10.3.2. Изготовление колес

Зубчатые колеса изготовляют преимущественно методами резания (нарезанием) на универсальных фрезерных и специальных станках. Нарезанием зубьев называют технологическую операцию, сущность которой состоит в вырезании материала, расположенного на месте будущей впадины. В результате на заготовке остаются выступы – зубья. Заготовка прямозубого цилиндрического колеса с внешними зубьями представляет собой цилиндр, диаметр которого равен диаметру вершин зубьев.

Зубья нарезают либо методом копирования, либо методом огибания (обкатки).

Рис. 10.18 Изготовление зубчатых колес копированием с помощью фрез (а, б) и обкаткой с помощью долбяка и гребенки (в, г): 1 – пальцевая фреза,

2 – дисковая фреза; 3 – долбяк; 4 – гребенка

При использовании метода копирования впадина между зубьями вырезается специально спрофилированным инструментом – фрезой (рис. 10.18, а, б), протяжкой, шлифовальным кругом. Основной недостаток метода копирования – использование фасонного инструмента (имеет криволинейные режущие кромки). При его использовании погрешности переносятся на нарезаемое колесо. Нарезание зубьев методом копирования (фрезами, резцами) малопроизводительно.

Более распространено изготовление зубчатых колес методом огибания (обкатки). Для этого применяют специальный режущий инструмент – рейку, долбяк (рис. 10.18, в, г); червячную фрезу с зубьями – производящую (инструментальную) рейку. Ее параметры и положение относительно заготовки определяют геометрию зубчатого колеса.

Инструменту и нарезаемому колесу на специальных станках сообщается такое же относительное движение, как и в реальном зацеплении. Основное преимущество такого метода изготовления – высокая точность.

Мелкомодульные зубчатые колеса изготовляют накатыванием зубьев (обработкой давлением).

Для обеспечения требуемого качества передач разработаны показатели точности. Так, ГОСТ 1643–81 устанавливает допуски цилин­дрических зубчатых передач с модулями m = 1 ...50 мм, обеспечивающими 12 степеней точности (самая низкая степень точности – двенадцатая).

Требуемая точность определяется уровнем скоростей колес и действующих нагрузок. Быстроходные передачи (окружная скорость колеса больше 20 м/с) изготовляют с повышенной точностью (степени точности 6; 5).

Для унификации изготовления зубчатых колес и обеспечения сопряженности их профилей нарезание зубьев производят инструментами на основе так называемого исходного контура (ГОСТ 13755–81). Он имеет форму рейки (рис. 10.19), так как рейка сохраняет постоянный угол зацепления в паре с колесом любого радиуса и при любом относительном положении колес.

Рис. 10.19. Инструментальная рейка

Для значений модулей свыше 1 мм исходный контур (ГОСТ 13755–81) является прямобочным и имеет следующие параметры (рис. 154): профильный угол α = 20°, глубина захода hl = 2ha*m (здесь ha* = 1 – коэффициент высоты головки зуба); толщина зуба по делительной прямой s = 0,5р; радиальный зазор с = с*m (здесь с* = 0,25 — коэффициент радиального зазора) и радиус закругления у корня зуба ρ = 0,384m.

Средняя прямая, которая делит высоту зуба рейки и шаг пополам, называется модульной. Прямые, параллельные модульной прямой, называются делительными.

Делительной называют прямую, на которой теоретическая толщина зуба равна ширине впадины.

Делительной окружностью зубчатого колеса называется такая окружность, по которой в процессе нарезания перекатывается без скольжения делительная прямая рейки.

При нарезании колеса с помощью инструментальной рейки их относительное расположение может быть различным. Если делительная прямая рейки обкатывается по делительной окружности заготовки, то получится колесо, у которого толщина зуба по делительной окружности равна ширине впадины. Такие колеса называются нарезанными без смещения (нулевыми или нормальными).

Если по делительной окружности обкатывается любая другая прямая, то колеса называют нарезанными со смещением. Если делительная прямая смещена относительно делительной окружности от центра, то смещение и нарезаемое колесо называют положительным, если к центру – то отрицательным.

В колесах, нарезанных со смещением инструментальной рейки, толщина зуба по делительной окружности не равна ширине впадины, хотя профили зубов очерчены по тем же эвольвентам, что и нулевое, так как диаметр основной окружности остался без изменения. Это позволяет одной рейкой нарезать колеса с различным числом зубьев одного модуля.

Величина смещения рейки

,

где х – коэффициент смещения инструментальной рейки; m – модуль рейки.

Форма зубьев колес, нарезанных с различным смещением инструмента, показана на рис. 155.

Рис. 10.20 Зубья колес (z = 40), нарезанных с различным

смещением инструмента

Смещение изменяет форму зуба. Так, положительное смещение приводит к утолщению зуба у основания и уменьшению кривизны профиля, так как зуб очерчивается более удаленным от основной окружности участком эвольвенты. Такие изменения формы способствуют повышению его прочности.

Благодаря смещению инструмента удается снизить минимально допустимое число зубьев на колесе без утонения (подрезания) их у основания.

При нарезании зубьев без смещения можно изготовить колесо с . Введение положительного смещения инструмента позволяет получить и меньше.

Виды повреждения передач

Поломка зуба (выламывание углов или целого зуба у основания, рис. 10.21) является одним из распространенных видов повреждений передач.

Рис. 10.21

Основная причина такого разрушения связана с образованием и развитием усталостной трещины (трещин) в зоне (зонах) концентрации напряжений от длительной циклической нагрузки. Поломка зуба может происходить и в результате больших перегрузок статического и ударного характера.

Описанный вид разрушения типичен для открытых передач и в закрытых передачах с высокой твердостью поверхностей зубьев.

Выкрашивание или отрыв от рабочей поверхности зубьев мелких частичек металла, приводящий к образованию ямок (раковин, рис. 10.22), является другим типичным видом повреждения передач. Оно начинается обычно вблизи полюсных линий с образования (на ножках зубьев) мелких ямок.

Рис. 10.22

Выкрашивание контактирующих поверхностей наблюдается преимущественно в закрытых (работающих в смазке) передачах и происходит под действием длительных рабочих нагрузок в зонах концентрации контактных напряжений.

При невысокой твердости поверхности зубьев выкрашивание часто носит ограниченный характер. Оно начинается в зонах концентрации нагрузки и спустя непродолжительное время прекращается (происходит приработка зубьев).

При высокой твердости поверхности зубьев ямки быстро раз­растаются, нарушаются условия смазки, появляются дополнительные динамические нагрузки, способствующие преждев­ременному разрушению зубьев.

Износ зубьев является причиной выхода из строя преимущественно открытых передач, недостаточно защищенных от попадания абразивных частиц. Искажение профиля в результате износа приводит к увеличению динамических нагрузок, повышению напряжения изгиба и поломке зуба.

Заедание наблюдается в высоконагруженных и высокоскоростных передачах и является следствием разрыва масляной пленки из-за высоких контактных давлений. Оно проявляется в образовании молекулярного сцепления (сварки) поверхностных слоев металла и последующего разрушения этих связей в процессе скольжения зубьев.

Основными критериями работоспособности зубчатых передач являются изгибная и контактная прочность.

Для уменьшения износа повышают износостойкость передачи путем увеличе­ния твердости контактирующих поверхностей, защитой от попадания абразивных частиц в зону контакта, применением смазочных материалов с повышенной вязкостью.

Меры предупреждения заедания включают повышение поверхностной твердости зубьев путем их химико-термической обработки, фланкирования, применения противозадирных смазок и т. д.