Основные причины выхода из строя зубчатых колес и методы расчета для обеспечения работоспособности. (Характер и причины разрушения зубчатых передач. Виды расчета зубчатых передач).

При передаче вращающего момента на линии контакта возни­кают упругие деформации профилей зубьев, вызывающие контактные напряжения σ_н, распределенные на площадке контакта. У основания зуба от силы F_п возникают напряже­ния изгиба σ_F, характер распределения которых показан на рис. Контактные и изгибные напряжения изменяются во времени по прерывистому отнулевому циклу. Переменные напряжения являются причиной усталостного разрушения зубьев: поломки, выкрашивания поверхностного слоя, износа, заедания.

Усталостное выкрашивание поверхностных слоев зубьев является наиболее распространенным видом по­вреждений зубьев для большинства хороню смазываемых и за­щищенных от загрязнений зубчатых колес. Выкрашивание заключается в отслоении частичек материала с поверхности и появлении на рабочих поверхностях небольших углублений, напоминающих оспинки, которые потом растут и превраща­ются в раковины.

Выкрашивание (а) начинается на ножках зубьев вблизи по­люсной линии. Затем оно распространяется на всю поверх­ность ножек. Со временем зоны выкрашивания сливаются и начинается прогрессивное выкрашивание. Оно носит устало­стный характер, так как в процессе зацепления зубьев при вращении колес контактные напряжения в каждой точке ра­бочей поверхности зубьев переменны. В косозубых передачах при невысокой твердости поверхности зубьев колеса и высокой твердости шестерни выкрашивание являет­ся затухающим, так как после удаления в результате выкра­шивания материала с поверхности ножек зубьев колеса на­грузка перераспределяется на головки зубьев, имеющие боль­шую прочность.

Усталостные трещины обычно зарождаются на поверхно­сти, где имеет место концентрация напряжений из-за микро­неровностей. В отдельных случаях трещины могут зарождать­ся под поверхностью зуба. При увеличении твердости поверх­ности зуба значение глубинных напряжений возрастает. У поверхностно-упрочненных колес переменные напряжения под поверхностью зуба могут вызывать отслаивание матери­ала с поверхности. В передачах, работающих со значительным износом (открытые передачи и с абразивным материалом на поверхности зубьев), выкрашивание наблюдается очень редко, так как поверхностные слои истираются раньше, чем в них по­являются усталостные трещины. Для предотвращения устало­стного выкрашивания зубья рассчитывают на контактную вы­носливость рабочих поверхностей.

Поломка зубьев является наиболее опасным видом разру­шения, приводящим к выходу из строя передачи и часто к по­вреждению других деталей (валов, подшипников). Зубья мо­гут сломаться в результате больших перегрузок ударного ха­рактера или от усталости материала в результате многократно повторяющихся рабочих нагрузок.

Трещины появляются у основания зубьев на стороне рас­тянутых волокон. Зубья шевронных и широких косозубых ко­лес обычно выламываются по косому сечению (от основания зуба на одном торце к вершине зуба на противоположном торце). Для предотвращения поломок зубья рассчитывают на изгиб.

Абразивный износ (б) является основной при­чиной выхода из строя открытых передач и части закрытых передач машин с плохими уплотнениями, работающих в среде, засоренной абразивами: горных, дорожных, строитель­ных, сельскохозяйственных, транспортных и некоторых других.

Заедание зубьев (рис. 5.10, в) заключается в местном моле­кулярном сцеплении контактирующих поверхностей в усло­виях разрушения смазочной пленки. Разрушение происходит вследствие высоких контактных давлений или понижения вязкости смазочного материала вследствие нагрева, вызванно­го высокими скоростями скольжения.

Основными критериями работоспособности зубчатых пере­дач являются контактная прочность рабочих по­верхностей зубьев и прочность зубьев при изгибе. Расчеты по этим критериям наиболее полно разработаны для стальных закрытых хорошо смазываемых эвольвентных зубчатых передач. Согласно ГОСТу 21354-87 выполняют следующие расчеты:

1. Расчет на контактную прочность рабочих по­верхностей зубьев:

расчет на сопротивление усталости для предотвращения прогрессивного выкрашивания;

расчет для предотвращения остаточных деформаций или хрупкого разрушения поверхностного слоя при действии крат­ковременной максимальной нагрузки.

2. Расчет зубьев на прочность при изгибе: расчет зубьев на сопротивление усталости при изгибе; расчет зубьев на предотвращение остаточных деформаций

или поломки при действии кратковременной максимальной нагрузки.

Важными показателями качества зубчатых передач явля­ются уровни вибраций и шума, которые связаны с пересопря­жением (входом в зацепление) зубьев, периодически повто­ряющейся ошибкой шага зубьев, искажением (огранкой) про­филей зубьев. Основные средства борьбы с шумом в зубчатых передачах: совершенствование зубоотделочных операций (по­вышение точности), переход на косозубые передачи, фланки­рование. В механизмах, к которым предъявляют высокие тре­бования по уровню шума (системы жизнеобеспечения космо­навтов, бытовая техника и др.), одно из зубчатых колес изготавливают из полимерных материалов.