4. Проектный и проверочный расчеты закрытой передачи

Общая последовательность действий при решении данной задачи следующая:

- выбор материала колес, термообработки и определение допускаемого контактного и изгибного напряжений.

- определение межосевого расстояния.

- назначение нормального модуля передачи,

- назначение угла наклона зубьев (в пределах 8…20⁰) и определение чисел зубьев колеса и шестерни.

- уточнение угла наклона зубьев.

- определение основных геометрических размеров колес.

- проверочный расчет зубьев на контактную выносливость.

- проверочный расчет зубьев на изгибную выносливость.

- проверочный расчет зубьев при перегрузках.

Рассмотрим особенности и необходимые справочные данные для реализации указанной последовательности действий.

При выборе материала зубчатых колес следует учитывать назначение проектируемой передачи, условия эксплуатации, требования к габаритным размерам и возможную технологию изготовления колёс. Основным материалом для изготовления зубчатых колёс является сталь. Необходимую твердость в сочетании с другими механическими характеристиками (а, следовательно, желаемые габариты и массу передачи) можно получить за счет назначения соответствующей термической или химико-термической обработки стали.

В условиях индивидуального и мелкосерийного производства, в мало и средненагруженных передачах, а также в передачах с большими габаритами колес (когда термическая обработка их затруднена) обычно применяют стали с твердостью не более 350 НВ, которая обеспечивается нормализацией или термоулучшением материала. При этом возможно чистовое нарезание зубьев непосредственно после термообработки с высокой точностью изготовления, а при работе передачи обеспечивается хорошая прирабатываемость зубьев без хрупкого разрушения их при динамических нагрузках.

В условиях крупносерийного и массового производства целесообразно применять зубчатые колеса с высокотвердыми зубьями. При твердости более 350 НВ её обычно выражают в единицах Роквелла − НRC (1 HRC = 10 НВ).

Такая твердость обеспечивается после проведения упрочняющих видов термической и химико-термической обработки: закалки (объемной или поверхностной), цементации с последующей закалкой, азотирования и др.

Рекомендуемые для изготовления зубчатых колес марки конструкционных сталей, виды их термообработки и соответствующие основные механические характеристики приведены в таблице 4. При этом важно, чтобы размеры заготовок колес (диаметр D_заг и толщина обода или диска S_заг) не превышали предельных значений.

Расчет на усталость рабочих поверхностей зубьев колес при циклических контактных напряжениях базируется на экспериментальных кривых усталости, которые обычно строят в полулогарифмических координатах (рис. 4).

Рис. 4

Здесь: σ_H − наибольшее напряжение цикла, N_H − число циклов нагружений, σ_H0 − предел выносливости материала, N_H0 − базовое число циклов (абсцисса точки перелома кривой усталости).

Таблица 4. Типовые материалы для стальных зубчатых колес, виды их термообработки и механические характеристики

Марка материала	Размер сечения, мм., не более	Механические свойства (после термообработки при поверхностной закалке в и  относятся к сердцевине)				Термообработ-ка***	Относительная стоимость материала
		твердость		предел прочности в, МПа	предел текучести , МПа
		поверхности	сердцевины
Заготовка – поковка (штамповка или прокат) и прокат)
45	80	НВ170…217	- •	600	340	Н	1,0
	100	Н182...240	-	750	450	У
	60	Н241…285	-	850	580	У
50	80	HB179…228	-	630	350	Н
	80	НВ228…255	-	750	530	У	1,0
40Х	100	HB230…260	-	850	550	У
	60	НВ260…280	-	950	700	У	1,2
	80	HRC45…50	-	1500	1300	ЗО
	80	HRC45…50	HRC26…30	1000	750	З(ТВЧ)
	60	HRC50...59	HRC26…30	1000	800	З, А
40ХН	150	НВ235…265	-	850	550	У
	125	НВ25С…280	-	900	600	У	1,4
	125	НВ265…295	-	950	700	У
	125	HRC48…54	HRC28…32	950	700	У, 3(ТВЧ)
	40	HRC48…54	-	1600	1400	ЗО
35ХГСА	150	НВ235…265	-	150	550	У
	60	НВ270	-	980	880	У	1,5
	40	НВ310	-	1100	960	У	1,5
	30	HRC45…53	-	1700…1950	1350...1600	ЗО, НО
20Х	60	HRC56…62	НВ187	650	400	Ц, З, НО	1,2
12ХНЗА	60	HRC56…63	HRC30…35	900	700	Ц, З, НО	3
25ХГТ	60	HRC56…63	HRC35…40	1150	950	Ц, З, НО	1,5
18Х2Н4МА	80	HRC56…63	HRC32…42	1200	1000	Ц, З, НО	3,0
38ХМЮА	-	HRC57…67	HRC30…35	1050	900	А	3,0
Заготовка - литье
45Л	-	НВ207…235		550	320	H	1,0
40ХЛ	-	HRC45…55	HB200...350	650	500	3,0	1,3
35ХМЛ	-	HRC45…55	НВ200…300	750	550	3,0	1,5

Примечания:

* В обозначениях сталей первые цифры - содержание углерода в сотых долях процента: буквы - легирующие элементы, Г - марганец. М – молибден, Н – никель, С - кремний, Т - титан, X – хром, Ю - алюминий; цифры после буквы - процент содержания этого элемента, если оно превышает 1%. Обозначение высококачественных легированных сталей дополняется буквой А; стального литья - буквой Л в конце.

** При нормализации, улучшении, объемной закалке твердости поверхности и сердцевины близки. Ориентировочно НВ  0,285*_в.

*** В столбце термообработка приняты следующие обозначения: А – азотирование, З – закалка, ЗО - закалка объемная, З (ТВЧ) - закалка ТВЧ; Н - нормализация; НО - низкий отпуск; У – улучшение, Ц – цементация, О - отпуск.