Содержание:
1. Эскиз.
2.Деталь, её функции, в состав какого механизма входит.
3.Условия работы, характер нагрузок.
4. Материал детали, его свойства.
5. Технология изготовления.
1. В редукторах для передачи вращательного движения применяются зубчатые колёса, образующие зубчатые зацепления, с помощью которых передаётся вращательное движение валам и изменяется частота вращения. Основные преимущества зубчатых передач: высокая нагрузочная способность и, как следствие, малые габариты; большая долговечность и надёжность работы (например, для редукторов общего применения установлен ресурс около 30000 часов); высокий КПД (до 0.97 0.98 в одной ступени); постоянство передаточного отношения (отсутствие проскальзывания); возможность применения в высоком диапазоне скоростей (до 150 м/с), мощностей (до десятков тысяч кВт) и передаточных отношений (до нескольких сотен и даже тысяч). Среди недостатков зубчатых передач можно отметить повышенные требования к точности изготовления, шум при больших скоростях, высокую жёсткость. Отмеченные недостатки не снижают существенного преимущества зубчатых передач перед другими. Вследствие этого зубчатые передачи наиболее широко распространены во всех отраслях машиностроения и приборостроения. Наибольшее распространение имеют передачи с цилиндрическими колёсами, как наиболее простые в изготовлении и эксплуатации, надёжные и небольших размеров.
В данном курсовом проекте рассматривается кованное цилиндрическое зубчатое колесо с наружным диаметром 90 мм, число зубьев 34, модуль 2.5, которое используется на предприятиях машиностроения, в транспортных установках, в шахтном и горнодобывающем оборудовании.
2. Колесо работает как с постоянной нагрузкой, так и с переменной; и окружной скоростью до 15 м/с. Интервал максимально допустимых температур для детали от -50 до+170 градусов по Цельсию, но, как правило, масло в месте контакта зубьев не позволяет детали нагреться выше 30 – 50 градусов. Это означает, что деталь может работать со средней и высокой нагрузкой в различных условиях.
За расчётную нагрузку принимают максимальное значение удельной нагрузки, распределённой по линии контакта зубьев. Концентрация нагрузки увеличивает контактные напряжения и напряжения изгиба. Для уменьшения опасности выламывания углов зубьев на практике применяют колёса со срезанными углами. При постоянной нагрузке передачи приработка зубьев может полностью устранить концентрацию нагрузки. Переменная нагрузка сопровождается ступенчатой приработкой зубьев. При ступенчатой приработке концентрация нагрузки снимается лишь частично. Ступенчатая приработка, или огранка зубьев, связана с изменением деформации валов и углом перекоса в зависимости от величины нагрузки. Каждому углу перекоса соответствует своя площадка соприкасания зубьев, образовавшаяся от приработки при данной нагрузке. Благоприятное влияние приработки зубьев на уменьшение концентрации нагрузки проявляется в значительно меньшей степени при высокой твёрдости поверхности зубьев(>350HB), а также в передачах с высокими окружными скоростями(V>15 м/с). При больших скоростях между зубьями образуется масляный слой, защищающий их от износа. Для уменьшения концентрации нагрузки при высокой твёрдости зубьев и высоких окружных скоростях рекомендуют применять относительно неширокие колёса или придавать зубьям бочкообразную форму путём изменения глубины врезания по длине зуба. При передаче крутящего момента в зацеплении кроме нормальной силы Fn действует сила трения Fтр=Fn*f, связанная со скольжением. Под действием этих сил зуб находится в сложном напряжённом состоянии. Решающее влияние на его работоспособность оказывают два основных напряжения: контактные напряжения σн и напряжения изгиба σF . Для каждого зуба σн и σF не являются постоянно действующими. Они изменяются во времени по некоторому прерывистому отнулевому циклу. Время действия σF за один оборот колеса (t1) равно продолжительности зацепления одного зуба (t2). Напряжение σн действует ещё меньшее время. Это время равно продолжительности пребывания в зацеплении данной точки поверхности зуба с учётом зоны распространения контактных напряжений. Переменные напряжения являются причиной усталостного разрушения зубьев: поломка зубьев от напряжения изгиба и выкрашивания поверхности от контактных напряжений. С контактными напряжениями и трением в зацеплении связаны также износ, заедание и другие виды повреждения поверхности зубьев. Поломка зубьев связана с напряжениями изгиба. На практике чаще наблюдается выламывание углов зубьев вследствие концентрации нагрузки. Различают два вида поломки зубьев: поломка от больших перегрузок ударного или даже статического действия (предупреждают защитой привода от перегрузок или учётом перегрузок при расчёте). Усталостная поломка, происходящая от действия переменных напряжений в течение сравнительно долгого срока службы (предупреждают определением размеров расчётом на усталость). Особое значение имеют меры по устранению концентраторов напряжений (рисок от обработки, раковин и трещин в отливках, микротрещин от термообработки и т. п.). Общие меры предупреждения поломки зубьев – увеличение модуля, положительное смещение при нарезании зубьев, термообработка, наклёп, уменьшение концентрации нагрузки по краям.
Повреждение поверхности зубьев. Все виды повреждения поверхности зубьев связаны с контактными напряжениями и трением. Усталостное выкрашивание от контактных напряжений является основным видом разрушения поверхности зубьев при хорошей смазке передачи (чаще всего это бывают закрытые, сравнительно быстроходные передачи, защищённые от пыли и грязи). Зубья таких передач разделены тонким слоем масла, устраняющим металлический контакт. При этом износ зубьев мал. Передача работает длительное время до появления усталости в поверхностных слоях зубьев. На поверхности появляются небольшие напряжения, напоминающие оспинки, которые растут и превращаются в раковины. Выкрашивание начинается обычно вблизи полюсной линии на ножках зубьев там, где нагрузка передаётся одной парой зубьев, а скольжение и перекатывание зубьев направлены так, что масло запрессовывается в трещины и способствует выкрашиванию частиц металла. При выкрашивании нарушаются условия образования сплошной металлической плёнки, появляется металлический контакт с последующим износом и задиром поверхности. Образование первых усталостных раковин не всегда служит признаком близкого полного разрушения зубьев. В передачах, зубья которых имеют высокую твёрдость (350HB) явление ограниченного выкрашивания обычно не наблюдается. Образовавшиеся раковины быстро растут вследствие хрупкого разрушения их краёв. В передачах, работающих со значительным износом, выкрашивание не наблюдается, так как поверхностные слои снимаются раньше, чем появляются трещины усталости. Основные меры предупреждения выкрашивания: определение размеров из расчёта на усталость по контактным напряжениям; повышение твёрдости материала путём термообработки; повышении степени точности и в особенности по норме контакта зубьев.
Абразивный износ является основной причиной выхода из строя передач при плохой смазке. К таким передачам относятся прежде всего открытые передачи, а также закрытые, но недостаточно защищённые от загрязнения абразивными частицами (пыль, продукты износа и т. п.). У изношенной передачи увеличиваются зазоры в зацеплении, появляется шум, возрастают динамические нагрузки. В то же время прочность изношенного зуба понижается вследствие уменьшения площади его поперечного сечения. Всё это может привести к поломке зубьев, если зубчатые колёса своевременно не забраковать.
Расчёт на износ затруднён тем, что интенсивность износа зависит от многих случайных факторов, в первую очередь от интенсивности загрязнения смазочного материала.
На практике, при расчёте передач, у которых наблюдается износ зубьев, понижают допускаемые контакты напряжений до значений, установленных на основе опыта эксплуатации подобных конструкций.
Основные меры предупреждения износа – повышение твёрдости поверхности зубьев, защита от загрязнения, применение специальных масел.
Заедание наблюдается преимущественно в высоконагруженных и высокоскоростных передачах. В месте соприкасания зубьев этих передач развивается высокая температура, способствующая разрыву масляной плёнки и образованию металлического контакта. Здесь происходит как бы сваривание частиц металла с последующим отрывом их от менее прочной поверхности. Образовавшиеся наросты задирают рабочие поверхности зубьев в направлении скольжения. Кромочный удар способствует заеданию. Меры предупреждения заедания те же, что и против износа. Желательно фланкирование зубьев и интенсивное охлаждение. Эффективно применение противозадирных масел с повышенной вязкостью химически активными добавками. Правильным выбором сорта масла можно поднять допускаемую нагрузку по заеданию над допускаемыми нагрузками по другим критерия.
Пластические сдвиги наблюдаются у тяжелонагруженных зубчатых колёс, выполненных из мягкой стали. При перегрузках на мягкой поверхности зубьев появляются пластические деформации с последующим сдвигом в направлении скольжения. В результате у полюсной линии зубьев ведомого колеса образуется хребет, а у ведущего – соответствующая канавка. Образование хребта нарушает правильность зацепления и приводит к разрушению зубьев. Пластические сдвиги можно устранить повышением твёрдости рабочих поверхностей зубьев.
Отслаивание твёрдого поверхностного слоя зубьев, подвергнутых поверхностному упрочнению (азотирование, цементирование, закалка ТВЧ и т. п.). Этот вид разрушения наблюдается при недостаточно высоком качестве термообработки, когда внутренние напряжения не сняты отпуском или когда хрупкая корка зубьев не имеет под собой достаточно прочной сердцевины. Отслаиванию способствуют перегрузки.
Из всех перечисленных видов разрушения поверхности зубьев наиболее изучено выкрашивание. Это позволило выработать нормы допускаемых контактных напряжений, устраняющих выкрашивание в течение заданного срока службы. Расчёты по контактным напряжениям, предупреждающие выкрашивание, получили широкое распространение.
Специальные методы расчёта для предупреждения других видов разрушения поверхности зубьев или ещё не разработаны (при пластическом сдвиге, отслаивании), или недостаточно разработаны (при износе, заедании).
3. Практикой эксплуатации и специальными исследованиями установлено, что нагрузка, допускаемая по контактной прочности зубьев, определяется в основном твёрдостью материала. Высокую твёрдость в сочетании с другими характеристиками, а, следовательно, малые габариты и массу передачи можно получить при изготовлении зубчатых колёс из сталей, подвергнутых термообработке. Сталь в настоящее время – основной материал для изготовления зубчатых колёс.
4. Материал детали – сталь 40ХН ( конструкционная, легированная, 0.4%С, 1%Сr,), σВ=1600 МПа (предел прочности), σт=1400 МПа (предел текучести), твёрдость зубьев на поверхности и в сердцевине – 48 54 HRC, tв=-40, tн=-100. Сталь подвергается закалке, отпуску. Применение высокотвёрдых сталей является большим резервом повышения нагрузочной способности зубчатых передач. Однако с высокой твёрдостью связаны некоторые дополнительные трудности: 1) высокотвёрдые материалы плохо прирабатываются, поэтому они требуют повышенной точности изготовления, повышенно жёсткости валов и опор, желательно фланкирование зубьев прямозубых колёс. 2) нарезание зубьев при высокой твёрдости затруднено, поэтому термообработку выполняют после нарезания. Некоторые виды термообработки (объёмная закалка, цементация) сопровождаются значительным короблениям зубьев. Для исправления формы зубьев требуются дополнительные операции: шлифовка, притирка, обкатка и т. п.
5. Сталь подвергают при температуре 820 – 840 градусов по Цельсию объёмной закалке, потом её охлаждают в масле, затем подвергают отпуску при температуре 180 – 200 градусов. Так как кованные зубчатые колёса изготовляют из конструкционных легированных сталей, то они обладают более высокой прочностью по сравнению с литыми зубчатыми колёсами, что позволяет уменьшить массу и габаритные размеры редукторов. Кроме того, при изготовлении кованных зубчатых колёс почти полностью исключаются пороки, свойственные отливкам.
Объёмная закалка – наиболее простой способ получения высокой твёрдости зубьев. При этом зуб становится твёрдым по всему объёму. Недостатки объёмной закалки: коробление зубьев и необходимость последующих отделочных операций, понижение изгибной прочности при ударных нагрузках (материал приобретает хрупкость); ограничение размеров заготовок (размер сечения не более 40 мм). Последнее связано с тем, что для получения необходимой твёрдости при закалке скорость охлаждения не должна быть ниже критической. С увеличением размеров сечения детали скорость охлаждения падает, и если её значение будет меньше критической, то получается так называемая мягкая закалка. Мягкая закалка имеет пониженную твёрдость.
Отпуск заключается в нагреве закалённой стали до температур ниже Ас1, выдержке при заданной температуре и последующем охлаждении с определённой скоростью. Отпуск является окончательной операцией термической обработки, в результате которой сталь получает требуемые механические свойства.
Изготавливаются кованные зубчатые колёса на кузнечно-прессовом оборудовании. Размер и качество изготовления зависит от мощности прессов и молотов.
Список используемой литературы:
1. Анфимов М. И. Редукторы. Конструкции и расчёт: Альбом. – 4-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 1993. – 464 с.: ил.
2. Детали машин: учебник для машиностроительных специальностей вузов/М. Н. Иванов, В. А. Финогенов – 8-е изд., испр. – М.: Высш. шк., 2003. – 408 с.: ил.
3. Курсовое проектирование деталей машин/В. Н. Кудрявцев, Ю. А. Державец, И. И. Арефьев и др.; Под общей редакцией В. Н. Кудрявцева: Учебное пособие для студентов машиностроительных специальностей вузов. – Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1984. - 400 с.: ил.