Диаметр шестерни по количеству зубьев и модулю

Сегодня рассмотрим как рассчитать диаметр шестерни. Сразу скажу что диаметр прямозубой шестерни имеет одну формулу, а диаметр косозубой шестерни имеет другую формулу. Хотя многие считают по одной формуле, это ошибочно. Данные расчёты нужны для других расчётах при изготовлении зубчатых колёс. Итак перейдём непосредственно к формулам (без коррекции):

Для начала значения которые надо знать при расчётах в данных формулах:

• De — диаметр окружности выступов.
• Dd — диаметр делительной окружности (непосредственно от шага которой считается модуль шестерни).
• Di — диаметр окружности впадин.
• Z — число зубьев шестерни.
• Z1 — число зубьев шестерни малого колеса.
• Z2 — число зубьев шестерни большого колеса.
• M (Mn) — модуль (модуль нормальный, по делительному диаметру).
• Ms — модуль торцевой.
• β (βd) — угол наклона шестерни (иметься ввиду угол наклона по делительному диаметру).
• Cos βd — косинус угла на делительном диаметре.
• A — межцентровое расстояние.

Формула расчёта диаметров прямозубого зубчатого колеса (шестерни):

Формула расчёта диаметров косозубого зубчатого колеса (шестерни с косым зубом):

Вроде как и на прямозубых колёсах, но на косозубых мы имеем другой делительный диаметр, следовательно диаметр окружности выступов будет другим!

То есть количество зубьев умножаем на модуль и делим на косинус угла зуба по делительному диаметру или количество зубьев умножаем на модуль торцевой.

Определяем торцевой модуль:

Ms=Mn/Cos βd =2A/Z1+Z2

То есть модуль торцевой равен — модуль нормальный делить на косинус угла зуба шестерни по делительному диаметру или два умножить на межцентровое расстояние и делить на число зубьев малого колеса плюс число зубьев большого колеса.

Для этого нам уже необходимо знать межцентровое расстояние, которое можно посчитать по формуле:

То есть число зубьев малого колеса плюс число зубьев большого колеса разделить на 2 умножить на косинус угла зуба шестерни по делительному диаметру и всё это умножить на модуль или число зубьев малого колеса плюс число зубьев большого колеса умножить (0,5 умножить на модуль торцевой).

Как видите посчитать диаметр прямозубого колеса очень просто, а вот посчитать диаметр колеса с косым зубом тут уже посложнее, так как требуется много различных составляющих. Данные составляющие не всегда есть, что усложняет расчёт. Так что для некоторых расчётов понадобится знание некоторых точных параметров, таких как точный (подчеркну точный) угол наклона зубьев шестерни на делительном диаметре или точное межцентровое расстояние! Все расчёты взаимосвязаны, всё это надо для других расчётов зубчатых передач при проектировании и в ремонтном деле.

Поделится, добавить в закладки!

Цилиндрические шестерни

Поперечный профиль зуба

Обычно шестерни имеют профиль зубьев с эвольвентной боковой формой. Так как эвольвентное зацепление имеет ряд преимуществ перед остальными: форма этих зубьев соответствует условиям их прочности, зубья легко изготовить и обработать, шестерни не чувствительны к точности установки. Тем не менее, существуют зубчатые передачи с циклоидальной формой профиля зубьев, а так же с шестернями с круговой формой профиля зубьев, например – передача Новикова. Помимо этого, применяется несимметричный профиль зуба, например в храповых механизмах.

Читайте также:  Паяльник для пайки проводов в распределительной коробке

Параметры эвольвентной шестерни:

Модуль шестерни (m) – это основной параметр, который определяется из прочностного расчёта зубчатых передач. Чем сильнее нагрузка на передачу, тем больше значение модуля, единица измерения модуля – миллиметры.

Расчет модуля шестерни:

d — диаметр делительной окружности

z — число зубьев шестерни

d_a — диаметр окружности вершин темной шестерни

d_b — диаметр основной окружности – эвольвенты

d_f — диаметр окружности впадин темной шестерни

В машиностроении приняты стандартные значения модуля зубчатого колеса для удобства изготовления и замены зубчатых колёс, представляющие собой числа от 1 до 50.

Высота головки зуба – h_aP и высота ножки зуба – h_fP в случае, так называемого, «нулевого» зубчатого колеса соотносятся с модулем m следующим образом: h_aP = m; h_fP = 1,2 m, то есть:

Отсюда получаем, что высота зуба h = 2,2m

Так же можно практически вычислить модуль шестерни, при этом, не имея всех данных для определения модуля, по следующей формуле:

Продольная линия зуба

Прямозубые шестерни

Прямозубые шестерни – самый применяемый тип зубчатых колёс. Зубья расположены в радиальных плоскостях, линия контакта зубьев пары зубчатых колес параллельна оси вращения, как и оси обеих зубчатых колес (шестеренок) располагаются строго параллельно.

Косозубые шестерни

Косозубые шестерни – это модернизированная версия прямозубых шестерен. Зубья, в таком случае, расположены под углом к оси вращения. Зацепление зубьев этих шестерен происходит тише и плавнее, чем у прямозубых. Они применяются либо в малошумных механизмах, либо в тех которые требуют передачи большого крутящего момента на больших скоростях. К недостаткам этого типа шестерен можно отнести: увеличенную площадь соприкосновения зубьев, что вызывает значительное трение и нагрев деталей, а вследствие: потеря мощности и дополнительное использование смазочных материалов; так же механическая сила, направленная вдоль оси шестеренки, вынуждает применять упорные подшипники для установки вала.

Шевронные колёса

Шевронные шестерни решают проблему механической осевой силы, которая возникает в случае применения косозубых колес, так как зубья шевронных (елочных) колёс изготавливаются в виде буквы «V» (или же они образовываются стыковкой двух косозубых колёс со встречным расположением зубьев). Осевые механические силы обеих половин шевронной шестерни взаимно компенсируются, поэтому нет нет необходимости использования упорных подшипников для установки валов. Шевронная передача является самоустанавливающейся в осевом направлении, в следствии чего, в редукторах с шевронными колесами один из валов устанавливают на подшипниках с короткими цилиндрическими роликами – плавающих опорах.

Шестерни с внутренним зацеплением

Шестерни такого типа имеют зубья, нарезанные с внутренней стороны. При их использовании происходит одностороннее вращение ведущей и ведомой шестерен. В данной зубчатой передаче меньше затрат на трение, а значит выше КПД. Применяются зубчатые колеса с внутренним зацеплением в ограниченных по габаритам механизмах, в планетарных передачах, в шестеренных насосах, в приводе башни танка.

Винтовые шестерни

Шестерни имеют форму цилиндра с расположенными на нем зубьями по винтовой линии. Эти шестеренки используются на непересекающихся валах, которые располагаются перпендикулярно друг друга, угол между ними 90°.

Читайте также:  Как восстановить хромированный пластик

Секторные шестерни

Секторная шестерня – это часть (сектор) шестерни любого типа, она позволяет сэкономить в габаритах полноценной шестерни, так как применяется в передачах, где не требуется вращение этого зубчатого колеса (шестеренки) на полный оборот.

Шестерни с круговыми зубьями

Шестерни этого типа имеют линию зубьев в виде окружности радиуса, за счет этого контакт в передаче происходит в одной точке на линии зацепления, которая располагается параллельно осям шестерен. Передачи с круговыми зубьями «Передача Новикова» имеет лучшие ходовые качества, чем косозубые – высокую плавность хода и бесшумность, высокую нагрузочную способность зацепления, но при одинаковых условиях их ресурс работы и КПД ниже, к прочему изготовление этих шестерен значительно сложнее. Поэтому применение таких шестеренок ограниченно.

Конические шестерни

Конические шестерни имеют различные виды, отличаются они по форме линий зубьев, с прямыми, с криволинейными, с тангенциальными, с круговыми зубьями. Применяются конические зубчатые передачи в машинах для движения механизма, где требуется передать вращение с одного вала на другой, оси которых пересекаются. Например, в автомобильных дифференциалах, для передачи момента от двигателя к колесам.

Зубчатая рейка

Зубчатая рейка является частью зубчатого колеса с бесконечным радиусом делительной окружности. Вследствие этого ее окружности представляют собой прямые параллельные линии. Эвольвентный профиль зубчатой рейки тоже имеет прямолинейное очертание. Это свойство эвольвенты является наиболее важным при изготовлении зубчатых колёс. Передачу с применением зубчатой планки (рейки) называют – реечная передача (кремальера), она используется для преобразования вращательного движения в поступательное и наоборот. Состоит передача из зубчатой рейки и прямозубого зубчатого колеса (шестеренки). Применяется такая передача в зубчатой железной дороге.

Звездочка

Шестерня-звезда – это основная деталь цепной передачи, которая используется совместно с гибким элементом – цепью для передачи механической энергии.

Коронная шестерня

Коронная шестерня – это особый тип шестерен, их зубья находятся на боковой поверхности. Такая шестерня работает, как правило, в паре с прямозубой или с барабаном (цевочное колесо), состоящим из стержней. Такая передача используется в башенных часах.

Зубча́тое колесо́ или шестерня́ [1] , зубчатка [2] — основная деталь зубчатой передачи в виде диска с зубьями на цилиндрической или конической поверхности, входящими в зацепление с зубьями другого зубчатого колеса.

Обычно термины зубчатое колесо, шестерня, зубчатка являются синонимами, но некоторые авторы называют ведущее зубчатое колесо шестернёй, а ведомое — колесом [2] . Происхождение слова «шестерня́» доподлинно неизвестно, хотя встречаются предположения о связи с числом «шесть». Л. В. Куркина, однако, выводит термин из слова «шест» (в смысле «ось») [3] .

Зубчатые колёса обычно используются па́рами с разным числом зубьев с целью преобразования крутящего момента и числа оборотов валов на входе и выходе. Колесо, к которому крутящий момент подводится извне, называется ведущим, а колесо, с которого момент снимается — ведомым. Если диаметр ведущего колеса меньше, то крутящий момент ведомого колеса увеличивается за счёт пропорционального уменьшения скорости вращения, и наоборот. В соответствии с передаточным отношением, увеличение крутящего момента будет вызывать пропорциональное уменьшение угловой скорости вращения ведомой шестерни, а их произведение — механическая мощность — останется неизменным. Данное соотношение справедливо лишь для идеального случая, не учитывающего потери на трение и другие эффекты, характерные для реальных устройств.

Читайте также:  Наточить топор своими руками

Содержание

Цилиндрические зубчатые колёса [ править | править код ]

Профиль зубьев колёс как правило имеет эвольвентную боковую форму. Однако существуют передачи с круговой формой профиля зубьев (передача Новикова с одной и двумя линиями зацепления) и с циклоидальной. Кроме того, в храповых механизмах применяются зубчатые колёса с несимметричным профилем зуба.

Параметры эвольвентного зубчатого колеса:

• m — модуль колеса. Модулем зацепления называется линейная величина в π раз меньшая окружного шага P или отношение шага по любой концентрической окружности зубчатого колеса к π, то есть модуль — число миллиметров диаметра делительной окружности приходящееся на один зуб. Тёмное и светлое колёсо имеют одинаковый модуль. Самый главный параметр, стандартизирован, определяется из прочностного расчёта зубчатых передач. Чем больше нагружена передача, тем выше значение модуля. Через него выражаются все остальные параметры. Модуль измеряется в миллиметрах, вычисляется по формуле:

m = d z = p π >=

>> >

Зубчатые колеса классифицируются в зависимости от формы продольной линии зуба на:

НТЦ «Редуктор» принимает заказы на изготовление цилиндрических зубчатых передач (краткая форма термина-зубчатые передачи) в широком диапазоне их исходных геометрических параметров,отличающихся: —по модулю —по точности изготовления —по твердости поверхностей зубьев. Мы принимаем к изготовлению зубчатые передачи, шестерни и колеса: —по чертежам Заказчика —по эскизам Заказчика. По ним мы разрабатываем чертежи. —по исходным расчетным данным Заказчика. По ним мы разрабатываем чертежи. —по образцам Заказчика. Мы их обмеряем. Расшифровываем исходные геометрические параметры. И разрабатываем чертежи.

Принимая заказ, мы обсуждаем с Заказчиком и предлагаем ему на рассмотрение улучшенные варианты исполнения его зубчатых передач, шестерен и колес с повышенной точностью и повышенной в 3…5 раза их долговечностью и с пониженным шумом.

Изготовление зубчатых передач, отличающихся по модулю

НТЦ Редуктор изготавливает зубчатые передачи, зубчатые шестерни и зубчатые колеса, отличающиеся по размеру модуля зубьев, а именно:

• с мелким модулем,
• со средним модулем,
• с крупным модулем,
• с особо крупным модулем.

Модуль…от М=0.2 мм до М=1.0 мм

• • мелкомодульные зубчатые передачи;
  • мелкомодульные зубчатые шестерни;
  • мелкомодульные зубчатые колеса;

Все эти четыре разновидности зубчатых передач, отличающиеся по размеру модуля зуба, изготавливаются на разных зубообрабатывающих станках. Наиболее распространены в промышленности зубчатые передачи, зубчатые шестерни и зубчатые колеса со средним значением модуля. Соответственно, для нарезания таких зубьев применяются широко распространенные и производимые в России зубообрабатывающие станки-зуборезные, зубошевинговальные, зубошлифовальные. Для обработки мелкомодульных зубчатых передач, а также передач крупного модуля требуются специальные, менее распространенные в России станки.

НТЦ «Редуктор» располагает станками для изготовления мелкомодульных зубчатых передач.

Для обработки зубчатых передач, зубчатых шестерен и зубчатых колес особо крупного модуля, до М=35 мм, НТЦ Редуктор применяет имеющиеся уникальные станки, типа 5А342П, а для модулей свыше М=35 мм, применяются специальные станки и специальные способы обработки зубьев зубчатых колес.

ИЗГОТОВЛЕНИЕ ЗУБЧАТЫХ ПЕРЕДАЧ, ОТЛИЧАЮЩИХСЯ ПО ТОЧНОСТИ

НТЦ «Редуктор» принимает заказы на изготовление цилиндрических зубчатых передач (краткая форма термина — зубчатые передачи) в широком диапазоне точности их изготовления, от крайне низкой, до особо высокой степени точности.

Немного истории Уровень развития зубчатых технологий России, конструкции российских изделий и документация на изделия таковы, что практически всегда предполагалось и предполагается изготавливать зубчатые передачи, зубчатые шестерни и зубчатые колеса только из-под фрезы.

Такая конструкторская и технологическая идеология своими корнями уходит во времена Советского Союза, когда стремились к максимальной простоте и дешевизне изготовления, в том числе и при изготовлении зубчатых передач. Да, зубчатые передачи, шестерни и колеса, изготавливаемые из-под фрезы дешевые, что привлекательно для потребителей зубчатых передач, которые нацелены на максимальную дешевизну и не нацелены на высокое качество и долговечность эксплуатации.

И такие тенденции в России по-прежнему очень сильны и устойчивы. Хотя и они сегодня стремительно меняются. Меняются, потому что промышленную Россию “наводнили” зубчатые передачи, шестерни и колеса, изготовленные зарубежными фирмами. И все эти зарубежные изделия характеризуются заметно лучшими эксплуатационными свойствами: повышенными передаваемыми нагрузками, заметно пониженным шумом и значительно повышенной эксплуатационной долговечностью. Это видят потребители и поэтому все чаще отказываются от дешевизны, вспоминая А. С. Пушкина и его “не гонялся бы ты, поп, за дешевизной”. И предпочитают более совершенные, пусть и более дорогие, зубчатые передачи, шестерни и колеса.

Различают по точности зубчатые передачи, шестерни и колеса:

В зависимости от точности зубчатые передачи, зубчатые шестерни и зубчатые колеса изготавливаются по различным технологическим процессам, с применением разного оборудования. Зубчатые передачи, шестерни и колеса 10-й…12-й степеней точности изготавливают, например, дисковыми модульными фрезами методом единичного деления. Зубчатые передачи, шестерни и колеса 8-й…9-й степеней точности изготавливают из-под фрезы, то есть, червячными фрезами. Работоспособность и точность таких передач и колес невысокая.Они при эксплуатации сильно шумят, изнашиваются и поэтому не долговечны в эксплуатации.

Зубчатые передачи, шестерни и колеса 5-й…6-й степеней точности предварительно нарезают червячной фрезой, оставляя припуск на окончательную шлифовку зубьев, которую выполняют после их закалки до высокой твердости, от 54 до 61 HRCэ. Работают такие зубчатые передачи бесшумно. Работоспособность и точность таких передач и колес повышается в 3…5 и более раз. Применяют такие зубчатые передачи при повышенных скоростях вращения.

Зубчатая передача — это механизм, который с помощью зубчатого зацепления передает или преобразует движение с изменением угловых скоростей и моментов.

Зубчатая пара состоит из шестерни и колеса. В большинстве случаев шестерня является ведущим элементом зубчатой пары, а колесо — ведомым, хотя встречается и обратное соотношение. Обычно шестерня имеет меньший диаметр.

Как правило, при рассмотрении одинаковых параметров шестерни и колеса, шестерне присваивают индекс 1, колесу -2. Например, Z₁ — количество зубьев шестерни. Z₂ — количество зубьев колеса.

Купить зубчатое колесо модуль 1.5 в СПб по оптимальной цене с доставкой по России вы можете в нашей компании Базовая техника [email protected] +7(812)740-12-27.

При модуле 1.5 ширина венца зубчатого колеса = 17 мм. Угол давления 20 градусов.

Количество зубьев Z	Маркировка	De мм	Dp мм	D мм
72	CM27072	111	108	20
75	CM27075	115,5	112,5	20
76	CM27076	117	114	20
80	CM 27080	123	120	20
85	CM27085	130,5	127,5	20
90	CM27090	138	135	20
95	CM 27095	145,5	142,5	20
100	CM27100	153	150	20
110	CM27110	168	165	20
114	CM27114	174	171	20
120	CM27120	183	180	20
127	CM27127	193,5	190,5	20

• Код товара: 19480812 Коническая прямозубая шестерня BEA i=1, M=1, Z=16 441010016 Самовывоз: Сегодня Курьером: завтра
• Код товара: 19480134 Коническая прямозубая шестерня BEA i=1, M=1, Z=19 441010019 Самовывоз: Сегодня Курьером: завтра
• Код товара: 18137641 Зубчатая шестерня Sati со ступицей, M1, Z25 PM26025 Самовывоз: Сегодня Курьером: завтра
• Код товара: 18140599 Зубчатая шестерня Sati со ступицей, M1,5, Z26 PM27026 Самовывоз: 22 января Курьером: 22 января
• Код товара: 18136933 Зубчатая шестерня Sati со ступицей, M1,5, Z22 PM27022 Самовывоз: Сегодня Курьером: завтра
• Код товара: 18139471 Зубчатая шестерня Sati со ступицей, M1, Z15 PM26015 Самовывоз: 22 января Курьером: 22 января
• Код товара: 19480302 Коническая прямозубая шестерня BEA i=1, M=1,5, Z=30 441015030 Самовывоз: Сегодня Курьером: завтра
• Код товара: 19480518 Коническая прямозубая шестерня BEA i=1, M=1, Z=30 441010030 Самовывоз: Сегодня Курьером: завтра
• Код товара: 19480488 Коническая прямозубая шестерня BEA i=1, M=1, Z=26 441010026 Самовывоз: Сегодня Курьером: завтра
• Код товара: 19480002 Коническая прямозубая шестерня BEA i=1, M=1,5, Z=26 441015026 Самовывоз: Сегодня Курьером: завтра
• Код товара: 19480536 Коническая прямозубая шестерня BEA i=1, M=1, Z=22 441010022 Самовывоз: Сегодня Курьером: завтра
• Код товара: 18139879 Зубчатая шестерня Sati со ступицей, M1,5, Z33 PM27033 Самовывоз: 22 января Курьером: 22 января
• Код товара: 18140293 Зубчатая шестерня Sati со ступицей, M2, Z50 PM28050 Самовывоз: 22 января Курьером: 22 января
• Код товара: 18135829 Зубчатая шестерня Sati со ступицей, M4, Z12 PM31012 Самовывоз: Сегодня Курьером: завтра
• Код товара: 18140515 Зубчатая шестерня Sati со ступицей, M2,5, Z18 PM29018 Самовывоз: 22 января Курьером: 22 января
• Код товара: 18140755 Зубчатая шестерня Sati со ступицей, M2, Z26 PM28026 Самовывоз: 22 января Курьером: 22 января
• Код товара: 18136525 Зубчатая шестерня Sati со ступицей, M1, Z40 PM26040 Самовывоз: 22 января Курьером: 22 января
• Код товара: 18141187 Зубчатая шестерня Sati со ступицей, M2, Z24 PM28024 Самовывоз: 22 января Курьером: 22 января
• Код товара: 16401657 Зубчатая шестерня со ступицей TECHNIX M=1, Z=15 PM26015 Самовывоз: 22 января Курьером: 22 января
• Код товара: 19480248 Коническая прямозубая шестерня BEA i=1, M=2, Z=22 441020022 Самовывоз: 22 января Курьером: 22 января

• 1
• 2
• 3
• 4
• …

• 3D принтеры (47)
• 3D сканеры (3)
• Абразивно-отрезные станки (17)
• Гибочные (1037)
• Гидравлическое оборудование (1)
• Гильотины (118)
• Станки для листового металла (67)
• Для резки проводов (11)
• Станки для седловин труб (13)
• Станки для снятия фасок (3)
• Долбежные (15)
• Дровоколы (52)
• Заклепочные станки (27)
• Заточные (точило) (644)
• Зачистные станки (2)
• Кромкооблицовочные (49)
• Круглопалочные станки (1)
• Кузнечное оборудование (117)
• Лазерные станки (97)
• Линии окутывания погонажных изделий (2)
• Многофункциональные по дереву (97)
• Мобильные расточные станки (2)
• Модульные станки (4)
• Оборудование для производства воздуховодов (4)
• Пильные станки (распиловочные) (860)
• Плиткорезы (763)
• Пресс-клещи (155)
• Пресс-перфораторы (30)
• Прессы (333)
• Производственная мебель (2223)
• Промышленные компоненты (22977)
• Резьбонарезные (58)
• Сверлильные (670)
• Станки для арматуры (234)
• Станки для зачистки и опрессовки проводов (2)
• Станки для изготовления водосточных труб и желобов (20)
• Станки для токопроводящих шин (37)
• Станки с ЧПУ (25)
• Строгальные (269)
• Стружкоотсосы (153)
• Токарные (512)
• Торцовочные (17)
• Труборезы (35)
• Угловысечные (21)
• Фаскосниматели для труб (43)
• Фрезерные (411)
• Четырехсторонние станки (30)
• Швейное оборудование (138)
• Шлифовальные (219)
• Электродвигатели (1128)

Отзывы о зубчатых шестернях

Рекомендуемые товары

Вы недавно просматривали

Автор:  А. С. Калашников, д. т.н., профессор, Московский политехнический университет, e‑mail: [email protected]

ГАЗОВАЯ ВАКУУМНАЯ ЦЕМЕНТАЦИЯ С ЗАКАЛКОЙ ГАЗОМ ПОД ДАВЛЕНИЕМ ОБЕСПЕЧИВАЕТ ЗУБЧАТЫМ КОЛЕСАМ ИЗ ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ ВЫСОКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ТВЕРДОСТИ ПОВЕРХНОСТИ, КОНТАКТНОЙ И ИЗГИБНОЙ ВЫНОСЛИВОСТИ ЗУБЬЕВ.

Зубчатые передачи относятся к деталям приводной техники, подвергаемым значительным циклическим нагрузкам. В условиях высоких окружных скоростей и передаваемых мощностей зубчатые передачи должны обладать соответствующими прочностными свойствами. Объективным критерием оценки прочности является изгибная и контактная выносливость зубьев.

Повышению сопротивления поверхностей зубьев износу под действием контактных напряжений способствует также наличие в поверхностных слоях зубьев остаточных внутренних напряжений сжатия глубиной до 0,02 мм. Область применения различных материалов и химико-термических процессов при изготовлении зубчатых колес, а также достигаемая контактная выносливость зубьев в соответствии со стандартом ISO 6336 приведены на рис. 1.

Рис. 1. Контактная выносливость и твердость поверхности зубьев колес при различных методах ХТО

При этом указаны не конкретные марки, а широкий спектр сталей, входящих в группу, например, легированных, улучшаемых, азотируемых и других. Каждая группа охватывает большое число марок сталей, которые по составу и свойствам значительно отличаются друг от друга. Безусловно, при определении марки стали и химико-термической обработки должны быть учтены конструктивные особенности зацепления зубчатых передач и условия их эксплуатации. Следует отметить, что для зубчатых колес, работающих при высоких нагрузках и окружных скоростях и имеющих значительные контактные напряжения, наиболее часто применяют легированные стали после цементации (нитроцментации) и закалки, характеризующиеся пределом контактной выносливости боковых поверхностей 1300 –1650 Н/мм² [1, 2]. Наряду с высокой контактной прочностью зубчатые колеса из легированных сталей после цементации (нитроцементации) и закалки имеют также высокие показатели по изгибной выносливости в пределах 320–540 Н/мм² (рис. 2).

Рис. 2. Изгибная выносливость и твердость поверхности зубьев колес при различных методах ХТО

Изгибная выносливость зубьев характеризуется сопротивлением зубчатого зацепления усталостным поломкам, возникающим в основании зуба. Сила Fn, которая достигает максимального значения при зацеплении в области делительной линии зуба и действует перпендикулярно его поверхности, а также плечо изгиба hf определяют напряжения в основании зуба (рис. 3). При этом решающее значение для достижения высокой прочности на изгиб под действием силы Fn имеет максимально возможный радиус закругления rf в основании зуба и толщина ножки зуба по хорде Sf.

Рис. 3. Схема определения изгибной выносливости в основании зуба

Зубчатые колеса из низко- и среднелегированных сталей после цементации и закалки получают твердость поверхности HRC 55…63 при концентрации углерода 0,8…1,1%, а сердцевина сохраняет вязкую структуру c твердостью HRC 33…45, устойчивую к ударным нагрузкам. Для колес, работающих при высоких контактных нагрузках, концентрацию углерода в поверхностных слоях зубьев увеличивают до 1,1…1,4% без повышения твердости. Толщина цементованного слоя 1 (расстояние 2 от боковой поверхности зуба до слоев металла с твердостью HRC ≤ 51) зависит главным образом от модуля зубчатого колеса и в среднем составляет 0,2 mn (0,1…2,0 мм и более) (рис. 4). При необходимости, например, в целях повышения прочностных свойств зубчатых колес или увеличения припуска на чистовую обработку после ХТО, толщина цементованного слоя может быть увеличена.

Рис. 4. Твердость зуба по HRC в поперечном сечении после цементации и закалки

Приведенная в таблице 1 ХТО цилиндрического косозубого зубчатого колеса коробки передач (mn = 4,0 мм, z = 37, β = 23°) с достижением толщины цементационного слоя 0,8 мм (0,35% С) показало, что метод вакуумной цементации с последующей закалкой производительней газовой на ≈18%.

Таблица 1. Сравнение производительности вакуумной и газовой цементации и последующей закалки

Этапы процесса	Вакуумная установка	Газовая установка
Загрузка	15 мин	5 мин
Нагрев до 980°С	90 мин	90 мин
Цементация и диффузия	120 мин	180 мин
Уменьшение температуры	45 мин	60 мин
Закалка	20 мин	20 мин
Выгрузка	5 мин	5 мин
Общее время	295 мин	360 мин

В целях снижения деформации криволинейных зубьев ведущей гипоидной шестерни было принято решение производить химико-термическую обработку, используя комбинацию процессов вакуумной цементации и закалки газом под давлением [6]. Ведущая гипоидная шестерня типа вала из низкоуглеродистой стали 25ХГТ имела следующие параметры: число зубьев z = 11, внешний окружной модуль mte = 7,37 мм, внешняя высота зуба he = 16 мм, средний угол наклона на поверхности впадин β = 45° 23′, гипоидное смещение а = 36 мм, нормальный угол давления: на рабочей стороне (вогнутой) зуба αр = 20° 15′; на обратной стороне (выпуклой) зуба αо = 24° 45′ (рис. 5).

Рис. 5. Ведущая гипоидная шестерня-вал

Вакуумный процесс науглероживания начинался с создания вакуума в печи нагрева заготовки до высокой температуры 980°С (возможно до 1050°С) в атмосфере без кислорода, в среде азота, что препятствовало образованию вредного окисления (рис. 6).

Рис. 6. Схема вакуумной цементации и закалки газом под давлением

Вакуумную цементацию производили при низком давлении в среде ацетилена (содержание углерода С ≈ 92%), который при высокой температуре обладает значительной скоростью диссоциации. Высокая скорость передачи углерода поверхности заготовки ведущей гипоидной шестерни позволила значительно снизить время по сравнению с атмосферным науглероживанием и повысить производительность процесса цементации. Чтобы избежать образования карбидов в области головки зуба, вакуумную цементацию проводили импульсами путем чередования коротких фаз насыщения углеродом и продолжительных фаз диффузии углерода в поверхностный слой заготовки [6, 7].

Так как при ХТО возникают большие деформации вала, характеризуемые радиальным биением шейки (рис. 7), при правке могут образовываться микротрещины и глубокие риски, которые являются причиной возникновения бракованных заготовок. Исследования показали, что при охлаждении газом (гелием) под давлением максимальные значения радиального биения шеек и их разброс (кривая 1) значительно снижаются по сравнению с закалкой в масло (кривая 2). Это позволяет избежать операций зачистки центров и правки. Очень важно, что при снижении деформации вала уменьшается колебание припуска под последующую чистовую обработку зубьев.

Рис. 7. Схема контроля радиального биения шеек у шестерни-вала

Проведенные измерения показателя нормы кинематической точности радиального биения зубчатого венца Fr, наибольшей разности расстояний от рабочей оси зубчатого колеса до элемента нормального исходного контура показали, что точность зубчатого венца после газовой вакуумной цементации и закалки газом под давлением приблизительно на одну степень по ГОСТ 1758–81 выше по сравнению с цементацией в эндотермических атмосферах и закалкой в масло. При этом показатель нормы плавности работы — отклонение шага fpt = ± (15–33) мкм также был в пределах 8‑й степени точности по ГОСТ 1758–81.

Рис. 8. Радиальное биение шеек гипоидных шестерен после ХТО

Величина максимального припуска в значительной степени зависит от погрешностей зубьев, полученных на предшествующей операции [2, 4]. Так как газовая вакуумная цементация с последующей непосредственной закалкой газом под высоким давлением позволила снизить погрешности норм кинематической точности, плавности работы, контакта зубьев и бокового зазора в среднем на 20–25% по сравнению атмосферной цементацией и закалкой в масло,то величина припуска на сторону зуба снизилась на 10–15%. Это позволило увеличить производительность чистовой обработки зубошлифованием и снизить влияние «технологической наследственности» на точность изготовления (рис. 9). Режимы резания при шлифовании зубьев высокопористыми кругами марки 2516 СМ112 К5: число рабочих ходов 4; скорость резания V = 33 м/c; время обработки одного зуба t = 30 с.

Рис. 9. Схема шлифования зубьев гипоидной шестерни-вала

В массовом, крупно- и реже среднесерийном производстве, как правило, применяют поточную организацию предварительной и окончательной механической обработки, которая характеризуется расположением производственного оборудования в последовательности выполнения операций технологического процесса. Движение заготовки от операции к операции производят с определенным тактом. Для выполнения ХТО поточное производство прерывают, заготовки укладывают в специальную тару и транспортируют в термический цех с использованием промежуточных складов. Даже на предприятиях с высокой организацией технологического процесса операцию ХТО выполняют за несколько рабочих дней.

Рис. 10. Схема установки для вакуумной цементации и закалки газом под давлением

Разработанные компанией ALD Vacuum Technologies установки для газовой вакуумной цементации с последующей закалкой газом под давлением можно с успехомвстроить в поточную линию, не прерывая предварительную и окончательную механическую обработку (рис. 10). Камера 2 предназначена для вакуумного науглероживания заготовок. С помощью электронагрева 3 и вентилятора 1 обеспечивается постоянный и равномерный нагрев камеры. Поддоны 4 с заготовками устанавливаются на стол 9. Для охлаждения газом под высоким давлением служит закалочная камера 6. Благодаря теплоизоляции по всему контуру внешняя оболочка камеры остается «холодной» (температура 20–25°C), что не вызывает трудностей при установке ее на участке механической обработки. Перемещение поддонов с заготовками из камеры в камеру производится транспортным модулем 8. Загрузка поддонов в установку осуществляется с помощью герметичных дверей 5 и 7.

Конструкция установки ALD Dual Therm (пропускная способность 100–200 кг/час) позволяет интегрировать ее в поточную механообрабатывающую линию для ХТО заготовок зубчатых колес с массой 2–5 кг, значительно снизить цикл обработки и избежать затрат на транспортирование и хранение заготовок на складе (рис. 11).

Рис. 11. Установка для вакуумной цементации и закалки газом под давлением

Большое значение для равномерности процесса охлаждения заготовок зубчатых колес имеет циркуляция потока газа в закалочной камере. Внутренняя система потока газа равномерно проходит через поддон (1) с заготовками (рис. 12). Камера может быть оснащена устройством для реверсирования потоков, которое позволяет периодически изменять направления газа для охлаждения заготовок сверху вниз (2) или снизу вверх.

Рис. 12. Схема потоков охлаждающего газа в закалочной камере

Высокая гибкость процесса вакуумной цементации и закалки газом под давлением позволяет производить ХТО заготовок зубчатых колес различной конструкции с маленькой, средней или большой толщиной цементационного слоя. Для зубчатых колес, работающих при значительных изгибных нагрузках, необходима высокая твердость сердцевины HRC ≥ 35 в основании зуба, поэтому закалка таких колес производится с интенсивным охлаждением при реверсировании потоков газа, а также высоких значениях давления и скорости его подачи [6, 7].

Заключение

Газовая вакуумная цементация в комбинации с закалкой газом под высоким давлением представляет собой современную химико-термическую технологию. Она обеспечивает зубчатым колесам из легированных сталей высокие показатели твердости поверхности HRC 58–63, контактной (300–1650 Н/мм²) и изгибной (320–540 Н/мм²) выносливости зубьев. Проведенные исследования при изготовлении гипоидных конических шестерен показали следующие основные преимущества этой технологии: 1. Снижение деформаций зубьев гипоидной шестерни, что позволяет на 10–15% снизить величину припусков на зубьях, повысить производительность зубошлифования после ХТО и уменьшить влияние «технологической наследственности» на точность изготовления шестерни. 2. Уменьшение деформации вала и отсутствие загрязнений (следы сажи и пригара) после ХТО, характерных для цементации в атмосферных печах и закалки в масло, позволяет исключить из технологического процесса операции правки и мойки заготовок. 3. Производительность установок газовой вакуумной цементации и закалки газом под высоким давлением и низкий такт выпуска одной заготовки позволяет встраивать их в поточные линии механической обработки.

Литература 1. Зинченко В. М. Инженерия поверхности зубчатых колес методами химико-термической обработки. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2001. 302 с. 2. Козловский И. С. Химико-термическая обработка шестерен. М.: Машиностроение, 1970. 232 с. 3. Bausch Tomas. Innovative Zahnradfertidung. Expert verlag GmbH, D‑71262, Reningen, Germany, 2006, 778 s. 4. Калашников А. С., Моргунов Ю. А., Калашников П. А. Современные методы обработки зубчатых колес. М.: Издательский дом «Спектр», 2012. 238 с. 5. Саушкин Б. П., Шандров Б. В., Моргунов Ю. А. Перспективы развития и применения физико-химических методов и технологий в производстве двигателей. «Известия МГМУ «МАМИ». 2012. № 2 (14).Т. 2. С. 242–248. 6. Loser K. Innovative Warmebehandlungsprozesse und-anlagen in der Getriebeproduktion. Доклад на конгрессе «GETRO», Германия, Вюрцбург. Март 2007. 15 с. 7. Калашников А. С., Моргунов Ю. А., Калашников П. А. Химико-термическая обработка зубчатых колес с использованием газовой вакуумной цементации. Справочник. Инженерный журнал. 2013. № 10. С. 12–16.

Источник журнал “РИТМ машиностроения” № 3-2019