Виды разрушений зубьев

При эксплуатации зубчатых передач происходит разрушение зубьев колёс, связанное с действием изгибных и контактных напряжений. При действии напряжений изгиба (рис. 27, а) возникает:

- излом от больших перегрузок ударного или статического действия (излом, вызванный перегрузками статического действия, происходит сравнительно реже);

- усталостный излом от действия переменных напряжений (как правило, отнулевого цикла) в течение длительного срока службы.

Для предупреждения излома зубьев увеличивают значение модуля передачи и проводят мероприятия по снижению концентрации напряжений в переходной части ножки зуба (например, выполняют смещение исходного контура, применяют более прочный материал в сочетании с необходимой термообработкой).

а) б) в) г)

Рис. 27. Виды разрушений зубьев:

а) - излом; б) - усталостное выкрашивание;

в) - абразивный износ; г) - заедание

Под действием контактных напряжений и сил трения возникает:

- усталостное выкрашивание (рис. 27, б). При скольжении и перекатывании зубьев колёс происходит вдавливание масла в микротрещины, где сдавливаемая жидкость способствует дальнейшему выкрашиванию частиц металла (жидкость практически несжимаема);

- абразивное изнашивание, связанное с попаданием в зацепление загрязняющих частиц и продуктов износа (рис. 27, в). При этом форма зуба изменяется вследствие износа, увеличивается боковой зазор в зацеплении, возникают ударные нагрузки, заканчивающиеся изломом зуба. Такой вид износа характерен для открытых передач;

- заедание, связанное с тяжёлыми условиями работы (в тяжело нагруженных передачах происходит разрыв масляной плёнки вследствие больших усилий и высоких температур в зацеплении). При этом образуются задиры на активных поверхностях зубьев в направлении их скольжения (рис. 27, г).

Для предотвращения разрушения активных поверхностей зубьев повышают их твёрдость, степень точности, и применяют смазочный материал с повышенной вязкостью.

3.8. Расчёт зубчатых передач

Для расчёта любой зубчатой передачи необходимо знать следующие исходные данные:

- крутящий момент на шестерне Т ₁, Н·м;

- частоту вращения шестерни n ₁, об/мин, или угловую скорость вращения ω ₁, рад/с;

- передаточное отношение u _1-2, кинематическую схему передачи;

- время работы передачи (ресурс работы) L_h, час;

- вид передачи (цилиндрическая внешнего или внутреннего зацепления, коническая или гипоидная передача с прямозубым, косозубым или винтовым колесом).

Для закрытых хорошо смазываемых передач основными критериями работоспособности зубьев являются контактная прочность и прочность при изгибе. Алгоритм расчёта зубчатых передач в общем виде представлен на рис. 28.

Определение допускаемых контактных напряжений и напряжений на изгиб

Проверочный расчёт: ,

Рис. 28. Схема последовательности расчёта зубчатых передач

Расчёт зубчатых цилиндрических передач внешнего зацепления производят в соответствии с ГОСТ 21354 - 87.

3.8.1. Выбор материала и термообработки зубчатых колёс

Основным материалом для изготовления зубчатых колёс силовых передач является легированная или углеродистая сталь. Материал и вид термообработки назначают, исходя из условий работы передачи и размеров колёс.

В зависимости от твёрдости рабочих поверхностей зубьев, достигаемой тем или иным видом термообработки, зубчатые колёса можно разделить на две группы:

- с твёрдостью не более 350 НВ, получаемой нормализацией или улучшением;

- с твёрдостью более 350 НВ, получаемой поверхностной закалкой с нагревом ТВЧ, цементацией, нитроцементацией или азотированием.

Зубчатые колёса первой группы применяют в мало- и средненагруженных передачах, где габаритные размеры не имеют первостепенного значения. Технологические преимущества материала при НВ ≤ 350 обеспечили ему широкое применение в передачах с большими колёсами (диаметром более 500 мм), термическая обработка которых затруднена. Материалом для колёс данной группы служат углеродистые стали 40, 45, 50, и легированные стали 40Х, 45Х, 40ХН, 35ХМ, 45ХЦ. Нарезание зубьев производят после термообработки, что исключает необходимость шлифования. Колёса с твёрдостью НВ ≤ 350 хорошо прирабатываются, в результате чего погрешности, допущенные при нарезании зубьев и при сборке передачи, частично устраняются в процессе приработки. В целях выравнивания долговечности зубьев в зацеплении и повышению сопротивления заеданию твёрдость шестерни назначают несколько бóльшей, чем колеса в зависимости от типа зуба:

- для прямозубых колёс НВ ₁ ≥ НВ ₂ + (10 … 15);

- для косозубых колёс НВ ₁ ≥ НВ ₂ + (50 … 70).

Зубчатые колёса второй группы применяют в высоконагруженных зубчатых передачах, что позволяет значительно уменьшить их габариты. Высокая твёрдость, достигаемая термообработкой (до 50 … 60 HRC _э), позволяет увеличить допускаемые напряжения примерно в два раза, а нагрузочную способность передачи - до четырёх раз в сравнении с нормализованными и улучшенными сталями. Зубья таких колёс нарезают до термообработки, после чего шлифуют, что связано с устранением неточностей поверхностей зубьев, обусловленных короблением. Для зубчатых колёс данной группы обеспечивать различную твёрдость шестерни и колеса не требуется.

Для достижения твёрдости HRC _э ≥ 45 (при Н_НВ ≥ 350 твёрдость материала измеряют по шкале Роквелла - HRC _э) зубчатые колёса подвергают химико - термической обработке, которая представляет собой совокупность процессов теплового и химического воздействий, направленных на изменение химического состава и структуры поверхностного слоя колёс при сохранении вязкой сердцевины.