лекции / конспект / DM2

Лекция: Зубчатые цилиндрические передачи.

4.Способы нарезания зубьев зубчатых колес.

5.Виды разрушения зубьев. Критерии работоспособности зубчатых передач.

6.Материалы, термообработка и конструкции зубчатых колес.

Вопрос 4.

Нарезание зубьев зубчатых колес можно производить методом копирования или методом огибания (обкатки).

По методу копирования впадина между зубьями образуется дисковой фрезой, пальцевой фрезой, шлифовальным кругом, профиль инструмента совпадает с профилем впадины. Точность этого метода – особенно по шагу – пониженная. Метод копирования применяют для обработки крупномодульных шевронных колес, для нарезания и шлифования колес в массовом производстве, а также для нарезания колес в условиях ремонтных мастерских.

В основном для нарезания зубьев исползуется метод обкатки. По этому методу зубья нарезают инструментом в виде рейки- гребенки, червячной фрезы или шестерни- долбяка (режущие поверхности имеют прямолинейный профиль), Метод обкатки дает непрерывный процесс нарезания, что обеспечивает повышенную производительность и точность по сравнению с копированием.

Зубья можно нарезать со смещением и без смещения исходного контура:

Д.П – дано положительное смещение хm , при зацеплении обкатывание также происходит по Н.П., а при нарезании – по Д.П. Когда начальные и делительные плоскости совпадают – нарезание без смещения. Как видно из рисунка (приведено положительное смещение, смещение значительно изменило форму форму зуба: толщина зуба у основания увеличилась, заострилась головка зубьев. Отрицательное смещение инструмента сопровождается явлениями обратного характера.

Применением передач со смещением достигается повышение прочности зубьев на изгиб, устранение явления заклинивания, а также появляется возможность проектировать передачу при заданном межосевом расстоянии.

Вопрос 5.

При передаче крутящего момента в зацеплении крутящего, кроме нормальной силы F_n, действует сила трения F_тр=F_nf , связанная со скольжением. Поддействием этих сил зуб находится в сложном напряженном состоянии.

Решающее влияние на работоспособность зуба оказывают два основных напряжения: контактные напряжения σ_H и напряжения изгиба σ_F. Они на являются строго постоянными и изменяются по некоторому прерывистому циклу:

t₁ – время нахождения зуба в зацеплении , t₂ – время одного полного оборота колеса.

Возможные следующие основные повреждения зубчатых передач: поломка зубьев, повреждение поверхности зубьев, заедание, пластические сдвиги, отслаивание. Рассмотрим основные : поломка зубьев и повреждение поверхности зубьев.

Поломка зубьев связана с напряжениями изгиба. Различают поломку зубьев от больших перегрузок ( ударного или статического действия) и усталостную поломку, происходящую от действия переменных напряжений в течение сравнительно длительного срока службы.

Общие меры предупреждения поломки зубьев – увеличение модуля, положительное смещение при нарезании зубьев, термообработка, наклеп, уменьшение нагрузки по краям, бочкообразные зубья:

Все виды повреждения поверхности зубьев связаны с контактным напряжениям и трением. Усталостное выкрашивание от контактных напряжений является основным видом разрушения поверхности зубьев при хорошей смазке передачи. При работе передачи длительное время на поверхности зубьев (рядом с полюсной линией, ближе к ножке) появляются небольшие углубления, которые растут и превращаются в раковины, при этом скольжение и перекатывание зубьев направлены так, что масло запрессовывается в трещины и способствует выкрашиванию частиц металла. В передачах, работающих со значительным износом, выкрашивание не наблюдается, так как поверхностные слои снимаются раньше, чем появляются трещины усталости.

Абразивный износ является основной причиной выхода из строя передач при плохой смазке. Прежде всего, абразивный износ можно встретить на зубьях открытых передач, а также в звкрытых передачах при плохой защищенности от загрязнения абразивными частицами.

Основные меры предупреждения износа – повышение твердости поверхности зубьев, защита от загрязнения, применение специальных масел.

Вопрос 6.

Основные материалы : сталь, чугун, пластмасса. Стальное литье обладает пониженной прочностью и используется для колес крупных размеров (35Л…50Л, 40Л, 30ХГСЛ, 50Г2Л).

Чугун применяют главным образом для изготовления крупногабаритных (тихоходных) колес и колес открытых зубчатых передач. Основной недостаток чугуна – пониженная прочность по напряжениям изгиба. Достоинство – хорошо противостоит усталостному выкрашиванию и заеданию в условиях скудной смазки, не дорог, хорошо обрабатывается (СЧ 20… СЧ 35).

Из пластмасс для зубчатых колес находят применение , главным образом, текстолит, полиамиды типа капрон. Из пластмассы обычно изготавливают одно из зубчатых колес пары, чаще всего применяют в малонагруженных и кинематических передачах.

Практикой эксплуатации и специальными исследованиями установлкено, что нагрузка, допускаемая по контактной прочности зубьев, определяется в основном твердостью материала. Твердость – сопротивление материала местной пластической деформации. Твердость может оцениваться различными критериями. В большинстве случаев твердость определяется по размерам оставшигося на поверхности отпечатка: методы Бринеля, Виккерса, Роквелла.

Высокую твердость, малые габариты и массу передачи можно получить при изготовлении зубчатых колес из сталей, подвергнутых термообработке.

Стальные зубчатые колеса разделяют на две группы:1) ≤ 350НВ – нормализованные или улучшенные, 2) › 350 НВ – объемная закалка, закалка Т.В.Ч., цементация, азотирование.

Цементация – насыщения поверхностных слоев углеродом с последующей закалкой (стали 15, 20, 20Х, 12ХН3А ). Большая твердость поверхностных слоев.

Азотирование – насыщение поверхностных слоев азотом, особо высокая твердость.

Объемная закалка – (стали 45, 40Х, 40ХН) – нагрев и последующее быстрое охлаждение, например, при окунании в воду или масло.

Улучшение – термическая обработка, заключающаяся в закалке и последующем высоком отпуске.

Нормализация – нагрев и последующее охлаждение на спокойном воздухе.

Закалка Т.В.Ч. – закалка токами высокой частоты, осуществляется путем быстрого нагрева до необходимой температуры только поверхностного слоя, получается высокая поверхностная твердость при достаточно вязкой сердцевине, что обеспечивает высокую динамическую прочность детали.

Твердость материала ≤ 350 НВ позволяет производить чистовое нарезание зубьев после термообработки, при этом достигается высокая прочность без применения дорогостоящих отделочных операций.

При твердости › 350 НВ допускаемые контактные напряжения увеличиваются до двух раз, нагрузочная способность передачи – до четырех раз, возрастают износостойкость и стойкость против заедания. Недостатки: 1) плохо прирабатываются и поэтому требуют повышенной точности изготовления; 2) термообработку проводят после нарезания, что приводит к дополнительным операциям для исправления формы зуба.

В зависимости от способа получения заготовки различают литые, кованые, штампованные колеса. Шестерни с диаметром впадин, близким к потребному диаметру вала, изготавливают преимущественно за одно целое с валом, при d_a ‹ 200 мм (шестерни небольшого диаметра) выполняют преимущественно в виде дисков со ступицами или без ступиц.

Размеры элементов зубчатых колес выбираются по эмпирическим формулам в зависимости от способа получения заготовки. Например, для зубчатого колеса средних диаметров (d_a ‹ 600 мм ) заготовка кованая, толщину, толщину обода выбирают равной (2…3)m , толщину диска – (0.2…0.3)b, диаметр ступицы d_ст= (1.6…1.9)d_в, где b- ширина зубчатого венца ,d_в – диаметр вала в месте посадки колеса. Для крупных колес применяют цельнолитые конструкции, бандажированные, болтовые, сварные колеса.