Основные требования, материалы и конструкции зубчатых колес

Зубчатые колеса относятся к числу наиболее распространенных деталей современных машин. Они входят в конструкции двигателей внутреннего сгорания автомобилей, тракторов, сельхозмашин, самолетов, турбин, станков и во многие другие машины и изделия.
В современных машинах преимущественное распространение получили зубчатые колеса с эвольвентным зацеплением.
В зависимости от условий выполняемой работы и назначения к зубчатым передачам предъявляются следующие требования:
а) высокая износостойкость рабочих поверхностей зубьев, достигаемая за счет применения высококачественных легированных сталей, термической и химико-термической обработки, механического упрочнения ППД, отделки поверхности;
б) бесшумность и плавность работы, точность передачи движений, достигаемые точностью изготовления профиля зубьев, их отделкой и устранением эксцентричности зубчатых венцов;
в) достаточный коэффициент полезного действия;
г) высокая усталостная прочность зубьев, достигаемая их тщательной обработкой, термическим, механическим, термомеханическим упрочнением, отделкой.
Перечисленные требования объясняются высокими окружными скоростями, контактными давлениями, изгибающими циклическими нагрузками.
В процессе работы зубья подвергаются действию изгибных нагрузок, вызывающих излом ножки зуба; поверхность зубьев подвергается действию относительно больших контактных давлений и истиранию, приводящих к выкрашиванию (питтинг) и износу.
Для улучшения эксплуатационных свойств рабочие поверхности зубьев в большинстве случаев должны иметь высокую поверхностную твердость (HRC 58-62) и шероховатость поверхности (Ra = 2,5- 1,25 мкм) при относительно вязкой и пластичной сердцевине, обеспечивающей повышенную прочность при циклических и ударных нагрузках.
В ряде случаев зубчатые колеса работают в менее жестких и тяжелых условиях, вследствие чего требования к их изготовлению также ниже.

Точность зубчатых передач характеризуют следующие показатели:
1. Кинематическая точность передачи вращения от данного колеса к сопряженному. Нарушение кинематической точности проявляется в несогласованности поворотов колес передачи за каждый оборот.
2. Плавность работы передачи. Нарушение ее вызывает многократно повторяющиеся колебания скорости вращения, сопровождаемые вибрацией и шумом.
3. Пятно контакта боковых поверхностей зубьев. Его уменьшение приводит к увеличению концентрации нагрузки на малых участках поверхности зубьев.
4. Боковой зазор между нерабочими профилями зубьев.
5. Шероховатость рабочих (боковых) поверхностей зубьев.
По ГОСТ 1643-81, механически обрабатываемые колеса и передачи по точности изготовления разделяются на 12 степеней точности: 1-я, 2-я, 3-я,..., 12-я (в порядке понижения точности). Каждая степень объединяет колеса и передачи, которым присущи аналогичные методы формирования элементов зубчатого зацепления, т. е. одинаковая степень совершенства технологии изготовления. Наиболее широко применяемыми являются 6-я, 7-я, 8-я, 9-я степени точности.
Шероховатость рабочих поверхностей в зависимости от предъявляемых требований может быть от Ra=2,5-1,25 мкм.
Разнообразные условия работы зубчатых колес объясняют различие технологических требований и соответственно различие методов обработки зубьев.
Следует отметить, что повышение эксплуатационных свойств зубчатых зацеплений осуществляют не только технологическими методами обработки, но и конструктивными мероприятиями: применение зубчатых колес с винтовым зубом.
При выборе процессов зубообразования должны быть учтены требования точности, высокой производительности и экономии металлов.
Способы образования зубьев зубчатых колес занимают определенное место в общей классификации методов обработки. Часто методы обработки классифицируют по видам затраченной энергии.

При зубообразовании наиболее часто используется механическая энергия. Сюда относятся все виды зуборезных операций лезвийным инструментом (зубофрезерование, зубодолбление, зуботочение, протягивание), отделочные операции (шевингование, шлифование, обкатывание зубьев и др.), холодное накатывание зубьев.
При горячем накатывании и штамповке зубьев используется комбинированный метод воздействия тепловой и механической энергии.
Ряд зубчатых колес проходит операцию по повышению твердости зубчатого, венца с использованием термической энергии (закалка, улучшение и др.).
В некоторых случаях применяется цементация с последующей закалкой и азотирование. Здесь применяется комбинированный метод использования термической и химической энергий.

Материалы зубчатых колес выбирают в зависимости от назначения и условий работы передачи.
Основные требования к материалам:
- прочность поверхностного слоя и высокое сопротивление истиранию;
- достаточная прочность при изгибе;
- обрабатываемость, возможность получения достаточной точности и чистоты поверхности.
Основным материалом зубчатых колёс является сталь, используют также чугун и пластмассу. Для уменьшения опасности повреждения поверхности зубьев применяют термообработку. Твердость поверхности должна быть такой, чтобы получить колеса необходимой точности.
Наибольшее распространение получили углеродистые стали 35; 40; 50; 50Г. Применяют также легированные стали 40Х; 45ХН. Углеродистые стали подвергают нормализации и улучшению, твёрдость поверхности 300…320 НВ. Колёса с твердостью НВ обладают сравнительно невысокой прочностью. Однако благодаря технологическим преимуществам широко применяется в условиях единичного и мелкосерийного производства в мало- и средненагруженных передачах при отсутствии жестких требований к габаритам и массе, а также в передачах с большими колёсами (диаметром более 500 мм), термическая обработка которых затруднена. Для лучшей приработки зубьев и равномерного их изнашивания для прямозубых передач рекомендуется твёрдость рабочих поверхностей зубьев шестерни назначать больше твёрдости зубьев колеса на 20…30 единиц НВ.
Легированные стали закаливают, иногда применяют поверхностную закалку, цементацию, азотирование (НВ > 350).
Применение высокотвёрдых материалов уменьшает габаритные размеры передачи и увеличивает её долговечность. Однако колёса из таких материалов требуют повышенной точности изготовления и монтажа, а обработку резанием производят до термообработки. При твёрдости обоих колёс >350 НВ колеса не прирабатываются. Для неприрабатывающихся зубчатых передач не требуется обеспечивать разность твёрдостей зубьев шестерни и колеса. Но такие колёса требуют высокой точности изготовления и повышенной жёсткости валов и опор. Нарезание зубьев при высокой твёрдости затруднено. Поэтому колёса нарезают до термообработки, а отделку зубьев производят после термообработки. Применяют в условиях крупносерийного и массового производства в средне- и высоконагруженных передачах, а также при высоких требованиях к габаритам и массе передачи.
Крупные зубчатые колёса из пластмассы применяют для обеспечения бесшумной работы. Шестерня из пластмассы работает с колесом из стали; нагрузочная способность таких передач невысока.
Выбор марок сталей для зубчатых колёс. В термически необработанном состоянии механические свойства всех сталей без термообработки недопустимо. При выборе марки сталей для зубчатых колёс, кроме твёрдости, необходимо учитывать размеры заготовки. Это объясняется тем, что прокаливае6мость сталей различна: углеродистых – наименьшая; высоколегированных – наибольшая. Стали с плохой прокаливаемостью (углеродистые конструкционные) при больших сечениях нельзя термически обработать на высокую твёрдость. Поэтому марку стали для упрочняемых зубчатых колёс выбирают с учётом их размеров, а именно диаметра D вала- шестерни или червяка и наибольшей ширины сечения колеса S с припуском на механическую обработку после нормализации или улучшения. Таким образом, окончательный выбор марки сталей для зубчатых колёс (пригодность заготовки колёс) необходимо производить после определения геометрических размеров зубчатой передачи.
Из рекомендаций по выбору механических свойств наиболее употребляемых марок сталей в зависимости от термообработки (твёрдости) с учётом размеров зубчатых колёс следует, что для одной и той же марки стали в зависимости от вида термообработки можно получить различные механические свойства. Поэтому при выборе материала для шестерни и для шестерни и колеса желательно ориентироваться на применение одной и той же марки стали, но с различной твёрдостью (различной термообработкой). При этом необходимо принимать среднее значение твёрдости данной марки стали как наиболее вероятное. При твёрдости обоих колёс >350 НВ не требуется обеспечивать разность твёрдости зубьев шестерни и колеса.
Стальное литьё обладает пониженной прочностью и используется обычно для колёс крупных размеров, работающих в паре с кованной шестерней. Применяют стали 35Л, 40Л, 5Л, 40ГЛ. Литые колёса подвергают нормализации или улучшению.
Чугуны. Тихоходные и мало нагруженные открытые и реже закрытые передачи зубчатого колеса изготовляют из серого чугуна марок СЧ 25 и выше и высокачественного чугуна. Зубья чугунных колёс хорошо прирабатываются и хорошо противостоят усталостному разрушению и заеданию в условиях бедной смазки. На рисунках представлены типовые конструкции металлических зубчатых колес. Стальные шестерни с диаметром вершин зубьев d_а≤2d_в (d_в — диаметр вала шестерни) обычно изготовляют как одно целое с валом (рис. 1, а). Зубчатые колеса небольшого диаметра (d_a≤200 мм) выполняют в виде сплошных дисков без ступицы (рис. 1, б) или со ступицей (рис. 1, в). Стальные зубчатые колеса такой конструкции изготовляют из проката (при d_a≤150 мм) или из поковок. На рисунках представлены типовые конструкции металлических зубчатых колес. Стальные шестерни с диаметром вершин зубьев d_а≤2d_в (d_в — диаметр вала шестерни) обычно изготовляют как одно целое с валом (рис. 1, а). Зубчатые колеса небольшого диаметра (d_a≤200 мм) выполняют в виде сплошных дисков без ступицы (рис. 1, б) или со ступицей (рис. 1, в). Стальные зубчатые колеса такой конструкции изготовляют из проката (при d_a≤150 мм) или из поковок.