величины окружной скорости. Наибольшее распространение имеют 6, 7, 8 степени точности. Независимо от степени точности установлены нормы бокового зазора:

-с нулевым зазором Н

-с малым зазором Е

-с уменьшенным зазором С, Д

-с нормальным зазором В

-с увеличенным зазором А

Сопряжения Н, Е, С требуют повышенной точности изготовления.

Допускается взаимное колибрование норм точности. Например: степень точности зубчатого колеса обозначена:

6-7-8-Н СТ СЭВ 642-77

6- шестая степень по нормам кинематической точности колес;

7- седьмая степень по нормам плавности работы колеса;

8- восьмая степень по нормам контакта зубьев

Н- с нулевым боковым зазором.

12.4.Материалы зубчатых колес

Материал зубчатых колес должен обладать определенными технологическими и физическими свойствами. Например, он должен хорошо обрабатываться в холодном и горячем состоянии, иметь хорошую склонность к термообработке, обеспечить достаточную прочность при изгибе, высокую прочность поверхностного слоя зубьев и высокое сопротивление истиранию.

Для передач общего назначения рекомендуется ст.35,45,50,50Г (ГОСТ 1050-88) и легированные – 40Х, 45ХН (ГОСТ 4543-88) и др. При твердости зубчатых колес не превышающей НВ350 зубья нарезают после термообработки (улучшение, нормализация). Если твердость зубьев должна быть выше НВ350, то сначала нарезают зубья, а затем проводят термообработку (объемную закалку, закалку ТВЧ, цементацию, азотирование и др.). Сплошная закалка дает коробление и понижение вязкости сердцевины. Твердость сердцевины для углеродистых сталей не должна превышать НRC 45, а для легированных HRC 50, иначе ударная вязкость резко падает.

Твердость материала Н  350 НВ позволяет производить чистовое нарезание зубьев после термообработки. При этом можно получать высокую точность без применения дорогих отделочных операций (шлифовки, притирки и т. п.). Колеса этой группы хорошо прирабатываются и не подвержены хрупкому разрушению при динамических нагрузках. Для лучшей приработки зубьев твердость шестерни рекомендуют назначать больше твердости колеса не менее чем на 20...50 единиц:

H₁  H₂ + (20…50) HB

Технологические преимущества материала при Н  350 НВ обеспечили ему широкое распространение в условиях индивидуального и мелкосерийного производства, в мало- и средненагруженных передачах, а также в передачах с большими колесами, термическая обработка которых затруднена.

При Н > 350 НВ твердость выражается обычно в единицах Роквелла – HRC (1HRC  10 HB).

Специальные виды термообработки позволяют получить твердость Н=(50...60) HRC. При этом допускаемые контактные напряжения увеличиваются до двух раз, а нагрузочная способность передачи–до четырех раз по сравнению с нормализованными или улучшенными сталями. Возрастают также износостойкость и стойкость против заедания.

Применение высокотвердых материалов является большим резервом повышения нагрузочной способности зубчатых передач. Однако с высокой твердостью связаны некоторые дополнительные трудности:

1. Высокотвердые материалы плохо прирабатываются, поэтому они требуют повышенной точности изготовления, повышенной жесткости валов и опор, желательно фланкирование зубьев прямозубых колес.

2. Нарезание зубьев при высокой твердости затруднено, поэтому термообработку выполняют после нарезания. Некоторые виды термообработки (объемная закалка, цементация) сопровождаются значительным короблением зубьев. Для исправления формы зубьев требуются дополнительные операции: шлифовка, притирка, обкатка и т. п. Эти трудности дешевле преодолеть при крупносерийном и массовом производстве, тогда окупаются затраты на специальное оборудование, инструменты и приспособления. Поэтому в изделиях крупносерийного и массового производства применяют колеса с высокотвердыми зубьями.

Объемная закалка – наиболее простой способ получения высокой твердости зубьев. При этом зуб становится твердым по всему объему. Для объемной закалки используют углеродистые и легированные стали со средним содержанием углерода 0,35...0,5% (стали 45, 40Х, 40ХН и т. д.). Твердость на поверхности зуба 45...55 HRC.

Недостатки объемной закалки: коробление зубьев и необходимость последующих отделочных операций, понижение изгибной прочности при ударных нагрузках (материал приобретает хрупкость); ограничение размеров заготовок, которые могут воспринимать объемную закалку. Последнее связано с тем, что для получения необходимой твердости при закалке скорость охлаждения не должна быть ниже критической. С увеличением размеров сечений детали скорость охлаждения падает, и если ее значение будет меньше критической, то получается так называемая мягкая закалка. Мягкая закалка дает пониженную твердость.

Объемную закалку во многих случаях заменяют поверхностными термическими и химико-термическими видами обработки, которые обеспечивают высокую поверхностную твердость (высокую контактную прочность) при сохранении вязкой сердцевины зуба (высокой изгибной прочности при ударных нагрузках).

Поверхностная закалка токами высокой частоты (ТВЧ) или пламенем ацетиленовой горелки обеспечивает Н = (48...54) HRC и применима для сравнительно крупных зубьев (m  5 мм). При малых модулях опасно прокаливание зуба насквозь, что делает зуб хрупким и сопровождается его короблением. При относительно тонком поверхностном закаливании зуб искажается мало. И все же без дополнительных отделочных операций трудно обеспечить степень точности выше 8-й. Закалка ТВЧ требует специального оборудования и строгого соблюдения режимов обработки. Стоимость обработки ТВЧ значительно возрастает с увеличением размеров колес. Для поверхностной закалки используют стали 40Х, 40ХН, 45 и др.

Цементация (насыщение углеродом поверхностного слоя с последующей закалкой) – длительный и дорогой процесс. Однако она обеспечивает очень высокую твердость (58....63HRC). При закалке после цементации форма зуба искажается, а поэтому требуются отделочные операции. Для цементации применяют низкоуглеродистые стали простые (сталь 15 и 20) и легированные (20Х, 12ХН3А и др.). Легированные стали обеспечивают повышенную прочность сердцевины и этим предохраняют продавливание хрупкого поверхностного слоя при перегрузках. Глубина цементации около 0,1–0,15 от толщины зуба, но не более 1,5...2 мм. При цементации хорошо сочетаются весьма высокие контактная и изгибная прочности. Ее применяют в изделиях, где масса и габариты имеют решающее значение (транспорт, авиация и т. п.).

Нитроцементация – насыщение углеродом в газовой среде. При этом по сравнению с цементацией сокращаются длительность и стоимость процесса, – упрочняется тонкий поверхностный слой (0,3...0,8 мм) до 60...63 HRC, коробление уменьшается, что позволяет избавиться от последующего шлифования. Нитроцементация обычно применяется при массовом производстве редукторов общего назначения, в автомобилестроении и других отраслях для сталей 25ХГМ, 25ХГТ и др.

Азотирование (насыщение поверхностного слоя азотом) обеспечивает не меньшую твердость, чем при цементации. Малая толщина твердого слоя (около 0,1...0,6 мм) делает зубья чувствительными к перегрузкам и непригодными для работы в условиях повышенного абразивного износа (например, плохая защита от загрязнения). Степень коробления при азотировании мала. Поэтому этот вид термообработки особенно целесообразно применять в тех случаях, когда трудно выполнить шлифование зубьев (например, колеса с внутренними зубьями). Для азотируемых колес применяют молибденовую сталь 38ХМЮА или ее заменители 38ХВФЮА и 38ХЮА. Заготовку зубчатого колеса, предназначенного для азотирования, подвергают улучшению в целях повышения прочности сердцевины.

При отсутствии абразивного износа целесообразно применять так называемое мягкое азотирование на глубину 10...15 мкм. Оно значительно проще, обеспечивает минимальное коробление и позволяет получать зубья 7-й степени точности без отделочных операций. Для мягкого азотирования применяют улучшенные хромистые стали типа 40Х, 40ХФА, 40Х2НМА.

Высокая твердость зубьев значительно повышает их контактную прочность. В этих условиях решающей может оказаться не контактная, а изгибная прочность. Для повышения которой рекомендуют проводить упрочнение галтелей путем дробеструйного наклепа, накатки и т. п. В зависимости от размеров, конструкции, назначения и типа производства зубчатые колеса могут штамповать, отливать, выполнять сварными или изготавливать из проката (вал-шестерня).

В зависимости от способа получения заготовки различают литые, кованые, штампованные колеса и колеса, изготовляемые из круглого проката. Стальное литье обладает пониженной прочностью и используется обычно для колес крупных размеров, работающих в паре с кованой шестерней.

Чугун применяют главным образом для изготовления крупногабаритных, тихоходных колес и колес открытых зубчатых передач. Основной недостаток чугуна – пониженная прочность по напряжению изгиба. Однако чугун хорошо противостоит усталостному выкрашиванию и заеданию в условиях скудной смазки. Он не дорог и обладает хорошими литейными свойствами, хорошо обрабатывается. Разработанные новые сорта модифицированного чугуна позволяют чугунному литью конкурировать со стальным литьем также и в закрытых передачах. Для изготовления зубчатых колес применяют серый и модифицированный чугун, а также магниевый чугун с шаровидным графитом (см. ГОСТ 1412–85).

Из пластмасс для изготовления зубчатых колес находят применение главным образом, текстолит (E = 6000–8000 МПа) и лигнофоль (E = 10000–12000 МПа), а также полиамиды типа капрона. Из пластмассы изготовляют обычно одно из зубчатых колес пары. Из-за сравнительно низкой нагрузочной способности пластмассовых колес их целесообразно применять в малонагруженных и кинематических передачах. В силовых передачах пластмассовые колеса используют только в отдельных случаях, например при необходимости обеспечить бесшумную работу высокоскоростной передачи, не прибегая к высокой точности изготовления, и вместе с тем при условии, что габариты этой передачи допускают повышенные размеры колес. Пластмассовые колеса целесообразно применять и в тех случаях, когда трудно обеспечить точное расположение валов (нет общего жесткого корпуса). Эти колеса менее чувствительны к неточностям сборки и изготовления благодаря малой жесткости, материала.

12.5.Методы изготовления зубчатых колес

Различают два основных метода: без снятия стружки и со снятием стружки.

12.5.1.Изготовление зубчатых колес без снятия стружки

• метод порошковой металлургии заключается в том, что зубчатое колесо вместе с зубьями спекается из металлических порошковых смесей в закрытых штампах, которые изготовлены из стали твердого сплава. Процесс происходит при температуре ковки и при усилии 50-60 т. Эти колеса имеют более низкую прочность, чем штампованные и невысокую твердость. Последующей термообработкой твердость повышается до HRC 60-65. Зубчатые колеса, полученные таким способом, хорошо работают на высоких скоростях при передаче небольших нагрузок. Имеют высокую износостойкость. Изготавливаются диаметром от 30-200 мм.

• горячая штамповка конических колес с прямыми зубьями внедрена на ГАЗе, ЗИЛе, Минском тракторном и др. заводах. Заготовку изготавливают до 1200 С ТВЧ и в три перехода на ковочных прессах в штампах получают заготовку колеса с предварительно оформленными зубьями. Горячая штамповка заменяет черновое нарезание зубьев.

• горячее накатывание зубьев цилиндрических з.к. применяется для накатывания прямозубых, косозубых и шевронных колес. Накатывание производится на специальных накатных станах различными методами: осевым или радиальным. Заготовка механически обрабатывается нагревается на Т.В.Ч. до t = 800⁰-1000⁰ C и проталкивается между двумя синхронно вращающимися зубчатыми накатниками. Накатываются з.к. m ≤ 7 мм и d = 200 мм. После накатывания, зубья подвергаются чистому нарезанию.

• холодная накатка зубьев применяется взамен зубошевингования.

12.5.2.Изготовление зубчатых колес путем снятия стружки.

• метод копирования. В этом случае профиль зуба инструмента представляет точную копию впадины между зубьями нарезаемого колеса. В процессе резания профиль инструмента совпадает всеми точками с профилем колеса. Таким методом работает дисковая и пальцевая модульные фрезы.

• метод центроидного огибания. В этом случае центроиды (начальные окружности) перекатываются в процессе работы друг по другу без скольжения: центроида нарезаемого колеса и инструмента. Так работают червячные фрезы, долбяки, зуборезные гребенки.

Рис. 12.70. Обработка зубчатых колес методом копирования: а) дисковая фреза; б) пальцевой фрезой

Рис. 12.71. Нарезание зубьев методом обкатки: а) червячной фрезой; б) долбяком

• метод бесцентоидного огибания. При этом профиль нарезаемых зубьев также получается как огибающая различных положения режущих кромок инструмента. Но в процессе нарезания центроиды отсутствуют как на инструменте, так и на изделии. Таким методом работают и пальцевая и дисковая модульные фрезы при нарезании косозубых и шевронных колес.

13.Виды разрушения зубьев. Критерии работоспособности и расчета

13.1.Виды разрушения зубьев

При работе зубчатой передачи между зубьями сопряженных зубчатых колес возникает сила давления «F», направленная по линии зацепления (рис. 13.1). Возникающая сила трения F_тр = Ff невелика и ее значение в расчет не принимают. На работоспособность решающее влияние оказывает напряжение изгиба σ_u, возникающее в поперечных сечениях зубьев и контактные напряжения σ_н, возникающие в поверхностных слоях зубьев. Напряжение изгиба является причиной поломок σ_u зубьев, а контактные напряжения σ_н, вызывают усталостное выкрашивание поверхностных слоев зубьев.

Рис. 13.72. Изгибающие и контактные напряжения

Поломка зубьев (рис. 13.2, а) является наиболее опасным видом их разрушения. Поломка возникает в результате больших нагрузок, особенно ударного воздействия многократно повторяющихся нагрузок. Эти вызывают усталость материала зубьев. Для предотвращения поломки зубьев, их рассчитывают на изгиб.

Рис. 13.73. Виды износа зубьев: а) излом зуба по косому сечению; б) усталостное выкрашивание; в) уменьшение ширины зуба; г) заедание

Усталостное выкрашивание (рис. 13.2, б) поверхностных слоев зубьев является самым распространенным и опасным видом разрушений рабочих поверхностей зубьев. Этот вид разрушений заключается в том, что при больших контактных напряжениях на рабочей поверхности зубьев (на ножках, вблизи полюсной линии) появляются усталостные трещины. Это приводит к выкрашиванию мелких частиц материала зубьев и образованию небольших осповидных углублений. Под влиянием давления масла, вдавливаемого с большой силой сопряженным зубом в эти углубления и трещины, они растут и превращаются в раковины. Для предотвращения выкрашивания зубьев их рассчитывают на контактную прочность.

Уменьшение ширины зуба (рис. 13.2, в) – наиболее характерная причина выхода из строя открытых передач или закрытых передач с плохими уплотнителями, работающих в абразивной среде.

Заедание зубьев (рис. 13.2, г) характеризуется в местном молекулярном сцеплении материала поверхностей контакта при отсутствии между ними смазочной плёнки.

Поломка и выкрашивание являются основными видами разрушений. А контактная прочность и прочность на изгиб зубьев в свою очередь являются главными критериями работоспособности зубчатой передачи.

Закрытые передачи рассчитывают на изгиб и на контактную прочность зубьев. При этом основным является расчет на контактную прочность, т.к. величина контактных напряжений σ_н не зависит от модуля. Величина напряжений изгиба σ_u может быть уменьшена путем увеличения модуля “m”.

Зубья открытых передач рассчитывают только на изгиб.