4.5. Критерии работоспособности и расчета

При передаче крутящего момента в зацеплении кроме нормальной силы (силы зацепления) действует сила трения , связанная со скольжением (рис. 4.7):

,

где – коэффициент трения.

Под действием данных сил зуб находится в сложном напряженном состоянии. Решающее влияние на его работоспособность оказывают:

– контактное напряжение ;

– напряжение изгиба .

Напряжения изгиба и контактные напряжения являются переменными, изменяющимися по прерывистому отнулевому циклу (рис. 4.8). Время действия напряжений за один оборот колеса равно продолжительности зацепления одного зуба . Время действия напряжений равно продолжительности пребывания в зацеплении текущей точки контакта рабочей поверхности зуба с учетом с учетом зоны распространения контактных деформаций под нагрузкой. Переменные напряжения являются причиной усталостного разрушения зуба.

Рис. 4.7.

Рис. 4.8.

Различают два вида потери работоспособности зубчатых передач:

– поломка зубьев;

– повреждение поверхности зубьев.

4.5.1. Поломка зубьев

Поломка зубьев связана с действием напряжений изгиба. Различают следующие виды поломки зубьев:

– поломка от перегрузок ударного или статического характера; предупреждают защитой привода от перегрузок или учетом перегрузок при расчете;

– усталостная поломка под действием переменных напряжений в течение длительного срока службы.

В последнем случае особое значение имеют меры по устранению концентраторов напряжений:

– рисок от механической обработки;

– раковин и трещин в отливках;

– микротрещин от термообработки и т.п.

Меры предупреждения поломки зубьев:

– увеличение модуля зацепления (возрастает площадь опасного сечения у основания зуба);

– положительное смещение при нарезании зубьев (возрастает площадь опасного сечения у основания зуба);

– увеличение твердости за счет термообработки;

– увеличение механических характеристик материала зубчатых колес за счет наклепа (механического упрочнения материала), повышающего упругие свойства материала в результате предварительного пластического деформирования (рис. 4.9);

– уменьшение концентрации нагрузки по краям зубьев: жесткие валы, зубья со срезанными углами (рис. 4.10, а), зубья бочкообразной формы (рис. 4.10, б).

Рис. 4.9. Диаграмма растяжения

Рис. 4.10

4.5.2. Повреждение поверхности зубьев

Повреждение поверхности зубьев связано с контактными напряжениями и трением.

Усталостное выкрашивание – основной вид разрушения поверхности зубьев при хорошей смазке (закрытые сравнительно быстроходные передачи, защищенные от пыли и грязи). Зубья в таких передачах разделены тонким слоем смазки. На начальной стадии износ мал. Передача работает длительное время до появления усталости в поверхностных слоях зубьев, которая, в свою очередь, ведет к возникновению небольших углублений. Углубления растут и превращаются в раковины. В результате этого нарушаются условия образования сплошной масляной пленки, появляется металлический контакт с последующим быстрым изнашивание поверхностей зубьев.

Меры предупреждения усталостного выкрашивания:

– определение размеров передачи из расчета на усталость по контактным напряжениям;

– повышение твердости материала за счет термообработки;

– повышение степени точности, особенно по норме контакта зубьев.

Абразивное изнашивание – основной вид разрушения поверхностного слоя зубьев передач при плохой смазке (открытые передачи). В результате интенсивного изнашивания увеличиваются зазоры в зацеплении, динамические нагрузки, шум. Понижается изгибная прочность зуба вследствие уменьшения площади поперечного сечения, что может привести к поломке зуба.

Меры предупреждения абразивного изнашивания:

– повышение твердости поверхности зубьев;

– увеличение модуля зацепления;

– выбор оптимальных значений коэффициентов смещения;

– защита от загрязнения;

– применение специальных смазок.

Изнашивание при заедании обычно наблюдается в высокоскоростных и высоконагруженных передачах. В месте контакта зубьев развивается высокая температура, способствующая снижению вязкости масла, разрыву масляной пленки и образованию металлического контакта поверхностей зубьев. В результате происходит сваривание микронеровностей поверхностей зубьев с последующим отрывом от менее прочной поверхности. Образовавшиеся наросты приводят к задиру рабочих поверхностей зубьев в направлении скольжения. Заеданию способствует кромочный удар зубьев.

Меры предупреждения изнашивания при заедании:

– модификация профиля головки зуба (фланкирование);

– повышение твердости материала зубчатых колес;

– выбор оптимальных значений коэффициентов смещения.

Пластические сдвиги наблюдаются у тяжело нагруженных тихоходных зубчатых колес, изготовленных мягких сталей. При перегрузках на поверхности зубьев появляются пластические деформации с последующим сдвигом поверхностного материала в направлении скольжения.

Меры предупреждения:

– использование предохранительных устройств;

– учет перегрузок при расчетах.

Отслаивание твердого поверхностного слоя зубьев, подвергнутых поверхностному упрочнению (азотированию, цементированию, закалке т.в.ч. и т.п.). Отслаивание наблюдается при некачественно выполненной термообработке, когда внутренние напряжения не сняты отпуском, или когда хрупкий поверхностный слой зуба не имеет под собой достаточно прочной сердцевины. Отслаиванию способствуют перегрузки.