2. ЗАКРЫТЫЕ ЦИЛИНДРИЧЕСКИЕ ЗУБЧАТЫЕ ПЕРЕДАЧИ.
Зубчатая передача является трехзвенным механизмом – ведущее звено (шестерня, звено меньшего диаметра), ведомое звено (колесо, звено большего диаметра) и неподвижное звено (стойка). На практике приняты все параметры, относящиеся к шестерне обозначать индексом «1», а все параметры, относящиеся к колену индексом «2».
2.1 Выбор материалов зубчатых колес.
Рассмотрим выбор материала зубчатых колес. Зубчатые колеса изготавливают из стали, чугуна и не металлических материалов. Однако в силовых передачах, как правило, чугуны и не металлические материалы не применяют. В дальнейшем, в качестве материалов зубчатых колес будем рекомендовать только стали.
Колеса малоответственных передач в машинах общего назначения, колеса открытых зубчатых передач и колеса, работающих при небольших и средних крутящих моментах (до 200000 Нмм) подвергают объемной закалке с высоким отпуском. У таких передач твердость материала колеса будет НВ2 £ 350. Зубья могут быть нарезаны после термообработки; благодаря этому отпадает необходимость выполнения дорогих доводочных операций. Для предотвращения заедания и лучшей приработки нижний предел твердости шестерни, как показывает практика, должен быть на ∆HB = 30…50 единиц НВ выше верхнего предела твердости колеса т.е.
НВ1 = НВ2 + ∆HB
В табл. №1. приведены механические свойства некоторых марок сталей после объемной закалки в масле. Некоторые рекомендуемые сочетания марок стали для шестерни и колеса при твердости НВ £ 350 приведены в табл. №2.
Табл. № 1
Марка стали |
Температ. отпуска 0С |
Предел прочности sв, Н/мм2 |
Предел текучести sт, Н/мм2 |
Твердость НВ |
Примечан. |
|
35 |
Стали с объемной закалкой |
|
||||
200 300 400 500 600 |
1139 1027 911 799 694 |
970 870 750 560 490 |
335 302 268 235 204 |
|
||
40 |
200 300 400 500 600 |
1410 1224 1054 877 748 |
1250 1110 880 710 530 |
415 360 310 258 220 |
|
|
45 |
200 300 400 500 600 |
1673 1421 1190 969 802 |
1550 1270 1020 820 590 |
492 418 650 285 236 |
|
|
40X
|
200 300 400 500 600 |
1800 1640 1376 1076 860 |
1590 1420 1220 860 740 |
552 498 417 326 265 |
|
|
30XГСА |
225 300 400 500 600 |
1800 1680 1480 1280 1060 |
1610 1520 1340 1160 950 |
545 504 448 388 318 |
|
|
40XНМА |
320 400 480 560 |
1600 1400 1250 1080 |
1450 1280 1130 970 |
485 415 375 320 |
|
|
12XНЗА |
300 400 500 600 |
1260 1180 1000 830 |
-- -- -- -- |
380 345 295 240 |
|
Табл. №2
Марка стали. |
|||
шестерни |
колеса |
шестерни |
колеса |
45 50 55 50Г |
35, 35Л, 40Л 40 45 40, и45, 35Л |
35X, 40X 30XГСА 40X Н
|
50, 55, 40Л 35X, 40X 35X, 40X |
Колеса ответственных передач в транспортных машинах, как правило, при Т2 > 200000 Нмм, должны иметь твердость зубьев НВ1 = НВ2 > 350 и более вязкую сердцевину. Различная твердость в одном объеме металла получают, путем поверхностной закалки токами высокой частоты (ТВЦ) или химико – термической обработкой (цементация, азотирование и т.п.).
Наиболее производительна закалка ТВЧ по контуру зубъев колес из сталей с содержанием углерода 0,3…0,5%. Это стали 40Х, 35XM, 40XH. Толщина закаленного слоя при этом 3…4 мм и твердость поверхности 45…55 HRC.
Закалку ТВЧ по технологическим причинам применяют для обработки зубьев с модулем m ³ 5 мм. Мелкомодульные колеса изготавливают из малоуглеродистых сталей (0,12…0,3 % С) с последующей цементацией поверхностных слоев зубьев и закалкой. Глубина цементируемого слоя не превышает 2 мм, твердостью поверхности зубьев 50…60 НКС. Это стали 20X, 18XГТ, 12XHЗА и др.
Выбор термической или химико-термической обработки материалов колес может быть скорректирован после прочностного расчета и определения модуля зацепления. Некоторые рекомендуемые сочетания марок сталей для шестерни и колеса при НВ > 350 приведены в табл. 3.
Табл. № 3
Марка стали. |
|
шестерни |
колеса |
45, 50 55, 55Г 35X, 40Г 40XH 15X, 20X |
40 40, 50 50, 55 35X, 40X 15X, 20X |
В табл. 4 приведены механические свойства некоторых марок сталей, полученные поверхностным термическим и химико-термическим упрочнением. Причем НРС указывает на поверхностную твердость сталей, а σв , σТ и НВ - это характеристики сердцевины.
Табл. 4
Марка стали |
Предел прочности, Н/мм2 |
Предел текучести, Н/мм2 |
Твердость НВ |
Твердость HRC |
Стали с цементацией
20X |
650 |
400 |
192 |
56-62 |
20ХГ |
800 |
600 |
242 |
56-62 |
18ХГТ |
1000 |
600 |
303 |
56-63 |
12ХНЗА |
1000 |
600 |
303 |
56-63 |
2оХГНМ |
1000 |
800 |
303 |
56-63 |
20ХНМ |
1000 |
800 |
303 |
56-63 |
Стали с поверхностной закалкой ТВЧ |
||||
40Х |
900 |
750 |
273 |
42-50 |
35ХМ |
920 |
750 |
280 |
50-56 |
40ХН |
920 |
750 |
280 |
50-56 |
Закалка колес после цементации приводит к короблению зубьев, поэтому необходимо дополнительные доводочные операции (шлифование, полировка, обкатка) Другие виды химико-термической обработки (азотирование, нитроцементирование и т.п.) в общем, машиностроение применяются редко.
Первоначально студенту трудно выбрать необходимое сочетание материалов шестерни и колеса, поэтому в табл. 5 приведены примерные рекомендации по выбору твердости материала шестерни в зависимости от передаваемого крутящего момента.
Табл. № 5
Т2, Н. мм. |
НВ1 |
∆HB |
< 25000 |
250…280 |
30…50 |
25000 £ Т2 < 100000 |
280…320 |
30…50 |
10000 £ Т2 < 200000 |
320…350 |
30…50 |
200000 £ Т2 < 500000 |
350…450 |
0 |
Т2 ³ 500000 |
450…600 |
0 |
Примечание: При выборе НВ1 для цилиндрической передачи червячно – цилиндрического редуктора (первая ступень червячная, а вторая ступень цилиндрическая передача) есть особенность. Независимо от велечины Т2 следет брать НВ1 = 250…300, т.к. существует опасность «налезания» колеса червячной передачи на вал колеса цилиндрической передачи.
Поясним вышеизложенное на примере.
Т2 = 470400 Н.мм. По табл. 5 требуемая твердость НВ1 = 350…450 по табл. 3 возможное сочетание материалов шестерня – сталь 40 XH, колесо – сталь 40X с поверхностной закалкой ТВЧ до НВ1 = НВ2 = 450 и ∆HB = 0 ( Табл. 4).
Для тихоходных, преимущественно крупногабаритных и открытых зубчатых передач в качестве материала для зубчатых колес возможно применение чугуна различных марок.
В табл. 6 приведены механические свойства некоторых марок чугуна, применяемого для изготовления зубчатых колес.
Табл. 6
Род |
Марка |
Предел прочности |
Твердость |
|
чугуна |
чугуна |
при изгибе σвм |
НВ |
С1 |
|
|
Н/мм2 |
|
|
Серый |
СЧ16-32 |
320 |
160 |
15 |
|
СЧЛ4-44 |
440 |
170...190 |
|
Модифици- |
СЧ32-О2 |
520 |
170... 241 |
18 |
рованный |
СЧЗо-56 |
560 |
197...248 |
|