3607

12.5. Методы изготовления зубчатых колес

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

12.5.1. 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.

129

12.5.2. 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. 12.1. 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. 12.2. Нарезание зубьев методом обкатки: а) червячной фрезой; б) долбяком

130

- 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.

13. ВИДЫ РАЗРУШЕНИЯ ЗУБЬЕВ. КРИТЕРИИ РАБОТОСПОСОБНОСТИ И РАСЧЕТА

13.1. Виды разрушения зубьев

При работе зубчатой передачи между зубьями сопряженных зубчатых колес возникает сила давления “Q”, направленная по линии зацепления (рис. 13.1). 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.

Поломка зубьев (рис. 13.2, 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. 13.2, б) поверхностных слоев зубьев является самым распространенным и опасным видом разрушений рабочих поверхностей зубьев. Этот вид 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

131

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.

Рис. 13.1. Изгибающие и контактные напряжения

Рис. 13.2. Виды износа зубьев: а) излом зуба по косому сечению; б) усталостное выкрашивание; в) уменьшение ширины зуба; г) заедание

Уменьшение ширины зуба (рис. 13.2, в) – наиболее харак-

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

132

Заедание зубьев (рис. 13.2, 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.

13.2. Расчет основных геометрических параметров цилиндрических прямозубых колес

Эвольвентное зацепление двух зубчатых колес характеризуется следующим параметрами (ГОСТ 16530-70) (рис. 13.3).

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 отдельно 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.

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

вертке которой получается эвольвента.

Делительная окружность (d1 и d2) – окружность зубчатого 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.

133

Рис. 13.3. Элементы зубчатого зацепления

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

Окружной шаг зацепления (Pt) – расстояние между одно-

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

134

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 13.1 приводятся основные соотношения для цилиндрических некорригированных зубчатых передач внешнего зацепления.

В расчѐтах зуб зубчатого колеса рассматривают как балку, защемленную одним концом и нагруженную силой (Qn). Такое положение нагрузки принимается как наиболее опасное.

Наиболее опасное сечение, где наиболее вероятен излом зуба, находится у его корня в зоне наибольшей концентрации напряжений. Максимальное напряжение возникает на стороне сжатия (нерабочая сторона). Однако следует отметить то, что расчет на прочность необходимо производить по напряжению на рабочей стороне, т.к. на этой растянутой стороне зуба здесь может образоваться усталостная трещина.

135

Таблица 13.1 Основные соотношения для цилиндрических

некорригированных зубчатых передач внешнего зацепления

13.3. Расчет зубьев цилиндрических прямозубых зубчатых колес на изгиб

-для обозначения расчета на изгиб, который проводится по ножке зуба принят индекс F (от термина ножка – Fut – на английском и немецком языках).

-для обозначений расчета на контактную прочность принят индекс H, в честь автора теории расчетов контактных напряжений Г. Герца.

Расчет ведется по расчетной окружной силе (q), отнесенной к единице ширины венца.

qKP b

где: P – передаваемое окружное усилие;

b – ширина венца зубчатого колеса (длина зуба);

K – коэффициент нагрузки, учитывающий дополнительные вредные явления (удары).

q – расчетная окружная сила, отнесенная к единице ширины венца (b).

Нормальная удельная сила равна: q

qn cos w

Перенесем силу давления qn вдоль линии ее действия (линия зацепления) в точку, расположенную на оси симметрии зуба (рис. 13.4) и разложим на две составляющие: изгибающую зуб (qncosαn), вызывающую в опасном сечении напряжения изгиба (ζu) и сжимающую зуб (qnsinα), вызывающую в зубе напряжения сжатия (ζcж). Угол “α” несколько больше угла про-

филя «αw» (γ = αw = 20˚).

Номинальное напряжение в опасном сечении:

ном u c ;

uMWu ;

137

M u qn cos l ;

W bS6 2 ;

тогда:

Рис. 13.4. Схема расчета зубьев на изгиб

138