DSCN0548

130 3. Wyiraymalość przekładni walcowych

3.17. Materiały na koła zębate

Materiały na koła zębate powinny spełniać wymagania wytrzymałościowe, technologiczne i ekonomiczne. W cełu zabezpieczenia się przed najczęściej występującymi uszkodzeniami, tj. złamaniem zęba i wykruszeniem zmęczeniowym (pit-lingiem), nałeży dobierać materiały o dużej wytrzymałości na zginanie i na naciski. Koła mogą wówczas przenosić bezpiecznie duże obciążenia, duże momenty obrotowe i moce. O dopuszczeniu wysokich naprężeń w stopie zęba a_F decydować będzie wytrzymałość zmęczeniowa na zginanie, a o dopuszczeniu wysokich naprężeń stykowych decydować będzie głównie twardość materiału.

Rzadziej zdarzają się przypadki zatarcia zębów czy zużycia ściernego, ale przy doborze materiału należy też ten aspekt brać pod uwagę. Istotne znaczenie ma wtedy skuteczność smarowania i olej smarowy musi być także traktowany jako tworzywo konstrukcyjne, rozważnie i celowo dobierany przy projektowaniu przekładni. Czasem mogą dochodzić specjalne wymagania, np. zachowanie wytrzymałości w niskich lub wysokich temperaturach, czy duża udarność w przypadku obciążeń uderzeniowych.

Do wymagań technologicznych zaliczamy:

-    odpowiednie właściwości ułatwiające kształtowanie koła i uzębienia, a więc dobra plastyczność i kujność przy kształtowaniu odkuwek, dobra lejność w przypadku odlewania kół, dobra skrawalność potrzebna przy nacinaniu uzębień itp.;

—    odpowiednie właściwości pozwalające na obróbkę cieplno-chemiczną i uzyskanie pożądanej struktury materiału; przydatność do ulepszania i utwardzania, możliwie małe i ustalone zmiany kształtu i wymiarów w procesie obróbki cieplno--chemicznej.

Wymagania ekonomiczne dotyczą ceny materiału użytego na koła, która np. w przypadku stali zależy w dużym stopniu od rodzaju i ilości składników stopowych. Należy jednak wyraźnie zaznaczyć, że nie może tu decydować tylko cena jednostkowa materiału, ale należy analizować koszt całego koła, a nawet całej przekładni. Najczęściej materiał wyraźnie lepszy konstrukcyjnie, choć droższy, prowadzi do zmniejszenia wymiarów kół, a w efekcie do niższych kosztów całej przekładni. Przekładnia mniejsza, do tych samych mocy, jest też bardziej atrakcyjna i konkurencyjna na rynku.

Ogólnie trzeba powiedzieć, że koło zębate jest elementem o skomplikowanym kształcie, a więc o dużym koszcie specjalistycznego wykonania, nie należy więc stosować na nie podrzędnych materiałów.

Spośród dużego asortymentu tworzyw konstrukcyjnych, w tym wielu rodzajów stali, staliw i tworzyw sztucznych, należy stosować tylko nieliczną grupę materiałów, których przydatność potwierdzona została w badaniach laboratoryjnych i w praktyce eksploatacyjnej.

3.17.1 Stale, staliwa i żeliwa

Stal jest bardzo dobrym materiałem na koła zębate, spełnia najlepiej wymagania dużej wytrzymałości, daje się dobrze kształtować w procesie kucia i obróbki mechanicznej. Niektóre rodzaje stali specjalnie nadają się na koła zębate, dając największą obciążalność na jednostkę objętości i najniższe koszty przekładni na jednostkę przenoszonej mocy.

Staliwa ustępują stali kulej pod względem własności wytrzymałościowych, ale stosuje się je wówczas, gdy ukształtowanie koła przez kucie napotyka trudności ze względu na złożoną postać geometryczną, np. koło ze szprychami.

Żeliwo szare jest materiałem stosunkowo tanim o dobrych własnościach lejnych, umożliwiających łatwe uformowanie odlewu koła, nawet przy skomplikowanym kształcie. Ma właściwości tłumienia drgań, a dzięki grafitowi płatkowemu dobre własności cierne i odporność przeciw zatarciu. W przeszłości było używane dość często na koła zębate, ale ze względu na znacznie niższe parametry wytrzymałościowe, zwłaszcza na złamanie, i rosnące obciążenia coraz wydajniejszych maszyn, jest obecnie rzadko stosowane. Może być z powodzeniem stosowane na korpusy średnich i dużych kół z nakładanymi stalowymi wieńcami zębatymi.

Na całe koła wraz z uzębieniem ukształtowanym na gotowo w procesie odlewania (duże koła wolnoobrotowe) stosuje się wyższe klasy żeliwa, czasem z dodatkami stopowymi. Dobre właściwości wytrzymałościowe, zbliżone do właściwości niektórych stali, mają żeliwa sferoidalne. Mogą być one nieraz stosowane jako pełnowartościowy materiał na koła zębate.

Ogólne wymagania stawiane tej grupie materiałów na koła zębate i warunki technologiczne są ujęte zbiorczo w tabl. 3.3. Przy doborze materiałów można skorzystać z tabl. 3.4 i 3.5, a przy porównywaniu twardości i wytrzymałości stali pomocne będą tabl. 3.6 i 3.7.

3.17.2 Cicplno-chemiczna obróbka stali

W celu pełnego wykorzystania walorów stali na kola zębate powinna być ona poddana zabiegom technologicznym, zwiększającym odporność zębów na złamanie i na pitting. Chodzi tu głównie o obróbkę cieplną i cieplno-chemiczną, do której zaliczamy:

—    nawęglanie,

—    azotowanie,

—    węgloazotowanie,

—    hartowanie.

Wybór któregoś spośród wymienionych zabiegów oraz zakres obróbki wzmacniającej zależy od rodzaju stali, wymiarów kół, przeznaczenia przekładni i wielkości serii produkcyjnej, a czasem od innych jeszcze czynników.

Największą nośność (obciążalność) uzyskuje się w przypadku kół kutych ze