При выборе материалов необходимо обеспечивать прочность зубьев на изгиб, стойкость поверхностных слоев зубьев (контактная прочность) и сопротивление заеданиям. Несущая способность по контактной прочности пропорциональна квадрату твердости зубьев, поэтому для повышения несущей способности передачи и уменьшения габаритов целесообразно применять стали, закаливаемых до значительной твердости. Однако высокая твердость снижает сопротивление изгибу, поэтому вместо объемной закалки (где закаливается весь объем материала зубчатого колеса) применяют поверхностную термическую и химико-термическую обработку (поверхностная закалка ТВЧ, цементация, азотирование и др.), которые придают высокую твердость поверхности зубьев (для высокой контактной прочности) и сохраняют вязкую сердцевину (для высокой изгибной прочности).
Когда шестерня передается на прессу и помещается на матрицу для тушения, она удерживается с помощью инструмента, разработанного специально для закалки шестерни. Поток масла становится критическим для успеха операции прессования, чтобы свести к минимуму любые искажения. Поток масла поступает из масляного резервуара через камеры или отверстия в нижней части пресс-формы, затем циркулирует вверх и вокруг стола к кольцам потока масла на основе нижней матрицы. Поток масла можно контролировать посредством манипуляции кольцами масла, которые расположены под опорными кольцами.
При изготовлении стальных зубчатых колес применяют следующие виды термической обработки:
· Нормализация
позволяет получить твердость 180…220 …
HB, поэтому нагрузочная способность относительно невелика, но при этом зубья колес хорошо прирабатываются и сохраняют точность, полученную при механической обработке. Нормализованные колеса обычно используют во вспомогательных механизмах, например, в механизмах ручного управления.
Масляный поток может быть ограничен или широко открыт в зависимости от того, какая передача закаливается. Этот поток регулируется клапанами с таймером. Внутренняя сила цилиндра прикладывается к ободу шестерни для обеспечения равномерности, в то время как внешний цилиндр может использоваться для придания давления к поверхности ступицы или для приложения давления для расширения расширительной оправки при попытке управления сплайном или отверстием проклейки.
Независимо от того, используется ли вилка или расширитель в отверстии, зависит от того, что пытается выполнить. Расширитель используется, когда теплоотвод пытается расширить инструмент, чтобы он соответствовал диаметру отверстия до фактического гашения детали. Цель состоит в том, чтобы свести к минимуму любые «вне круглые» условия, которые могут возникнуть. Механизмы большего диаметра отверстия с толщиной тонких стенок являются первыми кандидатами на использование расширителя для предотвращения любых условий округления.
Применяемые стали: 40, 45, 50 и др. Для повышения стойкости против заедания шестерни и колеса следует изготавливать из разных материалов.
· Улучшение позволяет получить твердость поверхности и сердцевины 200…240 HB (для небольших шестерен 280…320 HB), нагрузочная способность несколько выше, чем при нормализации, но зубья колес прирабатываются хуже. Обычно улучшенные колеса применяют в условиях мелкосерийного и единичного производства при отсутствии жестких требований к габаритам.
Штепсель используется для измерения размера отверстия. Пробка заземлена до размера, близкого к диаметру отверстия. Теплоотвод пытается обеспечить охлаждение или равномерное сжатие отверстия до определенного размера. Процесс окончательной шлифовки отверстия обычно выполняется после тушения закачки.
Основное внимание на гашение редуктора не должно быть связано с использованием инструмента. Было сказано, что лучшая передача начинается с заготовки шестерни. Важное значение имеет обращение к операции ковки заготовки. В операции ковки направление картины зерна имеет критическое значение, так что деталь не будет иметь неравномерных остаточных напряжений. Важно, чтобы заготовка также была нормализована или отожжена при температурах, превышающих запланированную температуру науглероживания на 50 градусов по Фаренгейту.
Применяемые стали: 40, 45, 50Г, 35ХГС, 40Х и др.
· Объемная закалка до твердости 45…55 HRC. Закаливается весь объем материала (см. выше). В настоящее время почти не применяется, за исключением ремонтных предприятий, где нет возможности выполнить поверхностную закалку.
Применяемые стали: 40Х, в более ответственных случаях – 40ХН и др.
Также важно обеспечить, чтобы время цикла при температуре удерживалось в течение достаточного времени. Недостаточное время или температура во время нормализации или отжига приведет к большему искажению, присутствующему во время последующих этапов термообработки. Часто рекомендуется выполнять подкритическую операцию снятия напряжения после грубой обработки заготовки зубчатого зацепления, чтобы минимизировать искажения в процессе окончательной термообработки. Хотя он не считается абсолютно необходимым, он помогает уменьшить искажения и улучшить конечное качество детали.
· Поверхностная закалка с нагревом токами высокой частоты (ТВЧ) до твердости 50…55 HRC при глубине упрочненного слоя до 3…4 мм – дает среднюю нагрузочную способность при достаточно простой технологии упрочнения. Оптимальная глубина прокалки 0,5…1 мм. Закалке ТВЧ обычно предшествует улучшение, поэтому механические свойства сердцевины – как при улучшении.
Еще одна проблема, возникающая при затвердевании зубчатых колес, заключается в сужении диаметра отверстия по длине отверстия. Это возникает из-за изменений сечения, присутствующих в некоторых передачах вдоль их оси. Использование расширителя и использование различных давлений на внутреннем цилиндре приведет к минимизации сужения. Конусность не может быть устранена в некоторых конструкциях редуктора, но ее можно свести к минимуму.
При проектировании редукторов, где запланировано закалочное прессование, рекомендуется использовать средство тепловой обработки на этапе проектирования, чтобы понять, как это повлияет на конечный продукт. Пресс-тушение - это не самый дешевый процесс упрочнения, но это конкурентный процесс среди современных процессов затвердевания. Во многих случаях прессование является единственным вариантом, поскольку искажение от обычных процессов цементации и закалки может быть слишком чрезмерным на некоторых чувствительных геометриях зубчатых колес.
Изгибная прочность по сравнению с объемной закалкой выше в 1,5-2 раза. Из-за повышенной твердости зубьев передачи плохо прирабатываются. Размеры зубчатых колес практически неограниченны. Необходимо помнить, что при модулях менее 3…5 мм, зуб прокаливается насквозь, что приводит к значительному их короблению и снижению ударной вязкости.
Многие топливные форсунки в настоящее время науглероживаются с использованием этой технологии. В общем, оборудование состоит из вакуумных камер, способных нагревать детали до температуры цементации и способных впрыскивать небольшие количества углеводородных газов при низком давлении, которые действуют как источник углерода. В дополнение к науглероживающим ячейкам имеются гасящие ячейки, в которых цементированные горячие нагрузки могут быть охлаждены с использованием высоких давлений инертных газов для быстрого охлаждения деталей, позволяющих упрочнять, путем преобразования аустенита в мартенсит в случае и структуры ядра.
Применяемые стали: 40Х, 40ХН, 35ХМ, 35ХГСА.
· Цементация (поверхностное насыщение углеродом) с последующей закалкой ТВЧ и обязательной шлифовкой позволяет получить поверхностную твердость 56…63 HRC при глубине упрочненного слоя 0,5…2 мм. Нагрузочная способность высокая, но технология упрочнения более сложная. Изгибная прочность по сравнению с объемной закалкой выше в 2-2,5 раза.
Газовые тушители оснащены мощными вентиляторами и способны впрыскивать газы, как правило, до 20 бар положительного давления в сочетании с теплообменниками с использованием охлажденной воды для быстрого удаления тепла из гасящих газов. Наиболее распространенными гасящими средами являются газообразный азот высокого давления, и более распространенными науглероживающими газами являются пропан и ацетилен. Однако многие производители печи используют разные газы, а смеси газов в качестве источников углерода и гасят газы.
Углеродистые стали с низкой прокаливаемостью, которые могут быть цементированы и закаленные нефть просто не могут быть упрочнены с помощью газового гашения, потому что они не будут надлежащим образом трансформироваться, поскольку скорости охлаждения слишком медленные. Даже при высоких классах прокаливаемости необходимо учитывать твердость сердечника, так как гашение газа приведет к более низкой твердости сердечника по сравнению с частицами, закаленными маслом.
Широко применяют сталь 20Х, а для ответственных зубчатых колес, особенно работающих с перегрузками и ударными нагрузками, стали 12ХН3А, 20ХНМ, 18ХГТ, 25ХГМ, 15ХФ.
· Азотирование (поверхностное насыщение азотом) обеспечивает высокую твердость и износостойкость поверхностных слоев при глубине упрочненного слоя 0,2…0,5 мм, при этом не требуется последующая закалка и шлифование. Малая толщина упрочненного слоя не позволяет применять азотированные колеса при ударных нагрузках и при работе с интенсивным изнашиванием (при загрязненной смазке, попадании абразива). Длительность процесса азотирования достигает 40-60 часов. Обычно азотирование применяют для колес с внутренним зацеплением и других, шлифование которых затруднено.
Исключая неравномерное охлаждение деталей, связанных с жидкостными тушениями, которые имеют одновременно паровое, кипящее и конвективное охлаждение, и заменяя его газовыми гашениями, которые имеют более низкие скорости охлаждения и более однородны и чисто конвективны, искажение может быть значительно уменьшено поскольку поверхности шестерни более равномерно охлаждаются с более медленными скоростями.
Готовые детали выходят из печи очень чистыми. Порой почти трудно идентифицировать термически обработанные и не подверженные термообработке детали. По этой причине термически обработанные детали слегка обесцвечиваются, используя процесс обесцвечивания для идентификации деталей, подвергнутых термообработке. Для сравнения, обычная науглероживание использует тушение нефти, когда масло будет гореть на поверхности, а готовые детали часто темные, сажатны, и на поверхностях остаются остатки масла.
Применяют молибденовую сталь 38Х2МЮА, но возможно азотирование сталей 40ХФА, 40ХНА, 40Х до меньшей твердости, но большей вязкости.
· Нитроцементация – насыщение поверхностных слоев углеродом и азотом в газовой среде с последующей закалкой обеспечивает высокую контактную прочность, износостойкость и сопротивление заеданиям, обладает достаточно высокой скоростью протекания процесса – около 0,1 мм/час и выше. В связи с малым короблением позволяет во многих случаях обойтись без шлифования. Содержание азота в поверхностном слое позволяет применять менее легированные стали, чем при цементации: 18ХГТ, 25ХГТ, 40Х и др.
Эта более высокая твердость на поверхности перед переходом на сердечник придает более высокие сжимающие напряжения материалу материала поверхности и улучшает усталостные свойства и устойчивость к деформации при высоких одноточечных контактных напряжениях на зубчатых зубьях.
Зачастую в обычной науглероживании зубчатых колес глубина корпуса в корнях зубов может составлять только половину глубины корпуса, присутствующую в месте расположения зубьев среднего шага. Эта более глубокая глубина корпуса, присутствующая в корнях зубьев зубчатых колес, увеличивает срок усталости при условиях изгиба зуба и будет превосходить обычные цементированные детали в этом аспекте.
· Лазерная закалка – обеспечивает высокую твердость до 64 HRC, не требует легирования, позволяет местное упрочнение, не вызывает коробление, хорошо автоматизируется, но процесс очень медленный.
Характеристики механических свойств распространенных сталей, применяемых для изготовления зубчатых колес, после термической или термохимической обработки представлены в табл. 2.2.
Процесс разработки, эксплуатации и технического обслуживания требует более высоких уровней квалификации, чем традиционный науглероживание. Существует также ограничение размеров груза, которое может быть обработано, так как закалка газа требует, чтобы более легкие грузы обрабатывались для их быстрого охлаждения.
Газоитрификация Процесс газового азотирования для упрочнения сплавов из легированных сталей позволяет обрабатывать сложные конфигурации с минимальными искажениями. Этот процесс выполняется при низких докритических температурах и полностью исключает проблемы структурных превращений, связанных с высокотемпературной аустенизацией и тушением стали во время науглероживания. Ранее в этой статье мы подробно описали три причины искажения в науглероживании, которые включали снятие напряжения из ранее существовавших остаточных напряжений, искажение ползучести при высокой температуре и фазовые превращения при гашении.
Получение нужных механических свойств зависит не только от температурного режима термообработки, но и от наибольших размеров сечения заготовки D или толщины колеса (рис. 2.11).
При поверхностной термической обработке зубьев механические характеристики сердцевины зуба зависят от предшествующей операции – улучшения. Исключение составляют зубья с m < 3 мм, подвергаемые закалке ТВЧ: они прокаливаются насквозь, что приводит к значительному их короблению и снижению ударной вязкости.
Поскольку фазовых превращений при низких температурах азотирования нет, искажения от фазовых изменений не происходит. Существует мало озабоченности искажениями из-за высокотемпературной ползучести при низких докритических температурах азотирования. Это оставляет только снятие напряжения остаточных напряжений в качестве возможной причины искажения при азотировании. Азотирование часто выполняется на финишных деталях с небольшим искажением и обычно не требует обработки после термообработки для очистки допусков.
Процесс азотирования в основном состоит в размещении стальных поверхностей при температурах азотирования в контакте с газообразным аммиаком. Аммиак диссоциирует на поверхности стали, обеспечивая атомный азот, который затем может диффундировать в шестерню, реагировать со специфическими легирующими элементами в стали и образовывать нитриды сплава, который создает упрочненный износостойкий корпус под поверхностью шестерни.
Чугунные зубчатые колеса дешевле стальных, их применяют в крупногабаритных открытых передачах. Они имеют малую склонность к заеданию и хорошо работают при бедной смазке, но не выдерживают ударных нагрузок. Применяют серые чугуны СЧ 20…СЧ 35, а также высокопрочные магниевые чугуны с шаровидным графитом.
Колеса из неметаллических материалов имеют небольшую массу, не подвержены коррозии, бесшумны в работе. Но невысокая прочность, большие габариты, склонность к старению ограничивают их применение в силовых передачах. Обычно применяют пластмассовые зубчатые колеса в паре со стальной шестерней в слабонагруженных передачах для обеспечения бесшумности, или самосмазываемости, или химической стойкости. Стальные колеса при этом целесообразно закалить до 45 HRC и отшлифовать. К числу давно применяемых пластмасс относятся текстолит марки ПТ и ПТК и древесно-слоистые пластики ДСП-Г. Наиболее перспективными следует считать капролон, полиформальдегид и фенилон.
Существует много преимуществ процесса газового азотирования. Его цель - изготовить очень прочный, износостойкий корпус с нагрузкой в относительно недорогих легированных сталях. Низкие температуры обработки сохраняют искажения и рост до минимума, и обычно они выполняются на обрабатываемых деталях. Этот процесс очень прост в запуске и имеет меньше переменных для контроля, чем другие процессы упрочнения случаев, рассмотренные ранее. Отсутствие закалки, которое является основным источником изменения результатов науглероживания, отсутствует в азотировании и обеспечивает лучший контроль и большую повторяемость.
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Юго-Западный государственный университет»
Кафедра машиностроительных технологий и оборудования
УТВЕРЖДАЮ
Первый проректор –
проректор по учебной работе
Е.А. Кудряшов
«____» _______________ 2012 г.
РАСЧЕТ ЗУБЧАТЫХ ПЕРЕДАЧ
Нитридный корпус также не размягчается или не закаляется, как цементированные шестерни, которые начинают терять твердость при температурах до 300 градусов по Фаренгейту. Изолированные поверхности могут быть замаскированы из азотирования и оставлены мягкими для удобства обработки, сварки или других целей. Коррозионная стойкость некоторых низколегированных сталей также немного улучшается за счет азотирования.
Некоторые ограничения газового азотирования включают только возможность достижения глубины мелкого корпуса из-за низких температур диффузии. Существуют случайные проблемы с расщеплением случая, когда образуются нитрирующие сети, но это можно свести к минимуму с помощью правильного управления.
Методические указания к выполнению курсового проекта по дисциплине «Детали машин» для студентов специальностей 260601.65, 150202.65, 196601.65, 200503.65 и бакалавров направлений подготовки 150400.62, 150700.62, 190600.62, 200500.62
Составители: А.А. Норовский, И.Н. Путинцева, Р.Е. Абашкин,
Н.Д. Тутов
Рецензент
Кандидат технических наук, доцент Д.В.Пономарев
Расчет зубчатых передач : Методические указания по выполнению курсового проекта детали машин для студентов специальностей 260601.65, 150202.65, 190601.65, 200503.65 и бакалавров направлений подготовки 150400.65, 150700.62, 190600.62, 200500.62 / Юго-Зап. гос. ун-т; сост. А.А. Норовский, И.Н. Путинцева, Р.Е. Абашкин, Н.Д. Тутов. Курск, 2012. 43с.:ил. 2,табл. 11. Библиогр.:с.43.
Излагаются рекомендации по выбору материалов, определению допускаемых напряжений и порядок расчета цилиндрической и конической передач. Приведены примеры расчета закрытой цилиндрической и конической передач, необходимые для расчета справочные данные, а также примеры расчетов на ЭВМ.
Подписано в печать. Формат 60х84 1 / 16 .
Усл. печ. л. . Уч.-изд. л. . Тираж 50 экз. Заказ. Бесплатно.
Юго-Западный государственный университет.
305040, Г. Курск, ул. 50 лет Октября, 94. Оглавление
1. МАТЕРИАЛЫ ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС 3
2. ДОПУСКАЕМЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ ДЛЯ ЗУБЧАТЫХ ПЕРЕДАЧ ПРИ ИХ РАСЧЕТЕ НА ВЫНОСЛИВОСТЬ 5
3. ЗАКРЫТАЯ ЦИЛИНДРИЧЕСКАЯ ПРЯМОЗУБАЯ ПЕРЕДАЧА 7
4. ЗАКРЫТАЯ ЦИЛИНДРИЧЕСКАЯ КОСОЗУБАЯ ПЕРЕДАЧА 12
5. ОСОБЕННОСТИ РАСЧЕТА ЗУБЧАТЫХ ПЕРЕДАЧ СООСНЫХ РЕДУКТОРОВ 15
6. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ДИНАМИЧЕСКОЙ НАГРУЗКИ 17
7. ПРОВЕРОЧНЫЙ РАСЧЕТ ЗУБЬЕВ НА СТАТИЧЕСКУЮ ПРОЧНОСТЬ ПРИ ПЕРЕГРУЗКАХ 19
8. ОСОБЕННОСТИ РАСЧЕТА ОТКРЫТЫХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ПЕРЕДАЧ 19
9. ПРИМЕР РАСЧЕТА ЗАКРЫТОЙ ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ПРЯМОЗУБОЙ ПЕРЕДАЧИ 20
10. ЗАКРЫТАЯ КОНИЧЕСКАЯ ПЕРЕДАЧА С ПРЯМЫМИ ЗУБЬЯМИ 25
11. ЗАКРЫТАЯ КОНИЧЕСКАЯ ПЕРЕДАЧА С КРУГОВЫМИ НОРМАЛЬНО ПОНИЖАЮЩИМИСЯ ЗУБЬЯМИ 28
12. ОСОБЕННОСТИ РАСЧЕТА ОТКРЫТЫХ КОНИЧЕСКИХ ПЕРЕДАЧ 31
13. ПРИМЕР РАСЧЕТА ЗАКРЫТОЙ КОНИЧЕСКОЙ ПРЯМОЗУБОЙ ПЕРЕДАЧИ 32
14. РАСЧЕТ ЗУБЧАТЫХ ПЕРЕДАЧ НА ЭВМ 38
14.1 Расчет цилиндрической открытой передачи 39
14.2. Расчет конической передачи. 40
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 43
1. Материалы зубчатых колес
Основным материалом для изготовления зубчатых колес силовых передач служит термически обработанная сталь.
В табл.1.1 приведены механические характеристики некоторых марок сталей, применяемых для изготовления зубчатых колес.
В зависимости от твердости рабочих поверхностей зубьев после термообработки зубчатые колеса можно условно разделить на две группы:
с твердостью 350НВ – нормализованные, улучшенные;
б) с твердостью 350НВ – закаленные, цементированные, цианированные, азотированные.
Механические свойства материалов шестерни и колеса должны быть взаимно увязаны. Зубья шестерни испытывают за одинаковое время большее число нагружений, чем зубья колеса, поэтому материал шестерни должен иметь более высокий предел выносливости, чем материал колеса. Для зубчатых колес с прямыми зубьями (при твердости 350НВ) среднюю твердость рабочей поверхности зубьев шестерни НВ 1ср для ускорения прирабатываемости и выравнивания долговечности обоих колес рекомендуют назначать больше твердости зубьев колеса не менее, чем на (10...15)НВ:
НВ 1ср НВ 2ср +(10...15)НВ.
Для зубчатых колес с непрямыми зубьями твердость рабочих поверхностей зубьев шестерни желательно возможно большая:
НВ 1ср - НВ 2ср 100НВ.
Для не прирабатывающихся зубчатых передач с твердыми (твердость 350НВ) поверхностями зубьев обоих зубчатых колес обеспечивать разность твердостей зубьев шестерни и колеса не требуется.
При поверхностной термической обработке зубьев механические характеристики сердцевины зуба определяются предшествующей термической обработкой.
Таблица 1.1 Марки сталей для зубчатых колес, виды их
термообработки и механические характеристики
|
Марка стали, ГОСТ |
обра-ботка |
Твердость |
Базовый предел выносливости |
Базов. число циклов | |||||
Продолжение таблицы 1.1
|
Цемен-тация | |||||||||
|
Цемен-тация | |||||||||