Методическое пособие 589

Самыми распространенными передачами являются цилиндрические и конические, а из них – цилиндрические, т.к. они проще в изготовлении. В шевронной передаче отсутствуют осевые усилия, действующие на валы. Винтовая и гипоидная передачи обладают большей плавностью работы, но КПД у них ниже и зубья изнашиваются быстрее вследствие повышенного скольжения. Винтовые передачи применяются редко. Гипоидные обладают повышенной несущей способностью (начальное касание в точке), поэтому по сравнению с винтовыми, они применяются значительно шире (автомобили, троллейбусы, текстильные машины).

14.3. Точность зубчатых передач

Нормы точности эвольвентных цилиндрических зубчатых колес и передач с m ≥ 1 содержатся в СТ СЭВ 641-77. Он распространяется на зубчатые колеса с исходным контуром по СТ СЭВ 309-76.

Установлено 12 степеней точности: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12. Наиболее точная – 1, наименее точная – 12. Для степеней точности 3 – 11 цилиндрических и 5 – 11 конических передач установлены нормы: кинематической точности, плавности работы колеса и контакта зубьев.

Нормы точности на зубчатые передачи с перекрещивающимися осями и коническими зубчатыми колесами установлены в СТ СЭВ 186-75.

Нормы кинематической точности определяют суммар-

ную ошибку угла поворота зубчатого колеса за один оборот в зацеплении с эталонным колесом. Нарушение кинематической точности происходит за счет ошибок шага и профиля. Мгновенные значения передаточного числа не остаются постоянными (постоянным сохраняется среднее значение).

Нормы плавности работы колеса определяют многократно повторяющиеся за один оборот колеса колебания скорости. В быстроходных передачах ошибки шага и погрешности профиля вызывают дополнительные динамические нагрузки, вибрации и шум в зацеплении.

50

Нормы контакта зубьев определяют ошибки в направлении зубьев и сборке передачи, влияющие на размеры пятна контакта. Ошибки в направлении зубьев, а также перекос валов приводят к неравномерному распространению нагрузки по длине зуба.

Как правило, степень точности назначается в зависимости от величины окружной скорости. Наибольшее распространение имеют 6, 7, 8 степени точности. Независимо от степени точности установлены нормы бокового зазора:

Сопряжения Н, Е, С требуют повышенной точности изготовления.

Допускается взаимное колибрование норм точности. Например: степень точности зубчатого колеса обозначена:

6-7-8-Н СТ СЭВ 642-77 6- шестая степень по нормам кинематической точности

колес; 7- седьмая степень по нормам плавности работы колеса;

8- восьмая степень по нормам контакта зубьев Н- с нулевым боковым зазором.

14.4. Материалы зубчатых колес

Материал зубчатых колес должен обладать определенными технологическими и физическими свойствами. Например, он должен хорошо обрабатываться в холодном и горячем состоянии, иметь хорошую склонность к термообработке, обеспечить достаточную прочность при изгибе, высокую прочность поверхностного слоя зубьев и высокое сопротивление истиранию.

Для передач общего назначения рекомендуется ст.35,47,50,50Г (ГОСТ 1050-88) и легированные – 40Х, 45ХН

(ГОСТ 4543-88) и др. При твердости зубчатых колес не пре-

51

вышающей НВ350 зубья нарезают после термообработки (улучшение, нормализация), если твердость выше НВ350, то производят сплошную или поверхностную закалку, а зубья нарезают до термообработки. Сплошная закалка дает коробление

ипонижение вязкости сердцевины. Твердость сердцевины для углеродистых сталей не должна превышать НRC 45, а для легированных HRC 50, иначе ударная вязкость резко падает.

Поверхностная закалка (ТВЧ) исключает эти недостатки. Способ выгоден особенно при больших размерах колес, т.к. позволяет использовать углеродистые стали, вместо легированных. Достигаемая твердость HRC 51-57.

Цементация (ст.15, 20, 15Х, 20Х) обеспечивает высокую поверхностную твердость при вязкой сердцевине. Лучшие результаты дают стали типа 15Х, 20Х. При действии на передачу перегрузок или ударов (транспортные машины, авиаредукторы

ит.п.) рекомендуются стали 12ХНЗА, 15ХФ (хромованадиевая) и 18ХГТ (хромомарганцетитановая) и др. После термообработки зубья шлифуются.

Зубчатые колеса изготавливаются также из серого чугуна СЧ12-48; СЧ32-52; СЧ35-56 и ковкого чугуна по ГОСТ1215-59. Контактная прочность высокая, а способность чугунных зубьев сопротивляться удара или изгибу ниже, чем у стальных. Поэтому их используют в тихоходных, малонагруженных открытых передачах.

Зубчатые колеса из пластмасс применяют при необходимости бесшумной работы, если корпус передачи нежесткий и невозможно получить правильное взаимное расположение колес. Наиболее широко применяются текстолит, древеснослоистые пластики, нейлон, капрон. Обычно шестерня изготавливается из пластмассы, а колесо из стали или чугуна (НВ ≥ 250). Изношенная прочность их ниже, чем стальных.

Взависимости от размеров и конструкции зубчатых колес, назначения и типа производства, они могут штамповаться, отливаться, выполнять сварными или изготавливать из проката (вал-шестерня).

52

14.5. Методы изготовления зубчатых колес

Различают два основных метода: без снятия стружки и со снятием стружки.

14.5.1. Методы изготовления зубчатых колес без снятия стружки

-метод порошковой металлургии заключается в том, что зубчатое колесо вместе с зубьями спекается из металлических порошковых смесей в закрытых штампах, которые изготовлены из стали твердого сплава. Процесс происходит при температуре ковки и при усилии 50-60 Т. Эти колеса имеют более низкую прочность, чем штампованные и невысокую твердость. Последующей термообработкой твердость повышается до HRC 60-65. Зубчатые колеса, полученные таким способом, хорошо работают на высоких скоростях при передаче небольших нагрузок. Имеют высокую износостойкость. Изготавливаются диаметром от 30-200 мм.

-горячая штамповка конических колес с прямыми зубьями внедрена на ГАЗе, ЗИЛе, Минском тракторном и др. заводах. Заготовку изготавливают до 1200 С ТВЧ и в три перехода на ковочных прессах в штампах получают заготовку колеса с предварительно оформленными зубьями. Горячая штамповка заменяет черновое нарезание зубьев.

-горячее накатывание зубьев цилиндрических з.к. применяется для накатывания прямозубых, косозубых и шевронных колес. Накатывание производится на специальных накатных станах различными методами: осевым или радиальным.

Заготовка механически обрабатывается нагревается на Т.В.Ч. до t = 8000-10000 C и проталкивается между двумя синхронно вращающимися зубчатыми накатниками. Накатываются з.к. m

≤7 мм и d = 200 мм. После накатывания, зубья подвергаются чистому нарезанию.

-холодная накатка зубьев применяется взамен зубошевингования.

53

14.5.2. Методы изготовления зубчатых колес путем снятия стружки.

- метод копирования. В этом случае профиль зуба инструмента представляет точную копию впадины между зубьями нарезаемого колеса. В процессе резания профиль инструмента совпадает всеми точками с профилем колеса. Таким методом работает дисковая и пальцевая модульные фрезы. Кинематика. Достоинства, недостатки. Точность.

Рис. 14.1. Обработка зубчатых колес методом копирования: а) дисковая фреза; б) пальцевой фрезой

- метод центроидного огибания. В этом случае центроиды

(начальные окружности) перекатываются в процессе работы друг по другу без скольжения: центроида нарезаемого колеса и инструмента. Так работают червячные фрезы, долбяки, зуборезные гребенки. Кинематика. Достоинства, недостатки. Точность.

Рис. 14.2. Нарезание зубьев методом обкатки: а) червячной фрезой; б) долбяком

54

- метод бесцентоидного огибания. При этом профиль на-

резаемых зубьев также получается как огибающая различных положения режущих кромок инструмента. Но в процессе нарезания центроиды отсутствуют как на инструменте, так и на изделии. Таким методом работают и пальцевая и дисковая модульные фрезы при нарезании косозубых и шевронных колес.

ЛЕКЦИЯ 15.

ВИДЫ РАЗРУШЕНИЯ ЗУБЬЕВ. КРИТЕРИИ РАБОТОСПОСОБНОСТИ И РАСЧЕТА

Учебные вопросы

1.Виды разрушения зубьев. Критерии работоспособности и расчета

2.Расчет основных геометрических параметров цилиндрических прямозубых колес

3.Расчет зубьев цилиндрических прямозубых зубчатых колес на изгиб

15.1. Виды разрушения зубьев

При работе зубчатой передачи между зубьями сопряженных зубчатых колес возникает сила давления “Q”, направленная по линии зацепления (рис. 15.1). Возникающая сила трения F = Qj невелика и ее значение в расчет не принимают. На работоспособность решающее влияние оказывает напряжение изгиба ζu, возникающее в поперечных сечениях зубьев и контактные напряжения ζн, возникающие в поверхностных слоях зубьев. Напряжение изгиба является причиной поломок ζu зубьев, а контактные напряжения ζн, вызывают усталостное выкрашивание поверхностных слоев зубьев.

55

Рис. 15.1. Изгибающие и контактные напряжения

Рис. 15.2. Виды износа зубьев: а) излом зуба по косому сечению; б) усталостное выкрашивание; в) уменьшение ширины зуба; г) заедание

Поломка зубьев (рис. 15.2, а) является наиболее опасным видом их разрушения. Поломка возникает в результате больших нагрузок, особенно ударного воздействия многократно повторяющихся нагрузок. Эти вызывают усталость материала зубьев. Для предотвращения поломки зубьев, их рассчитывают на изгиб.

Усталостное выкрашивание (рис. 15.2, б) поверхностных слоев зубьев является самым распространенным и опасным видом разрушений рабочих поверхностей зубьев. Этот вид

56

разрушений заключается в том, что при больших контактных напряжениях на рабочей поверхности зубьев (на ножках, вблизи полюсной линии) появляются усталостные трещины. Это приводит к выкрашиванию мелких частиц материала зубьев и образованию небольших осповидных углублений. Под влиянием давления масла, вдавливаемого с большой силой сопряженным зубом в эти углубления и трещины, они растут и превращаются в раковины. Для предотвращения выкрашивания зубь-

ев их рассчитывают на контактную прочность.

Уменьшение ширины зуба (рис. 15.2, в) – наиболее харак-

терная причина выхода из строя открытых передач или закрытых передач с плохими уплотнителями, работающих в абразивной среде.

Заедание зубьев (рис. 15.2, г) характеризуется в местном молекулярном сцеплении материала поверхностей контакта при отсутствии между ними смазочной плѐнки.

Поломка и выкрашивание являются основными видами разрушений. А контактная прочность и прочность на изгиб зубьев в свою очередь являются главными критериями работоспособности зубчатой передачи.

Закрытые передачи рассчитывают на изгиб и на контактную прочность зубьев. При этом основным является расчет на контактную прочность, т.к. величина контактных напряжений ζн не зависит от модуля. Величина напряжений изгиба ζu может быть уменьшена путем увеличения модуля “m”.

Зубья открытых передач рассчитывают только на изгиб.

15.2. Расчет основных геометрических параметров цилиндрических прямозубых колес

Эвольвентное зацепление двух зубчатых колес характеризуется следующим параметрами (ГОСТ 16530-70)

(рис. 15.3).

Начальные окружности (dw1 и dw2) – воображаемые ок-

ружности, которые в процессе работы передачи перекатываются одна по другой без скольжения. Начальные окружности появляются у зубчатых колес в собранной передаче. Для отдель-

57

но взятого колеса понятие начальной окружности отсутствует. Оно имеет делительную окружность.

Окружность вершин зубьев (dα) – окружность ограничи-

вающая головки зубьев.

Окружность впадин (df) – окружность, проходящая через основания впадин зубьев.

Рис. 15.3. Элементы зубчатого зацепления

58

Основная окружность (db1 и db2) – окружность, при раз-

вертке которой получается эвольвента.

Делительная окружность (d1 и d2) – окружность зубчато-

го колеса, по которой обкатывается делительная окружность (прямая) инструмента в процессе нарезания зубьев. Делительная окружность колеса является начальной только в процессе изготовления (нарезания) зубьев. У некорригированных колес и при высотной коррекции начальные и делительные окружности совпадают.

Полюс зацепления (точка “P”) – точка касания начальных окружностей.

Окружной шаг зацепления (Pt) – расстояние между одно-

именными профилями, измеренное по дуге делительной окружности, зубчатого колеса.

Головка зуба (hα) – часть зуба между делительной окружностью зубчатого колеса и его окружностью вершин зубьев.

Ножка зуба (hg) – часть зуба между делительной окружностью и его окружностью впадин.

Высота зуба (h) равна сумме высот головки и ножки зуба. Дуга зацепления (l) – путь по начальной окружности, проходимой точкой профиля за время зацепления пары сопряжен-

ных зубьев.

Коэффициент перекрытия (ε) – отношение дуги зацеп-

ления к окружному шагу.

Линия зацепления (N1 и N2) – линия, по которой перемещается точка касания зубьев. Линия зацепления проходит через полюс зацепления и является касательной к основным окружностям.

Угол зацепления (αw) – угол между линией зацепления и касательной к начальным окружностям в полюсе зацепления.

Модуль зацепления (m). Все модули стандартизованы в пределах от 0,05 мм до 100 мм.

Рассмотренные параметры составляют определенные кинематические зависимости. В таблице 15.1 приводятся основные соотношения для цилиндрических некорригированных зубчатых передач внешнего зацепления.

59