1.3 Наиболее распространенные варианты термической обработки

На практике обычно назначают следующие стали и варианты термической об­работки (ТО):

1. Марки сталей одинаковы для шестерни и колеса: 45, 40Х, 40ХН, 35ХМ. ТО шестерни – улуч­шение, твердость 269…302 НВ. ТО колеса – улучшение, твердость 235... 262 НВ. Зубья колес из улучшаемых сталей хорошо при­рабатываются и не подвержены хрупкому разрушению, но имеют ограниченную нагрузочную способность. Применяют в слабо- и средненагруженных передачах. Область применения улучшенных зубчатых колес сокращается.

2. Марки сталей одинаковы для шестерни и колеса: 40Х, 40ХН, 35ХМ. ТО шестерни – улучшение и закалка ТВЧ, твердость поверхности 48... 53 HRC. ТО колеса – улучшение, твердость 269... 302 НВ. Твердость сердцевины зуба соответствует термообработке улучшение.

3. Марки сталей одинаковы для шестерни и колеса: 40Х, 40ХН, 35ХМ. ТО шестерни и колеса одинаковая – улучшение и закалка ТВЧ, твер­дость поверхности в зависимости от марки стали 45...53 HRC.

4. Марки сталей различны для шестерни и колеса: для шестерни 20ХН2М, 18ХГТ, для колеса – 40ХН, 35ХМ. ТО шес­терни – улучшение, цементация и закалка, твердость поверхности 56...63 HRC. ТО колеса – улучшение и закалка ТВЧ, твердость поверхности в за­висимости от марки стали 45...53 HRC.

5. Марки сталей различны для шестерни и колеса: 20Х, 20ХН2М, 18ХГТ, 12ХН3А, 25ХГМ. ТО шестерни и колеса одинаковая – улучшение, цементация и закалка, твердость поверхности 56...63 HRC. Цементация с последующей закалкой наряду с большой твердостью поверхностных слоев обеспечивает и высокую прочность зубьев на изгиб. Рекомендуется применять при вращающем моменте на колесе более 10000 Нм.

1.4 Внешняя нагрузка и кривая усталости

Зубья колеса, проходя зону зацепления, подвергаются действию отнулевого цикла нагружения. Нагрузка на зуб колеса изменяется импульсно, причем продолжительность каждого импульса зависит от числа зубьев и коэффициента перекрытия (рис.1.1). Переменный характер нагружения зубьев приводит к их разрушению, которое носит усталостный характер.

Рис. 1.1

Продолжительность работы передачи можно характеризовать суммарным временем работы в часах

(1.1)

где и – коэффициенты годового и суточного использования соответственно,

или числом циклов нагружений, которое равно количеству ипульсов нагружений

(1.2)

где частота вращения колеса, об/мин,

K_n число зацепления зуба за один оборот, равное количеству числу параллельных потоков передачи момента (рис.1.2).

Закон нагружения задается циклограммой, которая представляет график нагрузки (момента T или силы F) по времени работы или числам циклов N нагружения). Зубчатые передачи работают в условиях постоянного (рис.3, а) или переменного режима (рис. 1.3, б) нагружения. Постоянный режим работы является наиболее тяжелым для передачи. Этот худший случай нагружения принимается за расчетный при неопределенных режимах нагрузки, например для редукторов общего назначения. На графике нагрузки переменного режима нагружения (см. рис. 1.3, б) моменты, действующие в течение отработки заданного ресурса, представлены в порядке убывания.

В основу расчета допускаемых напряжений для стальных колес лежит эксперимент. Допускаемые напряжения определяются с помощью кривых усталости. Кривые усталости, полученные экспериментально на образцах-аналогах зубчатых колес, строят в координатах «наибольшее напряжение цикла – число циклов перемены напряжений, которое образец выдержал без разрушения».

а) б)

Рис. 1.2

а)

б)

Рис. 1.3

Как оказывает опыт, эти кривые имеют два характерных участка: наклонный и горизонтальный (рис. 1.4, а). Число циклов , соответствующее точке перелома кривой усталости называется базовым числом циклов. Часто применяют логарифмическую шкалу абсцисс, при этом наклонный участок заменяется прямой линией (рис. 1.4, б). На наклонном участке кривая усталости описывается степенной функцией

(1.3)

где показатель степени, зависящий от материала и термообработки;

число, соответствующее условиям эксперимента.

а) б)

Рис. 1.4

При заданном значении циклической долговечности по кривой усталости можно определить – предел ограниченной выносливости (см. рис. 4, а), а при заданном уровне напряжений – предельное значение числа циклов до разрушения (см. рис. 4, б). Если , то напряжение - предел выносливости при отнулевом цикле нагружения. Если фактические условия отличны от тех, для которых построена кривая выносливости, то учет главных факторов, влияющих на величину допускаемого напряжения, можно выполнить введением ряда поправочных коэффициентов.

Кривые строят для различных видов напряжений (контактных или изгиба), для различных материалов и видов термической обработки. Их отличают значения , показателя степени , числа .