Краткие сведения о методах изготовления зубчатых колес, их конструкциях, материалах

Раздел 7. Зубчатые передачи.

Общие сведения и классификация зубчатых передач

Механизм, в котором два подвижных звена являются зубчатыми ко­лесами, образующими с неподвижным звеном вращательную или поступатель­ную пару, называют зубчатой передачей (рис. 1).

Рис. 1. Виды зубчатых передач: а, б, в — цилиндрические зубчатые передачи с внешним зацеплением; г — реечная передача; д — цилиндрическая передача с внутренним зацеп­лением; е — зубчатая винтовая передача; ж, з, и — конические зубчатые передачи; к — ги­поидная передача

В большинстве случаев зубчатая передача служит для передачи враща­тельного движения. В некоторых механизмах эту передачу применяют для преобразования вращательного движения в поступательное (или наоборот, см. рис. 1, г).

Зубчатые передачи — наиболее распространенный тип передач в совре­менном машиностроении и приборостроении; их применяют в широких диапазонах скоростей (до 100 м/с), мощностей (до десятков тысяч кило­ватт).

Основные достоинства зубчатых передач по сравнению с другими передачами:

- технологичность, постоянство передаточного числа;

- высокая нагрузочная способность;

- высокий КПД (до 0,97-0,99 для одной пары колес);

- малые габаритные размеры по сравнению с другими видами передач при равных условиях;

- большая надежность в работе, простота обслуживания;

- сравнительно малые нагрузки на валы и опоры.

К недостаткам зубчатых передач следует отнести:

- невозможность бесступенчатого изменения передаточного числа;

- высокие требования к точности изготовления и монтажа;

- шум при больших скоростях; плохие амортизирующие свойства;

- громоздкость при больших расстояниях между осями ведущего и ве­домого валов;

- потребность в специальном оборудовании иинструменте для нареза­ния зубьев;

- зубчатая передача не предохраняет машину от возможных опасных перегрузок.

Зубчатые передачи и колеса классифицируют по следующим призна­кам (см. рис. 1):

- по взаимному расположению осей колес — с параллельными осями (цилиндрические, см. рис. 1, а—д), с пересекающимися осями (ко­нические, см. рис. 1, ж—и), со скрещивающимися осями (винто­вые, см. рис. 1, е, к);

- по расположению зубьев относительно образующих колес — прямо­зубые, косозубые, шевронные и с криволинейным зубом;

- по конструктивному оформлению — открытые и закрытые;

- по окружной скорости — тихоходные (до 3 м/с), для средних скоро­стей (3—15 м/с), быстроходные (св. 15 м/с);

- по числу ступеней — одно- имногоступенчатые;

- по расположению зубьев в передаче и колесах — внешнее, внутрен­нее (см. рис. 1, д) и реечное зацепление (см. рис. 1, г);

- по форме профиля зуба — с эвольвентными, круговыми;

- по точности зацепления. Стандартом предусмотрено 12 степеней точности. Практически передачи общего машиностроения изготов­ляют от шестой до десятой степени точности. Передачи, изготовлен­ные по шестой степени точности, используют для наиболее ответст­венных случаев.

Из перечисленных выше зубчатых передач наибольшее распростра­нение получили цилиндрические прямозубые и косозубые передачи, как наи­более простые в изготовлении и эксплуатации.

Преимущественное распространение получили передачи с зубьями эвольвентного профиля, которые изготавливаются массовым методом обкатки на зубофрезерных или зубодолбежных станках. Достоинство эвольвентного зацепления состоит в том, что оно мало чувствительно к колебанию межцентрового расстояния.

Другие виды зацепления применяются пока ограниченно. Так, циклоидальное зацепление, при котором возможна работа шестерен с очень малым числом зубьев (2-3), не может быть, к сожалению, изготовлено современным высокопроизводительным методом обкатки, поэтому шестерни этого зацепления трудоемки в изготовлении и дороги; новое пространственное зацепление Новикова пока еще не получило массового распространения, вследствие большой чувствительности к колебаниям межцентро­вого расстояния.

Прямозубые колёса (около 70%) применяют при невысоких и средних скоростях, когда динамические нагрузки от неточности изготовления невелики, в планетарных, открытых передачах, а также при необходимости осевого перемещения колёс.

Косозубые колёса (более 30%) имеют большую плавность хода и применяются для ответственных механизмов при средних и высоких скоростях.

Шевронные колёса имеют достоинства косозубых колёс плюс уравновешенные осевые силы и используются в высоконагруженных передачах.

Конические передачи при­меняют только в тех случаях, когда это необходимо по условиям компо­новки машины; винтовые — лишь в специальных случаях.

Колёса внутреннего зацепления вращаются в одинаковых направлениях и применяются обычно в планетарных передачах.

Краткие сведения о методах изготовления зубчатых колес, их конструкциях, материалах

Существуют следующие способы изготовления зубчатых колес (обра­ботки зубьев):

- литье (без последующей механической обработки зубьев), для совре­менных машин этот способ применяют редко;

- накатка зубьев на заготовке (также без последующей их обработки);

- нарезание зубьев (т. е. зубья получаются в процессе механической обработки заготовки).

Способ изготовления зубчатых колес выбирают в зависимости от их на­значения и по технологическим соображениям.

Для отдельных конструкций машин в массовом производстве применя­ют способ накатки зубьев. Возможны также штамповка, протягивание и. т. д. В этом случае форма инструмента повторяет очертания впадины зубьев). В большинстве же случаев зубчатые колеса изготовляют наре­занием.

Зубья нарезают, как правило, методами копирования и обкатки. Ко­пирование заключается в прорезании впадин между зубьями с помощью тисковой (рис. 2) или пальцевой (рис. 3) фрезы.

Рис. 2. Нарезание зубьев методом ко­пирования дисковой фрезой

Рис. 3. Нарезание зубьев пальцевой фрезой

Обработка зубьев по методу обкатки производится инструментами очертаниями, отличными от очертаний нарезаемых зубьев, долбяком (рис.4 - зуб наружного зацепления, рис.5 - зуб внутреннего зацепления), червячной фрезой (рис.6) или инструментальной рейкой (рис.7):

Достоинством метода обкатки (огибания) является то, что он позволяет одним и тем же инструментом изготовлять колеса с зубьями различное формы. Изменяя относительное расположение инструмента и заготовки на станке, можно получать зубья различной формы и толщины (передачи со смещением).

Обкатка по сравнению со способом копирования обеспечивает боль­шую точность и производительность.

Рис.4. Нарезание зубьев на­ружного зацепления.

Рис.5. Нарезание зубьев внутреннего зацепления

Рис.6. Нарезание зубьев червячной фрезой

Рис.7. Нарезание зубьев инструментальной рейкой

Рис.8. Нарезание зубьев конического колеса

Для достижения высокой точности и малой шероховатости поверхности зубьев после нарезания производится их отделка.

Способы отделки зубьев:

- шлифование - производится методом копирования или обкатки шлифовальным кругом;

- шевингование - выполняется специальным инструментом шевер-шестерней или шевер-рейкой (обкатывая обрабатываемое коле­со, шевер отделывает зубья до требуемых точности и шероховатости поверхности);

- притирка - производится с помощью специального чугунного колеса (притира), находящегося в зацеплении с обрабатываемым колесом.

В зависимости от способа получения заготовки зубчатые колеса подразделяют на литые (рис.9), кованые или штампованные, изготовлен­ные механической обработкой (рис. 10), сварные (рис.11).

Рис. 9. Литое зубча­тое колесо

Рис. 10. Кованое или штампованное

Рис. 11. Сварное зубчатое колесо колесо, механически обработанное

Зубчатые колеса, у которых диаметр впадин незначительно превышает диаметр вала в месте посадки зубчатого колеса, изготовляют за одно целое с валом. Такую конструкцию (рис. 12) называют валом-шестерней. В ос­тальных случаях зубчатое колесо выполняется отдельно, после чего наса­живается на вал.

Рис. 12. Вал-шестерня

Колеса диаметром меньше 400 мм имеют форму диска с выточками (см. рис.9) или без выточек. Чаще всего эти колеса изготовляют из поко­вок. Колеса диаметром более 400-500 мм изготовляют со спицами (рис.13) различного сечения.

Рис. 13. Зубчатое колесо со спицами

При конструировании колеса наиболее важным требованием является его жесткость. Основные соотношения элементов зубчатых колес в зависи­мости от их конструкции приведены в специальных справочниках.

Для экономии высокопрочных дорогостоящих материалов изготовляют сборные конструкции — бандажированные колеса (рис. 14). В этом слу­чае зубчатый венец колеса изготовляют из качественной стали, а централь­ную часть делают из менее дорогого материала (например, чугуна).

Рис. 14. Зубчатый венец бандажированного колеса

Для изготовления зубчатых колес применяют следующие материалы:

- сталь углеродистую обыкновенного качества марок Ст5, Ст6; качест­венную сталь марок 35, 40, 45, 50, 55; легированную сталь марок 12ХНЗА, 30ХГС, 40Х, 35Х, 40ХН, 50Г; сталь 35Л, 45Л, 55Л;

- серый чугун марок СЧ10, СЧ15, СЧ20, СЧ25, СЧ30, СЧ40, высокока­чественный чугун марок ВЧ50-2, ВЧ45-5;

- неметаллические материалы (текстолит марок ПТК, ПТ, ПТ-1, лигнофоль, бакелит, капрон и др.).

Передачи со стальными зубчатыми колесами имеют минимальную массу и габариты, поэтому они нашли в технике широкое применение (табл.1).

Таблица 1. Механические свойства сталей

Марка стали	Термообработка	Толщина или диаметр, мм	Твердость	, МПа	, МПа
поверхности (НВ) или HRC	сердцевины (НВ) или HRC
Ст. 5	Горячекатанный	-	-	-	500…640	260…
	нормализация улучшение улучшение и закалка объем	Любая 80/125 50/80 до (20) 50	-	180 – 206 235 – 262 268 – 302 230 - 260	820 (920)	640 (730)
20Х	Нормализ. Ц. 3.0.2000С	До 100 До 60	56…60	- -
18Х ГТ	Ц. 3.0.2000С Ц. 3.0.1800С	Образцы до 160	- 58…62	- > (240)
25Х ГТ	Ц. 3.0.2000С Ц. 3.0.1900С	Образцы до 40	- 58…62	- 30…45	-	-
12ХНЗА	Ц. 3.0.1800С Ц. 3.0.2000С	до 100	58…63 56…62	(300) (250)
25Х ГМ	Н. 3.0.2000С Ц. 3.0.1900С	Образцы 40…75	- 58…61	- > (250)	-	-
40Х	Нормализа. улучшение Улучшение У+3 ТВЧ 3.0.5600С 3.0.2000С	до 100 до 200 до 125 до 125 до 20	(170…220) - - 45…50 - -	- (235…260) (270…300) (270…300) - > 46
40Х Н	Нормализ. улучшение Улучшение 3. 0. 6500С 3. 0. 1700С 3. 0. 2200С	до 700 200/315 125/200 до 40 до 500	- - - - > 46 48…54	- - (270…300) - - -	-	-
35ХГСА	3. 0. 6500С 3. 0. 2400С 3. ТВЧ 0. 2000С	до 100 до 30 до 100	- 44…52 > 48	(250…300) > 44 -	-	-
38Х2МЮА	3. 0. 6400С Азотирован.	-	- 850…1000	- -	-	-

Таблица 2

Важнейшими критериями работоспособности зубчатых колёс приводов являются объёмная прочность зубьев и износостойкость их активных поверхностей. Нагрузочная способность хорошо смазанных поверхностей ограничивается сопротивлением выкрашиванию. Для уменьшения расхода материалов назначают высокую твёрдость трущихся поверхностей. Этим требованиям отвечают стали, подвергнутые химико-термической обработке.

Например, для наиболее ответственных высоконагруженных зубчатых передач используют цементацию и нитроцементацию высоколегированных сталей. Несколько хуже нагрузочная способность у передач с азотированными зубчатыми колесами, так как ограничивается развитиемподслойных усталостных трещин. Однако азотирование широко применяется для зубчатых передач с внутренним зацеплением из-за трудоёмкости шлифования зубьев.

Нагрузочная способность зубьев при закалке ТВЧ ниже, чем при цементации и нитроцементации, за исключением зубчатых колес из сталей пониженной прокаливаемости У6 и 55 ПП.

В зависимости от вида изделия, условий его эксплуатации, требований к габаритным размерам и квалиметрическим характеристикам, выбирают материалы зубчатых колес и необходимую термообработку.

На практике применяют следующие варианты химико – термической обработки (Т.О.):

I – группа – мягкие зубчатые колеса, Т.О. колес – улучшение , твердость зуба шестерни 269…302НВ, а колеса – 235…262НВ. Марка стали 45, 40Х, 40ХН, 35ХМ и др.

Зубья колес из улучшаемых сталей хорошо прирабатываются и не подвержены хрупкому разрушению, но имеют ограниченную нагрузочную способность. Применяют в единичном производстве в слабо- и средненагруженных передачах. Можно рекомендовать для быстроходной ступени в многоступенчатых редукторах при необходимости обеспечения жесткости вала.

II – группа – зубчатые колеса средней твердости, при этом термообработка шестерни закалка ТВЧ, а Т.О. колеса улучшение. Применяется вышеуказанные марки стали, а твердость зуба шестерни 45…50 HRC_Э, колеса как и указанных выше.

III – группа – зубчатые колеса твердые Т.О. одинаковая – улучшение и закалка ТВЧ. Твердость зуба шестерни 48…53HRC_Э, а колеса – 45…50HRC_Э, марка стали как и указанных выше.

IV – группа – так же колеса с твердыми зубьями, Т.О. шестерни – улучшение, цементация и закалка. Материалы шестерни – стали марок 20Х, 20ХН2М, 18ХГТ, 12ХН3А и др. Т.О. колеса – улучшение и закалка ТВЧ, твердость поверхности 45…50HRC_Э.

V – группа – Т.О. колеса и шестерни – улучшение, цементация и закалка, твердость поверхности 56…63 HRC_Э. Марка стали 20Х, 20ХН2М, 18ХН4В2М, 18ХГТ, 18ХГМ, 12ХН3А и др. При цементации, как и при закалке, теряются 2 степени точности, а именно 2/3 при технологической операции и 1/3 при закалке, поэтому требуются доводочные операции, такие как шлифование, шевингование и фланкирование и т.д.

Кроме цементации применяют нитроцементацию. При этом твердость поверхности 56…63 HRC_Э, для стали марок 25ХГМ, 30ХГТ. Однако, хорошо регулируется насыщение углеродом и плохо азотом. В результате теряем одну степень точности и толщина слоя в 1,5 раза меньше, чем при классической цементации. Здесь температура ниже на 100⁰С и отсутствует окисление, применяется для серийного производства.

Для зубчатых передач с внутренним зацеплением применяется азотирование, для стали марок 38Х2МЮА, 40ХНМА твердость поверхности 58…67 HRC_Э, при этом толщина слоя 0,5 мм. Недостаток: высокая чувствительность к ударным нагрузкам, абразивному износу и точности изготовления. Преимущество: азотирование последняя операция и не требует доводочных операции, как шлифование.

Несущая способность зубчатых передач по контактной прочности тем выше, чем выше поверхностная твердость зубьев. Повышение твердости в два раза позволяет уменьшить массу редуктора примерно в четыре раза.