Проектировочный расчет на контактную выносливость

Проектировочный расчет

По заданию, исходя из указанных выше факторов, выбираем материалы и термообработку зубчатых колес.

Выбор материалов и способы термообработки зубчатых колес рекомендуется производить в зависимости от мощности на выходе (N_ВЫХ).

1.1. Если N_ВЫХ < 4 кВт

Материал зубчатых колес – Сталь 45, 40Х.

Термообработка:

шестерни – улучшение, нормализация, твердость Н₁ = (269…262)НВ;

колеса – улучшение, нормализация, твердость Н₂ = (235…262)НВ.

1.2. Если N_ВЫХ = 4…8 кВт

Материалы зубчатых колес – Сталь 40Х, 40ХН.

Термообработка:

шестерни – закалка, твердость Н₁ = (40…60)HRC;

колеса – улучшение, твердость Н₂ = (269…302)НВ.

1.3. Если N_ВЫХ = 8…15 кВт

Материалы зубчатых колес – Сталь 40Х, 40ХН.

Термообработка:

шестерни и колеса – закалка, твердость Н₁ = Н₂ (40…60)HRC.

1.4. Если N_ВЫХ > 15 кВт

Материалы зубчатых колес – Сталь 20ХН2М, 12ХН2, 12ХН3А, 8ХГГ, 25ХГНМ.

Термообработка:

шестерни и колеса – цементация, твердость Н₁ = Н₂ (54…64)HRC;

колеса – нитроцементация, азотирование, твердость Н₁ = Н₂ (550…750)HV.

Примечание: Соотношения между числами твердости, определенной различными методами, приведены в приложении 1.

Минимальное число зубьев зубчатых колес, выполненных без смещения, для предотвращения подрезания принимается равным z _min = 17. Вы­би­раем коэффициент ширины зуба: из ряда 0,1; 0,15; 0,2; 0,25; 0,315; 0,4; 0,5; 0,63; 0,8; 1,0; 1,25 придерживаясь, следующих рекомендаций:

Расположение колес относительно опор
Симметричное	0,4-0,5
Несимметричное	0,315-0,4
Консольное	0,2-0,25

Коэффициент ширины зуба по диаметру определяем по формуле:

= (3.1)

Полученное значение можно уточнить:

Твердость материалов зубчатых колес	Расположение колес относительно опор
Н1 £ НВ 350 и Н2 £ НВ 350 или Н2 ³ НВ 350	При симметричном	0,8…1,4
При несимметричном	0,6…1,2
При консольном	0,3…0,4
Н1 > НВ 350 и Н2 > НВ 350	При симметричном	0,4…0,9
При несимметричном	0,3…0,6
При консольном	0,2…0,25

Расчет на контактную выносливость зубьев служит для предотвращения усталостного выкрашивания активных поверхностей зубьев. Но следует отметить, что после проектировочного расчета необходимо выполнить уточненные проверочные расчеты.

Определяем межосевое расстояние из условия контактной выносливости активных поверхностей зубьев по формуле, мм:

, (3.2)

где «+» для внешнего зацепления, «–» для внутреннего зацепления;

K_a – вспо­мо­гательный коэффициент;

T _{2 H} – вращающий момент на валу колеса, Нм;

u – передаточное отношение;

– коэффициент, учитывающий неравно­мерность распределения на­груз­­ки по длине контактных линий;

– коэффициент шири­ны зуба;

– допускаемое контактное напряжение, МПа.

Вспомогательный коэффициент K_a принимают по табл. 3.1:

Таблица 3.1

Значения коэффициента K_a

Вид колес	Ka
Материалы шестерни и колеса
Сталь-сталь	сталь-чугун	сталь-бронза	чугун-чугун	текстолит-сталь	ДСП- сталь	полиамид (капрон) – сталь
Прямозубые
Косозубые и шевронные

Коэффициент , учитывающий неравномерность распределения нагрузки по длине контактных линий, принимают в зависимости от параметра , схемы передачи и твердости активных поверхностей зубьев по графику, представленному на рис. 3.1.

Допускаемые контактные напряжения определяют раздельно для шестерни и колеса по формуле, МПа:

, (3.3)

где – предел контактной выносливости, соответствующий базовому числу циклов напряжений, МПа;

S_H – коэффициент запаса прочности;

Z_N – коэффициент долговечности;

Z_R – коэффициент, учитывающий шероховатость сопряженных поверхнос­тей зубьев;

– коэффициент, учитывающий окружную скорость;

Z_L – коэффициент, учитывающий влияние вязкости масла;

Z_X – коэффициент, учитывающий размер зубчатого колеса.

В проектировочном расчете = 0,9.

В качестве допускаемого контактного напряжения для прямозубой передачи при проектировочном расчете принимают допускаемое напряжение того зубчатого колеса (шестерни или колеса), для которого оно меньше.

В качестве допускаемого контактного напряжения для косозубой и шевронной передачи при проектировочном расчете принимают условное допускаемое контактное напряжение, определяемое по формуле: = . При этом должно выполняться условие: < 1,23 , где – меньшее из значений и . В противном случае принимают = .

Предел контактной выносливости , соответствующий базовому числу циклов напряжений, принимают по таблице 3.2.

 

Рис. 3.1. График для определения коэффициента

Таблица 3.2

Предел контактной выносливости при базовом числе циклов

Способ термической и химико-термической обработки зубьев	Средняя твердость поверхности зубьев	Сталь	Формула для расчета значений
Отжиг, нормализация или улучшение	Менее НВ 350	Углеродистая и легированная	=
Объемная и поверхностная закалка	HRC 38…50	=
Цементация и нитроцементация	Более HRC 56	Легированная	=
Азотирование	HV 550…750	= 1050

При отсутствии необходимых фактических данных можно применить следующие минимальные коэффициенты запаса прочности S_H:

– для зубчатых колес, выполненных из материала однородной структуры, принимаем S_{H min} = 1,1;

– для колес с поверхностным упрочнением зубьев S_{H min} = 1,2;

– для передач, выход из строя которых связан с тяжелыми последст­вия­ми, значения минимальных коэффициентов запасов прочности следует увеличить до S_{H min} = 1,25 и S_{H min} = 1,35 соответственно.

Коэффициент долговечности Z_N, принимают в зависимости от отношения суммарного и базового числа циклов перемены напряжений в зубьях N_K / N_{H lim} по графику, представленному на рис 3.4 или по следующим формулам:

Z_N = при , но не более 2,6 для однородной структу­ры материала и 1,8 для поверхностного упрочнения;

Z_N = при N_K > , но не менее 0,75 (при использовании метода эквивалентных циклов вместо N_K подставляют N_НE),

где N_{H lim} – базовое число циклов перемены напряжений;

N_К – суммарное число циклов перемены напряжений;

N_не – эквивалентное число циклов перемены напряжений.

Суммарное число циклов перемены напряжений N_К при постоянной нагрузке определяется следующим образом:

, (3.4)

где с – число зубчатых колес, сцепляющихся с рассчитываемым зубчатым колесом, n – частота вращения, рассчитываемого зубчатого колеса, об/мин, t – срок службы передачи, в часах.

Если не задано конкретное число часов работы передачи, а задан срок работы передачи в годах, то t определится по формуле:

(3.5)

где L – срок службы в годах, К_ГОД, К_СУТ – коэффициенты использования передачи в течение года и суток соответственно.

При нагрузках, изменяющихся во времени вместо N_К используется эквивалентное число циклов перемены напряжений N_не.

N_не можно определить по формуле: N_НЕ = , где коэффициент учитывает характер циклограммы нагружения. Для упрощенных расчетов можно учитывать только ту часть циклограм­мы, в которой число циклов нагрузки не более .

При этом для ступенчатой циклограммы (рис. 3.2):

. (3.6)

При плавном характере циклограммы:

. (3.7)

При уточненных расчетах для постоянной частоты вращения и невысоких значений динамической добавки при коэффициент определяют по формуле:

, (3.8)

где i_n - полное число ступеней нагрузки в циклограмме.

Допускается приведение реальной циклограммы к одному из типовых режимов нагружения. При этом эквивалентное число циклов находится по формуле:

, (3.9)

где значения коэффициента для различных режимов нагружения:

Режим нагружения

Тяжелый…………………………………………………………………….. 0,466

Средний равновероятностный…………………………………………….. 0,250

Средний нормальный……………………………………………………… 0,185

Легкий………………………………………………………………………. 0,060

а)	б)
Рис. 3.2 Циклограммы моментов и скоростей в зацеплениях для шестерни и колеса

Базовое число циклов перемены напряжений определяется по графику, представленному на рис. 3.3, или по формуле:

. (3.10)

Используя все найденные параметры, определяется межосевое расстояние. Полученное межосевое расстояние при необходимости округляется до стандартного значения:

РЯД 1 – 40, 50, 63, 80, 100, 125, 160, 200, 250, 315, 400

РЯД 2 – 71, 90, 112, 140, 180, 225, 280, 355, 450

Значения первого ряда следует предпочитать значениям второго.

	, млн. циклов

Рис. 3.3. График для определения базового числа циклов перемены напряжений

N_К/N_{H lim}

Z_N

  Рис. 3.4. График для определения коэффициента Z_N

Дата добавления: 2015-07-13