1.3. Материалы зубчатых колес

Основным материалом для изготовления зубчатых колес служит термически обработанная сталь, по сравнению с другими материалами она в наибольшей степени обеспечивает контактную прочность и прочность зубьев на изгиб.

В зависимости от твердости (или термообработки) стальные зубчатые колеса разделяют на две группы: твердостью НВ  350 (с объемной закалкой, закалкой током высокой частоты, цементацией, азотированием); твердостью НВ  350 (зубчатые колеса из нормализованной или улучшенной стали).

Применение материала с НВ  350 позволяет существенно повысить нагрузочную способность зубчатых передач, однако колеса из такого материала плохо прирабатываются, поэтому требуют высокой точности изготовления, повышенной жесткости опор и валов. Кроме того, нарезание зубьев при высокой твердости материала затруднено. Это обусловливает выполнение термообработки после нарезания зубьев. Часто некоторые виды термообработки вызывают значительное коробление зубьев. Исправление формы зубьев требует осуществления дополнительных операций: шлифовки, притирки, обкатки, которые проще выполнить в условиях крупносерийного и массового производства, когда окупаются затраты на специальное оборудование, инструменты и приспособления.

Твердость материала НВ  350 позволяет производить нарезание зубьев после термообработки. При этом можно получать высокую точность без применения дорогих отделочных операций. Колеса этой группы хорошо прирабатываются и не подвержены хрупкому разрушению при динамических нагрузках. Для лучшей приработки зубьев твердость шестерни рекомендуется назначать на 30  50 единиц больше твердости колеса.

Технологические преимущества материала при НВ  350 обеспечили ему широкое распространение для изготовления заготовок колес в условиях индивидуального и мелкосерийного производства, в мало- и средненагруженных передачах.

Учитывая, что заданием предусмотрено проектирование индивидуального привода, рекомендуется выбирать материал для зубчатых колес с твердостью НВ  350. Для получения передач небольших габаритов следует подобрать материал шестерни твердостью, близкой к НВ  300.

Механические характеристики сталей, используемых для изготовления зубчатых колес и других деталей машин, приведены в табл. П.1 2, с. 11, 12; 3, с. 8, 9. С целью сокращения номенклатуры материалов в двух- и многоступенчатых редукторах назначают одну и ту же марку стали для всех шестерен (аналогично и для колес).

Данные о материалах, применяемых для изготовления заготовок колес, необходимо представить в виде табл. 1.1.

Т а б л и ц а 1.1

Механические характеристики материалов зубчатых колес

Зубчатое колесо	Марка стали	Термообра-ботка	Твердость поверхности зубьев НВ, кгс/мм2	Предел прочности в, МПа

1.4. Расчет межосевого расстояния и геометрических параметров тихоходной ступени редуктора (колеса прямозубые)

При расчете передач следует считать, что редуктор выполняется в виде самостоятельного механизма, поэтому в соответствии с ГОСТ 21354-87 основным параметром передачи является межосевое расстояние а_. Межосевые расстояния быстроходной а_б и тихоходной а_т передач (ступеней) редуктора этого типа равны между собой. Однако тихоходная ступень более нагружена, поэтому расчет следует начать с нее (рис. 1.2).

Межосевое расстояние передачи, мм,

, (1.3)

где К_а = 495 – вспомогательный коэффициент для прямозубых передач;

U_т – передаточное число тихоходной ступени редуктора;

Т₃ – вращающий момент на ведомом валу передачи, Нм;

К_Н  коэффициент, учитывающий неравномерность распределения нагрузки по ширине венца, принимаемый из графика (рис. 1.3, а, кривая 1) в зависимости от параметра _bd, , где _ba – коэффициент ширины венца зубчатого колеса относительно межосевого расстояния, принимается из ряда 0,4; 0,5; 0,63; 0,8; 1,0.

а б

Рис. 1.2. Схема Рис. 1.3. Коэффициент неравномерности распределения

редуктора: нагрузки по ширине венца (НВ  350): а – К_Нβ при расчете

1 – быстроходная контактной прочности зубьев; б – К_Fβ при расчете

ступень; 2 – тихо- зубьев на изгиб

ходная

В качестве допускаемого контактного напряжения _НР для прямозубой передачи принимают допускаемое контактное напряжение для зубчатого колеса:

, (1.4)

где  предел контактной усталости поверхности зубьев, соответствующий базовому числу циклов напряжений колеса, МПа; , НВ₄ – твердость материала колеса (см. табл. 1.1);

– коэффициент долговечности,

при N_K  N_Hlim ; (1.5)

при N_K  N_Hlim , (1.6)

где N_Hlim , N_K  базовое число циклов напряжений, соответствующее пределу выносливости, и суммарное число циклов напряжений, миллионов циклов,

; (1.7) , (1.8)

где n₃ – частота вращения выходного вала редуктора, об/мин;

L_h – ресурс (долговечность) передачи, ч;

S_Н – коэффициент запаса прочности, S_Н = 1,1.

При выполнении расчетов принять 5 , где Z_R, Z_V, Z_L, Z_X – коэффициенты, учитывающие влияние исходной шероховатости сопряженных поверхностей зубьев, окружной скорости, смазочного материала, размер зубчатого колеса.

Модуль зубьев, мм, m = (0,01  0,02)а_ωт.

Значение модуля принимается из вычисленного интервала и согласовывается со стандартным (табл. 1.2).

Т а б л и ц а 1.2

Значения нормальных модулей

Ряд	Модуль, мм
1-й 2-й	1,0 1,25	1,25 1,375	1,5 1,75	2,0 2,25	2,5 2,75	3,0 3,5	4,0 4,5	5,0 5,5	6,0 7,0	8,0 9,0

Сумма зубьев шестерни и колеса .

Число зубьев шестерни . Так как зацепление выполнено без смещения, то по условию неподрезания ножки зуба минимальное число зубьев шестерни Z₃ = 17. Рекомендуется проектировать шестерню тихоходной ступени с числом зубьев Z₃ = 18 – 26. Если эта рекомендация не выполняется, то при определении суммарного числа зубьев Z_с следует изменить модуль.

Число зубьев колеса .

Значения Z_с и Z₃ округлить до целых чисел.

В дальнейших расчетах следует иметь в виду, что все нечетные индексы относятся к шестерне, четные – к колесу.

Делительные диаметры, мм:

Диаметры окружностей вершин зубьев, мм:

Диаметры окружностей впадин зубьев, мм:

Уточненное межосевое расстояние, мм,

Рабочая ширина зубчатого венца b_ равна ширине венца колеса b₄, мм:

Рис. 1.4. Размеры зубчатой передачи тихоходной ступени редуктора

Ширина венца шестерни, мм, Значения b3 и b4 округлить до целых чисел. Параметры зубчатой передачи представлены на рис. 1.4. Окружная скорость зубчатых колес, м/с, , где n2 – частота вращения промежуточного вала, об/мин. В зависимости от окружной скорости установить степень точности передачи (табл. 1.3). Т а б л и ц а 1.3 Степень точности цилиндрических зубчатых передач по ГОСТ 1643-81 Степень точности Окружная скорость, м/с прямые зубья непрямые зубья 8 До 6 До 10