Материалы и виды термообработки для изготовления зубчатых колес

 

Марки сталей	Термообработка	Твердость зубьев Н
		на поверхности	в сердцевине
40Х; 40ХН; 45ХЦ; 36ХМ и др.	Объемная закалка	45…55HRC
55ПП; У6; 35ХМ; 40Х; 40ХН и др.	Закалка ТВЧ по всему контуру (модуль       m 3 мм.)	56…63HRC 45…55HRC	25…28HRC
35ХМ; 40Х; 40ХН и др.	Закалка ТВЧ сквозная с охватом впадины (модуль m < 3 мм.)	45…55HRC	45…55HRC
35ХЮА; 38ХМЮА; 40Х; 40ХФА; 40ХНМА и др.	Азотирование	55…67HRC	24…40HRC
		50…59HRC
20Х; 12ХН3А; 25ХГТ; 18ХГТ; 25ХГМ и др.	Цементация и закалка	56…62HRC	30…45HRC
Молибденовые стали 25ХГМ; 25ХГНМ Безмолибденовые стали 25ХГТ; 30ХГТ; 35Х и др.	Нитроцементация и закалка	56…60HRC	30…45HRC
Примечание. В обозначениях сталей первые цифры – содержание углерода в сотых долях процента; буквы – легирующие элементы: Г – марганец, М – молибден, Н – никель,               С – кремний, Т – титан, Х – хром, Ю – алюминий; цифры после буквы – процент содержания этого элемента, если оно превышает 1%. Обозначение высококачественных легированных сталей дополняется буквой А.

 

При выборе вида термической обработки следует руководствоваться следующим:

1. Объемная закалка не сохраняет вязкую сердцевину при высокой твердости зубьев, что приводит к понижению изгибной прочности зубьев при ударных нагрузках (материал приобретает хрупкость).

2. Поверхностная закалка ТВЧ применима для сравнительно крупных зубьев передачи (m > 3 мм.). При малых модулях опасно прокаливание зуба насквозь, что делает зуб хрупким и сопровождается его короблением.

3. Цементация – поверхностное насыщение углеродом с последующей закалкой, обеспечивает высокую контактную и изгибную прочности. Легированные стали дают повышенную прочность сердцевины и этим предохраняют продавливание хрупкого поверхностного слоя при перегрузках. Глубина цементации около 0,1…0,15 от толщины зуба.

4. Азотирование (насыщение азотом) обеспечивает не меньшую твердость, чем при цементации, но вследствие тонкого упрочненного слоя (около 0,1…0,6 мм.) зубья имеют значительно меньшее сопротивление перегрузкам.

5. Нитроцементация – насыщение поверхностных слоев зуба углеродом и азотом в газовой среде с последующей закалкой, дает более высокую усталостную прочность, а также меньшие деформации, чем при цементации. Глубина упрочнения около 0,3…0,8 мм.

Если в коробке скоростей используются косозубые передачи, то шестерню такой передачи целесообразно изготавливать более высокой твердости, чем колесо, что позволяет дополнительно повысить нагрузочною способность косозубых передач на 25…30%. При этом в целях унификации материалов рекомендуется сохранять одно и то же сочетание марок сталей шестерни и колеса, а разные механические характеристики поверхностей зубьев можно получать за счет изменения вида термообработки.

Точность изготовления зубчатых передач регламентируется ГОСТ 1643-81, который предусматривает 12 степеней точности. Для каждой степени точности установлены нормы: кинематической точности, плавности работы и пятна контакта зубьев колес.

Стандарт допускает комбинацию степеней точности по отдельным нормам.

Для передач металлорежущих станков основное требование – плавность работы, т.е. бесшумность и отсутствие вибраций. Выбор степени точности по нормам плавности работы производится в зависимости от окружной скорости колеса по рекомендациям табл. 2.29.

Окружную скорость V, м/с, вычисляют по формуле:

 

,

 

где d – делительный диаметр колеса, мм, n – максимальная частота вращения, мин^-1.

Таблица 2.29

Рекомендации применения зубчатых колес по нормам плавности

 

Степень точности по ГОСТ 1643-81	Допустимая окружная скорость V, м/с, колес
	прямозубых	косозубых
4	40	75
5	35	70
6	20	40
7	10	15
8	6	10

 

Ограничения на допустимую окружную скорость зубчатых колес влияют на конструкцию коробок скоростей. Прямозубые колеса позволяется объединять в блоки (по 2,3 колеса) и перемещать их непосредственно вдоль оси вала для ввода в зацепление разных колес с целью получения необходимой частоты вращения шпинделя (рис. 2.29, а, б). Косозубые колеса устанавливаются на валах стационарно, поэтому для включения разных колес и соответственно разных частот вращения используются муфты. Электромагнитные муфты целесообразно использовать на низших частотах вращения валов и зубчатых колес. Зубчатые и профильные муфты рекомендуется применять для высокоскоростных редукторов (рис. 2.29, в).

Перемещения зубчатых колес и муфт вдоль оси вала лучше всего производить с помощью гидроцилиндров. На рис. 2.29 приведены такие схемы. Схема на рис. 2.29, а обеспечивает два положения зубчатого блока, передвигаемого гидроцилиндром, управление которым обеспечивает двухпозиционный распределитель масла золотникового типа. Более сложная схема управления зубчатым блоком на три положения представлена на рис. 2.29, б. В конструкцию гидроцилиндра 1 заложена втулка 2, имеющая возможность перемещаться по штоку 3. Положение элементов гидросистемы, как представлено на рис 2.29, б, соответствует позиции II зубчатого блока. Подача масла осуществляется одновременно в обе полости гидроцилиндра 1. Разность площадей плоскостей цилиндра создает с правой стороны большую силу, которая перемещает втулку 2 в левую сторону до упора. Вилка 4 переключателя зубчатого блока жестко закрепляется на штоке 3, фиксирует среднее положение тройного блока.

а)	б)	в)

Рис. 2.29. Схемы переключения зубчатых колес с помощью гидроцилиндров:

а - двойного блока;   б - тройного блока;   в - зубчатой муфты

 

Включение гидрораспределителя 5 в положение с перекрещивающимися каналами для прохода масла позволит гидроцилиндру 1 сместить втулку 4 влево и вступить в работу зубчатым колесам в позиции I, рис. 2.29, б. Соответственно включение гидрораспределителя в положение с параллельными каналами дает позицию III зубчатых колес. Конструктивное исполнение такого механизма приведено на рис. 2.30. Другие варианты механизмов приведены в работе [11].

Рис. 2.30. Механизм переключения частот вращения:

1 – гидроцилиндр; 2 – поршень-втулка; 3 – шток; 4 – вилка; 5 – конечные выключатели; 6 - фиксатор

Управление зубчатыми муфтами для включения зубчатых колес по рис. 2.29, в аналогично управлению для переключения блоков с прямыми зубьями.

В отличие от прямозубого зацепления в косозубом зубья входят в зацепление не сразу по всей длине, а постепенно, что обеспечивает плавность зацепления и значительное снижение динамических нагрузок и шума при работе передачи. Отмеченное преимущество косозубого зацепления становится особенно значительным в быстроходных передачах, так как динамические нагрузки возрастают пропорционально скорости. Поэтому в современных высокоскоростных приводах главного движения косозубые колеса получили преимущественное распространение, включая и одиночные зубчатые передачи. Однако наличие в зацеплении осевых сил, которые дополнительно нагружают подшипники, является недостатком косозубых колес. Во избежание больших осевых сил в косозубой передаче угол наклона линии зуба ограничивают значениями β = 8…18°, несмотря на то, что с увеличением β возрастает прочность зубьев, плавность работы передачи, её нагрузочная способность. При этом для шестерен рекомендуется принимать направление зуба левое, для колес – правое.

Основными геометрическими параметрами зубчатой пары колес с эвольвентным зацеплением являются: модуль, диаметры и ширина зубчатого венца.

Основной параметр зубчатого колеса – модуль зубьев. Для пары колес, находящихся в зацеплении, модуль должен быть одинаковым. Модули зубьев для цилиндрических и конических передач регламентированы (ГОСТ 9563-80). Значения стандартных модулей от 1 до 14 мм приведены в табл. 2.30.

Таблица 2.30