Виды разрушения зубьев, критерии работоспособности и расчета зубчатых передач

В случае, когда напряжения, возникающие в зубьях, превышают допустимые величины, может произойти их разрушение. При этом либо разрушается боковая поверхность зубьев (нарушается контактная прочность), либо зубья выламываются у основания (нарушается изгибная прочность зубьев). Причинами разрушения зубьев могут быть следующие факторы:

· Внезапное приложение пиковой нагрузки, превышающей допустимую величину.

· Многократное приложение нагрузки, достаточно большой для того, чтобы вызвать появление и распространение усталостной трещины.

· Местная концентрация нагрузки, являющаяся результатом неточного изготовления зубьев, погрешностей монтажа, значительных деформаций колес, опор и валов.

Разрушение рабочих поверхностей (нарушение контактной прочности) может произойти по следующим причинам.

Абразивный износ возникает, главным образом, в открытых передачах. Он заключается в истирании зубьев в результате попадания на рабочие поверхности пыли, грязи, песчинок, металлических частиц и т.д., играющих роль абразивного материала.

Заедание происходит вследствие разрыва масляной пленки или отсутствия смазки при больших удельных давлениях на поверхности зубьев. При этом происходит сначала схватывание, затем отрыв частиц материала от зуба одного колеса и приваривание их к зубу другого. В дальнейшем эти частицы скользят по контактным поверхностям зубьев и оставляют на них глубокие царапины.

Усталостное выкрашивание (питтинг) может возникнуть в закрытых передачах, работающих в масляной ванне. При этом в поверхностном слое возникают микроскопические трещины. Вначале эти трещины появляются в зоне, примыкающей к полюсу зацепления. Под действием давления масла, которое с большой силой вдавливается в трещины сопряженным зубом, происходит развитие трещины с последующим выкрашиваением частиц материала. На рабочей поверхности образуются раковины, которые с течением времени покрывают значительную часть зуба. В открытых передачах в связи с отсутствием жидкой смазки такой вид разрушения не наблюдается. Исследования показывают, что питтинг возникает при наличии жидкой смазки в том случае, когда контактные напряжения сдвига выходят за пределы допускаемых величин.

Нарушение изгибной прочности (поломка) зуба происходит вследствие усталости металла при его многоцикловом нагружении.

Итак, разрушение зубьев вызывают следующие причины:

· усталостный износ боковых – рабочих поверхностей зубьев вследствие возникновения повторных контактных напряжений;

· усталостная поломка зубьев у их основания вследствие повторных воздействий нормальных напряжений изгиба; либо от воздействия пиковых напряжений;

· поломка зуба у основания либо заедание рабочих поверхностей зубьев вследствие возникновения мгновенных пиковых нагрузок, возникающих, например, при пуске и торможении машины.

Исходя из этих физических явлений, зубчатые передачи закрытого и открытого типов принято рассчитывать по следующим критериям:

· закрытые (редукторные) передачи: на выносливость зубьев по контактным напряжениям; на прочность зубьев по напряжениям изгиба;

· открытые передачи – только на изгибную прочность.

Из всех параметров зубчатых передач основными, определяющими размеры зубчатых колес и зубьев, являются межосевое расстояние а_w и модуль m. На величину контактных напряжений оказывает влияние межосевое расстояние а_w, а на величину напряжений изгиба – модуль m, поэтому формулы для расчета зубьев на прочность по контактным напряжениям выражают через межосевое расстояние a_w, а формулы для расчета зубьев на прочность по напряжениям изгиба выражают через модуль m.