4. Виды разрушения и виды расчётов зубчатых передач

При передаче крутящего момента Т₁ (рис.) в зацеплении действуют:

• нормальная сила F_n

• сила трения F_тр = F_nf,.

Под действием этих сил зуб находится в сложном напряженном состоянии. Решающее влияние на его работоспособность оказывают два основных напряжения:

• Контактные напряжения σ_H (индекс Н)

• Напряжения изгиба σ_F

(индекс F, который выполняют для ножки (Fus) зуба.).

Для каждого зуба σ_H и σ_F не являются постоянно действующими. Они изменяются во времени по некоторому прерывистому отнулевому циклу (см. рис.).

Время действия σ_F за один оборот колеса (t₁) равно продолжительности зацепления одного зуба (t₂). Напряжения σ_H действуют еще меньшее время.

ВИДЫ РАЗРУШЕНИЯ зубьев:

1. Поломка зубьев от напряжений изгиба.

На практике чаще наблюдается выламывание углов зубьев вследствие концентрации нагрузки.

Различают два вида поломки зубьев:

• поломка от больших перегрузок ударного или статического действия;

• усталостная поломка от действия переменных напряжений в течение сравнительно длительного срока службы.

2. Повреждение поверхности зубьев.

Все виды повреждения поверхности зубьев связаны с контактными напряжениями и трением.

Различают следующие виды повреждения поверхности зубьев:

• Усталостное выкрашивание

На поверхности появляются небольшие углубления, напоминающие оспинки, которые растут и превращаются в раковины. Выкрашивание начинается обычно вблизи полюсной линии на ножках зубьев там, где нагрузка передается одной парой зубьев, а скольжение и перекатывание зубьев направлены так, что масло запрессовывается в трещины и способствует выкрашиванию частиц металла. При выкрашивании нарушаются условия образования сплошной масляной пленки, появляется металлический контакт с последующим быстрым износом и задиром поверхности.

• Абразивный износ.

Является основной причиной выхода из строя передач при плохой смазке. К таким передачам относятся прежде всего открытые передачи, а также закрытые, но недостаточно защищенные от загрязнения абразивными частицами (пыль, продукты износа и т. п.). Такие передачи можно встретить в сельскохозяйственных и транспортных машинах, горнорудном оборудовании, грузоподъемных машинах и т. п. У изношенной передачи увеличиваются зазоры в зацеплении, появляется шум, возрастают динамические нагрузки.

• Заедание и волочение.

Наблюдается преимущественно в высоконагруженных и высокоскоростных передачах. В месте соприкасания зубьев этих передач развивается высокая температура, способствующая разрыву масляной пленки и образованию металлического контакта. Здесь происходит как бы сваривание частиц металла с последующим отрывом их от менее прочной поверхности. Образовавшиеся наросты задирают рабочие поверхности зубьев в направлении скольжения.

• Смятие рабочих поверхностей и др.

• Отслаивание твердого поверхностного слоя зубьев.

Этот вид разрушения наблюдается при недостаточно высоком качестве ТО (азотирование, цементирование, закалка ТВЧ и т. п.), когда внутренние напряжения не сняты отпуском или когда хрупкая корка зубьев не имеет под собой достаточно прочной сердцевины.

• Пластические сдвиги.

Наблюдаются у тяжелонагруженных тихоходных зубчатых колес, выполненных из мягкой стали. При перегрузках на мягкой поверхности зубьев появляются пластические деформации с последующим сдвигом в направлении скольжения. В результате у полюсной линии зубьев ведомого колеса образуется хребет, а у ведущего - соответствующая канавка.

ВЫВОД:

Для зубчатых передач, работающих в жидком смазочном материале и в закрытом корпусе расчет на прочность ведётся по следующим критериям:

1. КОНТАКТНАЯ ВЫНОСЛИВОСТЬ.

Это способность активных поверхностей зубьев обеспечить требуемую безопасность против прогрессирующего усталостного выкрашивания.

Условие прочности: σ_H ≤ [σ]_H , где σ_H - контактное напряжение в полюсе;

[σ]_H - допускаемое контактное напряжение

2. ИЗГИБНАЯ ВЫНОСЛИВОСТЬ

Это способность зубьев обеспечить требуемую безопасность против усталостного излома зуба. Условие прочности: σ_F ≤ [σ]_F, где σ_F - напряжение изгиба в опасном сечении;

[σ]_F - допускаемое напряжение изгиба зуба.

3. КОНТАКТНАЯ прочность при действии ПИКОВОГО МОМЕНТА.

Это способность предотвращения остаточной деформации или хрупкого разрушения слоя. Условие прочности: σ_Hmax ≤ [σ]_Hmax , где

σ_Hmax – контактные напряжения при пиковой (максимальной) нагрузке;

[σ]_Hmax - допускаемое контактное напряжение при пиковой нагрузке.

4. ИЗГИБНАЯ прочность при действии ПИКОВОГО МОМЕНТА.

Это способность предотвращения остаточной объемной деформации или хрупкого излома зуба. Условие прочности: σ_Fmax ≤ [σ]_Fmax ,

σ_Fmax – напряжение изгиба при пиковой (максимальной) нагрузке;

[σ]_Fmax – допускаемое напряжение изгиба зуба при пиковой нагрузке.

Из всех перечисленных видов разрушения поверхности зубьев наиболее изучено выкрашивание. Это позволило выработать нормы допускаемых контактных напряжений, устраняющих выкрашивание в течение заданного срока службы. Специальные методы расчета для предупреждения других видов разрушения поверхности зубьев или еще не разработаны (при пластическом сдвиге, отслаивании), или недостаточно разработаны (при износе, заедании), или могут быть устранены конструктивными мерами. Кроме того упомянутые нормы допускаемых контактных напряжений проверяют опытом эксплуатации передач, приближенно можно полагать, что эти нормы учитывают кроме выкрашивания и другие виды повреждения поверхности зубьев.

В современной методике расчета основным проектным расчётом является расчёт на контактные напряжения (в пределах заданных габаритов колес σ_H остаются постоянными). Расчёт на изгибные напряжения зуба является проверочным.