Основные материалами зубчатых колес

Основными материалами зубчатых колес служат термически обра­батывае-мые стали, так как они по сравнению с другими материалами в наибольшей степени обеспечивают контактную прочность и проч­ность зубьев на изгиб. Реже зубчатые колеса выполняют из чугунов и пластмасс.

В зависимости от твердости рабочих поверхностей стальных зубьев различают зубчатые колеса твердостью НВ ^ 350, нормализованные, улучшенные или закаленные, и зубчатые колеса твердостью НВ > 350, закаленные, цементированные, азотированные и цианированные. Чисто­вое нарезание зубьев стальных зубчатых колес твердостью НВ ^ 350 производят после окончательной термообработки. При этом получают довольно высокую точность изготовления зубьев без применения доро­гих отделочных операций (шлифовки, притирки и т. п.). Стальные зубья твердостью НВ < 350 хорошо прирабатываются и не подвержены хруп­кому разрушению при динамических нагрузках. Для лучшей прирабатываемости твердость зубьев шестерни рекомендуется принимать больше твердости зубьев колеса. Благодаря технологическим преимуществам стальные зубчатые колеса твердостью НВ < 350 имеют широкое приме­нение в мало- и средненагруженных передачах, а также в передачах с большими колесами, термическая обработка которых затруднена.

Улучшенные зубчатые колеса изготовляют обычно из качественных углеродистых сталей 35, 40, 45, 50, 50Г и легированных сталей 35Х, 40Х, 40ХН и др. Нормализованные зубчатые колеса небольших размеров выполняют из углеродистой стали обыкновенного качества Ст5, Стб и качественных углеродистых сталей 35, 40, 45 и 50, а больших разме­ров — из углеродистого стального литья 35Л, 40Л, 45Л, 50Л, а также из марганцовистого и низколегированного стального литья различных марок.

Для повышения контактной прочности зубьев и соответственно на­грузочной способности зубчатых передач применяют стальные зубчатые колеса твердостью НВ > 350. С увеличением твердости рабочей поверх­ности зубьев возрастают также износостойкость и сопротивление заеда­нию зубьев. Однако зубья с большой твердостью рабочей поверхности плохо прирабатываются и нуждаются в высокой точности изготовле­ния. Кроме того, их механическая обработка затруднена, для облегче­ния ее эти зубья нарезают до термической обработки. Так как неко­торые виды термообработки вызывают коробление зубьев, то для исправления формы зубьев применяют отделочные операции: шлифов­ку, притирку, обкатку и т. п.

Закалка зубьев может быть объемной, осуществляемой в воде или масле, и поверхностной, осуществляемой для зубчатых колес малых и средних размеров токами высокой частоты (ТВЧ), а для крупных зуб­чатых колес — с нагревом ацетиленовым пламенем. Недостатками объемной закалки являются повышение коробления зубьев и понижение вязкости их сердцевины, вызывающее уменьшение прочности зубьев на изгиб при действии ударных нагрузок. Поэтому объемная закалка во многих случаях заменяется поверхностной закалкой, цементацией, азо­тированием и цианированием.

Зубчатые колеса с повышенной твердостью рабочих поверхностей зубьев изготовляют: закаленные — из углеродистых и легированных ста­лей со средним содержанием углерода (45, 35Х, 40Х, 40ХН, ЗОХНЗА, 40ХН2МА и т. п.); цементированные — из углеродистых и легированных сталей с низким содержанием углерода (15, 20, 15Х, 20Х, 12ХНЗА, 15ХФ, 18ХГТ, 18Х2Н4А и т. п.); азотированные — из легированных сталей 38Х2Ю, 38Х2МЮА; цианированные — из среднеуглеродистых сталей.

Чугуны применяют для изготовления крупногабаритных зубчатых колес тихоходных и в особенности открытых передач, где они могут ра­ботать при бедной смазке, так как чугунные зубья сравнительно хорошо сопротивляются заеданию. Основной недостаток обычных серых чугунов — их пониженная прочность, особенно при ударных нагрузках. Но чугунные зубья сравнительно хорошо сопротивляются выкрашиванию, чугунные зубчатые колеса легче отливать, и они значительно дешевле зубчатых колес из стального литья. Поэтому высокопрочные чугуны широко применяют вместо стального литья для изготовления зубчатых колес закрытых передач. Чугунные зубчатые колеса изготовляют из се­рого чугуна СЧ21, СЧ24, модифицированного чугуна СЧ25, СЧ30, СЧ35, а также из высокопрочного чугуна всех стандартных марок. Для неответственных зубчатых колес применяют серый чугун СЧ15 и СЧ18.

Пластмассы применяют в быстроходных малонагруженных переда­чах. Пластмассовые зубчатые колеса изготовляют главным образом из древеснослоистых пластиков (ДСП), текстолита и полиамидов (нейлона и капрона). Достоинства пластмассовых зубчатых колес по сравнению с металлическими зубчатыми колесами — это способность амортизиро­вать удары при передаче переменных нагрузок и гасить механические вибрации и тем самым обеспечивать бесшумность работы передачи; бо­лее низкий износ зубьев.

Шестерни из текстолита и ДСП применяют обычно в паре с метал­лическими колесами в тех случаях, когда требуется уменьшить динами­ческие нагрузки и шум, а также когда трудно или невозможно добиться точного выполнения или установки деталей передачи. Такие зубчатые колеса широко применяют в передачах небольшой мощности от элек­тродвигателей к различным станкам и в других установках, подшипники валов которых располагаются в отдельных корпусах. Чтобы не по­вредить зубья пластмассовой шестерни кромками зубьев металлическо­го колеса, ширина колеса должна быть больше ширины сопрягаемой пластмассовой шестерни.

Зубчатые колеса из полиамидов широко применяют в приборах и небольших силовых установках. Износ полиамидных зубьев незначи­тельный, и полиамидные зубчатые колеса могут работать без смазки. Так как полиамиды химически устойчивы, то полиамидные зубчатые колеса применяют при работе в агрессивной среде, например в шесте­ренчатых насосах для перекачки химически активных жидкостей.

В некоторых случаях, когда рабочие поверхности зубьев металличе­ских зубчатых колес подвергаются сильному износу, их покрывают тон­ким слоем (0,05...0,5 мм) нейлона. Покрытие осуществляется погруже­нием зубьев, нагретых до температуры плавления нейлона, в порошко­образный нейлон. При этом на поверхности металлических зубьев образуется ровный, тонкий и прочно соединенный с металлом слой не­йлона, не требующий какой-либо последующей обработки. В этом слу­чае комбинируют антифрикционные и износостойкие свойства нейлоно­вого покрытия зубьев с высокой прочностью на изгиб металлических зубчатых колес.

На рис. 12.11... 12.13 представлены типовые конструкции металличе­ских зубчатых колес. Стальные шестерни с диаметром вершин зубьев d_a ^ 2d_R (d_B — диаметр вала шестерни) обычно изготовляют как одно целое с валом (рис. 12.11, а). Зубчатые колеса небольшого диаметра (d_a ^ 200 мм) выполняют в виде сплошных дисков без ступицы (рис. 12.11,6) или со ступицей (рис. 12.11, в). Стальные зубчатые колеса такой конструкции изготовляют из проката (при d_a^\50 мм) или из поковок. Зубчатые колеса средних диаметров (d_a < 500...700 мм) выпол­няют с дисками облегченной формы (рис. 12.12). Для уменьшения массы зубчатых колес толщину диска принимают значительно меньшей ши­рины обода. Кроме того, в дисках между ободом и ступицей предусма­тривают круглые отверстия для удобства крепления зубчатых колес на станках при обработке. Стальные зубчатые колеса с облегченными ди­сками изготовляют коваными с последующей обточкой дисков (рис. 12.12, а, б), штампованными, сварными (рис. 12.12, в) и литыми. Зуб­чатые колеса большого диаметра (при d_a > 500 мм) выполняют литыми, с дисками облегченной формы (одним или двумя), со спицами кресто­образного (рис. 12.13, а) или двутаврового сечения (рис. 12.13,6). Для экономии легированных сталей большие зубчатые колеса изготовляют бандажированными (рис. 12.13,в): обод (бандаж) из легированной стали с зубьями насаживают с натягом на чугунный (реже стальной) диск.

Зубчатые колеса из текстолита и ДСП изготовляют из пластин этих материалов, которые склеивают друг с другом, заключают между стальными дисками и склепывают (рис. 12.14, а) или скрепляют болтами (рис. 12.14,6). В некоторых случаях текстолитовые зубчатые колеса изго­товляют цельнопрессованными или с металлической втулкой, как, на­пример, шестерни распределительных механизмов двигателей внутрен­него сгорания (рис. 12.14,^).

Зубчатые колеса из полиамидов (нейлоновые и капроновые) изгото­вляют отливкой под давлением. Они могут быть цельными или со­ставными. Для уменьшения изменения линейных размеров полиамидно­го зубчатого колеса от нагрева при работе (полиамиды обладают низкой теплопроводностью) или изменения влажности окружающего воздуха (содержание влаги в полиамидах зависит от влажности окру­жающего воздуха) из полиамида изготовляют лишь зубчатый венец.