При передаче крутящего момента в зацеплении кроме нормальной силы (силы зацепления) () действует сила трения (), связанная со скольжением (рис. 9.7):

,

где f – коэффициент трения.

Под действием данных сил зуб находится в сложном напряженном состоянии. Решающее влияние на его работоспособность оказывают:

· контактное напряжение ();

· напряжение изгиба ().

Напряжения изгиба и контактные напряжения являются переменными, изменяющимися по прерывистому отнулевому циклу (рис. 9.8). Время действия напряжений  за один оборот колеса () равно продолжительности зацепления одного зуба (). Время действия напряжений  равно продолжительности пребывания в зацеплении текущей точки контакта рабочей поверхности зуба с учетом зоны распространения контактных деформаций под нагрузкой. Переменные напряжения являются причиной усталостного разрушения зуба.

Рис. 9.7. Силы, действующие на зубья

Различают два вида потери работоспособности зубчатых передач:

1) поломку зубьев;

2) повреждение поверхности зубьев.

Поломка зубьев связана с действием напряжений изгиба. Различают поломку зубьев:

· от перегрузок ударного или статического характера; предупреждают защитой привода от перегрузок или учетом перегрузок при расчете;

· усталостную под действием переменных напряжений в течение длительного срока службы.

Рис. 9.8. Циклы изменения напряжений

В последнем случае особое значение имеют меры по устранению концентраторов напряжений:

· рисок от механической обработки;

· раковин и трещин в отливках;

· микротрещин от термообработки и т.п.

К мерам предупреждения поломки зубьев относятся:

· увеличение модуля зацепления (возрастает площадь опасного сечения у основания зуба);

· положительное смещение при нарезании зубьев (возрастает площадь опасного сечения у основания зуба);

· увеличение твердости за счет термообработки;

· увеличение механических характеристик материала зубчатых колес за счет наклепа (механического упрочнения материала), повышающего упругие свойства материала в результате предварительного пластического деформирования (рис. 9.9);

· уменьшение концентрации нагрузки по краям зубьев: используются жесткие валы, зубья со срезанными углами (рис. 9.10, а), зубья бочкообразной формы (рис. 9.10, б).

Рис. 9.9. Диаграмма растяжения

Повреждение поверхности зубьев связано с контактными напряжениями и трением. Различают следующие виды повреждения поверхности зубьев:

1) усталостное выкрашивание;

2) абразивное изнашивание;

3) изнашивание при заедании;

4) пластические сдвиги;

5) отслаивание.

Усталостное выкрашивание – основной вид разрушения поверхности зубьев при хорошей смазке (в закрытых сравнительно быстроходных передачах, защищенных от пыли и грязи). Зубья в таких передачах разделены тонким слоем смазки. На начальной стадии износ мал. Передача работает длительное время до появления усталости в поверхностных слоях зубьев, которая, в свою очередь, ведет к возникновению небольших углублений. Углубления растут и превращаются в раковины. В результате этого нарушаются условия

образования сплошной масляной пленки, появляется металлический контакт с последующим быстрым изнашиванием поверхностей зубьев.

Рис. 9.10. Формы зуба

Мерами предупреждения усталостного выкрашивания являются:

· определение размеров передачи из расчета на усталость по контактным напряжениям;

· повышение твердости материала за счет термообработки;

· повышение степени точности, особенно по норме контакта зубьев.

Абразивное изнашивание – основной вид разрушения поверхностного слоя зубьев передач при плохой смазке (открытые передачи). В результате интенсивного изнашивания увеличиваются зазоры в зацеплении, динамические нагрузки, шум. Понижается изгибная прочность зуба вследствие уменьшения площади поперечного сечения, что может привести к поломке зуба.

Мерами предупреждения абразивного изнашивания являются:

· повышение твердости поверхности зубьев;

· увеличение модуля зацепления;

· выбор оптимальных значений коэффициентов смещения;

· защита от загрязнения;

· применение специальных смазок.

Изнашивание при заедании обычно наблюдается в высокоскоростных и высоконагруженных передачах. В месте контакта зубьев развивается высокая температура, способствующая снижению вязкости масла, разрыву масляной пленки и образованию металлического контакта поверхностей зубьев. В результате происходит сваривание микронеровностей поверхностей зубьев с последующим отрывом от менее прочной поверхности. Образовавшиеся наросты приводят к задиру рабочих поверхностей зубьев в направлении скольжения. Заеданию способствует кромочный удар зубьев.

Мерами предупреждения изнашивания при заедании являются:

· модификация профиля головки зуба (фланкирование);

· повышение твердости материала зубчатых колес;

· выбор оптимальных значений коэффициентов смещения.

Пластические сдвиги наблюдаются у тяжело нагруженных тихоходных зубчатых колес, изготовленных из мягких сталей. При перегрузках на поверхности зубьев появляются пластические деформации с последующим сдвигом поверхностного материала в направлении скольжения.

Мерами предупреждения изнашивания при пластических сдвигах являются:

· использование предохранительных устройств;

· учет перегрузок при расчетах.

Отслаивание твердого поверхностного слоя зубьев происходит в передачах, подвергнутых поверхностному упрочнению (азотированию, цементированию, закалке

ТВЧ и т.п.). Отслаивание наблюдается при некачественно выполненной термообработке, когда внутренние напряжения не сняты отпуском, или когда хрупкий поверхностный слой зуба не имеет под собой достаточно прочной сердцевины. Отслаиванию способствуют перегрузки.