Причины отказов и виды расчётов зубчатых передач

Прежде чем пе­рейти к расчёту зубчатых передач на прочность, необходимо усвоить сведения о видах разрушения зубьев. Сила давления зуба шестерни на зуб колеса - это нормальное усилие F_n (рис. 89, а). Оно направлено по линии зацепления, т.е. общей нормали к рабочим поверхностям зубьев, проходящей через полюс зацепления П. От силы F_n на рабочих поверхностях зубьев возникают циклически изменяющиеся контактные напряжения σ_Н, а у основания зубьев - напряжения изгиба σ_F. Сила F_n и напряжения σ_H и σ_f в зубьях - величины переменные. Они изменяются во времени по прерывистому отнулевому циклу (рис. 35, б). За время одного оборота колеса t, зуб находится под нагрузкой в течение времени t₂. При времени оборота колеса t₁ ≈ 0,1 с значение t₂ ≈ 0,002 с, что сопоставимо со временем протекания процесса удара. Переменные напряжения являются причиной повреждений зубьев в виде механического и молекулярно-механического изнашивания, а также их поломки.

Рис. 89. Виды напряжений и характер нагружения зубьев

Механическое изнашивание включает усталостное выкрашивание рабочих поверхностей зубьев и износ зубьев.

Усталостное выкрашивание — самый распространённый вид повреж­дения зубьев закрытых хорошо сма­зываемых зубчатых передач (рис. 89, а). При этом на рабочих поверхностях зубьев появляются небольшие углуб­ления, которые затем растут и пре­вращаются в раковины.

Износ зубьев (рис. 90, б) - резу­льтат изнашивания их рабочих по­верхностей, проявляющийся в виде отделения частиц материала при трении. Изнашивание возрастает с увеличением контактных напряжений, при этом искажается профиль зубьев, и изменяются их размеры.

Абразивный износ является основной причиной выхода из строя от­крытых передач, а также закрытых передач тех машин, которые работают в за­сорённой абразивом среде. Сопротивление выкрашиванию и износу возрастает с увеличением твёрдости поверхностей зубьев, при повышении чистоты обра­ботки зубьев и правильном подборе смазочного материала.

Рис.90. Виды разрушения зубьев (а, б, в) и схема образования усталостного выкрашивания (г)

Молекулярно-механическое изнашивание проявляется как заедание (рис. 90, в), т.е. в виде молекулярного сцепления контактирующих поверхно­стей при разрушении смазочной плёнки, которое происходит при высоких контактных давлениях и больших скоростях скольжения. Поломка зубьев - наиболее опасный вид разрушения, который часто приводит к выходу из строя не только зубчатой передачи, но и дру­гих деталей машины (валов и под­шипников). Поломка происходит от перегрузок машины или усталости материала колёс при переменных на­грузках, Трещины обычно появля­ются у основания зубьев со стороны растянутых волокон.

Согласно ГОСТу 21354-87 основными критериями работоспособности закрытых эвольвентныхцилиндрических зубчатых передач являются: контактная прочность рабочих поверхностей зубьев и прочность зубьев при изгибе.

Для закрытых зубчатых передач производят два основных вида рас­чётов:

на контактную прочность рабочих поверхностей зубьев для предот­вращения усталостного выкрашивания;

на прочность зубьев при изгибе для предотвращения поломки зуба.