ЗУБЧАТЫЕ КОЛЕСА. ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС

АННОТАЦИЯ

Рассматриваем виды зубчатых колес, а также виды термических обработок. Приведена таблица марок стали для зубчатых колес.

Ключевые слова: зубчатые колеса, химико-термическая обработка, цементация и нитроцементация.

Зубчатые передачи находят широкое применение во всех отраслях машиностроения, в частности в металлорежущих станках, автомобилях, сельскохозяйственной техники, приборостроениях, часовой промышленности, военной технике.

Главной деталью зубчатой передачи является зубчатое колесо или как чаще их называют шестерня. Выглядит оно на вид как диск с окружностью покрытое зубьями. Есть две характеристики шестерни, 1-ведущая малая 2- ведомая большая. При вращении они сцепляются с зубьями другого такого колеса обеспечивая движение. В машиностроении принято малое зубчатое колесо с меньшим числом зубьев называть шестерней, а с большим, колесом.

В настоящие время рынок заполнен видами колес, передовые технологии создают колеса с поперечной, продольной и круговой линии зуба, внутренним зацеплением, секторные, конические, среечной передачей. Методы изготовления в последние десятилетия применяют обкат с применением гребенки, червячной фрезы и долбяка, используют как холодное, так и горячее накатывание. Такие системы изготовления работают на увеличение прочности и долговечности металла. При выборе шестерен стоит обратить внимание на их прочность и шумовой диапазон работы. Важно подобрать необходимую твердость, руководствуясь советами по эксплуатации каждого отдельного механизма.

Принято выделять три основные вида колес: 1-цилиндрические колеса, 2- с наружным, 3-внутренним зацеплением. Они служат для передачи энергии вращения где оси валов располагаются параллельно относительно друг друга, как горизонтально так и вертикально. Наиболее распространены благодаря сравнительной простоте изготовления, обслуживания, надежности и малым габаритам. Рассмотрим формы продольной линии зуба зубчатых колес, они бывают прямозубые, косозубые, шевронные.

Прямозубые колеса наиболее часто внедряется в различные системы из-за простоты своей конструкции. Они представляют собой зубья шестерен располагающихся в плоскости перпендикулярной оси вращения. У этого вида колеса предельный крутящий момент ниже, чем у косозубых и шевронных колес. Применяются во всех отраслях машиностроения: станкостроение, тяжелое оборудование, автомобильное производство, производство редукторов и др. Передачи с прямозубыми цилиндрическими колесами обладают наиболее высокой кинематической точностью. Поэтому востребованы в приборостроении.

Косозубое колесо, зубья которого выполняются под определенным углов оси вращения шестерен, а по форме образуют часть винтовой линии. У косозубых колес по сравнению с прямозубыми колесами при крутящимся моменте зацеп зубьев происходит легче и плавнее, из-за увеличения площади контакта. При возникновении механических сил, которые направленны вдоль оси необходимо применять упорные подшипники. Данный вид колес применяют в основном в механизмах, где нужны передачи большого крутящегося момента на высоких скоростях.

Цилиндрическое зубчатое колесо с образными (угловыми) косыми зубьями получило название шевронное колесо. Особенность этого колеса, в том, что силы на обеих сторонах компенсируются из-за этого использовать упорные подшипники нет необходимости.

Конические зубчатые колеса (с прямой тангенциальной формой зуба). Используются в передачах, где оси валов пересекаются или перекрещиваются.  Этот тип колес широко применяют в машиностроении, фрезерных и зубонарезных станках. Также нашли применение в конических редукторах,  и часто встречаются в разработке сложных механизмов  – там, где по компоновке редуктора предусмотрены передачи с пересекающимися осями. Существует много разных видов конических зубчатых колес. Простым по технологии изготовления являются колеса с прямыми зубьями. Зубья этой детали имеют прямую форму, ее теоретические линии, проходящие через конусную вершину. Данный тип колес применяют при низких окружных скоростях.

Следующие колесо с тангенциальными зубьями, которое имеет прямые зубья, теоретические линии расположены касательно к окружности. Для различных точек линии зуба, угол спирали данного зуба различен. В средней точке зубчатого венца угол спирали представляет величину, которая характеризует наклон зубьев.

Колесо с криволинейными зубьями, этот вид колес выделяет ряд преимуществ: мягкий вход, меньше шума при работе, наибольшая нагрузка и большие окружные скорости. Существуют и другие виды конические колес.

Следующие червячные зубчатые колеса, сложнее цилиндрических колес в изготовлении, но при этом быстрее изнашиваются, ведущая деталь – червяк, вместо зубьев нарезается резьба с модулем, аналогичным шестерни. Причиной низкого КПД, заедания и повышенного износа является большое скольжение. Чтобы уменьшить износ используют специальные антифрикционные пары материалов: червяк-сталь, венец червячного колеса-бронза. Но при этом данное колесо обладает низким уровнем шума, плавностью хода, обусловленные особенностями механического зацепления червяка и червячного колеса. Эти свойства ценятся в металлообрабатывающих станках, цеховых электрокарах, мешалках, бетономешалках, приводах ворот и т.д.

Стали для изготовления зубчатых колес

Выбор стали для изготовления зубчатых колес (шестерен) очень важен, т.к. после выбора стали будет необходимо правильно выбрать способ термообработки. В дальнейшем это может сказаться на качестве изготовляемых деталей. Ниже приведена Таблица (см. Таб 1,), в ней указаны марки стали, которые используются для изготовления зубчатых колес (шестерен).

Таблица 1

Марки сталей для зубчатых колес

Рассмотрим подробнее методы химико-термическая обработка. В современном машиностроении для увеличения надежности ответственных деталей часто используются процессы химико-термической обработки. Распространение получили два наиболее используемых метода это цементация и нитроцементация.

Цементация - это наиболее распространенный способ термической обработки стальных деталей в машиностроении с использованием дополнительного химического воздействия. Применяется для получения высокой поверхностной твердости, износостойкости и прочности деталей. Такие свойства получаются обогащением поверхностного слоя легированной, нелегированной и низкоуглеродистой стали углеродом до концентрации эвтектоидной или заэвтектоидной и последующей термической обработкой, сообщающей поверхностному слою структуру мартенсита с тем или иным количеством остаточного аустенита и карбидов. Средняя глубина цементованного слоя варьируется в пределах 0,5 – 2,0мм, но для мелких деталей она от 0,1 – 0,3мм, а для крупных – более 2,0мм.

Нитроцементацией называют процесс одновременного насыщения стали углеродом и азотом, это происходит в среде, состоящей из науглероживающего газа и аммиака. Нитроцементацию проводят при низких температурах (850-870C)  по сравнению с цементацией. Это можно объяснить тем, что азот попадая в сталь одновременно с углеродом, понижает температуру существования твердого раствора на основе Feᵧ и в это время происходит науглероживание стали в более низких температурах. В этом случае можно сказать, что азот выполняет роль легирующего элемента, понижая критические точки стали, что является плюсом и позволяет снизить деформацию обрабатываемых деталей.

В данной статье мы рассмотрели виды зубчатых колес, их области применение в машиностроении, также разобрали способы химико- термической обработки. Рассмотрели таблицу, в которой приведены марки стали, их особенности, передачи в которых они применятся, а также способы их термообработки. И так, из рассмотренного материала можно сделать вывод, что зубчатое колесо (шестерня) является важным элементом, без которого сложно представить практически любой механизм в машиностроении.

Список литературы:

1. Минкевич А.Н. Химико-термическая обработка металлов и сплавов – 1965.  59 с.
2. Козловский И.С. Химико-термическая обработка шестерен – 1970. 79 с.
3. Гуляев А.С. Термическая обработка стали – 1979. 109 с.
4. Козловский И.С. Термическая обработка зубчатых колес - 1963. 69 с.
5. Никифоров В.Ф. Повышение прочности автотракторных шестерен цементацией и нитроцементацией: «Металловедение и термическая обработка металлов» - 1966 - №5 – С. 29
6. Берлин Е.В. Плазменная химико-термическая обработка поверхности стальных деталей – 2012. 156 с.
7. Малинкина Е.И. Образование трещин при термической обработке стальных изделий – 1965. С 68
8. Коротин И.М. Контроль качества термической обработки металлов – 1980. 34 с.
9. Лахтин Ю.М. Металловедение и термическая обработка металлов – 1989 – 200 с.