Содержание статьи
- 1. Введение: роль зубчатых колес в редукторах
- 2. Модуль зуба: определение и стандарты
- 3. Определение модуля существующего зубчатого колеса
- 4. Материалы зубчатых колес
- 5. Термическая обработка
- 6. Виды износа и критерии замены
- 7. Замена зубчатых колес и подбор аналогов
- 8. Нормы точности и боковой зазор
- 9. Часто задаваемые вопросы
- 10. Источники
Введение: роль зубчатых колес в редукторах
Зубчатые колеса являются основными силовыми элементами редукторов, обеспечивающими передачу крутящего момента с изменением частоты вращения. В редукторах строительного, горнодобывающего и промышленного оборудования эти детали работают в условиях высоких нагрузок, часто ударного характера, при значительных колебаниях температуры и запыленности окружающей среды.
Надежность работы редуктора напрямую зависит от правильного выбора геометрических параметров зубчатых колес, материала, вида термообработки и соблюдения норм точности изготовления. При эксплуатации неизбежно происходит износ рабочих поверхностей зубьев, что требует периодического контроля состояния передачи и своевременной замены изношенных деталей.
В данной статье рассмотрены основные параметры зубчатых колес редукторов, методы определения модуля при отсутствии документации, критерии оценки износа и рекомендации по подбору аналогов при замене.
Модуль зуба: определение и стандарты
Понятие модуля зацепления
Модуль зубчатого колеса (m) представляет собой основной параметр зубчатой передачи, определяющий размеры зубьев и общие габариты колес. Физически модуль равен отношению диаметра делительной окружности (d) к числу зубьев (z):
m = d / z = p / π
где:
m - модуль, мм
d - диаметр делительной окружности, мм
z - число зубьев
p - окружной шаг зубьев, мм
Модуль определяет высоту зуба (h = 2,25m для стандартного исходного контура), толщину зуба по делительной окружности (s = πm/2) и другие геометрические параметры. Стандартизация модулей позволяет унифицировать зуборезный инструмент и обеспечить взаимозаменяемость зубчатых колес.
Стандартный ряд модулей по ГОСТ 9563-60
Согласно ГОСТ 9563-60 (СТ СЭВ 310-76), установлены два ряда стандартных модулей для эвольвентных цилиндрических и конических зубчатых колес. Первый ряд является предпочтительным.
| Ряд | Значения модулей, мм |
|---|---|
| 1-й ряд (предпочтительный) | 1 1,25 1,5 2 2,5 3 4 5 6 8 10 12 16 20 25 |
| 2-й ряд | 1,125 1,375 1,75 2,25 2,75 3,5 4,5 5,5 7 9 11 14 18 22 |
Исходный контур зуба
Согласно ГОСТ 13755-2015 (ISO 53:1998), который заменил ГОСТ 13755-81 с 1 января 2017 года, для модулей более 1 мм применяется стандартный исходный контур со следующими параметрами:
| Параметр | Обозначение | Значение |
|---|---|---|
| Угол профиля | α | 20° |
| Коэффициент высоты головки зуба | ha* | 1,0 |
| Коэффициент радиального зазора | c* | 0,25 |
| Коэффициент высоты ножки зуба | hf* | 1,25 |
Определение модуля существующего зубчатого колеса
При ремонте оборудования часто возникает задача определения модуля зубчатого колеса при отсутствии конструкторской документации. Существует несколько практических методов.
Метод измерения диаметра выступов
Наиболее простой и распространенный метод. Измеряется диаметр окружности выступов (da) штангенциркулем и подсчитывается число зубьев (z). Модуль рассчитывается по формуле:
m = da / (z + 2)
где:
da - диаметр окружности выступов, мм
z - число зубьев
Измеренный диаметр выступов: da = 52 мм
Число зубьев: z = 24
Расчетный модуль: m = 52 / (24 + 2) = 52 / 26 = 2 мм
Проверка по ГОСТ 9563-60: m = 2 мм - стандартное значение первого ряда
Метод измерения по нормали (основному шагу)
Метод основан на свойстве эвольвентного зацепления: нормаль к любой точке эвольвентного профиля является касательной к основной окружности. Измеряется расстояние между зубьями по нормали к профилям, охватывая определенное число зубьев.
| Число зубьев колеса z | 12-18 | 19-27 | 28-36 | 37-45 | 46-54 | 55-63 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Число охватываемых зубьев n | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
Данный метод дает достоверные результаты даже для изношенных колес и колес с коррекцией (смещением исходного контура).
Особенности измерения
При измерении необходимо учитывать следующие факторы:
Для колес с четным числом зубьев диаметр выступов измеряется непосредственно по противоположным зубьям. Для колес с нечетным числом зубьев измерение производится косвенно, и показания штангенциркуля будут несколько меньше реального диаметра.
При износе рабочих поверхностей диаметр выступов уменьшается. Для изношенных колес следует учитывать величину износа (обычно 0,05-0,2 мм) или использовать метод измерения по основному шагу.
Материалы зубчатых колес
Выбор материала зубчатых колес определяется условиями эксплуатации, передаваемой мощностью, требованиями к долговечности и технологическими возможностями производства. Основными материалами служат термически обрабатываемые стали.
Классификация по твердости
В зависимости от твердости рабочих поверхностей зубьев зубчатые колеса разделяют на две группы:
Первая группа: твердость H ≤ 350 HB
Применяется в слабо- и средненагруженных передачах. Термообработка (улучшение или нормализация) производится до нарезания зубьев. Колеса этой группы хорошо прирабатываются и не подвержены хрупкому разрушению.
Вторая группа: твердость H > 350 HB (35-63 HRC)
Применяется в тяжелонагруженных передачах. Высокая твердость достигается поверхностной закалкой, цементацией, азотированием или нитроцементацией. Зубья не прирабатываются, требуется высокая точность изготовления.
Стали для зубчатых колес
| Группа | Марки сталей | Термообработка | Твердость | Область применения |
|---|---|---|---|---|
| Углеродистые | 35, 40, 45, 50, 50Г | Нормализация, улучшение | 170-280 HB | Малонагруженные передачи |
| Легированные улучшаемые | 40Х, 45Х, 40ХН, 35ХМ, 45ХН | Улучшение | 235-302 HB | Средненагруженные передачи |
| Для закалки ТВЧ | 45, 40Х, 40ХН, 35ХМ | Улучшение + закалка ТВЧ | 45-55 HRC | Силовые передачи |
| Цементуемые | 15Х, 20Х, 20ХНМ, 18ХГТ, 12ХН3А, 20ХН3А | Цементация + закалка | 56-63 HRC | Тяжелонагруженные передачи |
| Азотируемые | 38ХМЮА, 38Х2МЮА, 40ХНМА | Улучшение + азотирование | 58-67 HRC | Высокоточные передачи |
Выбор материала сопряженных колес
Для передач с твердостью зубьев менее 350 HB рекомендуется обеспечивать разность твердостей шестерни и колеса не менее 20-50 HB (шестерня тверже). Это улучшает приработку и выравнивает долговечность пары. Для передач с твердостью более 350 HB разность твердостей не требуется.
Термическая обработка
Улучшение
Улучшение (закалка с высоким отпуском при 550-650°C) применяется для сталей 40, 45, 40Х, 40ХН, 35ХМ. Обеспечивает твердость 235-302 HB и структуру сорбита отпуска, сочетающую достаточную прочность с хорошей вязкостью. Обработка производится до нарезания зубьев, что позволяет получить высокую точность профиля без последующей шлифовки.
Поверхностная закалка ТВЧ
Закалка токами высокой частоты применяется для среднеуглеродистых сталей (0,35-0,55% углерода). Нагрев зуба происходит за 20-50 секунд, после чего производится охлаждение спреем или в масле. Обеспечивает твердость поверхности 45-55 HRC при сохранении вязкой сердцевины (30-45 HRC).
Толщина закаленного слоя при закалке ТВЧ рассчитывается по формуле:
где m - модуль зубчатого колеса, мм
Цементация
Цементация представляет собой насыщение поверхностного слоя углеродом (до 0,9-1,1% C) с последующей закалкой. Применяется для низкоуглеродистых легированных сталей (15Х, 20Х, 20ХНМ, 18ХГТ, 12ХН3А). Обеспечивает твердость поверхности 56-63 HRC при сохранении вязкой сердцевины (30-45 HRC).
Глубина цементованного слоя зависит от модуля колеса и рассчитывается ориентировочно как (0,15-0,25)m:
| Модуль, мм | 1,5-2,5 | 2,5-4 | 4-6 | 6-10 | >10 |
|---|---|---|---|---|---|
| Глубина слоя, мм | 0,5-0,7 | 0,7-1,0 | 1,0-1,3 | 1,3-1,7 | 1,7-2,2 |
Азотирование
Азотирование обеспечивает высокую поверхностную твердость (58-67 HRC, до HV 1100-1200 для стали 38ХМЮА) и износостойкость при минимальных деформациях. Процесс проводится при температурах 500-620°C, что значительно ниже температур закалки. Азотированные колеса не требуют финишного шлифования зубьев и обеспечивают 6-7 степень точности.
Виды износа и критерии замены
Основные виды повреждений зубьев
Усталостное выкрашивание (питтинг)
Наиболее распространенный вид повреждения закрытых, хорошо смазываемых передач. Проявляется в виде мелких раковин на рабочих поверхностях зубьев вследствие усталости поверхностного слоя под действием циклических контактных напряжений. Различают начальное выкрашивание (в период приработки) и прогрессирующее.
Абразивный износ
Характерен для открытых передач и передач, работающих в условиях загрязненной смазки. Проявляется в виде мелких параллельных рисок на поверхности зубьев, перпендикулярных оси колеса. Приводит к уменьшению толщины зуба и увеличению бокового зазора.
Заедание (задир)
Возникает при разрушении масляной пленки в зоне контакта при высоких удельных нагрузках и скоростях скольжения. Сопровождается схватыванием металла и образованием борозд в направлении скольжения.
Поломка зубьев
Наиболее опасный вид разрушения. Возникает при значительных перегрузках или в результате развития усталостной трещины у основания зуба. Обломки зубьев могут вызвать повреждение других элементов передачи.
Критерии браковки зубчатых колес
| Вид дефекта | Критерий браковки |
|---|---|
| Износ толщины зуба | Более 15% от модуля (0,15m) |
| Усталостное выкрашивание | Площадь поражения более 25-30% рабочей поверхности, глубина ямок более 10% толщины зуба |
| Трещины у основания зубьев | Наличие любых трещин |
| Поломка зубьев | Более 10% от общего числа зубьев |
| Увеличение бокового зазора | Более 2-3 кратное превышение нормы |
| Превышение допусков на геометрию | По ГОСТ 1643-81 |
Методы диагностики состояния
Контроль состояния зубчатых колес осуществляется визуальным осмотром, измерением бокового зазора, проверкой пятна контакта и вибродиагностикой.
Проверка пятна контакта производится по краске: на зубья ведущего колеса наносится тонкий слой краски, колеса прокручиваются, и по отпечаткам на ведомом колесе оценивается качество зацепления. Высота отпечатка должна составлять не менее 60% высоты зуба.
Замена зубчатых колес и подбор аналогов
Порядок работ при замене
При необходимости замены изношенного зубчатого колеса выполняется следующая последовательность работ:
Определение геометрических параметров изношенного колеса: модуль, число зубьев, диаметры окружностей выступов и впадин, ширина венца, угол наклона зубьев (для косозубых колес), тип зацепления (внешнее или внутреннее).
Измерение посадочных размеров: диаметр отверстия, размеры шпоночного паза или шлицевого соединения, размеры ступицы.
Проверка состояния сопряженного колеса и принятие решения о замене пары или одного колеса.
Рекомендации по подбору аналогов
При подборе аналога изношенного зубчатого колеса необходимо обеспечить соответствие следующих параметров:
| Параметр | Требование |
|---|---|
| Модуль | Точное соответствие |
| Число зубьев | Точное соответствие |
| Угол наклона зубьев | Точное соответствие |
| Ширина венца | Не менее исходной |
| Степень точности | Не грубее исходной |
| Твердость зубьев | Не ниже исходной |
| Материал | Аналогичный или с улучшенными свойствами |
Изготовление по образцу
При отсутствии готового аналога зубчатое колесо изготавливается по образцу. Для этого производится полный обмер изношенного колеса с определением всех геометрических параметров, выбором материала и назначением термообработки.
Основные методы изготовления зубьев:
Фрезерование червячной фрезой - наиболее производительный метод, применяемый для цилиндрических колес с внешним зацеплением. Зубодолбление применяется для колес с внутренним зацеплением и блочных колес. Строгание долбяком-рейкой используется для крупномодульных колес.
Нормы точности и боковой зазор
Степени точности по ГОСТ 1643-81
Стандартом установлены 12 степеней точности зубчатых колес и передач, обозначаемых цифрами от 1 до 12 в порядке убывания точности. Допуски для степеней 1 и 2 не установлены (предусмотрены для будущего развития). Для каждой степени устанавливаются три группы норм:
Нормы кинематической точности определяют погрешности передачи углов поворота. Нормы плавности работы характеризуют циклические погрешности, вызывающие вибрации и шум. Нормы контакта зубьев определяют полноту прилегания поверхностей зубьев. Допускается комбинирование норм разных степеней точности.
| Степень точности | Область применения |
|---|---|
| 3-4 | Высокоточные передачи (прецизионные приборы, эталонные механизмы) |
| 5-6 | Высокоскоростные передачи (авиационная техника, турбомеханизмы) |
| 7-8 | Передачи среднего класса точности (станки, транспорт) |
| 9-10 | Общепромышленные передачи (редукторы общего назначения) |
| 11-12 | Низкоскоростные тяжелонагруженные передачи (горное, строительное оборудование) |
Боковой зазор в зацеплении
Боковой зазор - расстояние по нормали между нерабочими профилями зубьев колес, находящихся в зацеплении. Необходим для компенсации теплового расширения, обеспечения условий смазки и предотвращения заклинивания.
ГОСТ 1643-81 устанавливает шесть видов сопряжений зубчатых колес: H, E, D, C, B, A (в порядке увеличения гарантированного бокового зазора). Сопряжение B обеспечивает минимальный зазор, исключающий заклинивание при разности температур колес и корпуса до 25°C.
Сопряжение B: jn min = 0,02-0,1 мм (для межосевых расстояний 50-500 мм)
Сопряжение C: jn min = 0,05-0,2 мм
Сопряжение D: jn min = 0,1-0,4 мм
Сопутствующие материалы и компоненты
Для эффективной работы оборудования важен правильный подбор всех компонентов:
Часто задаваемые вопросы
Отказ от ответственности
Данная статья носит исключительно ознакомительный характер и предназначена для общего информирования технических специалистов о зубчатых колесах редукторов, их параметрах и методах обслуживания. Автор и издатель не несут ответственности за любые последствия использования представленной информации. При проектировании, изготовлении или ремонте зубчатых передач необходимо руководствоваться действующими нормативными документами и привлекать квалифицированных специалистов.
Источники
- ГОСТ 9563-60 (СТ СЭВ 310-76) Основные нормы взаимозаменяемости. Колеса зубчатые. Модули
- ГОСТ 13755-2015 (ISO 53:1998) Основные нормы взаимозаменяемости. Передачи зубчатые цилиндрические эвольвентные. Исходные контуры
- ГОСТ 1643-81 (СТ СЭВ 641-77) Основные нормы взаимозаменяемости. Передачи зубчатые цилиндрические. Допуски
- ГОСТ 21354-87 (СТ СЭВ 5744-86) Передачи зубчатые цилиндрические эвольвентные внешнего зацепления. Расчет на прочность
- ГОСТ 16531-83 Передачи зубчатые цилиндрические. Термины, определения и обозначения
- Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя. В 3 т. - М.: Машиностроение
- Решетов Д.Н. Детали машин. Учебник для студентов машиностроительных вузов. - М.: Машиностроение
- Кудрявцев В.Н. Детали машин. Учебник. - Л.: Машиностроение
