Зубчатая передача

Размещено на http://www.allbest.ru/

Зубчатые передачи широко применяются в силовых агрегатах и трансмиссии автомобилей для передачи и преобразования крутящего момента (главная передача, дифференциал, КПП, раздаточные коробки и др.). В основном используются цилиндрические прямозубые и косозубые передачи, реечная, червячная, коническая и винтовая передачи (рис. 1).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Зубчатые колеса могут передавать большую мощность (до 300 МВт) при большой окружной скорости (до 200 м/с) с высоким КПД.

Кроме червячных и гипоидных во всех остальных передачах в идеальном случае (зубчатая пара выполнена без искажения профиля зуба, межосевое расстояние точно равно расчетному) контакт зубьев происходит без скольжения и имеет место трение качения, т.е. зуб одной шестерни своей боковой поверхностью прокатывается по боковой поверхности зуба другой шестерни, контактируя по линии. При этом количество зубьев, постоянно находящихся в зацеплении, при вращении попеременно изменяется на один. Например, при двухпарном зацеплении (максимальное количество находящихся в зацеплении зубьев равно двум) в зацеплении одновременно находится то одна, то две пары зубьев. Соответственно постоянно происходит изменение усилия, воспринимаемое одним зубом. То есть имеет место динамический режим нагружения (рис. 2).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Непостоянство усилий на зубе колеса приводит к появлению вынужденных колебаний, частота которых fZ зависит от количества зубьев и окружной скорости v в контакте:

 (1)

где TZ _ период импульсов, с; n - частота вращения колеса, мин-1; Z _ число зубьев колеса; v _ окружная скорость на радиусе начальной окружности, м/с; m _ модуль зацепления, мм.

Так как форма импульсов несинусоидальная, а их характер и период TZ из_за неточностей изготовления неодинаковы, то наряду с частотой fZ могут возбуждаться силы с кратными ей частотами (2fZ, 3fZ и т.д.), а также с близкими частотами

(2)

где k = 1,2,3 и т.д.

При работе на небольших частотах вращения fZ может резонировать с низкой частотой собственных колебаний колес и валов, а при работе с большой частотой вращения - с частотой собственных колебаний сопряженных зубьев (рис. 3). Несмотря на ограниченное число циклов, которое зуб успевает испытать за время нахождения в зацеплении, уровень переменных напряжений в зубе может стать в результате резонансного усиления весьма значительным. Возникающие при резонансе ударные нагрузки - недопустимое явление.

Кроме того, в зубчатом зацеплении имеет место неравномерная по длине зуба нагрузка. Это явление связано с конечной жесткостью деталей зацепления - как самой шестерни, так и вала, на котором она посажена, а также зависит от схемы заделки вала и направления передачи крутящего момента (рис. 4).

Размещено на http://www.allbest.ru/

При передаче усилия имеет место упругая деформация зуба, при передаче крутящего момента происходит упругое скручивание как зубчатого колеса, так и вала, на котором оно посажено. Упругим поперечным деформациям подвержены и сами валы.

Эти искажения формы, а также неточности в изготовлении и монтаже приводят к тому, что кроме прокатывания поверхности зубьев начинают при контакте друг с другом относительное движение, приводящее к трению поверхности зубьев. Данное явление аналогично описанному ранее при анализе влияния перекоса в шлицевом соединении.

Таким образом, анализируя с точки зрения ресурса и надежности работу зацепления, необходимо констатировать, что на тело зуба и его поверхность действуют динамические нагрузки, которые могут вызвать явление резонанса, усталостное выкрашивание, питинг и развитие фреттинг_процесса, а также тривиальный излом тела зуба.

Наиболее часто развивающийся дефект - усталостное выкрашивание, которое особенно характерно для передач, смазываемых жидкой смазкой.

Масло, проникая с поверхности зуба в мельчайшие трещинки, появившиеся в результате усталостного износа, вдавливается в эти трещинки во время контакта зубьев, в результате чего происходит откалывание кусочков материала. Поверхность зубьев становится неровной, что ведет к увеличению контактных напряжений и дополнительному увеличению явлений износа.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Большое значение с точки зрения процесса разрушения поверхностного слоя зуба имеют направление качения и направление скольжения в контакте зубьев. Если эти направления совпадают, то при приближении зоны контакта к микротрещине масло из нее выдавливается, а сама трещина прикрывается (как бы «придавливается»). После того как зона контакта минует трещину, она снова приоткрывается, но масло туда проникает слабо (рис. 5).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Если качение и скольжение противоположно направлены, то силы трения раскрывают трещину как раз в зоне высокого давления масла (зона перед контактом), причем устье трещины направлено навстречу масляной волне, что приводит к проникновению высокого давления масла в глубину поверхностного слоя и к отрыву частиц материала.

Направления качения и скольжения совпадают в головках и противоположны на ножках зубьев, то есть условия работы ножек зубьев менее благоприятны.

Интенсивность выкрашивания возрастает с увеличением силы трения, т.е. с увеличением нормальной нагрузки и коэффициента трения. Последний принимает большие значения при малой скорости скольжения, порядка 5_15 м/с. Именно такая скорость бывает в точках, лежащих на ножках зубьев. Учитывая также вышеизложенные соображения, при анализе состояния зубчатого зацепления в первую очередь следует обратить внимание на поверхности, близкие к основанию зубьев.

При нарушении смазочного слоя и достаточно высокой скорости в зубчатом зацеплении в результате разогрева может произойти процесс схватывания, приводящий к заеданию передачи и разрушению поверхности зубьев.

Основными методами повышения работоспособности и ресурса работы зубчатых передач являются повышение твердости рабочей поверхности зубьев, организация обильной смазки и поддержание ее высоких смазывающих и противозадирных свойств (например, организация охлаждения смазки в тяжело нагруженных передачах, своевременная замена масла, применение в составе масел специальных модификаторов и т.д.).

Кроме того, для повышения эксплуатационных свойств зубчатых передач широко применяются конструктивные методы, суть которых сводится в основном к компенсации упругих искажений зацепления и в демпфировании крутильных колебаний, которые возникают из_за дискретности процесса входа зуба в зацепление и выхода из зацепления (см. выше).

В первом случае продольное сечение зуба выполняют бочкообразным с отклонением от прямой линии, составляющим по краям зуба 0,01_0,025 мм.

Во втором - используют упругие демпферы (например, изготавливают ступицу колеса, податливую в окружном направлении, используют упругие пружинные элементы в соединении ступицы колеса с зубчатым венцом аналогично конструкции ведомого диска сухого фрикционного сцепления и т.д.).

Контрольные вопросы к разделу

зубчатый передача скольжение качение

1. Какие виды зубчатых передач вы знаете?

2. Почему в зубчатом зацеплении обязательно возникают вынужденные колебания, и от чего зависит их частота?

3. К чему могут привести колебания в зубчатом зацеплении?

4. С чем связана неравномерность нагрузки по длине зуба в зубчатом зацеплении?

5. Какой дефект наиболее часто встречается при износе зуба?

6. Как влияют направления качения и скольжения на износ зуба?

7. Почему при осмотре зубчатого зацепления необходимо в первую очередь обращать внимание на состояние поверхности ножки зубьев?

8. Какие методы используются для повышения износостойкости зубчатых зацеплений?

Размещено на Allbest.ru