4. Зубчасті передачі: види руйнування зубів

Умови роботи зуба в зачепленні. При передачі крутного моменту (рисунок 4.1) у зачепленні крім нормальної сили F_n діє сила тертя F_тр=F_nf, зв'язана з ковзанням. Під дією цих сил зуб перебуває в складному напруженому стані, (рисунок 4.2).

Вирішальний вплив на його працездатність надають два основних напруження: контактні напруження σ_н і напруження згинання σ_F .

Для кожного зуба σ_н і σ_F не є постійно діючими. Вони змінюються в часі по деякому переривчастому віднулевому циклу (див. рисунок 4.1). Час дії σ_F за один оберт колеса (t₁) дорівнює тривалості зачеплення одного зуба (t₂). Напруження σ_н діють ще менший час. Цей час дорівнює тривалості перебування в зачепленні даної точки поверхні зуба з урахуванням зони поширення контактних напружень.

Перемінні напруження є причиною руйнування від втомленості зубів: поломка зубів від напруження згинання і викришування поверхні від контактних напружень. З контактними напруженнями і тертям у зачепленні зв'язані також знос, заїдання й інші види ушкодження поверхонь зубів.

Ломання зубів (рисунок 4.3). Ломання зв'язане з напруженнями згинання. На практиці спостерігається виломлювання кутів зубів унаслідок концентрації навантаження. Розрізняють два види ломання зубів: ломання від великих перевантажень ударної чи навіть статичної дії (попереджають захистом привода від перевантажень чи обліком перевантажень при розрахунку); ломання від втомленості, що відбувається від дії перемінних напружень протягом порівняно тривалого терміну служби (попереджають визначенням розмірів з розрахунку на утому). Особливе значення мають заходи по усуненню концентраторів напружень (рисок від обробки, раковин і тріщин у виливках, мікротріщин від термообробки і т.п.). Загальні міри попередження ломання зубів - збільшення модуля, позитивне зміщення при нарізанні зубів, термообробка, наклеп, зменшення концентрації навантаження по краях (тверді вали, зуби зі зрізаними кутами, бочкообразні зуби.

Ушкодження поверхні зубів. Усі види ушкодження поверхні зубів (рисунок 4.4) зв'язані з контактними напруженнями і тертям.

В икрашування від втомленості від контактних напружень (рисунок 4.4, а) є основним видом руйнування поверхні зубів при гарному змащенні передачі (найчастіше це бувають закриті, порівняно швидкохідні передачі, захищені від пилу і бруду). Зуби таких передач розділені тонким шаром мастила, що усуває металевий контакт. При цьому знос зубів малий. Передача працює тривалий час до появи утоми в поверхніх шарах зубів. На поверхні з'являються невеликі поглиблення, що нагадують віспинки, які ростуть і перетворюються в раковини. Викришування починається звичайно поблизу полюсної лінії на ніжках зубів там, де навантаження передає однією парою зубів, а ковзання і перекочування зубів направлені так, що мастило запресовується в тріщини і сприяє викришуванню часток металу. При викришуванні порушуються умови утворення суцільної масляної плівки, з'являється металевий контакт із наступним швидким зносом чи задиром поверхні. Утворення перших раковин від втомленості не завжди служить ознакою близького повного руйнування зубів. У передачах, зуби яких мають невисоку твердість (НВ<350), спостерігаються випадки так названого обмеженого чи початкового викришування. Початкове викришування зв'язане з прироблянням зубів недостатньо точно виготовлених передач. Воно з'являється в місцях концентрації навантаження після нетривалої роботи і потім припиняється. При цьому раковини, що утворилися, не розвиваються і навіть зовсім зникають унаслідок згладжування. Припинення подальшого викришування в цьому випадку пояснюється тим, що руйнування місць концентрації навантаження вирівнює її розподіл по поверхні зуба. При високій твердості зубів (НВ>350) явище обмеженого викрашування звичайно не спостерігається. Раковини, що утворилися, швидко зростають унаслідок крихкого руйнування їхніх країв.

У передачах, що працюють зі значним зносом, викришування не спостерігається, тому що поверхневі шари знімаються раніш, ніж з'являються тріщини утоми.

Основні заходи попередження викришування: визначення розмірів з розрахунку на утому по контактних напруженнях; підвищення твердості матеріалу шляхом термообробки; підвищення ступеня точності й особливо за нормою контакту зубів.

Абразивний знос (рисунок 4.4, б) є основною причиною виходу з ладу передач при збідненому змащенні. До таких передач відносяться насамперед відкриті передачі, а також закриті, але недостатньо захищені від забруднення абразивними частками (пил, продукти зносу і т.п.). Такі передачі можна зустріти в сільськогосподарських і транспортних машинах, гірничорудному устаткуванні, вантажопідйомних машинах і т.п. У зношеної передачі збільшуються зазори в зачепленні, з'являється шум, зростають динамічні навантаження. У той же час міцність зношеного зуба знижується внаслідок зменшення площі його поперечного переріза. Усе це може призвести до поломки зубів, якщо зубчасті колеса вчасно не забракувати.

Розрахунок на знос утруднений тим, що інтенсивність зносу залежить від багатьох випадкових факторів і, у першу чергу, від інтенсивності забруднення змащення.

Основні заходи попередження зносу – підвищення твердості поверхні зубів, захист від забруднення, застосування спеціальних мастил.

Заїдання (рисунок 4.4, б) спостерігається переважно у високонавантажених і високошвидкісних передачах. У місці стикання зубів цих передач розвивається висока температура, що сприяє розриву масляної плівки й утворенню металевого контакту. Тут відбувається як би зварювання часток металу з наступним відривом їх від менш міцної поверхні. Нарости, що утворилися, задирають робочі поверхні зубів у напрямку ковзання. Кромочний удар (див. нижче) сприяє заїданню.

Заходи попередження заїдання – ті ж, що і проти зносу. Бажане фланкування зубів і інтенсивне охолодження змащення. Ефективне застосування протизадирних мастил з підвищеною в'язкістю і хімічно активними добавками. Правильним вибором сорту мастила можна підняти навантаження, що допускається по заїданню, над навантаженнями, які допускаються за іншими критеріями.

Пластичні зсуви спостерігаються у важко навантажених тихохідних зубчастих колес, виконаних з м'якої сталі. При перевантаженнях на м'якій поверхні зубів з'являються пластичні деформації з наступним зсувом у напрямку ковзання. У результаті у полюсної лінії зубів веденого колеса утвориться хребет, а у ведучого – відповідна канавка.