Детали машин



Материалы зубчатых колес



Выбор материала зубчатых колес зависит от назначения передачи и условия ее работы, а также габаритных размеров. При этом необходимо обеспечить контактную и изгибную прочность зубьев колес, сопротивление заеданию и изнашиванию.

Чаще всего для изготовления зубчатых колес применяют стали, реже – чугуны и пластмассы. Еще реже для изготовления зубчатых колес используют другие материалы - цветные металлы, и даже камень и дерево.

***

Зубчатые колеса из стали

Основными материалами для изготовления зубчатых колес силовых передач служат термически обрабатываемые стали. В зависимости от твердости рабочих поверхностей зубьев после термообработки зубчатые колеса можно условно разделить на две группы.

из чего делают шестерни и зубчатые колеса?

Первая группа – зубчатые колеса с твердостью поверхностей зубьев Н350 НВ. Материалами для колес этой группы служат углеродистые стали марок 40, 45, 50Г, легированные стали марок 40Х, 45Х, 40ХН и др.
Термообработку – улучшение, нормализацию – производят до нарезания зубьев. Твердость сердцевины зуба и его рабочей поверхности для улучшенных колес одинакова. Колеса при твердости поверхностей зубьев Н350 НВ хорошо прирабатываются и не подвержены хрупкому разрушению.
Применяют зубчатые колеса первой группы в слабо- и средненагруженных передачах. В настоящее время область применения улучшенных зубчатых передач сокращается.

Твердость шестерни прямозубой передачи рекомендуется принимать на 25…30 НВ больше твердости колеса. Это способствует прирабатываемости, сближению долговечности шестерни и колеса, повышению сопротивления заеданию зубчатых колес.

Для косозубых передач твердость рабочих поверхностей зубьев шестерни желательна по возможности большая, поскольку с ее ростом увеличивается несущая способность передачи по критерию контактной прочности.

Если в прямозубой передаче в процессе зацепления пары зубьев контактная линия зацепления движется параллельно основанию зуба, то в косозубой передаче контактная линия зацепления наклонена к основанию зуба и проходит одновременно по поверхностям головки и ножки зубьев.
Ножки зубьев обладают меньшей стойкостью против выкрашивания, чем головки, так как у них неблагоприятное сочетание направления скольжения и перекатывания зубьев. Следовательно, ножка зуба колеса, работающая с головкой зуба шестерни, начнет выкрашиваться в первую очередь. При этом вследствие наклона контактной линии нагрузка (полностью или частично) передается на головку зуба колеса, работающую с ножкой зуба шестерни. Слабая ножка зуба колеса разгружается, и выкрашивание уменьшается.
Дополнительная нагрузка ножки зуба шестерни не опасна, поскольку она изготовлена из более стойкого материала. Применение высокотвердой шестерни позволяет дополнительно повысить нагрузочную способность косозубых передач до 30%.

Повышение твердости достигают применением различных методов поверхностного упрочнения.

Вторая группа – колеса с твердостью рабочих поверхностей Н > 45 HRC (Н > 350 НВ). При Н > 350 НВ твердость материала измеряется по шкале HRC (1 HRC = 10 НВ). Высокая твердость поверхностных слоев материала при сохранении вязкой сердцевины достигается применением поверхностного термического или химико-термического упрочнения: поверхностной закалки, цементации и нитроцементации с закалкой, азотирования.

Поверхностная закалка зубьев с нагревом токами высокой частоты (ТВЧ) в течение 20…50 с целесообразна для зубчатых колес с модулем более 2 мм. При малых модулях мелкий зуб прокаливается насквозь, что приводит к его короблению и делает зуб хрупким.
Для закалки ТВЧ применяют стали марок 45, 40Х, 40ХН, 35ХМ. Твердость на поверхностях зубьев Н = 45…53 HRC.

Цементация – длительное поверхностное насыщение углеродом на глубину 0,3m (модуля зацепления) с последующей закалкой. Наряду с большой твердостью (Н = 56…63 HRC) поверхностных слоев цементация обеспечивает и высокую прочность зубьев на изгиб.
Для цементации применяют стали марок 20Х, 12ХНЗА, 18ХГТ.

Азотирование (насыщение азотом) обеспечивает особо высокую твердость (Н = 58…65 HRC) поверхностных слоев зубьев. Оно сопровождается малым короблением и позволяет получить зубья высокой точности без доводочных операций.
Азотированные колеса не применяют при ударных нагрузках (из-за опасности растрескивания тонкого упрочненного слоя толщиной 0,2…0,3 мм) и при работе в загрязненной абразивом среде (из-за опасности истирания).
Для азотируемых колес применяют стали марок 38Х2МЮА, 40ХНМА.

Нитроцементация – насыщение поверхностных слоев зубьев углеродом и азотом с последующей закалкой – обеспечивает им высокую прочность, износостойкость и сопротивление заеданию. Процесс нитроцементации протекает с достаточно высокой скоростью. В связи с тем, что толщина насыщенного слоя и деформации малы, последующее шлифование зубьев не применяют.

Зубья колес с твердостью Н > 45 HRC нарезают до термообработки. Отделку зубьев производят после термообработки.
Передачи с твердыми (Н > 45 HRC) рабочими поверхностями зубьев плохо прирабатываются, и обеспечивать в таких передачах разность твердости зубьев шестерни и колеса не требуется.

***

Выбор марок сталей для зубчатых колес

Без термической обработки механические характеристики всех сталей близки, поэтому применение легированных сталей без термообработки нерационально ввиду их более высокой стоимости.
Прокаливаемость сталей различна: высоколегированных – наибольшая, углеродистых – наименьшая. Стали с плохой прокаливаемостью при больших сечениях заготовок нельзя термически обработать до высокой твердости. Поэтому марку стали для зубчатых колес выбирают с учетом размеров их заготовок (поковок). Окончательно решить вопрос о пригодности заготовки можно после проведения прочностных расчетов и определения геометрических размеров зубчатой передачи.

На рис. 1, а – в показаны эскизы заготовок червяка, вала-шестерни и колеса с выемками.

Характеристики механических свойств сталей, применяемых для изготовления зубчатых колес, после термообработки приводятся в справочных таблицах.

При поверхностной термической или химико-термической обработке зубьев механические характеристики сердцевины зуба определяет предшествующая термическая обработка (улучшение).

Характеристики сталей зависят не только от химического состава и вида термообработки, но и от предельных размеров заготовок.

Расчетные размеры заготовки Dзаг и Sзаг (рис. 1) не должны превышать предельных значений D и S, приводимых в справочных таблицах для данного вида стали.

***




Применяют следующие стали и виды термической обработки (ТО):

I – марки сталей одинаковы для колеса и шестерни: 45, 40Х, 40ХН, 35ХМ. ТО колеса – улучшение, твердость 235…262 НВ. ТО шестерни – улучшение, твердость 269…302 НВ.

II – марки сталей одинаковы для колеса и шестерни: 40Х, 40ХН, 35ХМ. ТО колеса – улучшение, твердость 235…262 НВ, ТО шестерни – улучшение с последующей закалкой ТВЧ, твердость 45…50 HRC, 48…53 HRC и др. (зависит от марки стали).

III – марки сталей одинаковы для колеса и шестерни: 40Х, 40ХН, 35ХМ. ТО колеса и шестерни одинакова – улучшение с последующей закалкой ТВЧ, твердость 45…50 HRC, 48…53 HRC и др. (зависит от марки стали).

IV – марки сталей различны для колеса и шестерни. Для колеса: 40Х, 40ХН, 35ХМ. ТО колеса – улучшение и последующая закалка ТВЧ, твердость 45…50 HRC, 48…53 HRC (зависит от марки стали). Марки сталей для шестерни: 20Х, 20ХНМ, 18ХГТ. ТО шестерни – улучшение, затем цементация и закалка; твердость 56…63 HRC.

V – марки сталей одинаковы для колеса и шестерни: 20Х, 20ХНМ, 18ХГТ. ТО колеса и шестерни одинакова – улучшение, затем цементация и закалка; твердость 56…63 HRC.

материалы зубчатых колес

Несущая способность зубчатых передач по контактной прочности тем выше, чем выше поверхностная твердость зубьев.

Наибольшие контактные напряжения σH возникают в тонком поверхностном слое материала зубьев. Поэтому для повышения его контактной прочности достаточно упрочнить только поверхностный слой зубьев. Для зубчатых передач толщина этого слоя составляет (0,2…0,3)m – модуля зацепления.
На практике это достигается поверхностными термическими или химико-термическими упрочнениями, которые в несколько раз повышают нагрузочную способность передач по сравнению с улучшенными сталями.
Однако при назначении твердости рабочих поверхностей зубьев следует иметь в виду, что большей твердости соответствуют более сложная технология изготовления зубчатых колес и небольшие размеры передачи.

***

Стальное литье

Стальное литье применяют при изготовлении крупных зубчатых колес (d0 > 500 мм). Марки сталей – 35Л…55Л. Литые колеса подвергают нормализации.

***

Чугуны

Чугуны применяют для изготовления зубчатых колес тихоходных открытых передач. Марки серых чугунов – СЧ20…СЧ35, а также высокопрочных чугунов – ВЧ35…ВЧ50 (с шаровидным графитом и добавкой магния).
Зубья чугунных колес хорошо прирабатываются, могут работать в условиях ограниченного смазывании.
Существенный недостаток - пониженная прочность на изгиб, поэтому габариты чугунных колес значительно больше, чем стальных.

***

Пластмассы

Пластмассы в качестве материала зубчатых колес применяют в быстроходных слабонагруженных передачах для шестерен, работающих в паре с металлическими колесами.
Зубчатые колеса из пластмасс отличаются бесшумностью работы, плавностью хода, неприхотливостью к смазыванию.
Наиболее широко в качестве материала зубчатых колес используется текстолит (марок ПТ и ПТК), капролон, полиформ-альдегид, фенилон.

***

Конструкции зубчатых колес и технология их изготовления