1. Выбор материалов и видов термической обработки зубчатых колес

Практикой эксплуатации и специальными исследованиями установлено, что нагрузка, допускаемая по контактной прочности зубьев, определяется в основном твердостью материала. Наибольшую твердость, а следовательно, и наименьшие габариты, и массу передачи можно получить при изготовлении зубчатых колес из сталей, подвергнутых термической обработке.

Основным материалом для изготовления зубчатых колес силовых передач служат легированные или углеродистые стали. В зависимости от твердости рабочих поверхностей зубьев после термической обработки зубчатые колеса можно условно разделить на две группы: с твердостью не более НВ 350 – нормализованные или улучшенные, с твердостью более НВ 350 (более НRС 45) – закаленные, цементированные, нитроцементированные, азотированные.

При твердости материала не более НВ 350 чистовое нарезание зубьев производят после окончательной термической обработки заготовки. Поверхности нормализованных и улучшенных зубьев хорошо прирабатываются, в результате чего погрешности, допущенные при нарезании зубьев и при сборке передачи, частично устраняются. Для изготовления таких колес рекомендуется использовать стали марок 45; 40Х; 35ХМ. К недостаткам улучшенных и нормализованных зубчатых колес следует отнести главным образом их сравнительно невысокую прочность, вследствие чего передачи с такими колесами получаются относительно больших размеров. Поэтому рассматриваемые способы упрочнения зубьев используют в передачах, масса и габаритные размеры которых строго не ограничены.

Зубчатые колеса с твердостью рабочих поверхностей зубьев более НВ 350 применяют в средне- и высоконагруженных передачах (при Т₂ ≥ 4000 Н · м) в целях уменьшения их габаритов.

Закаленные колеса обладают средней нагрузочной способностью. Зубья после закалки обычно шлифуют для устранения неточностей, обусловленных изменением при закалке их формы и размеров (короблением). Однако шлифование малопроизводительно и удаляет слой материала с наибольшей контактной прочностью, поэтому желательно избежать шлифования. Это удается сделать в передачах при небольших окружных скоростях колес (до 12,5 м/с). Для закалки используют углеродистые и легированные стали со средним содержанием углерода 0,35 … 0,5 % (стали 45, 40Х, 35ХМ и др.). Твердость поверхности зубьев НRС 45 … 55.

Цементации (насыщению углеродом поверхностного слоя с последующей закалкой) подвергают колеса из низкоуглеродистых (сталь 15 и 20) и легированных (20Х, 20ХН2М и др.) сталей. Этот вид упрочнения зубьев является длительным и дорогим процессом. Однако цементация обеспечивает очень высокую твердость поверхностного слоя (HRС 56 … 63) с сохранением повышенной прочности сердцевины у легированных сталей, что предохраняет продавливание хрупкого поверхностного слоя при перегрузках. Иными словами, при цементации хорошо сочетаются весьма высокие контактная и изгибная прочности. Ее применяют в изделиях, для которых масса и габариты имеют решающее значение (в авиации и пр.).

Зубчатые колеса, подверженные газовой нитроцементации, характернются высокой и стабильной нагрузочной способностью. Но потребность в уникальном и дорогом оборудовании ограничивает распространение этого вида упрочнения зубьев. Применяют хромоникелевые стали 12ХН3А, 20ХНМ, 20ХН2М и др.

Азотирование (насыщение поверхностного слоя азотом) обеспечивает не меньшую твердость, чем цементация. Степень коробления при азотировании очень мала. Для азотирования применяют колеса из молибденовых сталей типа 38Х2МЮА. В связи с длительностью и дороговизной этого процесса его применяют с ограничением, например, когда трудно выполнить шлифование зубьев (у колес с внутренними зубьями волновых и планетарных передач и в других высокоответственных передачах).

Кроме термических и химико-термических способов упрочнения зубьев, применяют механическое упрочнение и электрополирование.

Изломная прочность зубьев может быть значительно (до 40 %) повышена накаткой впадин и переходных участков у ножки зубьев, чеканкой или обдувкой дробью путем уничтожения тонкого поверхностного дефектного слоя и нагартовкой.

Электрополирование уничтожает тонкий дефектный слой (например, после закалки), снижает шероховатость поверхности, образуя небольшие завалы, имитирующие бочкообразность, которая исключает очень опасный кромочный контакт.

В правильно спроектированной зубчатой паре соотношение твердости рабочих поверхностей зубьев шестерни и колеса не может быть выбрано произвольно. Если твердость рабочих поверхностей зубьев колеса не более НВ 350, то в целях выравнивания долговечности зубьев шестерни и колеса, ускорения их приработки и повышения сопротивляемости заеданию твердость поверхностей зубьев шестерни назначается выше твердости зубьев колеса. Для прямозубых колес разность средних твердостей шестерни и колеса должна составлять не менее НВ 20 … 30, для косозубых колес эта разность должна быть большей, ~ НВ 50. Чем выше твердость рабочих поверхностей зубьев шестерни, тем больше несущая способность передачи по критерию контактной выносливости. Если твердость рабочих поверхностей зубьев шестерни и колеса более НВ 350 (не менее НRС 45), то обеспечивать разность твердостей зубьев шестерни и колеса не требуется.

В табл. 3.1 приведены рекомендации по выбору марки стали в зависимости от вида термической или химико-термической обработки и габаритов колеса.

Из табл. 3.1 следует, что для одной и той же марки стали в зависимости от термической обработки можно получить различные механические свойства. Поэтому для шестерни и колеса передачи можно применять сталь одной и той же марки.

Так как прокаливаемость разных марок сталей различна (например, углеродистые конструкционные стали при больших сечениях вообще не могут быть закалены до высокой твердости), то при назначении марки стали зубчатого колеса необходимо знать не только его твердость, но и размеры. Отсюда следует, что окончательный выбор материала стального зубчатого колеса является завершающим этапом расчета редуктора. При этом следует помнить, что при поверхностной термической обработке зубьев, например цементации, механические характеристики сердцевины зуба определяются предшествующей термической обработкой – улучшением. Исключение составляют зубья, поверхности которых закалены ТВЧ при модуле менее 5 мм. Поэтому такой вид термической обработки можно применять при m ≥ 5 мм.

В техническом задании на курсовой проект указан материал шестерни и колеса, а вид термической обработки выбирается студентом самостоятельно в соответствии с приведенными рекомендациями.

Таблица 3.1	Механические характеристики сталей для изготовления зубчатых колес	σ-1, МПа		235 260	335 380	375 410 410	380 420 420	–	–
		σв, МПа		550 600	780 890	790 900 900	800 920 920	–	–
		σт, МПа		270 320	540 650	640 750 750	630 750 750	780	800
		Твердость зуба	на поверхности	163 … 192 HB 179 … 207 НВ	235 … 262 HB 269 … 302 НВ	235 … 262 HB 269 … 302 НВ 45 …50 HRC	235 … 262 HB 269 … 302 НВ 48 …53 HRC	50 …56 HRC	56 … 63 HRC
			в сердцевине	163 … 192 HB 179 … 207 НВ	235 … 262 HB 269 … 302 НВ	235 … 262 НВ 269 … 302 НВ 269 … 302 НВ	235 … 262 НВ 269 … 302 НВ 269 … 302 НВ	269 … 302 НВ	300 … 400 НВ
		Предельные размеры заготовки, мм	Sпр	Любые	80 50	125 80 80	200 125 125	80	125
			Dпр		125 80	200 125 125	315 200 200	125	200
		Термообработка		Нормализация Нормализация	Улучшение улучшение	Улучшение Улучшение Улучшение и закалка ТВЧ	Улучшение Улучшение Улучшение и закалка ТВЧ	Улучшение и азотирование	Улучшение, цементация и закалка
		Марка стали		35 45	45	40Х	40XH 35XM	40XHMA 38X2MЮ	20X, 20XH2M 18ХГТ, 25ХГМ 12ХН3А