|
D. S. Silantiev, I. I. Vedernikova
INCREASING THE SERVICE LIFE OF GEARS
Keywords:
gear, tooth, hardness, quenching, microhardness.
Abstract:
The object of research is the problem of increasing the service life of gear teeth,
the use of various schemes to increase their microhardness.
Зубчатые колеса являются сложными деталями, включающими зубья, обод, диск и
ступицу. Наиболее рационально при проектировании создание деталей, которые бы бы-
ли равнозначны в работоспособности, например, равнопрочные.
©
120
Силантьев Д. С., Ведерникова И. И., 2020
Проблемы износа в машинах и механизмах
________________________________________________________________________________
433
Недостаточная твердость, также как неоднородность твердости по профилю в
области пятна контакта сокращает срок службы зубчатого колеса из-за низкой несу-
щей способности, преждевременного износа, изгибной и контактной усталости зуба,
выкрашивания и расщепления. Они могут привести даже к определенной пластиче-
ской деформации зубьев.
Сквозная закалка зуба шестерни с твердостью более 60HRC также делает зуб
слишком хрупким и приводит к его преждевременному разрушению. Глубина зака-
ленного слоя должна быть не слишком большой и не слишком маленькой, для того
чтобы обеспечить требуемые свойства зуба.
Существует распространенное заблуждение, что одинаковая толщина закалки
по всему профилю является лучшим вариантом для всех случаев закалки зубчатого
колеса. Это мнение неверно. Во многих случаях, определенное изменение толщины
закаленного слоя по профилю зуба может обеспечить лучшие характеристики зубча-
того колеса. Способ нагрузки колеса (случайная, прерывистая или постоянная) влияет
на тип колеса, геометрию зуба и профиль закаленного слоя. Нагрузки продолжитель-
ностью до 30 минут в день считаются случайными. Нагрузки продолжительностью
несколько минут в час считаются прерывистыми. Постоянные нагрузки составляют от
10 до 24 часов.
Закалка рабочей поверхности зуба использовалась со второй половины 40-ых го-
дов для закалки зубчатых колес большого размера (модули восемь и выше). В этом слу-
чае закалке подлежит головка и рабочая поверхность зуба до переходной кривой. Это
обеспечивает требуемую износостойкость, но типичным при таком варианте закалки яв-
ляется разрушение из-за изгибной усталостной потери прочности в районе основания и
переходной кривой зуба. В области перехода от закаленного к незакаленному состоянию
остаточные напряжения изменяются от сжимающих в закаленной области к растягива-
ющим в незакаленной. Максимальные растягивающие остаточные напряжения располо-
жены ниже конца закаленной области. Сочетание прикладываемых и остаточных растя-
гивающих напряжений создает благоприятные условия для раннего развития трещин у
основания зуба или в районе переходной кривой, особенно для тяжелонагруженных зуб-
чатых колес.
Закалка рабочей поверхности и тела зуба имеет тот же недостаток, что и выше-
упомянутый вариант – низкую нагрузочную способность – и может применяться там,
где главной целью закалки является повышение износостойкости. Варианты закалки
всего зуба и впадины, закалки по контуру с различной глубиной и закалки по контуру
с одинаковой глубиной дают лучшие результаты в условиях комбинированных нагру-
зок (износ, разрывные и изгибающие напряжения).
При закалке головки зуба достигается минимальное искажение формы зубчато-
го колеса. Кроме этого, применение зубчатых колес, закаленных таким способом
чрезвычайно ограничено, поскольку две очень важных области зуба (рабочая поверх-
ность и переходная кривая) не закалены. Действительно, в случае неблагоприятного
остаточного внутреннего напряжения изгибная усталостная прочность зубчатого ко-
леса, закаленного этим способом, так же как способами закалки рабочей поверхности
зуба и закалки рабочей поверхности и тела зуба, может быть даже на 25 % ниже, чем
у вообще не закаленных ("зеленых") зубчатых колес [4]. В большинстве случаев вари-
анты закалки по контуру с различной глубиной и закалки по контуру с одинаковой
глубиной являются лучшими.
НАДЕЖНОСТЬ И ДОЛГОВЕЧНОСТЬ МАШИН И МЕХАНИЗМОВ
________________________________________________________________________________
434
При закалке впадины (переходной кривой) максимальные изгибающие напря-
жения локализованы в области переходной кривой зуба; поэтому этот вариант обес-
печивает хорошее упрочнение переходной кривой и основания зуба в сочетании с
упрочнением поверхности, удовлетворительной глубиной закаленного слоя и сжима-
ющими остаточными напряжениями. Основание зуба существенно усиливается. Та-
ким образом, максимальные остаточные растягивающие напряжения смещаются из
области основания зуба и переходной кривой в глубину, где остаточные растягиваю-
щие напряжения не будут суммироваться с прикладываемыми во время работы растя-
гивающими напряжениями и вызывать изгибающие усталостные разрушения.
Вариант закалки всего зуба и впадины является одним из самых распростра-
ненных, особенно для зубчатых колес небольших размеров и цепных колес. Так как
тело зуба прокалено насквозь, закалка может послужить причиной появления рас-
трескиваний. Кроме того, существует опасность излома зубчатого колеса с прокален-
ными зубьями, особенно при ударных нагрузках. Сердцевина должен быть способна
противостоять динамическим нагрузкам и предотвращать пластическую деформацию
зубьев. Она должна также обладать некоторой растяжимостью. Именно для этих це-
лей часто применяется низкотемпературное искусственное старение. Прочность серд-
цевины измеряется ее твердостью. Низкотемпературное искусственное старение по-
нижает конечную твердость до диапазона 52 - 58HRC и придает некоторую пластич-
ность и вязкость зубьям. Этот вариант дает хорошую износостойкость и устойчивость
к выкрашиванию.
Варианты закалки по контуру с различной глубиной и закалки по контуру с
одинаковой глубиной широко распространены для зубчатых колес средних размеров
различного применения. При закалке по контуру с различной глубиной глубина зака-
ленного слоя основания зуба обычно составляет 30 - 40 % от высоты зуба. Немного
большая глубина закалки по делительной окружности зуба, по сравнению с глубиной
в основании, выгодна для предотвращения растрескивания и выкрашивания. Очень
важно закалить зубчатое колесу по периметру, включая рабочую поверхность и осно-
вание. Закалка зуба по всей рабочей поверхности приводит к повышению износо-
устойчивости зубчатого колеса. Это также приводит к появлению желательных сжи-
мающих напряжений на поверхности зубчатого колеса. Поскольку зубья в этом слу-
чае не подвергаются сквозному прокаливанию, относительно пластичная сердцевина
зуба (от 30 до 44HRC) и твердая поверхность (от 56 до 62HRC) обеспечивают хоро-
шее сочетание требуемых прочностных свойств зуба, таких как высокая износостой-
кость, вязкость и изгибная прочность, что способствует увеличению долговечности
зубчатого колеса.
Закалка рабочей поверхности зуба и впадины является одним из самых попу-
лярных при использовании индукционного нагрева для закалки зубчатых колес боль-
ших размеров и ведущих шестерен (то есть, зубчатых колес с наружным диаметром
300 мм и более) с крупными зубьями (модуль больше, чем восемь). Этот вариант
обеспечивает хорошую комбинацию износостойкости и усталостной прочности ме-
талла, так же как и стойкость к ударным нагрузкам и износу за счет адгезионного вза-
имодействия (трение). Это очень важно для тяжелонагруженных зубчатых колес и ве-
дущих шестерен, испытывающих значительные ударные нагрузки. Этот вариант ре-
комендуется для случаев, когда поверхностная твердость не должна быть очень высо-
кой (обычно в диапазоне от 55 до 59HRC). Если поверхностная твердость выходит за
Do'stlaringiz bilan baham: |
