2.2. Выбор материала и термообработки зубчатых колёс

Зубчатые колёса и зубчатые муфты являются наиболее нагруженными деталями коробки передач, имеющими одинаковый основной конструктивный элемент – зубчатый венец. Работоспособность венца обеспечивается:

- высокой твёрдостью поверхностного слоя, необходимой для увеличения сопротивления смятию и для предотвращения усталостного выкрашивания рабочих поверхностей зуба;

- прочностью на изгиб зубьев при одновременной высокой вязкости их сердцевины для противостояния ударным нагрузкам.

Зубчатые колёса изготавливают из легированных сталей, подвергаемых соответствующей химико – термической обработке. В зависимости от твёрдости рабочих поверхностей зубьев после термообработки зубчатые колёса можно разделить на две группы:

- с твёрдостью ≤ 350 НВ, прошедшие нормализацию или улучшение;

- с твёрдостью > 350 НВ, получаемые путём объёмной закалки, цементации, нитроцементации, цианирования или азотирования.

Материалы основных деталей коробки передач представлены в таб. 2.2.

Таб. 2.2

Деталь	Автомобиль
	легковой	грузовой
Ведущий вал	40Х, 19ХГН, 20ХГНМ	40Х, 25ХГМ, 15ХГН2ТА
Промежуточный вал	45, 30Х, 35Х, 19ХГН, 20ХГНМ	25ХГМ, 15ХГН2ТА, 38Х2НМФ
Вал зубчатых колёс заднего хода	45, 40Х, 19ХГН	45, 25ХГМ, 15ХГН2ТА
Зубчатые колёса	30Х, 35Х, 19ХГН, 20ХГНМ, 18ХГТ	35Х, 40Х, 15ХГН2ТА, 25ХГМ, 38ХГМ, 18ХГТ, 25ХГТ, 30ХГТ, 20ХНМ, 40ХНМА, 12Х3А
Ступица синхронизатора	30Х, 40Х, 19ХГН	40Х, 15ХГН2ТА, 25ХГТ
Кольцо синхронизатора	ЛМцАЖН, ЛМцСКА 58-2-2-1-1	ЛМцСКА 58-2-2-1-1

Поверхности нормализованных и улучшенных зубьев хорошо прирабатываются, в результате чего погрешности, допущенные при нарезании зубьев и сборке передачи, частично устраняются в процессе приработки. К недостаткам нормализованных и улучшенных зубчатых колёс относится их сравнительно низкая несущая способность, поэтому для обеспечения требуемой прочности они имеют достаточно большие размеры.

Объёмно – закалённые зубчатые колёса в связи со значительным короблением зубьев после термообработки, повышенной чувствительностью к концентрации напряжений и снижением ударной вязкости применяют ограниченно.

Цементация – это процесс диффузного насыщения поверхности углеродом. Её проводят при высокой температуре (930…950 °С) с последующей закалкой и низким отпуском. Цементации подвергают низкоуглеродистые стали при производстве наиболее нагруженных зубчатых колёс. При этом, приобретая высокую твёрдость поверхности (Н_HRC = 60…64), детали сохраняют вязкую сердцевину (Н_HRC = 38…43), устойчивую к ударным нагрузкам. Недостаток цементации – значительная деформация и коробление детали. Для их устранения требуется шлифовка, при которой удаляется наиболее твёрдая и несущая часть слоя и увеличивается трудоёмкость изготовления зубчатых колёс.

Нитроцементация – это процесс совместного диффузного насыщения поверхности металла углеродом и азотом. Она проводится при температуре 830…900 °С в среде науглероженного газа и аммиака. Присутствие азота повышает твёрдость, износостойкость, теплостойкость, циклическую прочность, контактную выносливость. К технологическим преимуществам нитроцементации относятся:

- значительное уменьшение деформации и коробления деталей;

- сокращение времени технологического цикла производства зубчатых колёс почти вдвое.

Азотирование относится к низкотемпературному процессу диффузного насыщения (50…580 °С). Особенностью азотирования являются:

- малые значения деформаций и коробления обрабатываемых деталей, что даёт возможность избежать последующего шлифования;

- значительная твёрдость поверхностного слоя (в 1,5…4 раза более высокая, чем при цементации);

- хрупкость и небольшая толщина упрочнённого слоя, ограничивающего его контактную выносливость (почти в 1,5 раза ниже, чем у цементируемых сталей);

- большая длительность процесса (24…90 часов).

Если твёрдость рабочих поверхностей зубьев шестерни и колеса больше НВ < 350, то в целях ускорения их приработки и повышения сопротивляемости заеданию для прямозубых колёс твёрдость Н₁ поверхностей зубьев шестерни назначается выше твёрдости Н₂ зубьев колеса:

Н₁ = Н₂ – (20…30)_НВ,

для косозубых колёс эта разница должна быть больше (до Н_НВ = 50). Если твёрдость рабочих поверхностей зубьев шестерни и колеса больше НВ > 350, то обеспечивать разность твёрдостей зубьев шестерни и колеса не требуется.

Для обеспечения твёрдости поверхностного слоя и прочности зуба на изгиб определяют действующие (расчётные) контактные напряжения σ_н и напряжения изгиба σ_F , возникающие в зубчатом зацеплении, которые не должны превышать соответствующие допускаемые напряжения и :

σ_н ≤ ,

σ_F ≤ .