Повреждение поверхности зубьев

Повреждение поверхности зубьев связано с контактными напряжениями и трением.

Усталостное выкрашивание – основной вид разрушения поверхности зубьев при хорошей смазке (закрытые сравнительно быстроходные передачи, защищенные от пыли и грязи). Зубья в таких передачах разделены тонким слоем смазки. На начальной стадии износ мал. Передача работает длительное время до появления усталости в поверхностных слоях зубьев, которая, в свою очередь, ведет к возникновению небольших углублений. Углубления растут и превращаются в раковины. В результате этого нарушаются условия образования сплошной масляной пленки, появляется металлический контакт с последующим быстрым изнашивание поверхностей зубьев.

Меры предупреждения усталостного выкрашивания:

– определение размеров передачи из расчета на усталость по контактным напряжениям;

– повышение твердости материала за счет термообработки;

– повышение степени точности, особенно по норме контакта зубьев.

Абразивное изнашивание – основной вид разрушения поверхностного слоя зубьев передач при плохой смазке (открытые передачи). В результате интенсивного изнашивания увеличиваются зазоры в зацеплении, динамические нагрузки, шум. Понижается изгибная прочность зуба вследствие уменьшения площади поперечного сечения, что может привести к поломке зуба.

Меры предупреждения абразивного изнашивания:

– повышение твердости поверхности зубьев;

– увеличение модуля зацепления;

– выбор оптимальных значений коэффициентов смещения;

– защита от загрязнения;

– применение специальных смазок.

Изнашивание при заедании обычно наблюдается в высокоскоростных и высоконагруженных передачах. В месте контакта зубьев развивается высокая температура, способствующая снижению вязкости масла, разрыву масляной пленки и образованию металлического контакта поверхностей зубьев. В результате происходит сваривание микронеровностей поверхностей зубьев с последующим отрывом от менее прочной поверхности. Образовавшиеся наросты приводят к задиру рабочих поверхностей зубьев в направлении скольжения. Заеданию способствует кромочный удар зубьев.

Меры предупреждения изнашивания при заедании:

– модификация профиля головки зуба (фланкирование);

– повышение твердости материала зубчатых колес;

– выбор оптимальных значений коэффициентов смещения.

Пластические сдвиги наблюдаются у тяжело нагруженных тихоходных зубчатых колес, изготовленных мягких сталей. При перегрузках на поверхности зубьев появляются пластические деформации с последующим сдвигом поверхностного материала в направлении скольжения.

Меры предупреждения:

– использование предохранительных устройств;

– учет перегрузок при расчетах.

Отслаивание твердого поверхностного слоя зубьев, подвергнутых поверхностному упрочнению (азотированию, цементированию, закалке т.в.ч. и т.п.). Отслаивание наблюдается при некачественно выполненной термообработке, когда внутренние напряжения не сняты отпуском, или когда хрупкий поверхностный слой зуба не имеет под собой достаточно прочной сердцевины. Отслаиванию способствуют перегрузки.

 

Материал и термообработка

 

Нагрузка, допускаемая по контактной прочности зубьев, определяется в основном твердостью материала. Наибольшую твердость, а, следовательно, наименьшие габариты и массу передачи можно получить при изготовлении зубчатых колес из сталей, подвергнутых термообработке. Некоторые из сталей, рекомендуемых для зубчатых колес, виды их термообработки и механические характеристики приведены в табл. 4.2.

В зависимости от твердости материалы зубчатых колес условно делятся на две основные группы:

– с твердостью (термообработка: нормализация или улучшение);

– с твердостью НВ > 350 (термообработка: объемная закалка, поверхностная закалка ТВЧ, цементация, азотирование и т.д.).

Таблица 4.2. Механические характеристики сталей

Марка стали	, мм	, мм	Термообработка	Твердость заготовки
поверхности	сердцевины
	Любой	Любая	Н	179…207 НВ
			У	235…262 НВ
			У	269…302 НВ
40Х			У	235…262 НВ
40Х			У	269…302 НВ
40Х			У + ТВЧ	45…50 HRC	269…302 НВ
40XH			У	235…262 НВ
40XH			У	269…302 НВ
40ХН			У + ТВЧ	48…53 HRC	269…302 НВ
Примечание: Н – нормализация, У – улучшение, ТВЧ – закалка токами высокой частоты

 

Твердость материала позволяет производить чистовое нарезание зубьев колес после термообработки. При этом можно получить высокую точность без применения дорогих отделочных операций (шлифовки, притирки и т.п.). Материалы данной группы хорошо прирабатываются и не подвержены хрупкому разрушению при динамических нагрузках. Для лучшей приработки зубьев твердость шестерни рекомендуется назначать больше твердости колеса не менее чем на 20…30 НВ:

.

Технологические преимущества материала при обеспечили ему широкое применение в условиях индивидуального и мелкосерийного производства, в мало- и средненагруженных передачах, а также в передачах с большими колесами, термическая обработка которых затруднена.

При НВ > 350 твердость материала обычно выражается в единицах Роквелла (HRC). Специальные виды термообработки позволяют получить твердость материала до 50…60 HRC (до 500…650 НВ). При этом допускаемые контактные напряжения увеличиваются до двух раз, а нагрузочная способность передачи до четырех раз по сравнению с нормализованными или улучшенными сталями. Возрастает также износостойкость и стойкость против заедания. Применение высокотвердых материалов является большим резервом повышения нагрузочной способности зубчатых передач, но с высокой твердостью связаны дополнительные трудности:

– высокотвердые материалы плохо прирабатываются, поэтому требуется повышенная точность изготовления передачи, повышенная жесткость валов и опор;

– нарезание зубьев при высокой твердости затруднено, поэтому термообработка проводится после нарезания зубьев; некоторые виды термообработки (объемная закалка, цементация) сопровождаются значительным короблением зубьев; для исправления формы зубьев требуются дополнительные операции (шлифовка, притирка, обкатка и т.п.); данные трудности проще преодолеть в условиях крупносерийного и массового производства, когда окупаются затраты на специальное оборудование, приспособления и инструменты.

 

Допускаемые напряжения