Механические характеристики некоторых материалов зубчатых колес

Определение механических свойств материалов

Расчет параметров зубчатых колес

Стандартный ряд передаточных отношений редукторов (СТ СЭВ 229-75)

1 ряд		1,25	1,6	2,0	2,5	3,15	4,0	5,0	6,3	8,0
2 ряд	1,12	1,4	1,8	2,24	2,8	3,55	4,5	5,6	7,1	9,0

Основной причиной выхода из строя зубчатых колес является повреждение активных поверхностей зубьев в результате развития усталостного выкрашивания. В расчетах прочности вводят ограничения по контактным напряжениям, допустимые величины которых определяются на основании механических свойств материалов зубчатых колес.

Традиционными материалами, применяемыми для изготовления зубчатых колес являются конструкционные углеродистые и легированные стали (см. табл. 5). В технологическом процессе изготовления зубчатых колес и валов предполагается термическая обработка заготовок, которая изменяет механические свойства их материалов, в частности твердости поверхности НВ или HRC. Так при нормализации («Н») или улучшении («У») твердость заготовки не превышает НВ 350, а при закалке «З» и цементации «Ц» или азотировании поверхности достигается большая твердость НВ > 350 (HRC 56-63). При твердости НВ < 350 с целью улучшения условий контактной прочности принимают материал для шестерни (меньшего по диаметру колеса) на 10-30 единиц выше, чем для колеса.

В процессе термической обработки механические свойства материалов, как правило, неравномерны по толщине заготовки и по этой причине для детали в целом они определяются диаметром ее заготовки (см. таблицу 5).

По марке материала шестерни, приведенной в задании (см. табл. 1), выбираем для шестерни сталь 45 с термообработкой улучшением НВ 240, а для колеса тоже сталь 45 с термообработкой нормализацией (см. табл. 5) НВ 215.

Примем предварительно: для шестерни диаметр заготовки до 100 мм, а для колеса до 400 мм. При этом на основании таблицы 5 имеем:

- для материала шестерни: предел текучести σ_т = 440 МПа, предел прочности σ_в = 780 МПа;

- для материала колеса: предел текучести σ_т = 280 МПа, предел прочности σ_в = 550 МПа.

Таблица 5.

Марка стали	Диаметр заготовки, мм	Предел прочности, МПа	Предел текучести, МПа	Твердость, НВ, (HRC)	Термообработка
Ст	до 100			167-217	Нормализация
100-300
300-500
до 100			207-250	Улучшение
100-300			194-222
300-500			180-207
40Х	до 60			200-230	Нормализация
100-200
200-300
300-600
до 120			253-285	Улучшение
120-150			243-271
150-180			230-257
180-250			215-243
30ХГС	до 60			215-229	Нормализация
100-160
160-250
30ХГТ	до 60			300 (56-63 HRC)	Цементация + закалка + низкий отпуск
60-100			270 (56-63 HRC)
100-150			240 (56-63 HRC)

Рассчитаем допускаемые контактные напряжения для материала шестерни и колеса. Для чего по заданной долговечности t = 55000 час. (см. табл. 1) определяем число рабочих циклов:

- шестерни N_ц1 = 60 ∙ 960 ∙ 55000 = 3,17 ∙ 10⁹;

- колеса N_ц2 = 60 ∙ 192 ∙ 55000 = 0,63 ∙ 10⁹.

При N_ц > 10⁷ принимаем коэффициент долговечности К_HL = 1, в противном случае его определяют по следующей формуле:

.

Коэффициент безопасности [ п ]для колес из нормализованной и улучшенной стали, а также при закалке принимают [ п ]= 1,1 – 1,2, а при поверхностном упрочнении (например, при цементации) [ п ]= 1,2 – 1,3.

Примем [ п ]=1,15.

Допускаемые контактные напряжения для материалов зубчатой передачи определяются по формуле:

,

где: предел контактной выносливости при базовом числе циклов (табл. 6).

Таблица 6

Предел контактной выносливости при базовом числе циклов N_ц = 10⁷

(ГОСТ 2.309-73)

Термическая и термохимическая обработка	Твердость поверхности зубьев	σH lim b, МПа	Сталь
Нормализация и улучшение	≤ 350 НВ	2 НВ + 70	Углеродистая
Объемная закалка	40 – 50 HRC	17 HRC + 100
Поверхностная закалка	40 – 56 HRC	17 HRC + 200
Цементация или нитроцементация	40 – 56 HRC	23 HRC	Легированная
Азотирование	550 – 750 HV
НВ – твердость по Бринелю; HRC – твердость по Роквеллу; HV – твердость по Виккерсу.

По таблице 6 принимаем при НВ ≤ 350НВ = 2 НВ + 70, то

- для шестерни ;

;

- для колеса ;

.

Дата добавления: 2014-12-07