Механические характеристики и испытания материала
При проверке прочности и проектировочных расчетов необходимо знать основные механические свойства материала:
- прочность;
- упругость;
- твердость;
- пластичность.
Механическое свойство определяется с помощью различных механических испытаний, которым подвергаются различные образцы материала. Различают испытания на:
- растяжение;
- сжатие;
- изгиб;
- сдвиг;
- кручение.
Механические испытания проводятся в лаборатории с помощью специальных машин, приборов и приспособлений. Большинство механических характеристик прямо или косвенно можно поделить при испытании на растяжение, которое проводится согласно стандарту. Они проводятся на образце из данного материала в соответствии с установленными нормами.
Образец имеет рабочую часть длиной l и головки, предназначенной для закрепления в захват испытаний машины. Удлинение определяется на начальной расчетной длине образца l0. Чаще всего применяются цилиндрические образцы и соблюдается соотношение расчетной длины к начальному диаметру:
l0/d0=10,
реже эту величину выбирают равной 5. При испытании на растяжение получают зависимые удлинения ∆l от нагрузки P в виде диаграммы растяжения:
Диаграмма имеет ряд характерных точек. На участке OA диаграмма прямолинейна, растяжение происходит с соблюдением закона Гука. При дальнейшем увеличении нагрузки прямая пропорция между P и ∆l нарушается, но образец сохраняет упругие свойства вплоть до точки C. Начиная с точки C, удлинение образца происходит без увеличения внешней нагрузки. Образец, как говорят, «течет». Этот процесс длится до точки Д. Во время течения образца происходит перестройка кристаллических решеток материала, и он становится более прочным. Участок СД называется площадкой текучести. При дальнейшем увеличении нагрузки прямолинейность нарушается и на этом участке закон Гука не соблюдается. При достижении на диаграмме точки В на образце образуется «шейка» - местное уменьшение сечения. «Шейка» быстро развивается , нагрузка уменьшается и в точке Е наступает разрыв образца.
Испытания на долговечность зубчатых колес.
К основным видам разрушений зубчатых колес относятся:
- усталостный износ зубьев, чаще всего, у ножки (основания);
- усталостное выкрашивание рабочей поверхности зуба;
- изнашивание различных видов.
Испытания на изнашивание и старение необходимо определить для определения усталостной долговечности (испытания на усталостный изгиб, испытания на контактную выносливость рабочих поверхностей).
Усталостные испытания зубьев на изгиб позволяют оценить влияние вида материала обработки и упрочнения поверхности на предел выносливости и долговечности зубчатых колес. Эти испытания позволяют выявить влияние конструктивных решений деталей на прочность и долговечность и обнаружить причины преждевременной поломки.
При работе зубчатых зацеплений в реальных условиях эксплуатации прилагаемая к зубьям нагрузка изменяется по определенной закономерности от 0 до max. Поэтому испытание необходимо выполнять на машинах пульсаторного типа с небольшим коэффициентом ассиметрии. Базовое число цикла нагружения обычно принимают N=107 цикла с тем, что в реальных условиях работа зацепления число циклов нагружения обычно превосходит эту цифру.
Признаком наступления разрушения (излома зуба) служит образование трещины в испытуемом зубе. Момент появления трещины и скорость ее распространения зависит от многих причин.
Весьма часто за критерий разрушения при испытании зубьев на изгиб принимают число циклов до появления трещины.
Рассмотрим некоторые распространенные схемы испытаний:
При испытании венцов зубчатых колес, когда опасным сечением является сечение во впадине, нагружение производится по схеме:
Из испытуемого колеса вырезается сектор. Пульсирующая нагрузка прикладывается в радиальном направлении.
В случае тангенциального приложения циклической нагрузке P, когда производят испытания на выносливость зуба, схема бывает более сложной. Разрушение зуба начинается у ножки зуба с растягиваемой стороны, что имеет место в период эксплуатации. Колеса и испытуемое устройство устанавливается целиком или из него вырезается сектор. Испытание на выносливость с помощью пульсаторов N=(5-10)*107 требует много времени.
Для повышения производительности испытуемых работ созданы быстродействующие стенды. Установка состоит из испытательной машины, измерительных устройств, градуировочного приспособления.
Основным узлом данной машины является нагружатель инерционного типа, имитирующий реальные условия зацепления зубчатой пары колесо-рейка. На машине установлено 4 нагружателя, что позволяет испытать сразу восемь колес.
Нагружение осуществляется Т-образным рычагом, имеющим определенные насадки для нагрузок. Скорость вращения вала данной машины равна 3000 об/мин, возникающая при вращении центробежная сила, которая передается на зуб испытуемого колеса.
Измерения напряжения в зубе производится с помощью тензодатчиков, наклеиваемых на зубья нагружателя или испытуемого колеса. В качестве регистрирующего устройства используются асцелографы.
Многочисленные испытания показали, что поломка зуба начинается на стороне растяжения в опасном сечении АВ:
.
От этого зависит ряд факторов: поверхностная обработка, термообработка, профиль зуба, вид материала, различные виды нагружения и т.д.
Эти зависимости используются в дальнейшем при расчетах на прочность и долговечность.
Важной характеристикой прочности зубчатых колес является контактная выносливость. Недостаточная контактная выносливость приводит к отслаиванию поверхностного слоя зубьев и быстрому выходу его из строя. Контактная выносливость зависит от радиусов кривизны, сопрягаемых поверхностей и придинамических характеристик работы зацепления. Испытания на контактную выносливость проводят на образцах, роликах или непосредственно на зубчатых колесах.