Материалы для изготовления зубчатых колес

Материал зубчатых колес выбирают в зависимости от назначения и условий эксплуатации последних, передаваемых ими нагрузок, скоростей вращения и т.п. При выборе марки стали необходимо учитывать следующие требования: низкую стоимость материала, хорошую обрабатываемость резанием, минимальное коробление при закалке и три основных эксплуатационных показателя – высокую прочность, долговечность работы и повышенную стойкость к износу.

Для большинства зубчатых передач комбайнов, тракторов, автомобилей и других сельскохозяйственных машин, передающих большие нагрузки, лимитирующими факторами являются: прочность зубьев – сопротивление на изгиб, стойкость поверхности профиля зубьев против усталостного разрушения (питтинга) и изнашивание зубьев. Может лимитировать один из указанных факторов, но тогда все три фактора имеют почти одинаковые значения.

Для производства зубчатых колес наиболее широко применяют следующие стали:

углеродистые – 40, 50, 45;

хромистые – 20Х, 35Х, 40Х, 50Х;

хромоникелевые – 12ХН3А, 12Х2Н4А, 20ХН;

хромомарганцевые – 18ХГ, 18ХГТ, 25ХГТ, 30ХГТ;

хромомолибденовые – 20ХМ, 30ХМ.

Кроме того, литые стальные колеса изготовляют из углеродистой стали 40Л, 50Л, а зубчатые колеса малонагруженных передач сельскохозяйственных машин из чугуна СЧ18. При малых нагрузках зубчатые колеса также могут изготовляться из текстолита, капрона и других неметаллических материалов.

Известно, что для повышения прочности и износостойкости в стали добавляют один или несколько легирующих элементов. Хром является одним из наиболее универсальных и широко применяемых легирующих элементов. Хром усиливает действие углерода, повышает твердость, стойкость к износу и прокаливаемость при термической обработке. Никель увеличивает ударную прочность, предел упругости и прочность стали на разрыв.Прочная и вязкая поверхность никелевых сталей обеспечивает высокую стойкость к усталости и износу. Никелевые стали хорошо подвергаются цементации, никель уменьшает деформацию и обеспечивает хорошие свойства сердцевины. Марганец повышает прочность, износостойкость, а также глубину прокаливаемости. Молибден увеличивает прокаливаемость сталей при температурах отпуска.

Легированные стали с содержанием хрома, никеля, молибдена,марганца применяютдля изготовления высоконагруженных зубчатых колес. Наилучшие свойства в готовом зубчатом колесе получаются после цементации. Содержание углерода в цементируемых сталях обычно колеблется от 0,15 до 0,25 %. Стали с низким содержанием углерода дают максимальную вязкость зубьев, а с высоким содержанием углерода – максимальную прочность сердцевины. Глубина цементованного слоя зубчатых колес составляет 1…2 мм.

Хромоникелевые, хромомарганцевые и хромомолибденовые стали широко используют при изготовлении зубчатых колес автомобилей.

Технические требования к зубчатым колесам

Требования устанавливаются в зависимости от служебного назначения зубчатых передач и в основном определяются степенью точности колес.

Различают два вида передач: силовые и кинематические.

Основные требования к силовым передачам – износостойкость, плавность и бесшумность работы передач. Чем выше окружные скорости колес, тем точнее они должны быть сделаны, так как в противном случае будут большой износ и шум.

Связь степени точности и параметра шероховатости Ra поверхности зуба зубчатого колеса в зависимости от его окружной скорости показана в табл. 1.

Зависимость степени точности и Ra от окружной скорости

Окружная скорость, м/с	Степень точности	Ra, мкм
До 2,5	8/-	(2,5…1,25)/-
2,5…6,0	7/8	(1,25…0,63)/(1,25…0,63)
6,0…16	6/7	(1,25…0,63)/(1,25…0,63)
16…40	5…6/6	(0,63…0,32)/(1,25…0,63)
Примечание. В числителе данные для прямозубых колес, в знаменателе – для косозубых.

Стандарт устанавливает 12 степеней точности цилиндрических зубчатых колес (в порядке убывания точности): 1, 2, 3, …, 12.

Для 1, 2-й степеней допуски стандартом не предусматриваются. Для каждой степени точности предусматривают следующие нормы:

— кинематической точности колеса, определяющие полную погрешность угла поворота зубчатых колес за один оборот;

— плавности работы колес, определяющие составляющую полной погрешности угла поворота зубчатого колеса, многократно повторяющейся за один оборот колеса;

— контакта зубьев, определяющие отклонения относительных размеров пятна контакта сопряженных зубьев в передаче.

Независимо от степени точности колес установлены нормы бокового зазора (виды сопряжений зубчатых колес). Существуют шесть видов сопряжений зубчатых колес в передаче, которые в порядке убывания гарантированного бокового зазора обозначаются буквами A, B, C, D, E, H, и восемь видов допуска на боковой зазор: x, y, z, a, b, c, d, h.

В соответствии со стандартом, точность зубчатых колес может быть определена как комплексными, так и дифференцированными показателями.

В технической документации точность изготовления зубчатых колес и передач задают степенью, указывают вид сопряжения по нормам бокового зазора. Например:

8 –7 – 6 – Ва ГОСТ 1643-81 – передача со степенью 8 — по нормам кинематической точности, степенью 7 — по нормам плавности работы, степенью 6 — по нормам контакта зубьев, с видом сопряжения колес В, видом допуска а на боковой зазор.

7 – С ГОСТ 1643-81 – передача со степенью точности 7 по всем трем нормам, с видом сопряжения колес С и соответствием между видами сопряжения и допуска на боковой зазор.

Точность зубчатых колес и передач нормируют различными показателями, выбор которых зависит от требуемой точности, размера, особенностей производства и др. факторов.

В тракторах применяются зубчатые колеса 6…8 степени точности, в легковых автомобилях – 5…8, в грузовых – 7…9, в сельскохозяйственных машинах – 8…11, в редукторах общего назначения – 6…8.

Принцип построения системы допусков зубчатых конических червячных цилиндрических передач аналогичен принципу построения системы для цилиндрических передач.

Непосредственный контроль зубчатых колес и передач по всем показателям установленного комплекса не является обязательным, если изготовитель гарантирует выполнение соответствующих требований стандарта существующей у него системой контроля точности производства.

Посадочные места зубчатых колес изготовляются с полем допуска Н7 и шероховатостью поверхности Rа = 0,8…0,4 мкм. Посадочные шейки валов зубчатых колес выполняют с полем допуска k6, j_S6, h6 и шероховатости поверхности Rа = 0,4…0,2 мкм. Остальные размеры колес задаются по h8…h12 и шероховатостью поверхности Rа = 25…12,5 мкм.

Допуск торцового биения или, что то же самое, допуск перпендикулярности ступиц относительно оси отверстия не более 0,03 мм; допуск параллельности торцов ступицы между собой не более 0,03 мм.

В результате термической обработки твердость рабочих поверхностей зубьев цементируемых зубчатых колес должна быть в пределах 45…60 HRC при глубине слоя цементации 1…2 мм. При цианировании твердость 42…53 HRC, глубина слоя должна быть в пределах 0,5…0,8 мм.

Твердость незакаливаемых поверхностей обычно находится в пределах 180…270 НВ.

При выборе материала зубчатых колес, необходимо учесть следующие факторы:

1. Назначение передачи.

2. Условия ее работы.

3. Требования технологии.

4. Оборудование, на котором будут производиться зубчатые колеса.

5. Себестоимость.

6. Доступность материала.

8. Требования по термической обработке (ТО) или химико-термической обра­ботке (ХТО).

9. Передаваемая мощность и д.р.

10. Способ получения заготовки зубчатых колес. Заготовки зубчаты колес могут быть получены ковкой, штамповкой и литьем.

Для изготовления зубчатых колес в основном применяются, стали – конструкционные или легированные, чугуны, неметаллические материалы и крайне редко сплавы цветных металлов. Они (стали) отличаются содержанием углерода. Стали можно подвергнуть ТО или ХТО. При содержании углерода — С  0,35% , ТО – улучшение, нормализация. Твердость НВ350. Объемной и поверхностной закалке подвергаются, стали с содержанием углерода, 0,4…0,5%, например, стали марок: 45, 50, 50Г, 40Х, 40Хн, 45ХН, 40ХН4А и д.р. Твердость при закалке 40…50НRC .

Материал колес, может быть, подвергнут ХТО: цементации, азотированию, цианированию.

Стали с ТО – улучшение, нормализация, закалка (объемная), имеют однородную структуру, при применении поверхностной закалки и ХТО всех видов имеем неоднородную структуру материалов.

Для колес с твердостью активных поверхностей зубьев НВ>350 используется сталь марок 40, 45, 50, 50Г, 35Х, 40Х, 45Х, 40ХН, 45ХН, 35ХМА, 30ХН3А, 35ХМ и д.р.

Цементация зубьев с последующей закалкой дает высокую твердость поверхностей зубьев, их твердость до 55…63 НRC при достаточно мягкой сердцевине. При этом используются стали с содержанием углерода 0,12…0,3%, марок: 15, 20, 15Х, 20ХР, 12ХН3, 12Х2Н4А, 12ХН3А, 20ХН3А, 18НГТ, 18ХНВА, 18ХН3А, 18ХФ и д.р. После цементации необходимо применять доводочные операции, например шлифование.

Цианирование также дает высокую поверхностную твердость (60…63НRC), но получаемый твердый слой имеет небольшую толщину. Применяются, стали марок 20Х, 35Х, 40Х, 30ХГТ, 20ХГТ и д.р. Цианирование является финишной операцией.

Азотирование обеспечивает высокую поверхностную твердость, но полученный твердый слой имеет небольшую толщину, что делает опасным подслойные разрушения. Азотирование является также финишной операцией. Для азотированных зубчатых колес обычно применяются, стали марок: 38ХМЮА, 35ХЮА, 38ХВФЮ, 30ХН2МФА, 45Х2Н2МФЮА и д.р.

Чугуны обладают хорошими литейными качествами и являются наиболее дешевым материалом. Колеса, выполненные из чугуна, хорошо прирабатываются, поэтому шум, возникающий при работе передачи, меньше, чем у передач со стальными колесами. Для открытых передач, при спокойном режиме работы применяется серый чугун СЧ 18-36 и СЧ 21- 40. При окружных скоростях до 4…5 м/с рекомендуется применять модифицированный чугун марок СЧ 28-48 и СЧ 32-52, а также высокопрочный чугун марок ВЧ 45-5 и ВЧ 40-10.

Для изготовления зубчатых колес применяются неметаллические материалы. Данный вид материала применяется в малонагруженных, скоростных передачах и изделиях бытовой техники.

Материалы зубчатых колес

Выбор материала зубчатых колес зависит от назначения передачи и условия ее работы, а также габаритных размеров. При этом необходимо обеспечить контактную и изгибную прочность зубьев колес, сопротивление заеданию и изнашиванию.

Чаще всего для изготовления зубчатых колес применяют стали, реже – чугуны и пластмассы. Еще реже для изготовления зубчатых колес используют другие материалы — цветные металлы, и даже камень и дерево.

Зубчатые колеса из стали

Основными материалами для изготовления зубчатых колес силовых передач служат термически обрабатываемые стали. В зависимости от твердости рабочих поверхностей зубьев после термообработки зубчатые колеса можно условно разделить на две группы.

Первая группа – зубчатые колеса с твердостью поверхностей зубьев Н ≤ 350 НВ. Материалами для колес этой группы служат углеродистые стали марок 40, 45, 50Г, легированные стали марок 40Х, 45Х, 40ХН и др.
Термообработку – улучшение, нормализацию – производят до нарезания зубьев. Твердость сердцевины зуба и его рабочей поверхности для улучшенных колес одинакова. Колеса при твердости поверхностей зубьев Н ≤ 350 НВ хорошо прирабатываются и не подвержены хрупкому разрушению.
Применяют зубчатые колеса первой группы в слабо- и средненагруженных передачах. В настоящее время область применения улучшенных зубчатых передач сокращается.

Твердость шестерни прямозубой передачи рекомендуется принимать на 25…30 НВ больше твердости колеса. Это способствует прирабатываемости, сближению долговечности шестерни и колеса, повышению сопротивления заеданию зубчатых колес.

Для косозубых передач твердость рабочих поверхностей зубьев шестерни желательна по возможности большая, поскольку с ее ростом увеличивается несущая способность передачи по критерию контактной прочности.

Если в прямозубой передаче в процессе зацепления пары зубьев контактная линия зацепления движется параллельно основанию зуба, то в косозубой передаче контактная линия зацепления наклонена к основанию зуба и проходит одновременно по поверхностям головки и ножки зубьев.
Ножки зубьев обладают меньшей стойкостью против выкрашивания, чем головки, так как у них неблагоприятное сочетание направления скольжения и перекатывания зубьев. Следовательно, ножка зуба колеса, работающая с головкой зуба шестерни, начнет выкрашиваться в первую очередь. При этом вследствие наклона контактной линии нагрузка (полностью или частично) передается на головку зуба колеса, работающую с ножкой зуба шестерни. Слабая ножка зуба колеса разгружается, и выкрашивание уменьшается.
Дополнительная нагрузка ножки зуба шестерни не опасна, поскольку она изготовлена из более стойкого материала. Применение высокотвердой шестерни позволяет дополнительно повысить нагрузочную способность косозубых передач до 30%.

Повышение твердости достигают применением различных методов поверхностного упрочнения.

Вторая группа – колеса с твердостью рабочих поверхностей Н > 45 HRC (Н > 350 НВ). При Н > 350 НВ твердость материала измеряется по шкале HRC (1 HRC = 10 НВ). Высокая твердость поверхностных слоев материала при сохранении вязкой сердцевины достигается применением поверхностного термического или химико-термического упрочнения: поверхностной закалки, цементации и нитроцементации с закалкой, азотирования.

Поверхностная закалка зубьев с нагревом токами высокой частоты (ТВЧ) в течение 20…50 с целесообразна для зубчатых колес с модулем более 2 мм. При малых модулях мелкий зуб прокаливается насквозь, что приводит к его короблению и делает зуб хрупким.
Для закалки ТВЧ применяют стали марок 45, 40Х, 40ХН, 35ХМ. Твердость на поверхностях зубьев Н = 45…53 HRC.

Цементация – длительное поверхностное насыщение углеродом на глубину 0,3 m (модуля зацепления) с последующей закалкой. Наряду с большой твердостью (Н = 56…63 HRC) поверхностных слоев цементация обеспечивает и высокую прочность зубьев на изгиб.
Для цементации применяют стали марок 20Х, 12ХНЗА, 18ХГТ.

Азотирование (насыщение азотом) обеспечивает особо высокую твердость (Н = 58…65 HRC) поверхностных слоев зубьев. Оно сопровождается малым короблением и позволяет получить зубья высокой точности без доводочных операций.
Азотированные колеса не применяют при ударных нагрузках (из-за опасности растрескивания тонкого упрочненного слоя толщиной 0,2…0,3 мм) и при работе в загрязненной абразивом среде (из-за опасности истирания).
Для азотируемых колес применяют стали марок 38Х2МЮА, 40ХНМА.

Нитроцементация – насыщение поверхностных слоев зубьев углеродом и азотом с последующей закалкой – обеспечивает им высокую прочность, износостойкость и сопротивление заеданию. Процесс нитроцементации протекает с достаточно высокой скоростью. В связи с тем, что толщина насыщенного слоя и деформации малы, последующее шлифование зубьев не применяют.

Зубья колес с твердостью Н > 45 HRC нарезают до термообработки. Отделку зубьев производят после термообработки.
Передачи с твердыми (Н > 45 HRC) рабочими поверхностями зубьев плохо прирабатываются, и обеспечивать в таких передачах разность твердости зубьев шестерни и колеса не требуется.

Выбор марок сталей для зубчатых колес

Без термической обработки механические характеристики всех сталей близки, поэтому применение легированных сталей без термообработки нерационально ввиду их более высокой стоимости.
Прокаливаемость сталей различна: высоколегированных – наибольшая, углеродистых – наименьшая. Стали с плохой прокаливаемостью при больших сечениях заготовок нельзя термически обработать до высокой твердости. Поэтому марку стали для зубчатых колес выбирают с учетом размеров их заготовок (поковок). Окончательно решить вопрос о пригодности заготовки можно после проведения прочностных расчетов и определения геометрических размеров зубчатой передачи.

На рис. 1, а – в показаны эскизы заготовок червяка, вала-шестерни и колеса с выемками.

Характеристики механических свойств сталей, применяемых для изготовления зубчатых колес, после термообработки приводятся в справочных таблицах.

При поверхностной термической или химико-термической обработке зубьев механические характеристики сердцевины зуба определяет предшествующая термическая обработка (улучшение).

Характеристики сталей зависят не только от химического состава и вида термообработки, но и от предельных размеров заготовок.

Расчетные размеры заготовки D_заг и S_заг (рис. 1) не должны превышать предельных значений D и S , приводимых в справочных таблицах для данного вида стали.

Применяют следующие стали и виды термической обработки (ТО):

I – марки сталей одинаковы для колеса и шестерни: 45, 40Х, 40ХН, 35ХМ. ТО колеса – улучшение, твердость 235…262 НВ. ТО шестерни – улучшение, твердость 269…302 НВ.

II – марки сталей одинаковы для колеса и шестерни: 40Х, 40ХН, 35ХМ. ТО колеса – улучшение, твердость 235…262 НВ, ТО шестерни – улучшение с последующей закалкой ТВЧ, твердость 45…50 HRC, 48…53 HRC и др. (зависит от марки стали).

III – марки сталей одинаковы для колеса и шестерни: 40Х, 40ХН, 35ХМ. ТО колеса и шестерни одинакова – улучшение с последующей закалкой ТВЧ, твердость 45…50 HRC, 48…53 HRC и др. (зависит от марки стали).

IV – марки сталей различны для колеса и шестерни. Для колеса: 40Х, 40ХН, 35ХМ. ТО колеса – улучшение и последующая закалка ТВЧ, твердость 45…50 HRC, 48…53 HRC (зависит от марки стали). Марки сталей для шестерни: 20Х, 20ХНМ, 18ХГТ. ТО шестерни – улучшение, затем цементация и закалка; твердость 56…63 HRC.

V – марки сталей одинаковы для колеса и шестерни: 20Х, 20ХНМ, 18ХГТ. ТО колеса и шестерни одинакова – улучшение, затем цементация и закалка; твердость 56…63 HRC.

Несущая способность зубчатых передач по контактной прочности тем выше, чем выше поверхностная твердость зубьев.

Наибольшие контактные напряжения σ_H возникают в тонком поверхностном слое материала зубьев. Поэтому для повышения его контактной прочности достаточно упрочнить только поверхностный слой зубьев. Для зубчатых передач толщина этого слоя составляет (0,2…0,3) m – модуля зацепления.
На практике это достигается поверхностными термическими или химико-термическими упрочнениями, которые в несколько раз повышают нагрузочную способность передач по сравнению с улучшенными сталями.
Однако при назначении твердости рабочих поверхностей зубьев следует иметь в виду, что большей твердости соответствуют более сложная технология изготовления зубчатых колес и небольшие размеры передачи.

Стальное литье

Стальное литье применяют при изготовлении крупных зубчатых колес ( d > 500 мм). Марки сталей – 35Л…55Л. Литые колеса подвергают нормализации.

Чугуны

Чугуны применяют для изготовления зубчатых колес тихоходных открытых передач. Марки серых чугунов – СЧ20…СЧ35, а также высокопрочных чугунов – ВЧ35…ВЧ50 (с шаровидным графитом и добавкой магния).
Зубья чугунных колес хорошо прирабатываются, могут работать в условиях ограниченного смазывании.
Существенный недостаток — пониженная прочность на изгиб, поэтому габариты чугунных колес значительно больше, чем стальных.

Пластмассы

Пластмассы в качестве материала зубчатых колес применяют в быстроходных слабонагруженных передачах для шестерен, работающих в паре с металлическими колесами.
Зубчатые колеса из пластмасс отличаются бесшумностью работы, плавностью хода, неприхотливостью к смазыванию.
Наиболее широко в качестве материала зубчатых колес используется текстолит (марок ПТ и ПТК), капролон , полиформ-альдегид , фенилон .