Допустимі напруження у розрахунках зубчастих передач

Допустимі контактні напруження. При розрахунках активних поверхонь зубців на контактну втому допустиме контактне напруження визначають за такою формулою (тут і далі при розрахунках зубчастих передач на міцність уведено деякі спрощення щодо ГОСТ 21354–87):

[σ]_Н = (σ_Н_lim _b Z_R·K_HL)/S_H, (22.27)

де σ_Н_lim _b – границя контактної витривалості поверхонь зубців, що відповідає базі випробувань N_HO; Z_R– коефіцієнт, що враховує шорсткість спряжених поверхонь зубців (беруть спільним для пари коліс, але для більш грубої поверхні одного з них: Z_R= 1 при R_a= 1,25...0,63; Z_R = 0,95 при R_a = 2,5...1,25 і Z_R = 0,9 при R_Z = 40...10); K_HL– коефіцієнт довговічності; S_H– коефіцієнт запасу (для зубчастих коліс із однорідною структурою S_H = 1,1, а для коліо із поверхневим зміцненням зубців S_H = 1,2).

Границю контактної витривалості поверхонь зубців σ_Н_lim _b знаходять залежно від виду термічної обробки зубців та їхньої твердості за табл. 22.5, а базу випробувань N_HO– за формулою (твердість H_HB в одиницях Брінелля)

N_HO = 30 · H_HB^2,4. (22.28)

Коефіцієнт довговічності k_hl враховує можливості збільшення допустимих напружень при еквівалентному числі циклів n_he навантаження зубців за строк служби передачі, меншому від бази випробувань n_h₀:

. (22.29)

Еквівалентне число циклів навантаження зубців за строк служби передачі визначають з урахуванням режиму навантаження зубчастих коліс (значення к_недив. з табл. ):

N_H_Е = К_НЕ · N_∑,

де сумарне число циклів навантаження зубців N_∑, за строк служби h, год, передачі при кутовій швидкості ω, рад/с, зубчастого колеса знаходять за формулою N_∑, = 1800 · і · ω · h/π, (22.30)

де і – число зубчастих коліс, спряжених із даним зубчастим колесом, для якого визначається N_∑–

Існують такі обмеження коефіцієнта довговічності K_HL

а) при N_HO < N_H_Еі постійному режимі навантаження (К_НЕ = 1) рекомендують брати

адля інших типових режимів навантаження (див. рис. 2.3) беруть K_HL =1;

б) при N_HO > N_H_Еі однорідній структурі матеріалу зубчастих коліс K_HL ≤2,6 , а для зубців із поверхневим зміцненням K_HL ≤1,8.

У розрахунках прямо– і косозубих передач із твердістю зубців Н > 350 НВ за розрахункове допустиме напруження [σ]_Н беруть менше із двох значень [σ]_Н1та [σ]_Н2, розрахованих для зубців шестірні та колеса.Для косозубих передач, якщо твердість зубців хоча б одного колеса Н < 350 НВ, за розрахункове допустиме контактне напруження беруть

[σ]_Н= 0,45 · ([σ]_Н1 + [σ]_Н2) (22.31)

із виконанням умов: [σ]_Н ≤1,23 · [σ]_Н_min –для циліндричних зубчастих передач;

[σ]_Н ≤1,15 · [σ]_Н_min – для конічних зубчастих передач. Тут [σ]_Н_min менше з двох значень [σ]_Н₁і [σ]_{Н 2,}

Підвищення несучої здатності передач із косими зубцями та значною різницею у твердості зубців шестірні та колеса (більше значення допустимого контактного напруження [σ]_Н) пов'язане із нахиленим розміщенням контактних ліній на робочих поверхнях зубців. Ніжки зубців мають меншу стійкість проти викришування, ніж головки, бо у них несприятливе поєднання напряму ковзання та перекочування поверхонь зубців. Відповідно ніжка зубця колеса, що працює з головкою зубця шестірні, починає викришуватись у першу чергу. При цьому через нахил контактної лінії навантаження (частково або повністю) передається на головку зубця колеса, що працює із ніжкою зубця шестірні. Послаблена ніжка зубця колеса розвантажується і її подальше викришування не відбувається. Додаткове навантаження ніжки зубця шестірні не є небезпечним, оскільки її зубці мають більшу твердість. Використання косозубої шестірні з високою твердістю зубців дозволяє додатково підвищити несучу здатність передачі до 20–25 %.

Допустиме граничне контактне напруження [σ]_Н_max залежить від виду термічної або хіміко–термічної обробки зубчастих коліс. Для зубців зубчастих коліс після нормалізації, поліпшення або об'ємного гартування з низьким відпусканням (в тому числі і після нагрівання СВЧ) [σ]_Н_max = 2,8σ_т,

де σ_т – границя текучості при розтягу. Для зубців після цементації, а також після контурного гартування при нагріванні СВЧ [σ]_Н_max = 40 · Н_HRC_. Для зубців після азотування [σ]_Н_max =3H_HV

Допустимі напруження на згин.У розрахунках зубців на втому при згині допустиме напруження визначають окремо для зубців шестірні [σ]_F₁ та зубців колеса [σ]_F₂за формулою

[σ]_F = σ_F_lim _b· K_FC · K_FL/ S_F, (22.32)

де σ_Flim _b– границя витривалості зубців при згині, що відповідає базі випробувань N_F0= 4 • 10⁶ при коефіцієнті асиметрії R = 0; K_FC – коефіцієнт впливу напряму прикладання навантаження на зубці; K_FL– коефіцієнт довговічності; S_F– коефіцієнт запасу, який беруть: S_F= 1,75– при ймовірності неруйнування зубців 0,90; S_F= 2,2 – при ймовірності неруйнування більше від 0,99.

Границя витривалості зубців при згині залежить від виду термічної або хіміко–термічної обробки сталевих зубчастих коліс. Деякі дані для визначення σ_F _i_im _b наведені у табл. 22.6.

При однобічному прикладанні до зубців навантаження (нереверсивні передачі) коефіцієнт K_FC= 1, а при двобічному прикладанні навантаження (реверсивні передачі) коефіцієнт K_FCвизначають за формулою

K_FC =1– γ_FC · T"₁/ Т'₁ (22.33)

де γ_FC – коефіцієнт, що враховує здатність матеріалу чинити опір руйнуванню при зміні напряму навантаження (γ_FC = 0,35 для зубців після нормалізації або поліпшення; γ_FC= 0,25 – для зубців із поверхневим зміцненням; γ_FC = 0,1 – для зубців після азотування); Т'₁ > T"₁– обертові моменти, що навантажують передачу у протилежних напрямах.

Коефіцієнт довговічності (22.34)

Тут m_F – показник степеня кривої втоми, який беруть: m_F = 6 для зубчастих коліс із твердістю поверхні зубців Н ≤ 350 НВ та зі шліфованою перехідною поверхнею незалежно від твердості; m_F = 9 – для зубчастих коліс із нешліфованою перехідною поверхнею при твердості зубців Н > 350 НВ; N_FE – еквівалентне число циклів зміни напружень згину за строк служби передачі, яке знаходять із урахуванням режиму навантаження передачі (див. 4.3):

N_FE = K_FE· N_∑.

Сумарне число циклів навантаження зубців N_∑. застрок служби передачі визначають за формулою (22.30).

Необхідно враховувати такі обмеження коефіцієнта K_FL якщо N_F₀< n_FE,то беруть K_FL = 1; якщо N_F₀> n_fe і m_F = 6, то K_FL ≤ 2,08, а якщо m_F = 9, то K_FL ≤ 1,63.

Граничне допустиме напруження на згин [σ]_F _max , що використовують у розрахунках зубців на міцність при згині максимальним навантаженням, визначають за формулою

[σ]_F _max= σ_F_lim _M/S_F. (22.35)

Тут граничне напруження σ_{Flim M}, що не спричинює залишкових деформацій або крихкої поломки зубців, рекомендують брати таким: σ_Flim _M= 4,87/H_HB(МПа) – для легованих та вуглецевих сталей після нормалізації та поліпшення; σ_Flim _M= = 6H_HB (МПа) – для легованих та вуглецевих сталей після гартування з нагріванням СВЧ та твердістю серцевини зубців 200–300 НВ; σ_Flim _M = 2800 МПа – для легованих сталей із вмістом нікелю більше ніж 1 % після об'ємного, гартування.