20. Материалы и термическая обработка зубчатых колес
Зубья колес должны обладать достаточно высокими прочностью, твердостью, способностью сопротивляться истиранию и другими свойствами, обеспечивающими надежную работу зубчатой передачи при наименьших ее габаритах и массе. Поэтому зубчатые колеса изготовляют преимущественно из углеродистой и легированной стали с содержанием углерода 0,1—0,6% (для крупных валов-шестерен до 0,9%) с термической или химико-термической обработкой, значительно реже из чугуна и неметаллических материалов — пластмасс. Червячные колеса изготовляют из медных сплавов (бронзы, латуни).
Если термической обработке подвергают все колесо, то ее называют объемной. Более целесообразна термическая обработка путем нагрева и быстрого охлаждения только поверхностей зубьев, которые приобретают твердость при вязкой сердцевине. Такое сочетание механических свойств зубьев, достигаемое также при химико-термической обработке, является благоприятным для работы зубчатой передачи. Нагрев при поверхностной закалке производят токами высокой частоты (ТВЧ), а также в газовом пламени. Наибольшее распространение получила закалка ТВЧ по всему контуру зуба, включая впадину (контурная закалка), или только рабочих поверхностей. Контурная закалка значительно повышает усталостную прочность колеса.
В передачах часто применяют колеса из стального литья, сопрягаемые с коваными шестернями. Литые зубчатые колеса обычно подвергают нормализации и длительному отпуску для снятия внутренних напряжений.
Для изготовления венцов зубчатых колес, работающих при малых скоростях и небольших усилиях, применяют серый чугун.
Обрабатываемость различных металлов зависит от его химического состава и механических свойств. Чем тверже сталь данной марки (в зависимости от термической обработки), тем хуже она обрабатывается, т. е. тем быстрей изнашивается инструмент. При введении легирующих элементов (например, хрома) обрабатываемость стали ухудшается даже при сохранении твердости. Стали с малым содержанием углерода (например, 20Х) и некоторые другие (например, 35ХМ) вследствие вязкости обладают худшей обрабатываемостью по шероховатости обработанной поверхности.
Если колеса нарезают после окончательной термической обработки (например, улучшения), максимальная твердость колес (НВ 300—320) определяется возможностью зубонарезания, при котором должны быть обеспечены достаточные производительность обработки и стойкость инструмента.
Термическая обработка после зубонарезания обычно приводит к искажениям формы и размера зуба, которые могут быть устранены зубошлифованием, частично притиркой или зубохонингованием, в зависимости от степени искажений и требуемой точности.
В колесах менее ответственного назначения, а также при небольших искажениях зубья можно не исправлять, Если колеса термически обрабатывают после чернового нарезания, то чистовое нарезание (например, червячными фрезами) можно осуществлять при твердости зубьев до HRC 38—52, снижая режимы резания, а также применяя инструменты повышенной производительности из быстрорежущей стали или оснащенные твердым сплавом. Для изготовления колес, подвергаемых накалке (в воде либо масле) или нормализации, рекомендуются стали 40, 45, 50, 50Г, 35Х, 40Х, 45Х, 50Х, 40ХН, 45ХН, ЗОХМ, 35ХМ, ЗОХГС, 35ХГС, ЗОХНЗА, 5ХНМ, 38ХГН, ЗОХГНЗА, 38ХС, 34ХН1М, 45ХНМ и др., для колес, подвергаемых цементации с последующей закалкой, — 15Х, 20Х, 18ХГТ, ЗОХГТ, 12ХН2, 12ХНЗА, 12Х2Н4А, 18Х2Н4МА, 20ХНЗА, 15ХФ, 20ХНЗА, 20ХГНР, 30ХГСН2А и др. Колеса, подвергаемые цианированию, изготовляют из сталей 20Х, 35Х, ЗОХГТ, 40Х и других легированных и нелегированных сталей; колеса, подвергаемые азотированию — из сталей 38Х2МЮА, 40ХФА, 18ХГТ и др. Для изготовления литых колес применяют стали 50Л, 40ГЛ, ХГСЛ, ХН2Л и др. Для зубчатых колес менее ответственного назначения используют чугуны — СЧ20, СЧЗО и др. (ГОСТ 1412—79*). В ряде случаев для изготовления червячных колес применяют бронзы Бр. ОФ10-1 (ГОСТ 1.90054—72), Бр. АЖ9-4 (ГОСТ 18175—79*) и др.
В обозначении марки стали первые две цифры указывают содержание углерода в сотых долях процента (например, сталь ЗОХГТ содержит 0,3 % углерода).
Буквы за цифрами обозначают: X —хром, Н — никель, М — молибден, Г — марганец, С — кремний, Ю — алюминий, В — ванадий, Ф — вольфрам, Т — титан, Р — бор.
Буква Л обозначает литейную сталь, например 50Л. Буква А указывает, что сталь повышенного качества.
Цифры после обозначения элемента показывают его содержание в процентах, отсутствие цифры означает, что в стали содержится менее одного процента данного элемента (например, сталь 18Х2Н4МА содержит хрома в среднем 2 %, никеля 4 %, молибдена до 1 %).
В обозначении бронзы: О — олово, Ф —фосфор, А — алюминий, Ж — железо. Цифры показывают содержание данного элемента в %, остальное — медь.
21. Существует два принципиально различных метода нарезания:
1) метод копирования; 2) метод обкатки.
В первом случае впадина зубчатого колеса фрезеруется на универсальном фрезерном станке фасонными дисковыми или пальцевыми фрезами, профиль которых соответствует профилю впадины (рис. 76). Затем заготовку поворачивают на угол 360º/Z и нарезают следующую впадину. При этом используется делительная головка, а также имеются наборы фрез для нарезания колёс с различным модулем и различным числом зубьев. Метод непроизводителен и применяется в мелкосерийном и единичном производстве.Второй метод обката или огибания может производиться с помощью инструментальной рейки (гребёнки) на зубострогальном станке; долбяком на зубодолбёжном станке или червячной фрезой на зубофрезерном станке. Этот метод высокопроизводителен и применяется в массовом и крупносерийном производстве. Одним и тем же инструментом можно нарезать колёса с различным числом зубьев. Нарезание с помощью инструментальной рейки имитирует реечное зацепление (рис. 77, а), где профиль зуба образуется как огибающая последовательных положений профиля инструмента, угол исходного контура которого α=20º (рис. 77, б). Зацепление между режущим инструментом и нарезаемым колесом называется станочным. В станочном зацеплении начальная окружность всегда совпадает с делительной.Самым производительным из рассмотренных методов является зубофрезерование с помощью червячных фрез, которые находятся в зацеплении с заготовкой по аналогии с червячной передачей (рис. 77, в).При нарезании долбяком осуществляется его возвратно поступательное движение при одновременном вращении. Фактически при этом осуществляется зацепление заготовки с инструментальным зубчатым колесом – долбяком (рис. 77, г). Этот метод чаще всего используется при нарезании внутренних зубчатых венцов.
22. Стандартизованными параметрами, характеризующими зубчатую передачу являются:
- модуль зубьев,
- передаточное число,
- межосевое расстояние.
Значения этих параметров приведены в таблице 1 вместе с предлагаемыми системами номограмм для графоаналитического выбора основных геометрических, в том числе стандартизованных, параметров зубчатой пары:
- количества зубьев колеса и шестерни,
- делительных диаметров (начальных диаметров),
- диаметров вершин зубьев,
- диаметров оснований зубьев.
Основной параметр зубчатого зацепления - модуль зубьев m. Модули стандартизованы в диапазоне 0,05 ... 100 мм (ГОСТ 9563-80). Кроме приведенных в таблице, для редукторов также допускают модули 1,6; 3,15; 6,3; 12,5 мм.
Передаточное число i равно отношению чисел зубьев колеса Z2 и шестерни Z1:
i = Z2 / Z1,
где Z2 > Z1 и соответственно i > 1. Номинальные передаточные числа цилиндрических зубчатых передач стандартизованы по СТ СЭВ 312-76. Для тихоходной и промежуточной передачи передаточное число 5,6...6,3, быстроходной передачи - 6,3...8. В коробках скоростей станков i<4.
Коэффициент ширины зубчатых колёс
fa = b / A
Коэффициент fa редукторных зубчатых колёс из улучшенных сталей при несимметричном расположении 0,315...0,4, из закалённых 0,25...0,315; при симметричном расположении зубчатых колёс относительно опор 0,4...0,5. Стандартные значения fa для редукторов 0,1; 0,125; 0,16; 0,2; 0,25; 0,315; 0,4; 0,5; 0,63; 0,8; 1,0; 1,25; значения 0,63...1,25 для шевронных передач.
Делительный диаметр d - диаметр окружности, на котором шаг p зубчатого колеса равен шагу исходного контура.
p = 3,14 · m
Зацепление зубчатых колёс эквивалентно качению без скольжения окружностей с диаметрами dw1 и dw2 , называемых начальными диаметрами зубчатых колёс. Для цилиндрических колёс с эвольвентным профилем без смещения исходного контура начальный диаметр колеса совпадает с делительным диаметром.
Окружной делительный шаг pt - это расстояние между одноименными профилями соседних зубьев, измеренное по дуге делительной окружности зубчатого колеса
pt = 3,14 · d / z
Окружной модуль mt представляет собой частное от деления диаметра делительной окружности на число зубьев
mt = d / z
Для колёс с диаметром вершин зубьев 200<de<600 мм (колёса средних диаметров) толщина венцов до впадин выбирают равной (2...3)·mt, толщину дисков равной (0,2...0,3)·b, диаметры ступиц - (1,6...1,9)·dB (где b - ширина колеса; dB - диаметр вала).
Для предотвращения поломок зубья рассчитывают на изгиб.
В таблице 2 приведены параметры и формулы для расчёта основных геометрических зависимостей прямозубых цилиндрических колёс без смещения исходного контура (т.е. без корригирования), используемые для построения системы номограмм.
23. Расчет на прочность зубчатых цилиндрических эвольвентных передач
внешнего зацепления (по ГОСТ 21354-87)
Расчет распространяется на силовые зубчатые передачи внешнего зацепления, состоящие из стальных зубчатых колес, исходный контур которых соответствует требованиям ГОСТ 13755-81, встроенные или выполненные в виде Самостоятельных агрегатов, работающие со смазкой в закрытом корпусе при окружных скоростях не свыше 25 м/с в пределах температур окружающего воздуха от -40 до +100 °С.
Расчет зубьев на контактную прочность.
При расчете определяют контактное напряжение δH в полюсе зацепления. При малом числе зубьев (например, z < 17) или неблагоприятных параметрах зацепления можно дополнительно проверить контактное напряжение и в других характерных фазах зацепления.