Колес, и способы упрочнения зубьев

Практикой эксплуатации и исследованиями установлено, что нагрузка, допускаемая по контактной прочности зубьев, определяется в основном твердостью материала [1]. Высокую твердость в сочетании с другими характеристиками, а следовательно, малые габариты и массу передачи можно получить при изготовлении зубчатых колёс из сталей, подвергнутых термообработке. Сталь в настоящее время – основной материал для изготовления зубчатых колёс и, в особенности, для зубчатых колёс высоконагруженных передач. Чугун применяют для малонагруженных или редко работающих передач, в которых габариты и масса не имеют определяющего значения.

Ниже рассматриваются только стальные зубчатые колёса.

Стали, рекомендуемые для зубчатых колёс, виды их термообработки и механические характеристики приведены в табл.1 [3].

В зависимости от твердости (или термообработки) стальные зубчатые колёса разделяют на две основные группы [1]:

1) с твердостью по Бринеллю, меньше или равной 350 (НВ 350) – зубчатые колёса нормализованные или улучшенные;

2) с твердостью по Бринеллю больше 350 (НВ >350) – зубчатые колеса с объемной закалкой, закалкой ТВЧ, цементацией, азотированием и др.

Эти группы различны по технологии, нагрузочной способности и способности к приработке.

Твердость материала НВ 350 позволяет производить чистовое нарезание зубьев после термообработки. При этом можно получить высокую точность без применения дорогих отделочных операций (шлифовки, притирки и т.п.). Колеса этой группы хорошо прирабатываются и не подвержены хрупкому разрушению при динамических нагрузках.

Технологические преимущества материала при НВ 350 обеспечили ему широкое распространение в условиях индивидуального и мелкосерийного производства, в мало- и средненагруженных передачах, а также в передачах с большими колёсами, термическая обработка которых затруднена.

При НВ >350 (вторая группа материалов) твердость выражается обычно в единицах Роквелла – HRC до 50…60 (HB 500…600). При этом нагрузочная способность передачи увеличивается до четырех раз по сравнению с нормализованными и улучшенными сталями. Возрастают также износостойкость и стойкость против заедания.

Однако с высокой твердостью связаны некоторые дополнительные трудности:

1)  высокотвердые материалы плохо прирабатываются, поэтому требуют повышенной точности изготовления, повышенной жесткости валов и опор;

2) нарезание зубьев при высокой твердости затруднено, поэтому термообработку выполняют после нарезания.

Таблица 1

Марка стали	НВ поверхности	HRC сердцевины	sВ	sТ	Термическая обработка
			МПа
35 45 45 45 40Х 40Х 40Х   35ХМ 35ХМ 35ХМ   40ХМ 40ХМ 40ХМ   20ХН2М     18ХГТ 12ХН3А 25ХГМ 40ХН2МА   35Л 35Л 40ГЛ	163–192 179–207 235–262 269–302 235–262 269–302 269–302   235–262 269–302 269–302   235–262 269–302 269–302   300–400     300–400 300–400 300–400 269–302   163–207 207–235 235–262	– – – – – – 45–50   – – 48–53   – – 48–53   56–63     56–63 56–63 56–63 50–56   – – –	550 600 780 890 790 900 900   800 920 920   800 920 920   1000     1000 1000 1000 980   550 680 850	270 320 540 650 640 750 750   670 790 790   630 750 750   800     800 800 800 780   270 440 600	Нормализация -//- Улучшение -//- -//- -//- Улучшение + закалка ТВЧ Улучшение -//- Улучшение + закалка ТВЧ Улучшение -//- Улучшение + закалка ТВЧ Улучшение + цементация + закалка То же -//- -//- Улучшение + азотирование Нормализация Улучшение -//-

 

Некоторые виды термообработки (объёмная закалка, цементация) сопровождаются значительным короблением зубьев. Для исправления формы зубьев требуются дополнительные операции: шлифовка, притирка, обкатка и т.п. Эти трудности проще преодолеть в условиях крупносерийного и массового производства, когда окупаются затраты на специальное оборудование, инструменты, приспособления. Именно в этом случае применяют  колёса с высокотвердыми зубьями.

Учитывая, что в задании на курсовой проект к размерам и массе проектируемых редукторов не предъявляяют высоких требований, следует при расчёте передачи применять для изготовления зубчатых колес сравнительно дешёвые марки стали типа 35, 45, 40Х, 35ХМ, 40ХН с нормализацией и улучшением.

В целях выравнивания долговечности зубьев шестерни и колеса, ускорения их приработки и повышения сопротивляемости заеданию нижний предел твердости шестерни должен быть выше верхнего предела твердости колеса на 10…30 единиц.

При выполнении курсового проекта с целью получения оптимальных размеров рекомендуются следующие сочетания материалов:

а) шестерня – сталь 45, термообработка – улучшение, НВ = 235…262, s_В = 780 Н/мм²;  

колесо – сталь 35, термообработка – нормализация, НВ = 163…192, s_В =550 Н/мм²;

б) шестерня – сталь 45, термообработка – улучшение, НВ = 235…262, s_В = 780 Н/мм²;  

колесо – сталь 45, термообработка – нормализация, НВ = 179…207, s_В = 600 Н/мм²;

в) шестерня - сталь 35ХМ, термообработка - улучшение, НВ = 269…302, s_В = 920 Н/мм²;

колесо - сталь35ХМ, термообработка - улучшение, НВ = 235…262, s_В = 800 Н/мм².

Ниже приведены рекомендации по выбору сочетаний материалов в зависимости от вращающего момента на колесе Т₂ и типа зубьев. Для конических передач рекомендации даны для колес с круговым зубом, имеющих большую несущую способность, а следовательно, меньшие размеры.

1) Т ₂  550 Н×м (цилиндрическая прямозубая);

Т ₂  650 Н×м (цилиндрическая косозубая) и

T ₂  300 Н×м (коническая с круговым зубом) – по варианту а);

2) 550 Н×м < Т ₂  650 Н×м (цилиндрическая прямозубая);

650 Н×м < Т ₂  750 Н×м (цилиндрическая косозубая) и

300 Н×м < Т ₂  500 Н×м (коническая с круговым зубом) – по варианту б);

3) Т ₂ > 650 Н×м (цилиндрическая прямозубая);

Т ₂ > 750 Н×м (цилиндрическая косозубая) и

Т ₂ > 500 Н×м (коническая с круговым зубом) – по варианту в).