12.4.3 Виды повреждений зубьев

В кинематических передачах при малой нагруженности зубчатые колеса на прочность обычно не рассчитывают. При передаче вращательного момента Т в зацеплении зубчатых колес действует сила нор F_n (рис. 12.11) и связанная с относительным скольжением активных поверхностей зубьев сила трения F_ТР =fF_n, где f— коэффициент трения скольжения в зацеплении.

Скорость скольжения прямо пропорциональна расстоянию от контактных точек до полюса; при зацеплении в полюсе скорость скольжения равна нулю.

Сила F_n вызывает контактные напряжения σ_Н , а момент этой силы — изгибные напряжения U_F . И контактные напряжения, и напряжения изгиба действуют на зуб только во время нахождения его в зацеплении и являются циклически изменяющимися.

При работе нагруженных зубчатых передач возможны различные повреждения зубьев, которые можно разделить на две группы: поломки и изнашивание зубьев.

Поломки усталостного характера (рис. 12.12, а) как результат длительного

Рис. 12.11

действия циклически изменяющихся изгибных напряжений возникают со стороны растянутых волокон у основания зуба, в месте концентрации напряжений. Вначале появляется трещина, а потом, по мере ее роста, происходит поломка. Излом может произойти и при действии ударных кратковременных нагрузок при недостаточной статической прочности зуба.

Например, при значительной концентрации нагрузки по ширине венца выламываются углы зубьев (рис. 12.12, б). Излом зубьев опасен тем, что появившиеся осколки могут быть причиной повреждения других подвижных деталей и узлов.

Рассмотрим наиболее характерные виды изнашивания. Усталостное изнашивание проявляется в виде выкрашивания рабочих поверхностей зубьев (рис. 12.12, в). Это типовой вид разрушения зубьев колес закрытых обильно смазываемых передач. Возникает оно при действии циклически изменяющихся контактных напряжений в слоях материала, расположенных на небольшой глубине (0,1 мкм) от поверхности зубьев. На ножке зуба вблизи полюсной линии появляются мелкие усталостные трещины. Проникающее в них масло оказывает расклинивающее действие, что ведет к образованию раковин. В результате выкрашивания возрастают вибрации, шум, динамические нагрузки,

Рис. 12.12

ухудшаются условия смазывания, повышается температура, создаются условия для заедания и задиров. Выкрашивание уменьшается при увеличении твердости поверхности зубьев и более тщательной их обработке. В открытых зубчатых передачах выкрашивание не наблюдается. Абразивное изнашивание (рис. 12.12, г) является основным видом повреждения зубьев мелкими твердыми частицами, попадающими с маслом, пылью и т.п. Интенсивность изнашивания возрастает с увеличением контактных напряжений в зацеплении и удельного скольжения. В результате изнашивания нарушается профиль, изменяется форма зуба, уменьшается его толщина, увеличиваются боковые зазоры в зацеплении. Все это снижает точность передачи, способствует появлению шума и вибраций, увеличивает динамические нагрузки, из-за чего возникает опасность поломки зубьев. Меры предосторожности — повышение твердости рабочих поверхностей зубьев, защита от попадания пыли и грязи и применение специальных смазочных материалов.

Изнашивание при заедании или задире рабочих поверхностей зубьев (рис. 12.12, д) наблюдается при наличии больших давлений в местах разрыва масляной пленки. В зоне сухого контакта температура повышается, частицы металла привариваются друг к другу и, отрываясь от поверхности зуба из более мягкого материала, образуют наросты на парном зубе. Наросты, в свою очередь, образуют бороздки (задиры) на поверхности менее твердого зуба в направлении скольжения. Заедание характеризуется образованием глубоких царапин в местах входа и выхода зуба из зацепления. Заеданию больше подвергаются поверхности, обладающие низкой твердостью. Меры предупреждения — повышение твердости зубьев, применение смазочных материалов с поверхностно-активными присадками и их охлаждение.

Надежность зубчатых передач зависит не только от точности колес и передач, жесткости валов и условий смазки, но также от прочности и износостойкости(твердости) зубьев. Эти параметры зубчатых передач можно определить путем соответствующих расчетов на прочность.

В ГОСТ 21354 — 87 предусматриваются расчеты на контактную усталость активных поверхностей зубьев и на сопротивление усталости зубьев при изгибе.

Обычно закрытые зубчатые передачи рассчитывают на сопротивление усталости при контактных напряжениях с последующей проверкой на прочность при изгибе, а открытые зубчатые передачи — на сопротивление усталости при деформации изгиба.