Расчет зубчатых передач на усталостную прочность

Силовые условия работы зубчатых передач в универсальных прессах с ограниченным использованием числа ходов и в специализированных прессах-автоматах сильно различаются. В прессах-автоматах при штамповке деталей узкой номенклатуры зубчатые передачи работают без остановок в течение достаточно длительного времени на номинальном режиме. В универсальных же прессах после каждого рабочего хода следует остановка ползуна с выключением муфты, для последующего рабочего хода муфта включается вновь. Поскольку при выключении муфты погашается кинетическая энергия останавливаемых частей привода пресса, а при ее включении преодолевается инерция этих же частей, каждый раз при пуске и остановке в цикле одного двойного хода возникают значительные динамические нагрузки, воспринимаемые зубчатыми передачами.

Расположение муфты включения и тормоза на валу ведущего кривошипного вала или на приемном валу вносит некоторые различия в характер нагружения зубчатых передач.

В прессах с муфтой на приемном валу зубчатое колесо последней пары жестко связано с ведущим валом. Поэтому зубчатые пары привода испытывают динамические нагрузки при остановке и пуске пресса. При остановке пресса зубчатые пары нагружаются тормозным моментом, направление которого противоположно рабочему моменту, в результате раскрываются зазоры с рабочей стороны зубьев. При последующем пуске пресса на рабочий ход выборка раскрывшихся зазоров происходит с резким ударом зубьев шестерни по зубьям колеса. Вполне очевидно, что и на обратном холостом ходу при включении тормоза происходит также соударение зубьев. Решающим фактором, определяющим особенности нагружения при указанной компоновке привода, является фиксированное положение зубчатых пар при остановке и пуске пресса, вследствие чего максимальные нагрузки воспринимаются всего двумя-шестью зубьями.

В прессах с муфтой на ведущем кривошипном валу вероятность w нагружения зубьев колеса конечной пары максимальной силой зависит от типа муфты.

Так, для управляемой фрикционной муфты

- число зубьев колеса.

Степень герметизации и смазка зубчатых передач существенно влияют на их силовой режим и прочность. Опыт эксплуатации прессов показывает, что поломки зубьев в открытых передачах чаще всего связаны с образованием усталостных трещин в корне зуба, где наблюдается наибольшая интенсивность напряженного состояния. Усталостные явления при циклическом изгибе усиливаются с уменьшением толщины зубьев вследствие абразивного износа. Абразивный износ вызывается истиранием твердых пылевидных частиц, оседающих на поверхность зубьев из атмосферы цеха. В первый период работы открытых передач абразивный износ играет положительную роль, ускоряя приработку зубьев сопряженных пар.

В закрытых передачах более важным фактором оказывается выкрашивание зубьев с образованием большого количества оспообразных лунок. Причиной выкрашивания является потеря контактной прочности вследствие усталостных явлений в металле рабочих поверхностей в слое толщиной 15...20 мкм. Смазка, вдавливаемая в лунки, способствует процессу выкрашивания. В износившихся таким образом передачах вращение становится неравномерным и появляется шум. Прогрессирующий износ и увеличение динамических нагрузок в дальнейшем могут послужить причиной поломки зубьев.

В открытых передачах выкрашивание встречается редко. Это объясняется тем, что тонкий поверхностный слой истирается при абразивном износе быстрее, чем в нем успевают произойти усталостные процессы. Ограничение смазки в открытых передачах также влияет на износ.

Следовательно, при расчете зубчатых передач кривошипных прессов нужно исходить из усталостной прочности при изгибе и контактной прочности на поверхности зубьев. При этом для закрытых передач следует проводить расчет на усталостную прочность при изгибе и на контактную прочность, а в качестве определяющего принимают наименьший показатель. Для открытых передач вполне достаточно расчета на усталостную прочность при изгибе.

Запас прочности зубьев при усталостном изгибе

- максимальное приведенное напряжение.

Максимальное приведенное напряжение зависит от способа нагружения, концентрации напряжений, качества поверхности, масштабного фактора и цикла изменения напряжений:

- коэффициент нагрузки, учитывающий особенности нагружения зубчатой передачи,

возрастает) и поверхностной твердости зубьев (незначительно уменьшается при повышении твердости поверхности). Среднее напряжение цикла и амплитуда напряжений определятся соответственно выражениями

Следовательно, уравнение (3.36) можно преобразовать к виду

Введем для выражения в квадратных скобках следующее обозначение:

Тогда максимальное приведенное напряжение

Из курса деталей машин известно, что номинальное напряжение изгиба будет у корня ножки зуба:

или колеса

для косозубых

- коэффициент торцового перекрытия, в первом приближении

причем знак + соответствует

- коэффициент, учитывающий наклон зубьев:

т - модуль

нормального зацепления; b - рабочая ширина шестерни или колеса.

Таким образом, допускаемый крутящий момент по усталостной прочности при изгибе зубьев шестерни и сопряженного зубчатого колеса

принимают по данным табл. 3.1.

Из курса деталей машин известно также, что номинальное контактное напряжение наблюдается в ножке зуба у полюсной линии:

- коэффициент, учитывающий

- коэффициент, учитывающий длину контакт-

для прямозубых колес и

для косозубых и шевронных колес.

Отсюда следует, что допускаемый крутящий момент по контактной выносливости зубчатого колеса с учетом условий работы зубчатой передачи

- допускаемое контактное напряжение для заданного режима работы

- коэффициент

- передаточное число (знак + соответствует внешнему зацеплению, - - внутреннему, например при расчете планетарной передачи двухскоростной муфты).

представим допускаемые силы на ползуне пресса по усталостной прочности на изгиб и по контактной выносливости шестерен и зубчатых колес тихоходной передачи соответственно в виде

Выбор материалов для изготовления зубчатых колес и их механические характеристики приведены в § 5.2.

- КПД,

учитывающий потери в передачах.