Виды разрушения зубьев

Лекция №4

Виды разрушения зубьев

Поломка зубьев

Усилие P_n занимает различное положение на рабочей части профиля зуба AB (рис. 4.1). Наиболее опасное сечение будет aa' . В опасном сечении возникают изгибные напряжения. Пусть время нахождения зуба в зацеплении - t₁. Через время t₂ этот зуб снова войдёт в зацепление. Значит, напряжения изгиба в опасном сечении меняются циклически. Через определённое число циклов в переходной кривой у ножки зуба появляется усталостная трещина. Когда зуб входит в зацепление, она раскрывается, когда  выходит – закрывается. Постепенно трещина развивается и происходит излом. Критерием прочности в этом случае являются изгибные напряжения, по которым необходимо производить расчёт. Для повышения изгибной прочности нужно применять материалы с высокими механическими свойствами, увеличивать радиус переходной кривой, обрабатывать переходную кривую.

Выкрашивание поверхностей

При работе передачи на поверхности зуба вблизи полюсной линии появляются небольшие ямки в металле (рис 4.2). Этот процесс может затухнуть – ограниченное выкрашивание. Ограниченное выкрашивание возникает в мягких металлах и в открытых передачах, где велик износ. В этом случае поверхность быстрее изнашивается, чем выкрашивается. При большой твёрдости зубьев происходит дальнейшее выкрашивание, профиль зуба нарушается и деталь выходит из строя. Выкрашивание обязано своим возникновением циклическим действиям контактных напряжений при наличии смазки. Под действием этих напряжений возникают трещины усталости (рис 4.3). Направление этих трещин совпадает с направлением скольжения. В эти трещины попадает смазка. При перекрытии трещины масло не сжимается и происходит вырыв частицы металла (рис 4.4). Это происходит на ножках зубьев. На головках зубьев масло сначала выдавливается из щели, а потом только щель перекрывается. Разрушение происходит у полюсной линии, так как там однопарное зацепление (нагрузки выше). Для предотвращения выкрашивания зубья должны быть рассчитаны по контактным напряжениям.

Заедание

Рекомендуемые материалы

Заедание сопровождается шумом, вибрацией. На рабочих поверхностях появляются полосы, задиры, неровности. При большой степени заедания зуб выходит из строя. Заедание происходит в тяжело нагруженных и быстроходных передачах, где происходит повышенное выделение тепла. Вязкость смазки снижается, теряется несущая способность смазочного слоя, происходит его прорыв и контакт металлических поверхностей. Это приводит к мгновенному свариванию поверхностей и дальнейшему разрушению мостиков сварки – происходит вырыв частицы зуба.

Методы борьбы: снижение нагрузки в зацеплении, уменьшение скоростей скольжения в контакте, применение противозадирных смазок.

Износ поверхностей

В результате износа происходит изменение формы профиля зуба и нормальная работа зацепления нарушается (рис. 4.5). Износ связан с попаданием абразивных частиц, неудовлетворительной смазкой и т.д. Надёжного расчёта на износ пока нет.

Методы борьбы - повышение твёрдости поверхности, герметизация зацепления, применение оптимальной смазки, фильтрации смазочного материала.

Методика определения допускаемых напряжений в зубчатых передачах

Как известно из предыдущих лекций, допускаемые напряжения определяются по формуле  Поскольку разрушения в зубчатых передачах носят усталостный характер, напряжения определяются по экспериментальным кривым усталости.

Допускаемые контактные напряжения

По оси ординат на кривой усталости откладывается наибольшее напряжение цикла, при котором испытывается образец, по оси абсцисс – число циклов переменных напряжений, которые образец выдержал до разрушения (рис. 4.6). Точка, где кривая фактически переходит в прямую, параллельную оси N_H , является характерной (базовой) точкой, которой соответствует  базовое число циклов переменных напряжений и  базовый предел контактной выносливости поверхностей зубьев.

Уравнение кривой усталости по контактным напряжениям имеет вид

.

Для контакта двух цилиндров по образующей принимают значение m_H =6.

Для любого числа циклов имеем , откуда

.

Обозначим  - коэффициент долговечности при расчётах по контактным напряжениям, тогда для допускаемых напряжений можно записать

где S_H – коэффициент безопасности при расчётах по контактным напряжениям:

S_H =1,1 – для нормализованных, улучшенных и сталей объёмной закалки;

S_H =1,2 – для сталей поверхностной закалки, цементированных, азотированных.

Если по расчёту получают коэффициент K_HL < 1, то принимают K_HL = 1.

Величина s_{H lim b} зависит от вида и твёрдости материала. Расчётные формулы для s_{H lim b} приведены в табл. 1.

         Таблица 1

Расчётное число перемен напряжений определяют по следующим зависимостям:

a) при постоянном режиме работы

N_HE = 60 nct_h ,

где n– частота вращения рассчитываемого колеса,

с – число зацеплений зуба за один оборот рассчитываемого колеса (рис. 4.7), t_h – время работы передачи в часах;

б) при переменном режиме работы

где T_i– один из числа крутящих моментов, которые учитывают при расчёте на выносливость; T₁ – максимальный из моментов, учитываемых при расчёте на выносливость;

n_i и t_hi – соответствующие этим моментам частота вращения и время работы в часах.

При малом числе циклов вводится ограничение

 , а также

1£ К_HL £ 2,6 – для  объёмного упрочнения;

                                                                  1£ К_HL £ 1,8 – для поверхностного упрочнения.

Данные по  приведены в справочниках.

Базовое число циклов N_Hо зависит от твёрдости поверхности зуба и определяется по следующим зависимостям:

a) при HR_c<56 или HB>200;

б) при HR_c>56;

в) при HB<200.

При НВ £ 350 рекомендуется принимать .

Для прямозубых передач, а также для косозубых с небольшой разностью твёрдости зубьев за расчётное принимается меньшее из двух допускаемых напряжений, определённых по материалу шестерни и колеса , то есть  В косозубых передачах с разностью твердости поверхности зубьев шестерни и колеса () принимают

- для цилиндрических;

- для конических передач.

Допускаемые напряжения изгиба

Уравнение кривой усталости по изгибным напряжениям имеет вид

,

 где m_F =6 – для незакалённых колёс; m_F =9 – для закалённых колёс.

Для любой точки кривой  усталости по изгибным напряжениям (рис.4.8) можно записать

  или          .

Обозначим  - коэффициент долговечности при расчётах на изгибную прочность, и получим  выражение для допускаемых напряжений изгиба 

 ,

где S_F – коэффициент безопасности при расчётах на изгибную прочность,

S_F  = 1,7…2,2 (большее значение для литых заготовок);

К_Fс – коэффициент, учитывающий условия работы зубьев.

При работе зубьев одной стороной (односторонняя нагрузка) К_Fс= 1 (рис. 4.9). При работе зубьев двумя сторонами (двусторонняя нагрузка – реверсивные передачи, сателлиты) К_Fс =0,7…0,8 (большее значение для НВ>350).

Для всех сталей базовое число циклов переменных напряжений N_Fo = 4·10⁶.

Расчётное число циклов переменных напряжений при постоянном режиме работы N_FE = 60nct_h .

11 Аксиомы здравомыслия - лекция, которая пользуется популярностью у тех, кто читал эту лекцию.

При переменном режиме нагрузки выражение для расчётного числа циклов будет

.

При малом числе циклов вводится ограничение, а также

1£ К_FL £ 2,08 при НВ £ 350;

1£ К_FL £ 1,63 при НВ > 350.

Так как , то при расчётах используют и .