Критерия работоспособности и расчета

Условия работы зуба в зацеплении. При передаче крутящего момента в зацеплении кроме нормальной силы действу­ет сила трения , связанная со скольжением. Под действием этих сил зуб находится в сложном напряженном состоянии. Решающее влияние на его работоспособность оказывают два основных напряжения: контактные напряжения и напряжения изгиба . Для каждого зуба и не являются постоянно действующими. Они изменяются во времени по некоторому прерывистому отнулевому циклу. Время действия за один оборот колеса () равно продолжительности зацепления одного зуба (). Напряжения действуют еще меньшее время. Это время равно продолжительности пребывания в зацеплении данной точки поверхности зуба с учетом зоны распространения контактных на­пряжений.

Переменные напряжения являются причиной усталостного раз­рушения зубьев: поломка зубьев от напряжений изгиба и выкрашивание поверхности от контактных напряжений. С контактными напряжениями и трением в зацеплении связаны также износ, заеда­ние и другие виды повреждения поверхностей зубьев.

Поломка зубьев. Поломка связана с напряжениями изгиба. На практике чаще наблюдается выламывание углов зубьев вследствие концентрации нагрузки. Различают два вида поломки зубьев:

поломка от больших перегрузок ударного или даже статического действия (предупреждают защитой привода от перегрузок или уче­том перегрузок при расчете);

усталостная поломка, происходящая от действия переменных напряжений в течение сравнительно длительного срока службы (предупреждают определением размеров из расчета на усталость). Особое значение имеют меры по устранению концентраторов на­пряжений (рисок от обработки, раковин и трещин в отливках, микротрещин от термообработки и т. п.).

Общие меры предупреждения поломки зубьев — увеличение мо­дуля, положительное смещение при нарезании зубьев, термообработка, наклеп, уменьшение концент­рации нагрузки по краям (жесткие валы, зубья со срезанными угла­ми, бочкообраз­ные зубья и пр.).

Повреждение поверхности зубьев.Все виды повреждения поверхности зубьев связаны с контактными напряжениями и трением.

Усталостное выкрашивание от контактных напряжений является основным видом разрушения поверхности зубьев при хорошей смазке передачи (чаще всего это бывают закрытые, срав­нительно быстроходные передачи, защищенные от пыли и грязи). Зубья таких передач разделены тонким слоем масла, устраняющим металлический контакт. При этом износ зубьев мал. Передача работает длительное время до появления усталости в поверхност­ных слоях зубьев. На поверхности появляются небольшие углубле­ния, напоминающие оспинки, которые растут и превращаются в ра­ковины. Выкрашивание начинается обычно вблизи полюсной линии на ножках зубьев там, где нагрузка передается одной парой зубьев, а скольжение и перекатывание зубьев направлены так, что масло запрессовывается в трещины и способствует выкрашиванию частиц металла. При выкрашивании нарушаются условия образования сплошной масляной пленки, появляется металлический контакт с последующим быстрым износом и задаром поверхности. Образование первых усталостных раковин не всегда служит призна­ком близкого полного разрушения зубьев. В передачах, зубья кото­рых имеют невысокую твердость (<350 НВ), наблюдаются случаи так называемого ограниченного или начального выкрашивания. Начальное выкрашивание связано с приработкой зубьев недостато­чно точно изготовленных передач. Оно появляется в местах концен­трации нагрузки после непродолжительной работы и затем при­останавливается. При этом образовавшиеся раковины не развива­ются и даже совершенно исчезают вследствие сглаживания. Прекра­щение дальнейшего выкрашивания в этом случае объясняется тем, что разрушение мест концентрации нагрузки выравнивает ее рас­пределение по поверхности зуба. При высокой твердости зубьев (> 350 НВ) явление ограниченного выкрашивания обычно не наблю­дается. Образовавшиеся раковины быстро растут вследствие хруп­кого разрушения их краев.

В передачах, работающих со значительным износом, выкрашива­ние не наблюдается, так как поверхностные слои снимаются раньше, чем появляются трещины усталости.

Основные меры предупреждения выкрашивания: определение раз­меров из расчета на усталость по контактным напряжениям; повышение твердости материа­ла путем термообработ­ки; повышение степени точности и в особенности по норме контакта зубьев.

Абразивный износ является основной причиной выхода из строя передач при плохой смаз­ке. К таким передачам относятся прежде всего от­крытые передачи, а также закрытые, но недостаточно защищенные от загрязнения абразивными частицами (пыль, продукты износа и т. п.). Такие передачи можно встретить в сельскохозяйственных и транспортных машинах, горнорудном оборудовании, грузопо­дъемных машинах и т. п. У изношенной передачи увеличиваются зазоры в зацеплении, появляется шум, возрастают динамические нагрузки. В то же время прочность изношенного зуба понижается вследствие уменьшения площади его поперечного сечения. Все это может привести к поломке зубьев, если зубчатые колеса своевремен­но не забраковать.

Расчет на износ затруднен тем, что интенсивность износа зави­сит от многих случайных факторов, в первую очередь от интенсив­ности загрязнения смазочного материала*.

На практике при расчете передач, у которых наблюдается износ зубьев, понижают допускаемые контактные напряжения до значе­ний, установленных на основе опыта эксплуатации подобных конст­рукций.

Основные меры предупреждения износа - повышение твердости поверхности зубьев, защита от загрязнения, применение специаль­ных масел.

Заедание наблюдается преимущественно в высоко­нагруженных и высокоскоростных передачах. В месте соприкасания зубьев этих передач развивается высокая температура, способст­вующая разрыву масляной пленки и образованию металлического контакта. Здесь происходит как бы сваривание частиц металла с последующим отрывомих от менее прочной поверхности. Об­разовавшиеся наросты задирают рабочие поверхности зубьев в на­правлении скольжения. Кромочный удар (см. ниже) способствует заеданию.

Меры предупреждения заедания те же, что и против износа. Желательно фланкирование зубьев и интенсивное охлаждение. Эффективно применение противозадирных масел с повышенной вяз­костью и химически активными добавками. Правильным выбором сорта масла можно поднять допускаемую нагрузку по заеданию над допускаемыми нагрузками по другим критериям.

Пластические сдвиги наблюдаются у тяжелонагруженных ти­хоходных зубчатых колес, выполненных из мягкой стали. При перегрузках на мягкой поверхности зубьев появляются пласти­ческие деформации с последующим сдвигом в направлении сколь­жения. В результате у полюсной линии зубьев ведо­мого колеса образуется хребет, а у ведущего - соответствую­щая канавка. Образование хребта нарушает правильность зацеп­ления и приводит к разрушению зубьев. Пластические сдвиги можно устранить повышением твердости рабочих поверхностей зубьев.

Отслаивание твердого поверхностного слоя зубьев, подвергну­тых поверхностному упрочнению (азотирование, цементирование, закалка ТВЧ и т. п.). Этот вид разрушения наблюдается при недо­статочно высоком качестве термической обработки, когда внутрен­ние напряжения не сняты отпуском или когда хрупкая корка зубьев не имеет под собой достаточно прочной сердцевины. Отслаиванию способствуют перегрузки.

Из всех перечисленных видов разрушения поверхности зубьев наиболее изучено выкрашивание. Это позволило выработать нормы допускаемых контактных напряжений, устраняющих выкрашивание в течение заданного срока службы. Расчеты по контактным напря­жениям, предупреждающие выкрашивание, получили широкое рас­пространение.

Специальные методы расчета для предупреждения других видов разрушения поверхности зубьев или еще не разработаны (при пластическом сдвиге, отслаивании), или недостаточно разработа­ны (при износе, заедании), а поэтому здесь не рассматриваются. Поскольку упомянутые нормы допускаемых контактных напря­жений проверяют опытом эксплуатации передач, приближенно мо­жно полагать, что эти нормы учитывают кроме выкрашивания и другие виды повреждения поверхности зубьев. При этом реко­мендуют выполнять указанные выше меры предупреждения повре­ждений.

В современной методике расчета из двух напряжений и за основные в большинстве случаев приняты контактные напряжения, так как в пределах заданных габаритов колес остаются постоян­ными, a можно уменьшать путем увеличения модуля.