Материал венца червячного колеса

Материалы червяков и червячных колес. Назначение твердости и термообработки

Общие сведения

Основной причиной выхода из строя зубчатых колес является повреждение зубчатых венцов в результате усталостного выкрашивания, износа и поломок зубьев. Наименьшая интенсивность изнашивания в червячной парс обеспечивается, если червяк имеет высокую твердость (Н > 45НЯС), а его рабочие поверхности отполированы. Поэтому для червяков используются стали марок 45, 40Х, 40ХН, 35ХГСА, закаленные до твердости (45-55 )НКС с последующей шлифовкой и полированием.

Широко применяются червяки из сталей 20Х, 12ХНЗА, 18ХГТ и другие, подвергаемые цементации и из сталей 38Х2МЮА, 38Х2Ю и другие, упрочняемые азотированием. В этом случае достигается твердость поверхностей червяка (5(у-6У)НЯС, а финишную обработку производят шлифованием и полированием.

В качестве материалов для изготовления венцов червячных колес червячных передач используются бронзы, латуни и серые чугуны, которые условно делят на три группы:

  • • группа I — оловянные бронзы;
  • • группа II — безоловянные бронзы и латуни;
  • • группа III — серые чугуны (применяют для изготовления малонагруженных или редко работающих передач, в которых габариты и масса не имеют определяющего значения).

Выбор марки материала червячного колеса зависит от скорости скольжения и производится по табл. П.4. Скорость скольжения мм, определяется по эмпирической формуле:

где Г2 — вращающий момент на валу червячного колеса, Н м; п — частота вращения червяка, об/мин.

Определение допускаемых напряжении для материалов венцов червячных колес

Таблица 3.26

Алгоритм определения допускаемых напряжений онр2 и ор,,2 для венцов колес из оловянных бронз при шлифованных и полированных витках червяков с твердостью рабочих поверхностей более 45 НЯС

Расчет червячной передачи

Таблица 3.27

Алгоритм расчета червячных передач_________

Точность вычислений значений:

  • • диаметров — до третьего знака после запятой;
  • • углов — до пятого знака после запятой

Параметры и обозначения

Расчетные формулы и указания

Расчетный момент Тн, Нм

на червяке

Гн,

см. разд. 13.3

на червячном колесе

^н2 = и^н1Т1ч.п

Продолжение табл. 3.27

Продолжение табл. 3.27

Продолжение табл. 3.27

Окончание табл. 3.27

Таблица 3.28

Рекомендуемые числа заходов червяка ______

Передаточное число и

8<м< 14

14 < и <30

и >20

Число заходов червяка г,

Таблица 3.29

Коэффициент, учитывающий точность передачи_____

Степень точности передачи яС1 точн

Ка

1,20

1,15

1,10

1,00

Таблица 3.30

Коэффициент У к2, учитывающий форму зуба червячного колеса

Расчет геометрии червячной передачи производят в соответствии с ГОСТ 19650-74, который предусматривает передачи с углом скрещивания осей червяка и колеса, равным 90°, и исходным червяком по ГОСТ 19036-81. Формулы для геометрического расчета цилиндрической червячной передачи приведены в табл. 3.31.

Таблица 3.31

Алгоритм геометрического расчета цилиндрической червячной передачи

Продолжение табл. 3.31

Окончание табл. 3.31

Таблица 3.32

Формулы для определения величин составляющих силы в зацеплении цилиндрической червячной передачи

Таблица 3.33

Зависимость угла трения о’ от скорости скольжения V

Таблица 3.34

Ориентировочные значения коэффициента полезного действия одноступенчатых червячных передач на подшипниках качения

Червячный редуктор в связи с невысоким КПД и большим выделением теплоты проверяют на нагрев. Температура нагрева масла:

• без искусственного охлаждения:

• с охлаждением вентилятором:

где /ра6 — температура нагрева масла, °С; раб — максимальная допустимая температура нагрева масла (для наиболее распространенных типов масла 1рраъ = 95 °С); Рч — мощность па червяке, Вт (разд. 3.1); г|чп — КПД червячной передачи (табл. 3.34); КТ — коэффициент теплоотдачи, принимаемый в расчетах равным (9-17) Вт/(м2х°С) (большие значения при хороших условиях охлаждения); /С1в — коэффициент при обдуве вентилятором (определяется по графику на рис. 3.53, где пвснт — частота вращения вентилятора, об/мин); у — коэффициент, учитывающий отвод теплоты от корпуса редуктора в металлическую плиту или раму, принимаемый в данных расчетах равным 0,3; А — поверхность охлаждения корпуса. м

Рис. 3.53

Рис. 3.54

Поверхность охлаждения корпуса А равна поверхности всех его стенок, кроме поверхности дна, которой он крепится к плите или раме.

Приближенно поверхность охлаждения корпуса можно принять в зависимости от межосевого расстояния передачи (график на рис. 3.54) или по формуле:

МАТЕРИАЛЫ ЧЕРВЯЧНЫХ КОЛЕС И ЧЕРВЯКОВ

Червячные передачи имеют повышенную склонность к заеданию и износу рабочих поверхностей из-за неблагоприятных условий для образования масляного клина в полюсе зацепления. Для устранения заедания и повышения износостойкости рекомендуется для червячных колес применять материалы с высокими антифрикционными свойствами, использовать для смазывания передачи противозадирные масла, повышать твердость (H ³ 45HRCэ) и чистоту рабочих поверхностей витков червяка для сокращения времени приработки передачи. Червяки изготавливают из углеродистых и легированных сталей. Например: 40, 45, 50, Ст6, 40Х, 40ХН, 30ХГС, 35ХМ, 40Г2 (улучшение, нормализация H £ 350 HB или закалка до 45–55HRCэ); 15Х, 20Х, 12ХН3А, 18ХГТ, 20ХН3А, 20Х2Н4А (цементация, закалка до 56– 62HRCэ) и др. (см. табл. 2.1; ). Выбором стали во многом предопределяется вид термической и механической обработки, а также условия работы передачи – износостойкость, склонность к заеданию и др.

Нелинейчатые и эвольвентные червяки обычно подвергаются цементации или закалке (H ³ 45HRCэ). Поверхности витков шлифуют и полируют. Высокая твердость и гладкость рабочих поверхностей витков червяка позволяет повысить износостойкость и контактную выносливость, уменьшить потери на трение и снизить возможность заедания. Подобные червяки применяют в ответственных и сравнительно нагруженных червячных передачах.

Рабочие поверхности витков архимедовых и конволютных червяков обычно не шлифуют. Применяют их в малонагруженных и неответственных червячных передачах. Такие червяки изготавливают из относительно мягких (H < 350 HB) нормализованных или улучшенных сталей. Червяки с малой твердостью и нешлифованной рабочей поверхностью из-за повышенных потерь на трение имеют в 1,5 – 2 раза меньшую нагрузочную способность и более низкий к.п.д., чем червяки с высокой твердостью рабочих поверхностей (H ³ 45HRCэ) и шлифованными витками.

Червячные колеса изготавливают чаще из бронзы, реже из латуни или чугуна. Материалы, применяемые для изготовления червячных колес, по убыванию их противозадирных и антифрикционных свойств можно условно подразделить на три группы, табл.16.1 .

Выбор группы и материала осуществляют по ожидаемой скорости скольжения vs (м /с) витков червяка по зубьям червячного колеса:

,

где n1 – частота вращения червяка, об/мин;

T2 – крутящий момент на валу червячного колеса, Н× м.

Таблица 16.1

Группа Наименование материала Способ отливки* Механические свойства, МПа Рекомендуемый предел скорости скольжения vs, м/с
sb sbи – предел прочности материала на изгиб Е – модуль упругости первого рода
I Бр ОНФ 10-1-1 Ц 1×105 £ 35
Бр ОФ 10-1 З К – – 0,75×105 £ 25
Бр СуН 7-2 К
Бр ОЦС 6-6-3 З К £ 12
Бр ОЦС 5-5-5 Ц
II Бр АЖ 9-4 З К Ц 1×105 £ 5
Бр А9ЖЗЛ З К Ц
Бр АЖН 10-4-4 К Ц
Бр АЖМц 10-3-1,5 К
ЛАЖМц 66-6-3-2 З К Ц
ЛМцС 58-2-2 З
ЛМцОС 58-2-2-2 К
III СЧ 10 (143-229НВ) СЧ 15 (163-229НВ) СЧ 18 (170-241НВ) З З З – – – – – – 1×105 £ 2

* Примечание:З – в землю, К – в кокиль, Ц – центробежный.

· Группа I. Бронзы высокооловянистые (10 – 12 % Sn) с присадками фосфора и никеля считаются лучшим материалом для червячных колес, однако они дороги и дефицитны. Их применение ограничивают наиболее ответственными передачами с большими скоростями скольжения (vs до
25 м /с). Бронзы малооловянистые (3 – 6 % Sn) с присадками свинца и цинка и сурьмяно-никелевые обладают несколько худшими противозадирными свойствами и применяются при меньших окружных скоростях. Отличительная черта этих материалов – невысокая прочность (sВ £ 300 МПа). Для этой группы материалов червяк, как правило, должен быть тщательно отшлифован и отполирован и иметь высокую твердость рабочих поверхностей –
45-62 HRCэ (см. табл. 18.3).

· Группа II. Бронзы безоловянистые и латуни используются как заменители оловянистых бронз при vs до 3 – 5 м/с. При больших скоростях применение безоловянистых бронз и латуней становится неэффективным, т.к. необходимо снижать допускаемые контактные напряжения sНР для предупреждения ускоренного износа зубьев червячного колеса или задира рабочих поверхностей зубьев. При этом размеры передачи и расход материалов существенно возрастают. Механическая прочность безоловянистых бронз и латуней значительно выше, чем у оловянистых бронз (sВ » 350 – 700 МПа), а стоимость – ниже. Сравнительно низкие противозадирные и антифрикционные свойства ограничивают их применение при высоких скоростях скольжения. Во избежание заедания червяк рекомендуется подвергать термической обработке (45–50 HRCэ), а затем шлифовать и полировать. Допустимо применение нешлифованных червяков с Н£ 350НВ. Эксплуатационные возможности передачи при этом несколько снижаются.

· Группа III. Мягкие серые чугуны с твердостью 140 – 220 НВ по ГОСТ 1412 – 85 применяют при vs £ 2 м/с в механических и ручных приводах. Использование серых чугунов при более высоких скоростях становится неэффективным из-за существенного увеличения габаритов и опасности появления заедания. Заготовки колес получают литьем (рис.16.1,а, б). При необходимости подвергают термообработке . Твердость рабочих поверхностей нешлифованных витков червяков, как правило, менее 350 НВ.

В целях экономии сплавов I и II групп червячные колеса выполняют составными: венец из бронзы или латуни, а колесный центр из чугуна или стали. В бандажированной конструкции (aw » 80 – 200 мм) венец насаживается на центр с натягом и обычно закрепляется дополнительно 3–8 винтами (рис.16.1, в), чтобы компенсировать недостаток конструкции – зависимость натяга от температуры среды и коэффициентов линейного расширения материалов. В болтовой конструкции (aw » 200 – 600 мм) венец, имеющий фланец с отверстиями, крепится к центру колеса 4 – 8 призонными болтами, устанавливаемыми в отверстия без зазора (рис.16.1, г). Биметаллическую конструкцию (рис.16.1, д) чаще применяют в серийном производстве и получают путем заливки расплавленного металла в форму, куда предварительно устанавливается центр колеса.

59. Выбор материала для червяка и венца червячного колеса.

Так как червячная передача склонна к заеданию и износу, од­ну из деталей передачи выполняют из антифрикционного ма­териала, другую — из твердой стали.

Для червяка характерны относительно малый диаметр и значительное расстояние между опорами, жесткость и проч­ность обеспечиваются за счет изготовления его из стали. В ос­новном для червяков используется сталь 18ХГТ (твердость по­верхности после цементации и закалки (56…63) НRСЭ), а так­же стали 40Х, 40ХН, 35ХГСА с поверхностной закалкой до твердости (45…55) НRСЭ. Во всех этих случаях необходимы шлифование и полирование червяка. Применение азотируе­мых сталей 38Х2МЮА, 38Х2Ю позволяет исключить шлифо­вание червяка после термохимической обработки.

Червячное колесо обычно выполняют из антифрикцион­ных, относительно дорогих и малопрочных материалов, кото­рые разделяют на группы (в порядке снижения сопротивля­емости заеданию и износу): 1) оловянистые бронзы (БрО10Ф1, БрО5Ц5С6 и др.); 2) безоловянистые бронзы (БрАЭЖЗЛ и др.); 3) чугуны (СЧ15, СЧ20 и др.). Чем выше содержание олова в бронзе, тем она дороже, и тем больше сопротивление за­еданию.

60. Расчет зубьев червячных передач на сопротивление контактной и изгибной усталости. Понятие о расчетной нагрузке.

Контактная выносливость:

Основное значение для червячных передач имеют расчеты на сопротивление контактной усталости, износу и заеданию. Рас­чет передачи проводят по контактным напряжениям, причину выхода из строя (усталостное выкрашивание или заедание) учитывают при выборе допускаемых напряжений.

Несущая способность передач с цилиндрическими червяка­ми основных типов весьма близка (кроме передач с вогнутым профилем витка червяка). Поэтому расчеты для передач с ар­химедовым червяком распространяют на передачи с другими цилиндрическими червяками. В качестве исходной принима­ют формулу Герца для начального линейного контакта двух цилиндров по их образующим. Коэффициент Пуас­сона считают равным 0,3, тогда:

Fn– нормальная нагрузка в полюсе зацепления.

l – суммарная длина контактных линий.

— коэффициент нагрузки, и соответственно коэффициенты: учитывающий внутренние динамические нагрузки и учитывающий неравномерность распределения нагрузки.

b– ширина зуба, dw1– начальный диаметр, 2δ – условный угол обхвата.

— суммарная длина контактных линий.

Радиус кривизны профиля червячного колеса: .

Суммарный радиус тогда

Учтем, что:

Подставим все в формулу Герца и получим:

Расчет зубьев на прочность при изгибе:

Расчет выполняется для зубьев червячного колеса, т.к. витки червяка значительно прочнее. За основу принят расчет косозубых цилиндрических колес.

Напряжения изгиба у основания зубьев:

YF– коэффициент формы зубьев, берется по тем же графикам с эквивалентным кол-вом зубьев,- коэффициент нагрузки, и соответственно коэффициенты: учитывающий внутренние динамические нагрузки и учитывающий неравномерность распределения нагрузки.

— максимальные напряжения изгиба.

61. Выбор допускаемых напряжений при расчете червячных передач.

Допускаемые контакт­ные напряжения при дли­тельной работе передачи опре­деляют для червячных колес в зави­симости от основной причины вы­хода из строя. Для материалов коле­са первой группы — оловянистыхбронз — определяющим условием является сопротивление контактной усталости. В этом случае при шлифованных чер­вяках с твердостью поверхности более 45НRСэ

— допускаемое напряжение при 10^7 циклов, Cv– коэффициент, учитывающий интенсивность износа, зависит от скорости скольжения.

Эквивалентное число циклов:

, вращающий момент на колесе, время работы при режиме i, частота вращения колеса в минуту при режимеi.

Для материалов второй и третьей групп:

Безоловянистых бронз

Чугунов

При проверке на пиковую контактную нагрузку:

Оловянистые бронзы:

Безоловянистые бронзы:

Чугуны:

Допускаемые напряжения изгиба при длительной работе для бронзовых колес нереверсивных передач:

Эквивалентное число циклов:

Допускаемые напряжения: для чугунных колес при нереверсивной работе

При реверсивной работе допускаемые напряжения снижают на 20%.

Предельные допускаемые напряжения изгиба при проверке на пиковую нагрузку принимают:

Для бронз

Для чугунов

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *