- •Детали машин и основы конструирования. Передачи
- •Основные понятия
- •1. Механические передачи. Общие сведения
- •Понижение (или повышение) частоты вращения от вала двигателя к валу исполнительного элемента.
- •3. Регулирование частоты вращения ведомого вала.
- •Распределение энергии двигателя между несколькими исполнительными элементами машины. Классификация передач
- •1.1. Основные характеристики передач
- •Мощность на входе и выходе передачи
- •3. Частота вращения входного и выходного звеньев
- •4. Коэффициент полезного действия
- •Краткие сведения о контактных напряжениях
- •2. Планетарные передачи
- •2.1. Общие сведения
- •2.2. Передаточное отношение
- •2.3. Вращающие моменты на основных звеньях
- •2.4. Силы в зацеплении
- •2.5. Особенности расчета планетарных передач
- •2.6. Расчет планетарных передач на прочность
- •3. Волновые передачи
- •3.1. Общие сведения
- •3.2. Принцип работы волновой зубчатой передачи
- •3.3. Передаточное отношение зубчатой волновой передачи
- •3.4. Связь радиальной деформации с передаточным отношением
- •3.5. Характер и причины отказов деталей волновых передач
- •3.6. Материалы колес передачи
- •3.7. Расчет передачи
- •4. Зубчатые передачи
- •Точность зубчатых передач
- •Расчет закрытых зубчатых передач
- •4.1. Выбор материалов зубчатых колес
- •4.2. Выбор допускаемых напряжений
- •4.3. Расчет цилиндрических зубчатых передач
- •Проектный расчет на контактную выносливость
- •Проверочный расчет на контактную прочность при перегрузках
- •Проектный расчет на выносливость зубьев при изгибе
- •Силы, действующие в зацеплении передач
- •Проверочный расчет зубьев на выносливость при изгибе
- •Проверочный расчет на прочность по напряжениям изгиба при перегрузках
- •4.4. Расчет конических передач
- •Проектный и проверочный расчеты конических передач на контактную выносливость
- •Проектный расчет конических зубчатых передач на выносливость зубьев по напряжениям изгиба
- •Проверочный расчет конических зубчатых передач на выносливость по напряжениям изгиба
- •Силы, действующие в зацеплении конических зубчатых передач
- •4.5. Расчет открытых цилиндрических зубчатых передач
- •Конструкция открытых цилиндрических зубчатых колес
- •5 Рис.3. Параметры червяка . Червячные передачи
- •5.1. Общие сведения
- •5.2. Расчёт червячных цилиндрических передач
- •Выбор кинематической схемы червячного редуктора
- •Допускаемые напряжения Допускаемые контактные напряжения
- •Допускаемые напряжения изгиба
- •Выбор коэффициента диаметра червяка
- •Определение межосевого расстояния
- •Определение модуля зацепления
- •Определение коэффициента смещения инструмента
- •Определение действительной скорости скольжения
- •Определение коэффициента полезного действия червячной передачи
- •Проверочные расчёты червячной передачи Проверка на контактную прочность
- •Проверка на изгибную прочность
- •Определение основных геометрических параметров червячной передачи
- •Основные размеры венца червячного колеса определяются по формулам:
- •Определение сил в зацеплении
- •Тепловой расчёт червячной передачи
- •6. Ременные передачи
- •6.1. Общие сведения
- •6.2. Основные геометрические параметры
- •6.3. Силовые соотношения в передаче
- •6.4. Напряжения в ремне
- •6.5. Скольжение ремня по шкивам. Передаточное число
- •6.6. Передаточное отношение
- •6.7. Критерии работоспособности и расчета ременной передачи
- •6.8. Потери в передаче и кпд. Долговечность ремня
- •6.9. Расчет клиноременных передач
- •Конструкции шкивов ременных передач
- •6.10. Передачи зубчатым ремнем
- •7. Цепные передачи
- •7.1. Общие сведения
- •Классификация цепных передач осуществляется по следующим основным признакам:
- •Приводные цепи
- •Особенности работы цепных передач
- •Переменность мгновенного значения передаточного отношения
- •Удары звеньев о зубья звездочек при входе в зацепление
- •Поворот звеньев под нагрузкой
- •Звездочки
- •Характер и причины отказов цепных передач
- •7.2. Расчет цепных передач
- •7.3. Конструирование звездочек цепных передач
- •8. Передачи винт-гайка скольжения
- •8.1. Общие сведения о передачах винт-гайка
- •8.2. Передачи скольжения
- •Расчет передачи винт-гайка скольжения
- •8.3. Передачи винт-гайка качения
- •9. Фрикционные передачи
- •Библиографический список
- •Оглавление
- •Детали машин и основы конструирования. Передачи
4.1. Выбор материалов зубчатых колес
Основным материалом для изготовления зубчатых колес силовых передач служат легированные или углеродистые стали. Материал и технологию термообработки (ТО) стали назначают в зависимости от условий работы передачи и размеров колес.
Нагрузка, допускаемая по контактной прочности зубьев, определяется, в основном, твердостью материала.
Наибольшую твердость (следовательно, наименьшие габаритные размеры и массу передачи) можно получить при изготовлении зубчатых колес из сталей, подвергнутых термической и химико-термической обработке. В зависимости от твердости рабочих поверхностей зубьев после термической обработки зубчатые колеса можно условно разделить на две группы: одна с твердостью не более 350 НВ – нормализованные или улучшенные; другая с твердостью более 350 НВ (более 45 HRCэ) – закаленные, цементированные, нитроцементованные, азотированные.
При твердости материала не более 350 НВ чистовое нарезание зубьев производят после окончательной термической обработки заготовки. Поверхности нормализованных и улучшенных зубьев хорошо прирабатываются, и погрешности, допущенные при нарезании зубьев и сборке передачи, частично устраняются. Но улучшенные и нормализованные зубчатые колеса имеют сравнительно невысокую прочность, вследствие чего передачи с такими колесами получаются относительно больших размеров. Поэтому эти способы упрочнения зубьев используют в передачах, масса и габаритные размеры которых строго не ограничены.
Для малонагруженных передач находят применение стальное литье и чугун. В некоторых передачах используют пластмассовые зубчатые колеса.
В табл. 4.1 приведены усредненные значения механических характеристик и виды термообработки некоторых распространенных марок конструкционных сталей (углеродистых качественных – ГОСТ 1050-88 и легированных – ГОСТ 4543-71), используемых для изготовления зубчатых колес. Следует обратить внимание на то, что механические характеристики сталей зависят не только от химического состава и вида термообработки, но и от размеров характерного сечения заготовок.
Подвергая сталь одной и той же марки различной термической обработке, можно получить различные её механические свойства, поэтому с целью сокращения номенклатуры материалов для шестерни и колеса передачи обычно применяют одну и ту же сталь разной термической обработки, при этом следует учитывать, что в правильно спроектированной зубчатой паре соотношение твердостей активных поверхностей зубьев шестерни и колеса не может быть выбрано произвольно – при Н ≤ 350 НВ твердость шестерни назначается больше твердости колеса, причем разность средних твердостей рабочих поверхностей зубьев составляет (20–50)НВ. Рекомендуется использование следующих сочетаний:
I – стали, одинаковые для колес и шестерни, марок: 45, 40Х, 40ХН, 35ХМ, 45ХЦ. ТО колеса – улучшение, твердость 235..262 НВ. Термическая обработка шестерни – улучшение, 269…302 НВ;
II – стали, одинаковые для колес и шестерни, марок: 40Х, 40ХН, 35ХМ, 45ХЦ. ТО колеса – улучшение, 235..262 НВ. Термическая обработка шестерни – улучшение и закалка с нагревом ТВЧ, 45…56 HRCэ;
III – стали, одинаковые для колес и шестерни, марок: 40Х, 40ХН, 35ХМ, 45ХЦ. Термическая обработка колеса и шестерни – улучшение и закалка с нагревом ТВЧ, 45…56 HRCэ;
IV – стали, одинаковые для колес и шестерни, марок: 20Х, 20ХН2М, 18ХГТ, 12ХН3А, 25ХГМ. Термическая обработка колеса и шестерни одинаковые – улучшение, цементация и закалка, 56…63 HRCэ.
Зубья колес при НВ > 350 нарезают до термообработки, а доводочные операции (шлифование, хонингование) выполняют после термообработки с целью устранения коробления (деформации) зубьев.
Таблица 4.1
Механические характеристики сталей марок, наиболее часто используемых для изготовления зубчатых колес
Червяк, вал-шестерня Колесо D = da + 6 мм D = dae + 6 мм S = c или S = δ
|
|||||||||||
Марка стали |
Диаметр D, мм |
Ширина S, мм |
Твердость |
Предел |
Термическая обработка |
||||||
сердце- вины (НВ) |
поверх- ности (HRCэ) |
прочности σв |
текучес ти σТ |
||||||||
МПа |
|||||||||||
Поковка или штамповка |
|||||||||||
35 45 45 45 40Х 40Х 40Х
35ХМ 35ХМ 35ХМ
40ХН 40ХН 40ХН
50ХН 20ХН2М
18ХГТ 12ХН3А 25ХГМ 40ХН2МА |
Любой « 125 80 200 125 125
315 200 200
315 200 200
200 200
200 200 200 125 |
Любая « 80 50 125 80 80
200 125 125
200 125 125
125 125
125 125 125 80 |
163…192 179…207 235…262 269…302 235…262 269…302 269…302
235…262 269…302 269…302
235…262 269…302 269…302
269…302 300…400
300…400 300…400 300…400 269…302 |
– – – – – – 45…50
– – 48…53
– – 48…53
50…56 56…63
56…63 56…63 56…63 50…56 |
550 600 780 890 790 900 900
800 920 920
800 920 920
1100 1000
1000 1000 1000 980 |
270 320 540 650 640 750 750
670 790 790
630 750 750
900 800
800 800 800 780 |
Нормализация « Улучшение « « « Улучшение + закалка при нагреве ТВЧ Улучшение « Улучшение + закалка при нагреве ТВЧ Улучшение « Улучшение + закалка при нагреве ТВЧ « Улучшение + цементация + закалка То же « « Улучшение + азотирование |
||||
Стальная отливка |
|||||||||||
35Л 45Л 50ГЛ |
Любой 315 315 |
Любая 200 200 |
163…207 207…235 235…262 |
– – – |
550 680 850 |
270 440 600 |
Нормализация Улучшение « |
||||
Примечание: при сплошных дисках колес S = b2. |
Применяемые способы упрочнения:
1) нормализация характеризуется низкой нагрузочной способностью, но хорошей прирабатываемостью зубьев колес и сохранением во времени точности, полученной при механической обработке. Стали – 35, 45, 35Л;
2) улучшение характеризуется теми же свойствами, что и при нормализации, но большей трудностью при нарезании зубьев из-за их большей твердости. Стали – 45, 40Х, 35ХМ, 40ХН, 45Л, 40ГЛ;
3) закалка токами высокой частоты (ТВЧ) характеризуется средней нагрузочной способностью при использовании достаточно простой технологии и плохой прирабатываемостью зубьев передачи из-за их повышенной твердости. Следует иметь в виду, что при модулях m ≤ (3..5) мм зуб прокаливается насквозь, что делает его хрупким. Для закалки таких зубчатых колес можно применять ТВЧ с самоотпуском. Например, для зубчатых колес коробок передач с модулем 3 мм, изготовленных из стали 40Х, рекомендуется нагрев со скоростью 30 оС в секунду в индукторе шинного типа с последующей закалкой в масле. Закалка колес с модулем m ≤ 3 затруднена. Следует также иметь в виду, что использование шестерни, закаленной при нагреве ТВЧ, и улучшенного колеса дает большую нагрузочную способность, чем улучшенная пара с той же твердостью колеса. Такая пара хорошо прирабатывается, и её применение предпочтительно, если нельзя обеспечить высокую твердость зубьев колеса. Используемые стали – 35ХМ, 40ХН, 50ХН, применение углеродистых сталей типа 45 недопустимо;
4) пламенная закалка – 35ХМ, 40ХН;
5) объемная закалка – 45, 40Х, 35ХМ, 40ХН;
6) цементация (насыщение поверхностных слоев колес углеродом) – с последующей закалкой повышает твердость рабочих поверхностей зубьев до HRCэ 58…63, при глубине цементованного слоя не более 2 мм. Процесс выполнения цементации занимает много времени и дорог. Стали – 20ХН2М, 18ХГТ, 12ХН3А;
7) газовая нитроцементация – 25ХГМ;
8) азотирование (мягкое) (насыщение поверхностных слоев колес азотом) обеспечивает твердость такую же, как и при цементации, но из-за небольшой толщины твердого слоя (0,1…0,6 мм) зубья становятся чувствительными к перегрузкам и непригодными в условиях абразивного изнашивания. Степень коробления при азотировании очень мала, поэтому такую термообработку целесообразно применять, когда трудно выполнить шлифование зубьев. Стали – 40Н2МА, 38ХМЮА или ее заменители 38ХВЮА, 38ХЮА.
При проектировании передачи следует учитывать, что чем выше твердость рабочей поверхности зубьев, тем выше допускаемые напряжения и тем меньше размеры передачи.
Заготовки для колес получают ковкой, штамповкой и литьем. Стальное литье обладает пониженной прочностью, поэтому его используют обычно для колес больших размеров, работающих в паре с кованой шестерней.