Зубчатые колеса изготавливают из сталей, чугуна и неметаллических материалов. При выборе материалов необходимо обеспечивать прочность зубьев на изгиб, стойкость поверхностных слоев зубьев (контактная прочность) и сопротивление заеданиям. Несущая способность по контактной прочности пропорциональна квадрату твердости зубьев, поэтому для повышения несущей способности передачи и уменьшения габаритов целесообразно применять стали, закаливаемых до значительной твердости. Однако высокая твердость снижает сопротивление изгибу, поэтому вместо объемной закалки (где закаливается весь объем материала зубчатого колеса) применяют поверхностную термическую и химико-термическую обработку (поверхностная закалка ТВЧ, цементация, азотирование и др.), которые придают высокую твердость поверхности зубьев (для высокой контактной прочности) и сохраняют вязкую сердцевину (для высокой изгибной прочности).

При изготовлении стальных зубчатых колес применяют следующие виды термической обработки:

Нормализация позволяет получить твердость 180…220 HB, поэтому нагрузочная способность относительно невелика, но при этом зубья колес хорошо прирабатываются и сохраняют точность, полученную при механической обработке. Нормализованные колеса обычно используют во вспомогательных механизмах, например, в механизмах ручного управления.

Реализация этого проекта требует много совместной работы, фиксации базовых знаний в области машиностроения, способности технико-экономической оценки. В этом проекте будут реализованы учения, передаваемые дисциплинами, необходимыми в учебной программе курса машиностроения и подготовки к ситуациям профессиональной жизни.

Инженерный проект состоит в создании идеализаций процессов или систем, чтобы его структура способна выполнять свои основные функции в рамках ранее изученных и определенных условий труда. Инженерная проблема возникает из-за необходимости или желания изменить одно состояние на другое; сложность заключается в большом числе возможных вариантов решения. В действительности, если альтернативы нет, проблем нет; характеристикой инженерной проблемы является в точности возможность нескольких альтернативных решений.

Применяемые стали: 40, 45, 50 и др. Для повышения стойкости против заедания шестерни и колеса следует изготавливать из разных материалов.

Улучшение позволяет получить твердость поверхности и сердцевины 200…240 HB (для небольших шестерен 280…320 HB), нагрузочная способность несколько выше, чем при нормализации, но зубья колес прирабатываются хуже. Обычно улучшенные колеса применяют в условиях мелкосерийного и единичного производства при отсутствии жестких требований к габаритам.

В процессе проектирования необходимо иметь последовательность работы, сначала мы должны сделать признание и подтверждение реальных потребностей, чтобы позже определить проблему; мы проводим исследование различных результатов проблемы и выбираем один из них, чтобы начать проект, организуя спецификации наиболее важных компонентов.

Хороший дизайнер всегда должен знать об исключительной тенденции с первого взгляда; то, что вначале было трудно осуществить, может фактически привести к экономии материала или потребления энергии; может привести к более плавному и удобному движению. Как только вы заметите несколько решений, удовлетворяющих установленным требованиям, нужно сравнить их с другими и приступить к оценке особенностей каждого решения. Часто некоторые грубые расчеты уже показывают, что любое решение не дает желаемого эффекта или приводит к высоким затратам.

Применяемые стали: 40, 45, 50Г, 35ХГС, 40Х и др.

Объемная закалка до твердости 45…55 HRC. Закаливается весь объем материала (см. выше). В настоящее время почти не применяется, за исключением ремонтных предприятий, где нет возможности выполнить поверхностную закалку.

Применяемые стали: 40Х, в более ответственных случаях – 40ХН и др.

Поверхностная закалка с нагревом токами высокой частоты (ТВЧ) до твердости 50…55 HRC при глубине упрочненного слоя до 3…4 мм – дает среднюю нагрузочную способность при достаточно простой технологии упрочнения. Оптимальная глубина прокалки 0,5…1 мм. Закалке ТВЧ обычно предшествует улучшение, поэтому механические свойства сердцевины – как при улучшении.

В его разработке последовал ряд параметров, начиная с последовательности работ, включая подробный анализ того, что предлагается до подтверждения истинных потребностей проекта. В дополнение к учету ограничений, налагаемых наукой, должным образом учитываются экономические факторы и факторы безопасности, поскольку они невозможны. Таким образом, мы стараемся добавить как можно больше уроков к выполнению проекта с учетом практических и экономических аспектов.

Разработка конструкции приводного вала для соответствия ряду спецификаций и характеристик, определенных ниже: вал должен быть прикреплен к нему шкивом диаметром 580 м, расположенным на расстоянии 600 м справа от левого подшипника весом 400 Н. шестерня с примитивным диаметром 350 м, прикрепленная к валу на расстоянии 300 м справа от левого подшипника весом 260 Н, обеспечивает 25% мощности по горизонтали вправо. Механизм с примитивным диаметром 315 м весом 235 Н, расположенный в 300 м слева от левого качающегося подшипника, обеспечивает 25% мощности вертикально вверх.

Изгибная прочность по сравнению с объемной закалкой выше в 1,5-2 раза. Из-за повышенной твердости зубьев передачи плохо прирабатываются. Размеры зубчатых колес практически неограниченны. Необходимо помнить, что при модулях менее 3…5 мм, зуб прокаливается насквозь, что приводит к значительному их короблению и снижению ударной вязкости.

Применяемые стали: 40Х, 40ХН, 35ХМ, 35ХГСА.

Цементация (поверхностное насыщение углеродом) с последующей закалкой ТВЧ и обязательной шлифовкой позволяет получить поверхностную твердость 56…63 HRC при глубине упрочненного слоя 0,5…2 мм. Нагрузочная способность высокая, но технология упрочнения более сложная. Изгибная прочность по сравнению с объемной закалкой выше в 2-2,5 раза.

Рисунок, показанный ниже, представляет собой схематическое представление о приводном валу, конструкция которого запрашивается. Также предлагается разработать программу на микрокомпьютере, которая должна представлять собой более общее решение запрошенного проекта. Оси - это элементы машины, которые имеют функцию поддержки других механических компонентов и не передают мощность. Деревья, помимо поддержки, передают мощность.

Как правило, на практике для обозначения этих компонентов используется только ось термина. Когда подвижные, оси передают мощность через вращательное движение. Оси построены из стали с низким и средним содержанием углерода. Среднеуглеродные валы требуют поверхностной термообработки, так как они будут находиться в постоянном контакте с втулками, подшипниками и уплотнительными материалами. Существуют также оси из легированных сталей, которые обладают высокой устойчивостью.

Широко применяют сталь 20Х, а для ответственных зубчатых колес, особенно работающих с перегрузками и ударными нагрузками, стали 12ХН3А, 20ХНМ, 18ХГТ, 25ХГМ, 15ХФ.

Азотирование (поверхностное насыщение азотом) обеспечивает высокую твердость и износостойкость поверхностных слоев при глубине упрочненного слоя 0,2…0,5 мм, при этом не требуется последующая закалка и шлифование. Малая толщина упрочненного слоя не позволяет применять азотированные колеса при ударных нагрузках и при работе с интенсивным изнашиванием (при загрязненной смазке, попадании абразива). Длительность процесса азотирования достигает 40-60 часов. Обычно азотирование применяют для колес с внутренним зацеплением и других, шлифование которых затруднено.

Термин обычно используемый «Дерево» - это элемент, который преобразует мощность передачи. «Ось» представляет собой неподвижный элемент, поддерживающий вращающиеся колеса, шкивы и т.д. «Приводной вал» - это то, что приводится в действие силовой машиной; сила выводится из дерева через ремни или цепи, как правило, в нескольких точках вдоль ее длины. Основные запросы в осях: Простая гибкость, Простой поворот, Флексо-твист.

Однако бывают случаи, когда срезанием, тягой или сжатием можно пренебречь. Осям, благодаря их собственной функции, предлагается флексо-кручение, и почти всегда преобладает один из компонентных запросов. Вряд ли значения момента моментов и моментов флота имеют один и тот же порядок величины. В этом случае для удобства расчета ось может быть рассчитана простым изгибом или простым движением, вторым преобладанием, но достаточно снизить соответствующее рабочее натяжение, чтобы учесть влияние невзорвавшегося запроса.

Применяют молибденовую сталь 38Х2МЮА, но возможно азотирование сталей 40ХФА, 40ХНА, 40Х до меньшей твердости, но большей вязкости.

Нитроцементация – насыщение поверхностных слоев углеродом и азотом в газовой среде с последующей закалкой обеспечивает высокую контактную прочность, износостойкость и сопротивление заеданиям, обладает достаточно высокой скоростью протекания процесса – около 0,1 мм/час и выше. В связи с малым короблением позволяет во многих случаях обойтись без шлифования. Содержание азота в поверхностном слое позволяет применять менее легированные стали, чем при цементации: 18ХГТ, 25ХГТ, 40Х и др.

Результирующий мимолетный момент. Поэтому они представляют собой механические элементы, используемые для артикуляции одного или нескольких элементов машин. Валы и валы в основном изготовлены из стали или стальных сплавов, поскольку металлические материалы обладают более высокими механическими свойствами, чем другие материалы. Поэтому они более подходят для изготовления передающих элементов.

Валы с небольшими механическими требованиями изготовлены из углеродистой стали. Валы машин и автомобилей изготовлены из никелевой стали. Высокоскоростной вал или насосы и турбины изготавливаются из хромоникелевой стали. Ось для вагонов изготовлена ​​из стали-марганца.

Лазерная закалка – обеспечивает высокую твердость до 64 HRC, не требует легирования, позволяет местное упрочнение, автоматизацию, не вызывает коробление, но процесс очень медленный.

Чугунные зубчатые колеса дешевле стальных, их применяют в крупногабаритных открытых передачах. Они имеют малую склонность к заеданию и хорошо работают при бедной смазке, но не выдерживают ударных нагрузок. Применяют серые чугуны СЧ 20…СЧ 35, а также высокопрочные магниевые чугуны с шаровидным графитом.

Колеса из неметаллических материалов имеют небольшую массу, не подвержены коррозии, бесшумны в работе. Но невысокая прочность, большие габариты, склонность к старению ограничивают их применение в силовых передачах. Обычно применяют пластмассовые зубчатые колеса в паре со стальной шестерней в слабонагруженных передачах для обеспечения бесшумности, или самосмазываемости, или химической стойкости. Стальные колеса при этом целесообразно закалить до 45 HRC и отшлифовать. К числу давно применяемых пластмасс относятся текстолит марки ПТ и ПТК и древесно-слоистые пластики ДСП-Г. Наиболее перспективными следует считать капролон, полиформальдегид и фенилон.

Материалы для изготовления зубчатых колес в машиностроении – стали, чугуны и пластмассы; в приборостроении зубчатые колеса изготовляют также из латуни, алюминиевых сплавов и др. Выбор материала определяется назначением передачи, условиями ее работы, габаритами колес и даже типом производства (единичное, серийное или массовое) и технологиче­скими соображениями.

Общая современная тенденция в машиностроении – стремление к снижению материалоемкостиконструкций, увеличению мощности, быстроходности и долговечности машины. Эти требования приводят к необходимости уменьшения массы, габаритов и повышения нагрузочной способности силовых зубчатых передач. Поэтому основные материалы для изготовления зубчатых колес – термообработанные углеродистые и легированные стали, обеспечивающие высокую объемную прочность зубьев, а также высокую твердость и износостойкость их активных поверхностей.

В зависимости от твердости активных поверхностей зубьев стальные колеса делятся на две группы, а именно: колеса с твердостью Н ≤ 350 НВ, зубья которых хорошо прирабатываются; колеса с твердостью Н ≥ 350 НВ, зубья которых прирабатываются плохо, а при твердости активных поверхностей обоих колес Н ≥ HRC э полагаются неприрабатывающимися.

Кроме способности к приработке эти группы различны по технологии механической обработки, а также по нагрузочной способности.

Колеса первой группы, изготовляемые из средне- и высокоуглеродистых сталей, подвергают нормализации или улучшению; чистовое нарезание зубьев производят после термообработки, и применения отделочных операций не требуется. Эти технологические преимущества колес первой группы обеспечивают их широкое применение при единичном или мелкосерийном производстве мало- и средненагруженных передач, а также передач с крупногабаритными колесами.

Колеса второй группы изготовляют из легированных сталей, подвергаемых различным видам термической и химико-термической обработки (цементация, объемная или поверхностная закалка, азотирование, планирование, нитроцементация), и применяют для быстроходных и высокона­груженных передач.

Зубья колес второй группы нарезают до термической обработки, при которой происходит коробление зубьев и снижение точности зубчатого венца. Для исправления формы зубьев требуются дорогостоящие отделочные операции (шлифовка, обкатка, притирка зубьев и др.), поэтому колеса с зубьями высокой твердости применяют в изделиях крупносерийного и массового производства. При прочих равных условиях масса колес второй группы в 3–4 раза меньше, чем первой.

Для изготовления тихоходных, преимущественно открытых передач работающих с окружной скоростью до 3 м/с, применяют серые, модифицированные и высокопрочные чугуны, обладающие хорошими литейными свойствами, низкой стоимостью при минимальных отходах материала в стружку.

Нагрузочная способность зубчатых колес из неметаллических материаловзначительно ниже, чем стальных, поэтому их используют в слабонагруженных передачах, к габаритам которых не предъявляется жестких условий, но требуются снижение шума и вибраций, самосмазываемость или химическая стойкость. Зубчатые колеса из неметаллических материалов чаще всего используют в паре с металлическими. Для изготовления неметаллических колес применяют текстолит, древесно-слоистые пластики, капрон, нейлон и др.

При выборе материалов и назначении их термообработки необходимо учитывать, что зуб шестерни в и (передаточное число) раз чаще входит в зацепление, чем зуб колеса. Поэтому для стальных колес первой группы в целях выравнивания долговечности и улучшения прирабатываемости следует твердость активных поверхностей зубьев шестерни делать большей, чем у колеса, причем рекомендуется иметь

Н 1ср – Н 2ср ≥ 20.

Для изготовления шестерни и колеса первой группы целесообразно использовать сталь одной марки, а разность твердости обеспечивать за счет термообработки.

Для колес с неприрабатывающимися зубьями обеспечивать разность твердостей зубьев шестерни и колеса не требуется.

Конструкция цилиндрических колес зависит от их материала, размеров и способа изготовления.

Стальные зубчатые колеса диаметром до 150 мм (рис.1.62) изготовляют из прутка или поковки и выполняют в виде сплошных дисков с двусторонней (а ), односторонней (б ) ступицей либо без нее (в ).Стальные колеса диаметром до 500 мм чаще всего изготовляют коваными или штампованными; они имеют обод и ступицу, соединенные диском с отверстиями (рис.1.62, г ). Шестерни, диаметр которых меньше удвоенного диаметра вала, изготовляют как одно целое с валом и называют вал-шестерня (рис.1.62, д ). В коробках скоростей применяют несколько шестерен, изготовленных из одного куска металла; такие зубчатые колеса называют блоками шестерен. Колеса диаметром более 500 мм обычно изготовляют отливкой; обод и ступицы соединяются спицами крестообразного (рис.1.63, а ),овального, таврового и других сечений. В единичном производстве колеса большого диаметра делают сварной конструкции (рис.1.63,б ). В целях экономии высококачественной стали колеса больших диаметров нередко делают бандажированными (рис.1.63, в ), когда стальной обод насаживается на чугунный центр; применяют также конструкции, в которых обод и центр соединяют крепежными болтами.

Рис. 1.62. Виды стальных зубчатых колес

Рис. 1.63. Варианты изготовления зубчатых колес большого диаметром

Чугунные зубчатые колеса независимо от их размера изготовляют отливкой с последующей механической обработкой.

Неметаллические зубчатые колеса изготовляют цельными или составными. На рис.1.64 показано составное зубчатое колесо из склеенных пластин текстолита, надетых на металлическую втулку и скрепленных дисками с помощью болтов. Зубчатые колеса из капрона и нейлона изготовляют отливкой под давлением; нередко венец из этих материалов отливают вместе со стальным центром или насаживают на центр с натягом и скрепляют винтами.

Рис. 1.64. Вариант изготовления неметаллического зубчатого колеса

Методы образования зубьев можно разделить на две основные группы: накатывание и нарезание (кроме того, иногда изготовляют колеса с литыми зубьями).

Накатывание зубьев стальных колес производится накатным инструментом путем пластическойдеформации венца колеса. Накатывание зубьев с модулем до 1мм производится в холодном состоянии; при большем модуле венец нагревается токами высокой частоты.

Зубонакатывание применяется в массовом производстве и является высокопроизводительным методом, обеспечивающим минимальные отходы металла в стружку и повышение прочности зубьев, так как волокна металла в заготовке не перерезаются, а изгибаются.

Нарезание зубьев выполняют методом копирования и методом обкатки.

Метод копирования заключается в том, что впадины зубчатого венца прорезаются инструментом, профиль режущей части которого точно или приблизительно соответствует очертаниям впадины. На рис.1.65 показано фрезерование зубьев цилиндрического колеса модульными фрезами: дисковой (а ) и концевой (б ).После прорезания одной впадины заготовка возвращается в исходное положение, поворачивается на величину углового шага, и процесс повторяется.

Рис. 1.65. Фрезерование зубьев цилиндрического колеса

Так как с изменением числа зубьев колеса меняется и форма впадины, то для каждого модуля и числа зубьев нужно иметь свою фрезу, что практически невозможно. Поэтому фрезой одного модуля прорезают впадины в определенном диапазоне чисел зубьев (например, фрезой для 30 зубьев обрабатывают колеса с числом зубьев от 24 до 36), в результате чего зубья не всегда будут иметь точный профиль. Фрезерование зубьев методом копирования является простым, но недостаточно точным и весьма малопроизводительным методом, применяющимся в основном в единичном производстве.

К методу копирования можно отнести способы образования зубьев колес протягиванием, холодной или горячей штамповкой, а также прессованием и литьем под давлением.

Метод обкатки (огибания) является весьма точным, высокопроизводительным, универсальными наиболее распространенным способом образования зубьев. Рассмотренный ранее процесс накатывания зубьев можно отнести к методу обкатки.

Процесс нарезания зубьев на зубообрабатывающих станках уподобляется процессу зацепленияпары зубчатых колес или колеса с рейкой, когда одно из колес или рейка снабжены режущими элементами и превращены таким образом в режущий инструмент, называемый производящим колесом. Зубчатое зацепление производящего колеса с обрабатываемым зубчатым колесом называется станочным зацеплением . На рис.1.66 показаны основные виды станочных зацеплений и соответствующие движения инструмента и заготовки: а – нарезание зубьев инструментальной рейкой (зуборезной гребенкой) на зубодолбежном станке; б – нарезание зубьев зуборезным долбяком на зубодолбежном станке; в – нарезание зубьев червячной модульной фрезой на зубофрезерном станке (червячная модульная фреза в осевом сечении имеет профиль инструментальной рейки).

Зуборезный инструмент профилируют на основе стандартных исходных контуров, один из которых (для цилиндрических эвольвентных зубчатых колес с модулями более 1 мм) показан на рис.1.57. Одним и тем же инструментом можно нарезать колеса данного модуля с разным числом зубьев,что является весьма существенным достоинством метода обкатки. На зубодолбежных станках долбяком обрабатывают колеса как с внешними, так и внутренними зубьями. Червячными фрезами на зубофрезерных станках можно нарезать прямозубые, косозубые и шевронные колеса с дорожкой посередине (для выхода режущего инструмента); шевронные колеса без дорожки нарезают специальными косозубыми долбяками или гребенками. Наиболее производительным способом нарезания зубьев является фрезерование червячной фрезой. Как правило, зуборезные станки – полуавтоматы.

При необходимости получения весьма точных и чистых поверхностей зубьев применяют отделочные операции: шевингование, обкатку (для зубьев невысокой твердости) или шлифование, притирку (для закаленных зубьев).

Зубчатые колеса со смещением . Необходимость снижения материалоемкости конструкций и получения минимальных габаритов приводит к необходимости создания передач с возможно меньшим числом зубьев. Однако при нарезании шестерен с малым числом зубьев в станочном зацеплении возникает явление интерференции зубьев , когда часть пространства оказывается одновременно занятой зубьями производящего и обрабатываемого колес.

Интерференция приводит к срезанию части номинальной поверхности у основания зуба обрабатываемого колеса (подрезание зубьев ) или срезанию части номинальной поверхности у вершины зуба (срезание зубьев , свойственное колесам с внутренними зубьями).

Рис. 1.66. Основные виды станочных зацеплений

На рис. 1.67, а показано изменение формы зуба в зависимости от числа зубьев колеса.

Рис. 1.67. Схемы изменения формы зуба и смещения инструментальной рейки в станочном зацеплении

При уменьшении числа зубьев их толщина у основания уменьшается, у вершины зуб заостряется, а кривизна эвольвентного профиля увеличивается, – все это приводит к уменьшению прочности зуба. При числе зубьев, меньшем z min , в станочном зацеплении возникает явление интерференции, и происходит подрезание зубьев. Для того чтобы избежать подрезания зубьев в станочном зацеплении, производят смещение инструментальной рейки на величину хт, где х – коэффициент смещения; т – модуль зубьев (рис.1.67, б ).

Смещение рейки от оси колеса считают положительным, а к оси – отрицательным. На рисунке показано предельное положение рейки, при котором подрезание зубьев прекращается, т.е. положение, когда линия АВ вершины инструментальной рейки (заштрихованная закругленная часть рейки в образовании активного профиля зубьев не участвует) будет проходить через точку В на линии зацепления. Так как размеры зуба инструмента стандартизованы, то при прочих равных условиях опасность возникновения подрезания определяется числом зубьев колеса.