Зубчатые передачи. Достоинства и недостатки. Основные виды зубчатых передач. Основные параметры зубчатых колес. Передаточное число. Материалы и обработка.

Зубчатая передача — это механизм, который с помощью зуб­чатого зацепления передает или преобразует движение с изме­нением скоростей и моментов.

Цилиндрические зубчатые передачи между параллельны­ми валами выполняют с помощью колес с прямыми, косыми и шевронными зубьями. Конические передачи между валами с пересекающимися осями осуществляют коле­сами с прямыми и круговыми зубьями, реже ко­сыми (тангенциальными) зубьями. Преобразова­ние вращательного движения в поступательное и наоборот осу­ществляют цилиндрическим колесом и рейкой.

Зубчатые передачи — самые распространенные среди меха­нических передач. Годовой выпуск зубчатых колес составляет несколько миллионов. Диапазон их применения широк: от ча­сов и приборов до самых тяжелых машин.

Достоинства зубчатых передач: малые габариты; высокий КПД; постоянство передаточного отношения из-за отсутствия проскальзывания; возможность применения в широком диа­пазоне вращающих моментов, скоростей и передаточных отно­шений; надежность в работе и простота обслуживания.

Недостатки зубчатых передач: высокие требования к точ­ности изготовления; шум при работе со значительными ско­ростями.

Начальная окружность - ;

- передаточное отношение;

- межосевое расстояние;

- модуль, он стандартизован;

- делительный диаметр;

- коэффициент ширины зубчатого венца, где b – ширина колеса.

Для косозубых передач водят угол наклона зубьев β, для конических углы конусности δ, причем δ₁+ δ₂=180º.

Еще вводят параметры: стандартный угол профиля, окружности все, коэфф. торцевого перекрытия, смещение, линия зацепления и активная линия зацепления, высота и толщина зуба, ну может, что еще придумаете.

При выборе материалов для зубчатых колес необходимо обес­печить сопротивление контактной усталости поверхностных слоев зубьев, прочность зубьев на изгиб, сопротивление заеда­нию и износу. Основными материалами являются термически обрабатываемые стали. Допускаемые контактные напряжения примерно пропорциональны твердости материа­лов. Это указывает на целесообразность широкого применения для зубчатых колес сталей, закаливаемых до значительной твердости.

Твердость Н материала измеряют по Бриннелю, когда Н < 350 НВ или по Роквеллу НRС_Э при Н > 350 НВ. Прибли­женно 10 НВ ~ 1 НRС_Э. При твердости Н < 350 НВ шестерню выполняют с несколько большей твердостью, чем колесо, на (20...30) НВ. Термическую обработку заготовки (нормализа­цию, улучшение) выполняют до нарезания зубьев. После наре­зания зубьев не требуется дополнительных финишных опера­ций. Такие передачи хорошо прирабатываются.

При твердости Н > 350 НВ химико-термическую обработку ведут после зубонарезания, при этом зубья коробятся и в ре­зультате ухудшаются их точностные показатели. В массовом и крупносерийном производстве применяют исключительно зубчатые колеса высокой твердости, которые подвергают отде­лочным операциям после термической обработки.

Объемная закалка вызывает увеличение твердости не толь­ко поверхности зуба, но и его сердцевины. В результате зуб становится хрупким и легко разрушается при ударах. По­этому объемная закалка уступила место поверхностным тер­мическим и химико-термическим методам упрочнений. Такой обработкой можно достигнуть высокой твердости поверхно­стных слоев материала зубьев при сохранении вязкой сердце­вины.

Для зубчатых колес применяют следующие основные виды поверхностных термических и химико-термических упрочне­ний: поверхностная закалка, цементация и нитроцементация с закалкой, азотирование.

Поверхностную закалку в основном обеспечивают за счет нагрева токами высокой частоты (ТВЧ). В связи с тем, что на­греваются поверхностные слои в течение 20...50 с, толщина закаливаемого слоя мала и деформации при закалке невели­ки. Поэтому можно обойтись без последующего шлифования зубьев (однако это понижает точность на одну-полторы степе­ни). Материалы в этом случае — среднеуглеродистые легиро­ванные стали 40Х, 40ХН, 35ХМ и др. Обычно твердость на по­верхности зубьев (50...55) НRС_Э.

Поверхностная закалка зубьев без охвата переходной по­верхности (с обрывом твердого слоя у впадины зубьев) повы­шает износостойкость и сопротивление выкрашиванию, но по­нижает прочность при изгибе, так как создает концентратор напряжений у корня зуба. Желательно, чтобы закаленный слой повторял очертание впадин.

Цементация — поверхностное насыщение углеродом сталей, содержащих углерода менее 0,3%, с последующей закалкой. Цементация обеспечивает большую твердость (56...63) НRС_Э, несущую способность поверхностных слоев зубьев и высокую прочность на изгиб. Целесообразно при­менять газовую цементацию как более производительную. Применяют цементируемые стали: 20Х, а для ответственных зубчатых колес, работающих с ударными нагрузками, хро-моникелевые стали 12ХНЗА, 20ХНМ, безникелевые стали 18ХГТ, 25ХГТ и др. Толщина цементированного слоя при­мерно 0,3 модуля. Время цементации на глубину 1 мм при­мерно 3 часа — процесс длительный. При цементации рабо­чие поверхности зубьев искажаются и требуется их шлифо­вание.

Азотирование — насыщение поверхностных слоев азотом, обеспечивает высокую твердость (58...65) НRС_Э и износостой­кость поверхностных слоев. Азотируют готовые детали без по­следующей закалки. Для азотируемых колес применяют мо­либденовую сталь 38Х2МЮА, безалюминиевые стали типа 40ХФА, 40ХНА, 40Х. Зубья после азотирования в связи с ма­лой толщиной слоя насыщения и малым короблением не шли­фуют. Поэтому азотирование применяют для колес с внутрен­ними зубьями и других, шлифование которых трудно осу­ществимо. Недостатком азотированных колес является малая толщина упрочненного слоя (0,2...0,5 мм), не позволяющая применять их при ударных нагрузках из-за опасности растрес­кивания упрочненного слоя и при работе с интенсивным изна­шиванием (при загрязненной смазке).

Нитроцементация — насыщение поверхностных слоев уг­леродом и азотом с последующей закалкой — обеспечивает им высокую прочность, износостойкость и сопротивление заеда­нию. Нитроцементация идет с достаточно высокой скоростью и в связи с малыми толщиной упрочняемого слоя и его дефор­мациями позволяет обойтись без последующего шлифования.

Улучшаемые стали применяют для зубчатых колес, преимущественно изготовляемых в условиях мелкосерийного и единичного производства при отсутствии жестких требова­ний к габаритам. Чистовое нарезание зубьев улучшаемых ко­лес производят после термической обработки заготовки, что исключает необходимость шлифования и позволяет обеспе­чить высокую точность. Применяют качественные углеродис­тые стали 40, 45 и легированные 35ХГС, 40Х и др.

Стали в нормализованном состоянии для обоих сопряженных зубчатых колес применяют только во вспомогательных механизмах, например в механизмах с руч­ным приводом. Основные материалы — среднеуглеродистые стали 40, 45, 50. Для повышения стойкости против заедания шестерни и колеса изготовляют из разных материалов.

Стальное литье применяют для колес больших диа­метров. Основные материалы — литейные среднеуглеродис­тые стали 35Л, 50Л и др. Литые колеса подвергают преимуще­ственно нормализации.

Ч у г у н ы используют для изготовления тихоходных, крупногабаритных и открытых передач. Кроме того, из чугуна изготовляют сменные колеса (поочередно работающие). При­меняют чугуны СЧ20...СЧ35, а также высокопрочные магние­вые чугуны с шаровидным графитом.

Пластмассовые зубчатые колеса в паре с ме­таллическими применяют в слабонагруженных передачах для обеспечения бесшумности, самосмазываемости или химиче­ской стойкости. Используют текстолит (рекомендуемые марки ПТ и ПТК) и древесно-слоистые пластики. Наиболее перспек­тивными следует считать капролон, полиформальдегид и фенилон.