Файл: Л.М.Полетаева Материалы и допускаемые напряжения при расчете зубчатых передач.pdf

1

Введение

Расчет и проектирование деталей машин начинается с выбора материала, назначения режима его термической обработки и определения допускаемых напряжений.

Выборматериаловитермообработки деталей машин определяется:

а) необходимостью обеспечения требуемой надежности деталей в течение заданного срока службы при заданных требованиях к габаритам;

б) экономическими факторами и условиями изготовления. Следует иметь в виду, что стоимость материалов составляет значи-

тельную часть стоимости машин, например в среднем в автомобилях 65…70%, а в грузоподъемных машинах 70…75% [1].

Выбирая материал, учитывают в основном следующие факторы [2]:

-соответствие свойств материала главному критерию работоспособности (прочности, износостойкости и др.);

-требования к массе и габаритам детали и машины в целом;

-другие требования, связанные с назначением детали и условиями её эксплуатации (противокоррозионная стойкость, фрикционные свойства, электроизоляционные свойства и т.д.);

-соответствие технологических свойств материала конструктивной форме и намечаемому способу обработки детали (штампуемость, свариваемость, литейные свойства, обрабатываемость резанием и пр.);

-стоимость и дефицитность материала.

Весьма ответственным этапом расчета является выбор коэффици-

ентов запасов прочности (допускаемых напряжений). Заниженные значения коэффициентов запасов прочности, а следовательно, завышенные значения допускаемых напряжений приводят к разрушению детали, а завышенные значения коэффициентов запасов (заниженные значения допускаемых напряжений) - к неоправданному увеличению массы изделия и перерасходу материала. В условиях большого объема выпуска деталей общего назначения перерасход материала приобретает очень важное значение.

Рекомендации по выбору материалов, а также нормы допускаемых напряжений или коэффициентов запасов прочности для конкретных деталей вырабатывают в результате обобщения предшествующего опыта проектирования и эксплуатации аналогичных конструкций.

2

Настоящие методические указания содержат рекомендации по выбору материалов для изготовления зубчатых колес одноступенчатого цилиндрического редуктора. В них приводятся также зависимости для определения допускаемых напряжений.

Материалы, изложенные в методических указаниях, могут использоваться при проведении практических занятий, а также при выполнении соответствующих расчетов в курсовом проекте по деталям машин.

1. Общие сведения о машиностроительных материалах [3]

Номенклатура материалов, применяемых в машиностроении, очень велика и охватывает:

1)черные металлы;

2)цветные сплавы;

3)неметаллические материалы.

Большинство машиностроительных материалов стандартизировано. Наиболее распространены черные металлы - стали и чугуны.

Вданном разделе дается краткая характеристика черных металлов

иобласти их применения.

1.1. Стали. Термическая и химико-термическая обработка стали

Сталью называют сплав железа с углеродом (до 2 % С).

По сравнению с другими материалами стали имеют высокую прочность, пластичность, хорошо обрабатываются термически, химикотермически и механически.

По химическому составу сталь разделяют на углеродистую и легированную, а по качеству - на сталь обыкновенного качества, качественную, повышенного качества и высококачественную.

Углеродистая сталь наиболее распространена, её производство составляет 80% от общего объема выплавки.

Углеродистые стали обыкновенного качества получили наиболее широкое распространение в технике благодаря относительной дешевизне. Из таких сталей изготовляют неответственные строительные конструкции; детали металлоконструкций - рамы, оси, валики; валы, звёздочки, зубчатые колёса и т.п.

3

Обозначаются эти стали двумя буквами Ст и цифрами 0, 1, 2, 3 и т.д. до 6 (например Ст 0, Ст 1 и т.п.). Чем больше число, тем больше содержание углерода в стали и выше прочность.

Качественные углеродистые стали обозначают двумя цифрами: 05; 08; 10; 15; 20 и т.д. до 60, показывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента (например сталь 45 содержит 0,45% С).

Эти стали используются для изготовления самых разнообразных деталей машин: коленчатых валов, зубчатых колёс, фрикционных дисков, пружин, рессор и др.

Легированная сталь в отличие от углеродистой содержит легирующие элементы, которые вводят в химический состав стали при выплавке для улучшения её технических свойств (механических, коррозионных, тепловых и др.).

Легированные стали обозначают цифрами и буквами (например 4ОХ, 18ХГТ, 35ХМ и т.п.). Первые две цифры показывают среднее содержание углерода в сотых долях процента, а буквы справа от цифр обозначают легирующий элемент: Б - ниобий, В - вольфрам, Г - марганец, Н - никель, М - молибден, Т - титан, Х - хром, Ю - алюминий и т.д.

Цифры после букв указывают примерное содержание соответствующего легирующего элемента в целых единицах процента; при содержании легирующего элемента до 1,5% цифра не ставится. Например, сталь 35ХМ содержит в среднем 0,35% С; до 1,5% Cr и Мо.

Основную часть легированных сталей выплавляют качественными с содержанием вредных примесей фосфора и кремния до 0,035%.

Производятся также высококачественные стали с содержанием фосфора и кремния до 0,025%. Их обозначают буквой А, записываемой в конце обозначения марки стали (например 12ХНЗА).

Легированные стали дороже углеродистых. Они имеют высокую прочность и являются основным материалом для изготовления различных ответственных деталей машин (зубчатых колёс, валов и т.п.).

Для придания стали определенных свойств (высокой прочности, пластичности и т.д.) выполняют термическую обработку заготовок или готовых изделий, которая состоит из трёх последовательных стадий:

1)нагрева до требуемой температуры с определенной скоростью;

2)выдержки при этой температуре в течение требуемого времени;

3)охлаждения с заданной скоростью.

4

Основные виды термической обработки: отжиг, нормализация, улучшение, объемная закалка, поверхностная закалка токами высокой частоты (закалка ТВЧ) и отпуск.

При химико-термической обработке стальных деталей изменяется химический состав их поверхностных слоёв, что позволяет получить после термообработки высокую твердость, прочность и износостойкость деталей.

Существует ряд способов такой обработки: цементация - насыщение поверхностных слоёв стали углеродом; азотирование - насыщение азотом; цианирование - одновременное насыщение углеродом и азотом и др. Глубина насыщения невелика, обычно 0,2…1мм.

1.2. Чугуны

Чугуном называют сплав железа с углеродом (более 2% С). Чугун обладает высокими литейными свойствами, определившими

область его применения в качестве конструкционного материала; хорошо обрабатывается резанием, образуя высококачественную поверхность для узлов трения и неподвижных соединений.

По структуре различают белый и серый чугун; по химическому составу - чугуны нелегированные и легированные, содержащие хром, никель, марганец, и другие легирующие элементы.

В изделиях общемашиностроительного применения наиболее широко используют серый чугун, обозначаемый буквами СЧ и двухзначной цифрой, показывающей значение предела прочности при растяжении, деленное на 10, в Н/мм2 (например СЧ15, СЧ18 и т.д.).

Его используют для изготовления литых изделий относительно сложной конфигурации при отсутствии жестких требований к габаритам и массе (зубчатые колёса, детали корпусов, шкивы ременных передач и др.).

2.Материалы, применяемые для изготовления зубчатых колес, и способы упрочнения зубьев

Практикой эксплуатации и специальными исследованиями установлено, что нагрузка, допускаемая по контактной прочности зубьев, определяется в основном твердостью материала. Высокую твердость в сочетании с другими характеристиками, а следовательно, малые габариты и массу передачи можно получить при изготовлении зубчатых колёс

5

из сталей, подвергнутых термообработке. Сталь в настоящее время - основной материал для изготовления зубчатых колёс и в особенности для зубчатых колёс высоконагруженных передач. Чугун применяют для малонагруженных или редко работающих передач, в которых габариты и масса не имеют определяющего значения.

Ниже рассматриваются только стальные зубчатые колёса.

Стали, рекомендуемые для зубчатых колёс, виды их термообработки и механические характеристики приведены в таблице [4].

Таблица - Механические характеристики сталей для изготовления зубчатых колёс

6

В зависимости от твердости (или термообработки) стальные зубчатые колёса разделяют на две основные группы [2]:

1)с твердостью по Бринеллю, меньше или равной 350 (НВ≤350) - зубчатые колёса нормализованные или улучшенные;

2)с твердостью по Бринеллю больше 350 (НВ>350) – зубчатые колеса с объемной закалкой, закалкой ТВЧ, цементацией, азотированием и др.

Эти группы различны по технологии, нагрузочной способности и способности к приработке.

Твердость материала НВ≤350 позволяет производить чистовое нарезание зубьев после термообработки. При этом можно получить высокую точность без применения дорогих отделочных операций (шлифовки, притирки и т.п.). Колеса этой группы хорошо прирабатываются и не подвержены хрупкому разрушению при динамических нагрузках.

Технологические преимущества материала при НВ≤350 обеспечили ему широкое распространение в условиях индивидуального и мелкосерийного производства, в мало- и средненагруженных передачах, а также в передачах с большими колёсами, термическая обработка которых затруднена.

При НВ>350 (вторая группа материалов) твердость выражается обычно в единицах Роквелла - HRC до 50…60 (HB 500…600). При этом нагрузочная способность передачи увеличивается до четырех раз по сравнению с нормализованными и улучшенными сталями. Возрастают также износостойкость и стойкость против заедания.

Однако с высокой твердостью связаны некоторые дополнительные трудности:

1)высокотвердые материалы плохо прирабатываются, поэтому они требуют повышенной точности изготовления, повышенной жесткости валов и опор;

2)нарезание зубьев при высокой твердости затруднено, поэтому термообработку выполняют после нарезания.

Некоторые виды термообработки (объёмная закалка, цементация) сопровождаются значительным короблением зубьев. Для исправления формы зубьев требуются дополнительные операции: шлифовка, притирка, обкатка и т.п.

Эти трудности проще преодолеть в условиях крупносерийного и массового производства, когда окупаются затраты на специальное оборудование, инструменты приспособления. В изделиях крупносерийного

7

и массового производства применяют, как правило, колёса с высокотвердыми зубьями.

Учитывая, что в задании на курсовой проект к размерам и массе проектируемых редукторов не предъявляется высоких требований, следует при расчёте передачи применять для изготовления зубчатых колес сравнительно дешёвые марки стали типа 35, 45, 40Х, 35ХМ, 40ХН с нормализацией и улучшением.

Все дальнейшие рекомендации будут даны для колёс этой группы, то есть с твердостью НВ≤350 .

В правильно спроектированной зубчатой передаче соотношение твердостей рабочих поверхностей зубьев шестерни и колеса не может быть выбрано произвольно. В целях выравнивания долговечности зубьев шестерни и колеса, ускорения их приработки и повышения сопротивляемости заеданию рабочих поверхностей нижний предел твердости шестерни, как показывает практика, должен быть выше верхнего предела твердости колеса на 10…30 единиц.

При выполнении курсового проекта с целью получения оптимальных размеров передачи (межосевое расстояние 165 мм < аw < 200 мм) рекомендуются следующие сочетания материалов для шестерни и колеса:

а) шестернясталь45, т.о. - улучшение, НВ= 235…262, σВ = 780 Н/мм2; колесосталь35, т.о. - нормализация, НВ= 163…192, σВ =550 Н/мм2.

б) шестернясталь45, т.о. - улучшение, НВ= 235…262, σВ = 780 Н/мм2; колесосталь45, т.о. - нормализация, НВ= 179…207, σВ = 600 Н/мм2.

в) шестернясталь35ХМ, т.о.-улучшение, НВ= 269…302, σВ = 920 Н/мм2; колесосталь35ХМ, т.о. - улучшение, НВ= 235…262, σВ = 800 Н/мм2.

Ниже приводятся рекомендации по выбору сочетаний материалов

взависимости от вращающего момента на колесе Т2 и типа зубьев:

1)Т2 ≤ 550 Нм(прямозубаяпередача) и

Т2 ≤ 650 Нм(косозубаяпередача) - повариантуа);

2) 550 Нм< Т2 < 650 Нм(прямозубаяпередача) и 650 Нм≤ Т2 < 750 Нм(косозубаяпередача) - повариантуб);

3) Т2 > 650 Нм(прямозубаяпередача) и Т2 > 750 Нм(косозубаяпередача) - повариантув).