| Но- мер | Н е д о с - т а т к и | Критерии развития | Улучшенные показатели качества |
| Низкий коэффициент использования материала | Совершенствование технологии. Замена заготовки из прутка на поковку или штамповку | Снижение количества металла, идущего на заготовку | |
| Недостаточная удельная прочность материала | Использование металла с более высокой удельной прочностью | Снижение массы | |
| Высокая концентрация напряжений на отдельных участках вала | Использование способов снижения концентрации напряжений | Повышение прочности |
Продолжение табл. 7
| Большая масса | Обеспечение более равномерного распределения напряжений | Снижение массы | |
| Недостаточная изнсостойкость на участках, сопряженных с подшипниками | Использование более качественного материала, его термообработка и смазка | Повышение долговечности |
3.3. Конструирование деталей с использованием системного подхода [10].
А. В ы б о р р а ц и о н а л ь н о й ф о р м ы д е т а л и
На форму детали могут влиять разные факторы, связанные с обеспечением движения детали ее взаимодействием со смежными элементами конструкции. Для ряда деталей необходимо предусматривать поверхности для их закрепления. Форму детали выбирают исходя из компоновочных решений, а также с учетом, в первую очередь, эксплутационных, а затем производственно-технологических требований.
Компоновка ¾ это взаимное расположение элементов изделия, устанавливаемых на основании расчетов и приемов конструирования с учетом технико-экономических и потребительских требований. Основными видами требований, которые учитываются при выборе формы детали, являются компоновка, прочность, механическая обработка и унификация.
Используя системный подход, можно между требованиями устанавливать взаимосвязи, которые необходимо учитывать при проектировании (рис.17). Анализ этих связей обеспечивает рациональное конструирование детали и, в частности, ее формы. Взаимосвязь 1 ¾ 6. Требование прочности связано с конструированием деталей, в которых напряжения при нагружении не превышают допустимых. Эти требования на-
правлены на уменьшение размеров детали (обеспечение минимальных габаритов). Требования прочности могут входить в противоречия с требованиями компоновки, которые не позволяют использовать оптимальную по прочности форму детали.
Взаимосвязь 2 ¾ 6. Требования долговечности связаны с усталостной прочностью, а для деталей, входящих в узлы трения, ¾ с изнашиванием. Они оказывают влияние на форму детали. Если деталь испытывает циклическое нагружение, то для обеспечения необходимой усталостной прочности нужно исключить резкие изменения формы и нагрузок, приводящие к концентрации напряжений, и использовать конструктивные мероприятия, снижающие ее. Наличие износа требует соблюдения определенных форм и размеров для контактирующих поверхностей.
Взаимосвязь 3 ¾ 6. Требования жесткости связаны с необходимостью ограничения деформаций для обеспечения нормального функционирования детали в сборочной единице. Например, такие ограничения имеются на прогибы и углы наклона упругой линии вала в местах установки подшипников и зубчатых колес.
Требования жесткости являются основными для базовых, корпусных деталей станков и машин. Недостаточная жесткость деталей балочного типа может привести к потере общей и местной устойчивости. Требования жесткости могут противоречить требованиям компоновки.
Взаимосвязь 1 ¾ 2. Требования статической прочности и долговечности, связанной с усталостной прочностью, не противоречивы. При обеспечении высокой долговечности высокие требования предъявляются к устранению концентрации напряжений, связанной с конфигурацией детали. В результате снижается эффективный коэффициент концентрации напряжений, увеличиваются предельные и допустимые напряжения, что приводит к уменьшению размеров детали.
Для уменьшения износа при повышении долговечности необходимо значительное уменьшение напряжений на трущихся поверхностях.
Взаимосвязь 1 ¾ 3. Требования прочности и жесткости детали не всегда удовлетворяются одновременно. Прочная деталь может не обладать необходимой жесткостью, и наоборот. Обычно изменения формы детали, направленные на повышение жесткости, т.е. эти требования согласованы.
Взаимосвязь 4 ¾ 6. Одним из важнейших требований (особенно для авиационной техники) при конструировании является требование снижения массы детали. Это требование согласовывается с требованием компоновки, направленным на сокращение размеров. Это требование дополнительно заставляет делать форму детали такой, чтобы лишний (не нагруженный) материал был убран. Для облегчения таких конструкций в деталях делают отверстия, пазы, пустоты и т.п.
Взаимосвязи 1 ¾ 4, 2 ¾ 4, 3 ¾ 4. Требования прочности, долговечности и жесткости, направленные на уменьшение размеров детали, приводят к снижению ее массы. Взаимосвязь 1 ¾ 4 дополняет взаимосвязь 1 ¾ 6 и требует обеспечения минимальной массы детали. Последнее достигается выбором наилучшей силовой схемы.
Взаимосвязь 4 ¾ 7. Требования массы находятся в противоречии с требованием унификации, так как она обычно приводит к увеличению массы детали.
Взаимосвязь 5 ¾ 7. Требования унификации направлены на уменьшение разнообразия форм. Они достигаются интересами производства. Требования конструкции заготовки направлены на максимальное приближение ее формы к форме готовой детали. Однако использование одной и той же заготовки для изготовления деталей разных форм весьма ограничено. Поэтому между требованиями заготовки и унификации могут возникнуть противоречия.
Взаимосвязь 7 ¾ 8. Требования механической обработки направлены на снижение затрат труда и средств при изготовлении детали. Для этого можно унифицировать форму детали или ее частей. Имеем согласованное удовлетворение требований.
Взаимосвязь 5 ¾ 8. Требование заготовки направлены на снижение точности и упрощение ее формы. Однако это приводит к увеличению трудоемкости механической обработки и наоборот. Налицо противоречие между требованиями.
Кроме того, использование максимально приближенных к форме готовой детали заготовок, полученных литьем, ковкой, штамповкой экономически не оправдано при индивидуальном и мелкосерийном производствах.
Б. В ы б о р м а т е р и а л а д е т а л и
Основными требованиями, которые должны учитываться при выборе материала детали, являются: прочность, долговечность, жесткость, масса, заготовка, механическая обработка, шероховатость, термообработка и унификация. Схема взаимосвязей между этими требованиями приведена на рис. 18.
Взаимосвязь 1 ¾ 2. Для удовлетворения требований прочности необходимо выбирать материал с соответствующими механическими характеристиками ¾ пределом текучести (sт), пределом прочности (sв). При ударном нагружении нужен материал с высокой ударной вязкостью (КСU), а при контактном нагружении ¾ с высокой твердостью рабочей поверхности детали (НВ или НRС).
При циклическом нагружении требования долговечности направлены на увеличение ресурса детали и удовлетворяются путем выбора материала с необходимым пределом выносливости (s-1). Для деталей, подтвержденных износу, требования долговечности обеспечиваются выбором материала, имеющего такие свойства, с учетом химико-термической обработки, у которых интенсивность изнашивания трущихся поверхностей будет находиться в допускаемых пределах.
Взаимосвязь 1 ¾ 3. Требование жесткости связано с модулем упругости материала (E), а требование прочности ¾ с пределом прочности (sв). При выборе материала эти требования не всегда будут согласованы.
Взаимосвязь 1 ¾ 9. Требования прочности направлены на получение деталей с минимальными размерами. Требование унификации материала ¾ на использование материала одной марки для нескольких деталей. Переход при унификации к использованию более прочных материалов сопряжен с увеличением стоимости, а менее прочных ¾ с увеличением размеров детали, что приводит к увеличению массы.
Преимущество унификации материала деталей заключается в унификации процесса термообработки и упрощении организации производства. Следовательно, требования унификации материала деталей противоречат требованию прочности.
Взаимосвязь 2 ¾ 7. Требования долговечности определяются усталостной прочностью и износостойкостью трущихся поверхностей. Противоречие между ними заключается в том, что для обеспечения усталостной прочности при циклическом нагружении твердость материала должна быть относительно невысокой, а высокая износостойкость требует высокой твердости. Требования шероховатости связаны с выбором материала, который при данной шероховатости обеспечивает как усталостную прочность, так и необходимую износостойкость.
Взаимосвязь 7 ¾ 8. Требования шероховатости обусловлены нормальным функционированием детали в условиях эксплуатации. Требование механической обработки направлено на снижение затрат труда и средств на работы, обеспечивающие заданную шероховатость поверхности. Это противоречие существенно лишь при получении высоких классов шероховатости.
Взаимосвязи 1 ¾ 4, 2 ¾ 4, 3 ¾ 4 анализируются в связи с необходимостью удовлетворить не только требования прочности, долговечности и жесткости, но и требования по массе.
Для комплексной оценки этих требований при проектировании деталей авиационной техники используются следующие показатели:
1) для взаимосвязи 1 ¾4 ¾ удельная прочность sвл/r или sтк/r;
2) для взаимосвязи 2 ¾ 4 ¾ удельная прочность при циклическом нагружении s-1к/r;
3) для взаимосвязи 3 ¾ 4 ¾ удельная жесткость Еn/r.
Здесь r ¾ плотность материала, К=1 при растяжении и сжатии, К=2/3 при изгибе.
Некоторые характеристики материалов приведены в табл. 8, там же дана их относительная цена.
Выбор в каждом случае нагружения материала с наибольшим значением показателя дает оптимальное решение для достижения совершенства детали по массе. Для совместной оценки требований 1,2,4 можно также использовать обобщенный показатель (sвE)/r.
Взаимосвязь 2 ¾ 3. Требование жесткости удовлетворяется путем выбора материала с высоким модулем упругости (Е), а требование долговечности ¾ использованием материала с высоким пределом выносливости (s-1). Они могут быть противоречивы. Так, применение бериллиевых сплавов с высокой удельной жесткостью может быть ограничено из-за малой величины предела выносливости.
Таблица 8
Удельные показатели материалов, применяемых в авиационной технике [10]
| Материал | Марка | sв, МПа | sв/r*10-5, см | E/r* 10-8, см | Относи-тельная цена |
| Сталь r=7,8 г/см, E= 2,2*105 МПа | 30 ХГСА 60С2А 18Х2Н4МА 12Х18Н10Т | 4,9 5,0 7,6 14,1 20,5 18,2 8,5 | 2,69 | 0,8...1,2 0,9...2,3 1,0...2,3 2,0...5,0 2,9...6,7 4,3...5,0 6,6...7,4 | |
| Алюминиевые сплавы r= 2,7г/см, E=0,72*105 МПа | Д16 АМг6 АК8 АЛ9 | 16,3 11,8 16,6 7,4 | 2,67 | 6,7...13,8 8,0...12 6,7...9,3 6,3...12 | |
| Магниевые сплавы r=1,76г/см, E=0,41*105 МПа | МА5 МЛ5 | 19,3 12,3 | 2,33 | ¾ |
Продолжение табл. 8
| Титановые сплавы r=8,2г/см, E=1,25*105 МПа | ВТ5-1 ВТ3-1 ВТ23 | 19,2 21,8 | 2,44 | 50...87 30...50 | ||
| Бронзы r=8,2г/см, E=1,25*105 МПа | БрАЖН10-4-4 БрБ2 | 7,8 13,4 | 1,52 | 10...11 11...60 | ||
| Бериллиевые сплавы r=2,35г/см, E=1,35*105 МПа | АБМ1 | 17,8 | 5,74 | ¾ | ||
| Материал | Марка | sв, МПа | sв/r*10-5, см | E/r* 10-8, см | Относи-тельная цена | |
| Композицион- ные материалы | КМУ Углепластик КБМ Боропластик ВИС Стеклопласт | 13,5 1,5 | - - - | |||
Взаимосвязь 5 ¾ 9. Требование заготовки к материалу связаны с технологическим процессом изготовления. В авиационной технике для литых деталей используют алюминиевые сплавы АЛ9, АЛ19, для сварных ¾ сплавы АМг6, для кованых ¾ сплавы АК6, АК8, а для деталей, изготавливаемых механической обработкой, ¾ сплавы ДТ16, В96. Требования унификации направлены на уменьшение номенклатуры марок материала, что особенно важно при мелкосерийном производстве. Эти требования часто противоречивы.
Взаимосвязь 1 ¾ 6. Прочность материала детали зависит не только от марки материала и его свойств в состоянии поставки, но и от термообработки детали. Это необходимо учитывать при выборе материала. Требования процесса термообработки направлены на сокращение числа операций и их продолжительности.
Взаимосвязь 2 ¾ 6. Требования долговечности не всегда могут быть удовлетворены выбором марки материала. Возникает необходимость в термической и химико-терми- ческой обработке детали. Полученное при этом упрочнение поверхности детали используется в качестве технологического способа повышения ее усталостной прочности, а также износостойкости.
Изучение обозначенных взаимосвязей облегчает выбор формы и материала при проектировании деталей, позволяет установить противоречия между требованиями, которые затем устраняются при поиске компромиссного решения. При конструировании деталей вручную их создание начинается с разработки чертежей сборочной единицы (механизма, надсистемы). При этом реализуется принцип от общего к частному. При конструировании проводится увязка геометрических характеристик деталей с другими элементами изделия и предварительное определение необходимой точности элементов конструкции.
При автоматизированном проектировании возможен и другой подход, при котором из типовых деталей или сборочных единиц формируется надсистема.
3.4. Выбор материала деталей
В А Л ЫИ О С И
Валы и оси являются тяжелонагруженными ответственными деталями, работающими в условиях циклического нагружения. Поэтому материалы, применяемые для их изготовления, должны удовлетворять следующим основным требованиям: высокая прочность, по возможности малая чувствительность к концентрации напряжений, способность хорошо воспринимать термическую и химико-термическую обработку, хорошая обрабатываемость.
Для валов и осей, подчиненных критерию жесткости и не подвергающихся термообработке могут применяться стали обыкновенного качества Ст.5, Ст.6 ГОСТ 380-88. Большинство валов изготавливают из термически обрабатываемых сталей 45, 40Х. Для высоконапряженных валов ответственных машин применяют легированные стали: 40ХН, 40ХН2МА, 30ХГТ, 30ХГСА ГОСТ 4543-71. Валы из этих сталей обычно подвергают улучшению, закалке с высоким отпуском или поверхностной закалке ТВЧ с низким отпуском (шлицевые валы).
Быстроходные валы, вращающиеся в подшипниках скольжения, требуют весьма большой поверхностной твердости цапф (55...60 НRС), поэтому их изготавливают из малоуглеродистых цементуемых сталей 20Х, 12ХН3А, 18ХГТ или азотируемых сталей типа 38Х2МЮА. Высокую износостойкость имеют хромированные валы. Хромирование шеек коленчатых валов автомобильных двигателей увеличивает ресурс до перешлифовки в 3...5 раз.
Для изготовления фасонных валов ¾ коленчатых, с большими фланцами и отверстиями ¾ и тяжелых валов наряду со сталью применяют высокопрочные чугуны (с шаровидным графитом) ВЧ 50, ВЧ 70 ГОСТ 7293-85 и модифицированные чугуны. Меньшая прочность чугунных валов в значительной степени компенсируется более совершенными формами валов (особенно коленчатых), меньшей чувствительностью в многоопорных валах к смещению опор (за счет меньшего модуля упругости) и меньшей динамической нагрузкой ввиду повышенной демпфирующей способности.
В качестве заготовок для стальных валов диаметром до 150 мм обычно используют круглый прокат, для валов большего диаметра и фасонных валов ¾ поковки. Валы больших диаметров изготавливают из труб с приваркой или насадкой фланцев или сварными из листов с приварными фланцами. Применение сварных валов мощных гидротурбин приводит к экономии 20...40 % металла [20].
Посадочные поверхности валов и осей после токарной обработки обязательно шлифуют. Особо ответственные валы рекомендуется шлифовать по всей поверхности, а высоконапряженные участки подвергать полированию даже на напряженных поверхностях. В процессе циклического знакопеременного нагружения вала неровности, как микроконцентраторы напряжений, являются источником усталостных трещин. Шлифование, полирование и термическая обработка снижают величину микронеровностей и увеличивают долговечность валов. Шероховатость посадочной поверхности под подшипники качения нормального класса точности должна быть Rа=1,5...2,5 мкм, для более высоких классов точности до Rа=0,16...0,32 мкм, под подшипники скольжения в зависимости от условий работы Rа=1,0...0,16 мкм.
Прочность валов и осей, их долговечность и надежность в эксплуатации зависят не только от механических свойств материала, но и от состояния поверхностного слоя наиболее напряженных участков, а также от микрогеометрии, остаточной напряженности поверхности после механической, термической и химико-термической обработки. Для уменьшения возможных повреждений поверхностного слоя после механической обработки и повышения прочности валы, применяемые в авиационной технике, подвергаются поверхностному пластическому деформированию. К таким методам относят дробеструйную обдувку, обработку шариками на вибростенде (виброупрочнение и виброшлифование), раскатывание поверхности после чистовой обработки и др. Эти технологические приемы являются высокоэффективными средствами снижения шероховатости поверхности, создания сжимающих остаточных напряжений, повышения твердости и контактной выносливости и износостойкости.
Обкаткой роликами, чеканкой галтельных переходов можно упрочнить участок вала и повысить его несущую способность в 1,5...2 раза. Некоторые особо ответственные валы подвергаются алмазному выглаживанию [25].
З У Б Ч А Т ЫЕ К О Л Е С А
Материал для изготовления зубчатых колес следует выбирать с таким расчетом, чтобы было возможно нарезать и отделывать зубья с нужной точностью и чтобы были обеспечены прочность зубьев на изгиб под действием переменных и ударных нагрузок, стойкость поверхностных слоев зубьев и сопротивление заеданиям.
Основным материалом для производства зубчатых колес являются сталь и чугун. Из них можно изготавливать колеса любых размеров, так как они хорошо отливаются, особенно чугун, а сталь хорошо поддается ковке.
В единичном и мелкосерийном производствах при отсутствии жестких требований к габаритам передачи зубчатые колеса изготавливают из конструкционных улучшаемых сталей марок 35, 40, 45, 50, 50Г по ГОСТ 1050-88 или легированных 35ХГС, 40Х ГОСТ 4543-71. Чистовое нарезание улучшаемых зубчатых колес производят после окончательной термообработки, что облегчает их изготовление, в частности исключает необходимость шлифования и позволяет обеспечить высокую точность. Колеса из улучшенных сталей хорошо прирабатываются друг к другу.
Твердость улучшенных колес ограничивается стойкостью зуборезного инструмента и составляет для колес небольших размеров 280...320 НВ, а для крупных колес 200...224 НВ. Твердость шестерен прямозубых передач рекомендуется выбирать на несколько десятков единиц НВ выше, чем колес, для сближения долговечности шестерни и колеса и уменьшения опасности заедания.
Твердость шестерен косозубых и шевронных передач рекомендуется выбирать возможно выше, для чего подвергать шестерни поверхностной закалке, цементации или азотированию. Это повышает контактную прочность косозубой и шевронной пары. В настоящее время область применения улучшенных зубчатых колес непрерывно сокращается [24].
Для повышения нагрузочной способности зубчатых колес и уменьшения габаритов передачи в массовом и крупносерийном производстве применяют зубчатые колеса высокой твердости (НВ >350), что достигается сплошной или поверхностной закалкой, цементацией, цианированием, азотированием.
Основным видом термообработки раньше являлась объемная закалка. Колеса изготавливались из сталей типа 40Х, а в более ответственных случаях из сталей 40ХН и 40ХНМА ГОСТ 4543-71. Обычно твердость поверхностей зубьев составляет 45...55 НRС. Недостатком объемной закалки является значительное коробление колес и понижение вязкости сердцевины зубьев, что уменьшает способность зубьев сопротивляться изгибу при действии ударных нагрузок.
Поэтому в настоящее время объемная закалка уступила место поверхностным термическим и химико-термическим методам упрочнения. Такой обработкой можно достигнуть высокой твердости поверхностных слоев материала, создать в них напряжения обратного знака (сжатия) при сохранении вязкой сердцевины.
Поверхностная закалка с нагревом ТВЧ получила широкое распространение для средненапряженных колес, особенно в станкостроении, материалы ¾ стали 40Х, 40ХН. Твердость на поверхности зубьев обычно 50...55 НRС. В связи с тем, что нагреваются только поверхностные слои металла, деформации при закалке невелики и можно обойтись без последующего шлифования зубьев (однако это несколько понижает точность).
Закалка с нагревом ТВЧ может также применяться для шестерен, работающих с улучшенными колесами, для обеспечения равнопрочности.
Другим способом повышения поверхностной твердости зубьев при сохранении вязкой сердцевины является цементация. Цементированные легированные стали обладают высокой износостойкостью, а твердость цементированного слоя зубьев доходит до 56...63 НRС. Широко применяется газовая цементация стали 20Х, а для ответственных зубчатых колес, особенно работающих с перегрузками и ударными нагрузками (колеса транспортных машин, авиаредукторы), хромоникелевые стали 12ХН3А, 220ХНМ, 18Х2Н4МА, 20Х2Н4А и безникелевые стали 18ХГТ, 25ХГТ и 15ХФ. Цементация и закалка зубьев после шевингования повышает прочность зубьев на изгиб до 3 раз. Однако дефекты обычного шлифования могут снизить этот эффект в 1,3...1,5 раза [24].
Для получения особо высокой твердости и износостойкости поверхностных слоев зубьев применяют азотирование стали 38Х2МЮА. Расширяется применение азотирования безалюминиевых сталей типа 40ХФА, 40ХНА, 40Х до меньшей твердости, но при большей вязкости.
Зубья после азотирования в связи с минимальным короблением не шлифуют. Поэтому азотирование применяют для колес с внутренними зубьями, шлифование которых трудно осуществимо. Недостатком азотированных колес является малая толщина упрочненного слоя (0,2...0,5 мм), не позволяющая применять их при ударных нагрузках из-за опасности растрескивания упрочненного слоя и при работе с интенсивным изнашиванием (попадание абразива, загрязненная смазка) из-за опасности истирания упрочненного слоя и быстрого выхода передачи из строя.
Нитроцементация обеспечивает с последующей закалкой высокую прочность, износостойкость и сопротивление заеданию. В связи с малыми деформациями она позволяет во многих случаях обойтись без последующего шлифования. Содержание азота в поверхностном слое позволяет применять менее легированные стали, чем при цементации, например 18ХГТ, 25ХГТ, 40Х.
Для изготовления авиационных зубчатых колес применяют высоколегированные стали электрошлакового или вакуумного переплава 12Х2Н4А, 14ГСН2МА, 18Х2Н4ВА. Для зубчатых колес с повышенной рабочей температурой (до 300 С) используют сталь 20Х3МВФА; при рабочих температурах в зоне контакта до 300...400 С рекомендуют термопрочные цементуемые стали 16Х3НВФМ6, 13Х3НВМГФ и др. Для азотирования применяют стали 38ХМЮА, 35ХМЮА, 30ХН2МФА.
Для повышения эксплуатационных (прочностных) свойств могут применяться различные методы поверхностного пластического деформирования. К ним относятся обкатка роликами, обдувка дробью, особенно эффективно их сочетание с элекрополированием. Кроме электрополирования в качестве финишной операции повышения точности авиационных зубчатых колес применяют притирку пастами с использованием притиров, а также хонингование, позволяющие снимать тонкий дефектный слой, оставшийся после термообработки, шлифования и травления для выявления прижегов [21].
Большие перспективы в деле повышения поверхностной твердости зубчатых колес открывает лазерная закалка, поскольку она не требует легирования, обеспечивает местное упрочнение до твердости 64 HRC, не вызывает коробления. Но процесс этот пока идет медленно [24].
Для изготовления зубчатых колес больших диаметров применяют стальное литье. Основной материал ¾ литейные среднеуглеродистые стали 35Л...50Л ГОСТ 977-88, а также литейные марганцовистые стали 40ХЛ, 30ХГСЛ. Литые колеса подвергаются преимущественно нормализации.
Для изготовления тихоходных, преимущественно крупногабаритных и открытых передач применяют чугуны. Чугуны довольно хорошо сопротивляются заеданию и поэтому могут работать при скудной смазке, например, в открытых передачах. Поскольку прочность чугунов на изгиб меньше, чем у сталей, то габариты и особенно модули у чугунных колес значительно больше, чем у стальных колес. Чугунные зубчатые колеса во избежание угловой поломки зубьев при упругих деформациях валов нельзя выполнять такими же широкими, как улучшенные и нормализованные стальные. Применяют серые чугуны СЧ 20...СЧ 35 ГОСТ 1412-85, а также высокопрочные магниевые чугуны с шаровидным графитом ВЧ 40...ВЧ 80 (ГОСТ 7293-85). Колеса из высокопрочных чугунов должны работать с твердыми шестернями.
Высокопрочные чугуны с успехом могут применяться для изготовления зубчатых колес взамен стальных литых [24].
В слабонагруженных передачах для обеспечения бесшумности, самосмазываемости или химической стойкости в паре с металлическими применяют пластмассовые зубчатые колеса. Типичные примеры ¾ приводы распределительного вала автомобильных двигателей, веретен текстильных машин и приборов. В напряженных (силовых) передачах пластмассы не применяют.
Стальные колеса, работающие в паре с пластмассовыми, целесообразно закаливать до твердости 45 HRC или шевинговать перед закалкой. Это связано с низкой теплопроводностью пластмасс и опасностью заедания. Хорошо себя зарекомендовали пластмассы из текстолита (марки ПТ и ПТК) и древесно-слоистые пластики (рекомендуется ДСП-Г). Наиболее перспективными считаются капролон, полиформальдегид и фенилон [24].
Ч Е Р В Я Ч Н ЫЕ П Е Р Е Д А Ч И
Характерными особенностями работы червячных передач по сравнению с зубчатыми являются большие скорости скольжения и неблагоприятное направление скольжения относительно линии контакта. Поэтому материалы червячной пары должны иметь низкий коэффициент трения. Это требование обеспечивается наилучшим образом при сочетании материалов с тщательной отделкой контактирующих поверхностей. При несоблюдении этих условий из-за наличия значительных скоростей скольжения и плохих условий для образования масляного клина нагрузочная способность червячной передачи окажется весьма низкой вследствие опасности возникновения заедания.
Материалы червячной пары должны обладать низким коэффициентом трения скольжения, износостойкостью, пониженной склонностью к заеданию, хорошей прирабатываемостью, повышенной теплопроводностью и хорошей смачиваемостью минеральными маслами.
В силовых червячных передачах, как правило, червяки выполняют из термически обработанной до значительной твердости цементуемых сталей. Преимущественно применяют сталь 18ХГТ, а также стали 20Х, 12ХН3А, 15ХФ, имеющие после закалки твердость 56...63 HRC. Широко также применяют червяки из сталей 40Х, 40ХН, 35ХГСА с поверхностной или объемной закалкой до твердости 45...55 HRC. После термообработки необходимы шлифование и полирование червяка. Применяют также червяки из азотируемых сталей 38Х2МЮА, 38Х2Ю и других, требующих только полирования (без шлифования).
Улучшенные червяки применяют во вспомогательных тихоходных и малонагруженных передачах, а также вместо закаленных из-за ограниченных технологических возможностей или ввиду необходимости взаимной приработки колеса и червяка. Для передач с колесами очень больших диаметров (в целях экономии дефицитной бронзы) возможно применять насадные бронзовые червяки, которые позволяют выполнять колеса чугунными.
Зубчатые венцы червячных колес, как правило, выполняют из антифрикционного материала бронз, латуни и серого чугуна. При скоростях скольжения более 4 м/с венцы выполняют из оловянно-фосфористых бронз Бр О10Н1Ф1, Бр О10Ф1, оловянно-цинковой бронзы Бр О5Ц5С5 ГОСТ 613-79.
Необходимость применения оловянистых бронз тем выше, чем больше скорость скольжения и относительная продолжительность работы передачи.
Для тихоходных передач применяют более дешевые безоловянистые бронзы Бр А10Ж4Н4Л, Бр А9Ж3Л ГОСТ 493-79. При скоростях скольжения менее 2 м/с и больших диаметрах колес допустимо применять чугуны марок СЧ 15, СЧ 20. В случае применения хромированных червяков чугунные колеса можно применять и при более высоких скоростях скольжения (до 5 м/с) [24].
В О Л Н О В ЫЕ П Е Р Е Д А Ч И
В волновых передачах наибольшему циклическому нагружению подвергается гибкое колесо. В тяжелонагруженных передачах (малое передаточное число и [sсм] > 20 МПа) гибкие колеса изготавливают из конструкционных сталей с повышенной вязкостью марок 40ХНМА, 38ХМЮА, так как они менее чувствительны к концентрации напряжений. Средне и легконагруженные гибкие колеса общего назначения (U > 100, [sсм] < 20 МПа) изготавливают из более дешевых сталей 30ХГСА и 30ХМА. Гибкие колеса подвергают термообработке ¾ улучшению на твердость 280...320 НВ.
Напряжения в жестком колесе волновой передачи значительно ниже, чем в гибком, поэтому жесткое колесо изготавливают из более дешевых сталей 45, 40Х, 30ХГСА с твердостью на 20...30 единиц ниже, чем у гибкого колеса.
Для предохранения гибкого колеса толщиной h от раскатывания опорной поверхности устанавливают стальное подкладное кольцо толщиной h = 1,5 h, с которыми контактируют рабочие поверхности дискового генератора волн. Подкладное кольцо изготавливают из стали ШХ15 (ГОСТ 801-78) или другой стали с твердостью 50...58 НRС. Твердость рабочей поверхности стальных дисков не менее 48...50 НRС [25].
Ц Е П Н ЫЕ П Е Р Е Д А Ч И
Основным и наиболее дорогим элементом цепной передачи является сама цепь. Пластины приводных цепей изготавливают из среднеуглеродистых или легированных закаливаемых сталей 45, 50, 40Х, 40ХН, 30ХНЗА термообработанных до твердости 40...50 НRС. Пластины бесшумных зубчатых цепей преимущественно изготавливают из стали 50. Детали шарниров (валики, втулки и призмы) выполняют обычно из цементуемых сталей 15, 20, 15Х, 20Х, 12ХНЗ, 20ХНЗА, 20Х2Н4А, 30ХНЗА и закаливают до твердости 55...65 НRС. Существенного повышения ресурса цепей можно достигнуть диффузионным хромированием шарниров.
Основным материалом для изготовления звездочек цепных передач служат среднеуглеродистые или легированные стали 45, 40Х, 50Г2, 35ХГСА, 40Х с поверхностной или объемной закалкой до твердости 45...55 НRС или цементуемые стали 15, 20Х, 12ХННЗА с цементацией на глубину 1...1,5 мм и закалкой до твердости 55...60 НRС. При необходимости бесшумной и плавной работы передач при скорости цепи до 8 м/с и мощности менее 5 кВт венцы звездочек можно изготавливать из пластмасс ¾ текстолита, полиформальдегида, полиамидов, что приводит к снижению шума и повышению долговечности цепи (в связи со снижением динамических нагрузок). Для этих же целей могут применяться металлопластмассовые материалы.
Для изготовления крупных звездочек с большим числом зубьев для тихоходных передач (скорость менее 3 м/с) и при отсутствии ударных нагрузок допустимо применение серого чугуна марок СЧ 20, СЧ 30 с закалкой. В неблагоприятных с точки зрения износа условиях (например, в сельскохозяйственных машинах) используют антифрикционный и высокопрочный чугуны с закалкой [24].
П О Д Ш И П Н И К И К А Ч Е Н И Я
Для обеспечения высокой контактной прочности кольца и тела качения подшипников изготавливают из высокоуглеродистых сталей ШХ6, ШХ15 и ШХ15СГ (среднее содержание углерода 1...1,1 %). Могут также применяться цементуемые легированные стали 18ХГТ и 20Х2Н4А. Твердость колец и роликов обычно 60...65 HRC, шариков 62...66 HRC. При работе в условиях высоких температур 250...450 °C тела качения и кольца изготавливают из жаропрочных сталей ЭИ347Ш и др. При требовании немагнитности применяют берилиевую бронзу.
Сепараторы подшипников качения изготавливают из мягкой углеродистой стали Ст.1, Ст.2, 10 методом штамповки. Для высокоскоростных подшипников применяют массивные сепараторы из антифрикционных бронз, анодированного алюминия, металлокерамики, текстолита и др. пластмасс.
П О Д Ш И П Н И К И С К О Л Ь Ж Е Н И Я
Применение опор скольжения предпочтительнее по сравнению с опорами качения при относительной скорости скольжения более 30 м/с, при вибрационных нагрузках (наличие масляного слоя оказывает демпфирующие воздействия), при необходимости уменьшения радиальных габаритов подшипника, при использовании механизма в особых условиях (агрессивная среда, глубокий вакуум, при низких температурах).
Подшипники скольжения работают тем надежнее, чем выше поверхностная твердость цапфы вала, поэтому для быстроходных подшипников шейки вала закаливают (после цементации) до твердости 55...60 НRС или азотируют.
Материал вкладыша подшипника должен обладать низким коэффициентом трения в паре с материалом вала, способностью к приработке, достаточной износостойкостью, сопротивляемостью к заеданию (во время пуска и останова отсутствует режим жидкостного трения), усталостной прочностью, хорошей теплопроводностью, низким коэффициентом линейного расширения, способностью образовывать стойкие и быстровосстанавливаемые пленки. Для обеспечения сочетания прочности конструкции вкладыша подшипника с низким коэффициентом трения скольжения в настоящее время изготавливают биметаллические вкладыши, в которых антифрикционный слой наносят на стальную основу.
В качестве антифрикционных материалов для подшипников скольжения применяют сплавы металлов, металлокерамику и неметаллические материалы.
Металлические материалы. Широко применяются бабиты (сплавы на основе олова и свинца), они характеризуются низкой твердостью, хорошей прирабатываемостью и относительно невысокими требованиями к твердости цапф вала. При высоких скоростях и давлениях применяют высокооловянные бабиты Б 83 для подшипников паровых турбин, мощных электрогенераторов и двигателей при температурах до 110 °С. Высокооловянные бабиты вызывают минимальный износ цапф и хорошо работают при удельном давлении до 20 МПа. Оловянно-свинцовые бабиты Б16 и БН применяют при меньших удельных давлениях (до 10...15 МПа).
Для тонкослойных покрытий автомобильных подшипников применяют бабит СОС 6-6, в качестве подслоя к нему предусматривается металлокерамика, спеченная из порошков никеля и меди на стальной основе. Сплав обеспечивает малый износ цапф и имеет повышенное сопротивление усталости.
Безоловянистые кальциевые бабиты БК2 также применяют для тонкослойных покрытий, они хорошо работают при ударных нагрузках и повышенных температурах, имеют удовлетворительные антифрикционные свойства, их широко применяют в машинах железнодорожного транспорта и дизелях.
Универсальными