Напряжений
При выборе материалов зубчатых колес следует учитывать назначение передачи, условия эксплуатации, требования к габаритным размерам передачи и технологию изготовления колес. Зубчатые колеса редукторов в большинстве случаев изготавливают из сталей, подвернутых термическому упрочнению. Чугуны применяют для малонагруженных или редко работающих передач, для которых габариты и масса не имеют определяющего значения. На практике, в основном, применяют следующие сочетания материалов и термической обработки (ТО) [1, с. 11]: I – марки сталей и ТО одинаковы для шестерни и колеса: стали 45, 40Х, 40 ХН и др., ТО – улучшение. Зубья колес из улучшаемых сталей хорошо прирабатываются и не подвержены хрупкому разрушению, но имеют ограниченную нагрузочную способность; II – марки сталей одинаковы,а ТО различная. Материалы для шестерни и колеса: 40Х, 40 ХН и др., ТО колеса – улучшение, а шестерни – улучшение и закалка ТВЧ (твердость сердцевины зуба соответствует термообработке улучшение); III – ТО колеса и шестерни одинаковая: улучшение и закалка ТВЧ (твердость сердцевины зуба соответствует термообработке улучшение). Твердость поверхности зубьев зависит от марки стали: 45…50HRC, 48…53HRC. Марки сталей одинаковы для шестерни и колеса: 40Х, 40ХН и др.; IV – разные материалы и ТО: материал колеса – стали 40Х, 40 ХН, 35ХМ и др. с ТО: улучшение и закалка ТВЧ. Материал шестерни – сталь марки 20Х, 20ХН2М, 18ХГТ, 12ХН3А и др. с ТО: улучшение, цементация и закалка; V – марки сталей и ТО одинаковые для шестерни и колеса: 20Х, 20ХН2М, 18ХГТ, 12ХН3А и др.; при этом одинаковая ТО – улучшение, цементация и закалка. Наряду с цементацией возможно применение нитроцементации и азотирования, при которых образуется тонкий поверхностный упрочненный слой на зубьях колес передачи. Чем выше твердость рабочей поверхности зуба, тем выше допускаемые контактные напряжения и тем меньше размеры передачи. Поэтому для редукторов, к размерам которых не предъявляют особых требований, следует применять дешевые марки сталей типа стали 45 или стали 40Х с ТО по вариантам I или II. Стали I и II группы позволяют производить чистовое нарезание зубьев после термообработки, что позволяет получить высокую точность зубьев без применения дорогостоящих отделочных операций. Зубчатые колеса этой группы хорошо прирабатываются и не подвержены хрупкому разрушению при ударных нагрузках. Поэтому для редукторов, к размерам которых не предъявляют особых требований, редукторов индивидуального и мелкосерийного производства назначают стали I или II группы. Для лучшей приработки рекомендуется назначить материал шестерни и колеса с соотношением твердости [5, с. 131]:
Таблица 1 – Рекомендуемые сочетания материалов зубчатых колес [7, с. 92]
Таблица 2 - Механические свойства сталей [1, с. 33]
Примечание. Н – нормализация, У – улучшение, З – закалка, Ц – цементация, ТВЧ – закалка токами высокой частоты.
Допускаемые контактные напряжения для стальных зубчатых колес согласно ГОСТ 21354-87:
Допускаемые напряжения изгиба для стальных зубчатых колес согласно ГОСТ 21354-87:
где σ Hlim b , σ Flim b – пределы выносливости материалов колес при базовом числе циклов, соответственно: контактной и изгибной выносливости; [ SH ], [ SF ] - коэффициенты безопасности по контактным напряжениям и напряжениям изгиба; KHL, K FL – коэффициенты долговечности по контактным напряжениям и напряжениям изгиба; их вычисляют по формулам (3.) и (4.); YA – коэффициент, учитывающий реверсивность работы передачи и твердость поверхностей зубьев; при отсутствии реверса YA = 1,0; при реверсивной нагрузке YA = 0,7…0,8 [5, с. 147]. При постоянном режиме работы передачи: KH L = KF L = YR = Y A = 1,0; при переменном режиме нагружения коэффициенты выбирают по [5, с. 146].
Таблица 3 – Пределы базовой выносливости и коэффициенты безопасности [6, с.34]
Примечание. Для проката [ SF ] = 1,9 … 2,0; для литья [SF] = 2,1 … 2,2
Коэффициенты долговечности рассчитывают по зависимости:
где N0 , NФАКТ –базовое и фактическое число циклов нагружения зубьев, соответственно. При расчете коэффициента KHL базовое число циклов нагружения N0 определяют по средней поверхностной твердости зубьев: N0 = 30 . HB 2,4 < 12 .10 7. Таблица 4 - Твердость в единицах HRC переводят в единицы HB [1, с.13]:
При расчете коэффициента KFL базовое число циклов нагружения N0 принимают равным N0 = 4 .10 6 [1, с.15]. Фактическое число циклов нагружения зубьев шестерни можно определить по зависимости:
где t – срок службы передачи; обычно принимают для зубчатой передачи t = 8 лет, для червячной передачи t = 6 лет; k год – коэффициент работы передачи в году; k cут – коэффициент работы передачи в сутки. Если фактическое число циклов нагружения зубьев равно или больше базового, то расчет коэффициентов долговечности не выполняют, а принимают их равными KFL = KHL = 1,0. Поскольку долговечность зубчатой передачи определяется контактной прочностью зубьев и прочность зубьев колеса ниже прочности зубьев шестерни, то проектный расчет выполняют по σ НР 2. Проверочные расчеты изгибной прочности зубьев шестерни и колеса выполняют по σ FР 1, σ FР 2.
|
НВ1 = НВ2 + (20…70) – при твердости зубьев ≤ 350 НВ
При твердости зубьев НВ > 350 зубья плохо прирабатываются, поэтому обеспечивать разность поверхностной твердости зубьев шестерни и колеса не требуется [5, с.132]. Необходимое различие в твердости материалов зубчатых колес можно получить, комбинируя сочетания марок материалов и способов термообработки (табл. 1 и 2).
(1)
, (2)
,
