Конические зубчатые колеса диаметром 50 мм в электротележке работают в условиях динамических нагрузок

Данные изделия – конические зубчатые колеса в электротележке - представлены на рисунке 2.1.

Рис. 2.1 – Конические зубчатые колеса

В процессе эксплуатации конические зубчатые колеса диаметром 50 мм в электротележке работают с высокими нагрузками на контактные поверхности, при этом зубья работают на трение и износ, вследствие чего от данного изделия требуется высокая износостойкость и прочность поверхности при достаточной твердости и вязкости сердцевины.
Также зубчатые колеса работают в условиях вибраций и при отрицательных температурах, в связи с чем от данного изделия требуется хорошая ударная вязкость при отрицательных температурах.
Исходя из вышеописанных условий работы зубчатых колес, к ним предъявляются следующие требования:
- твердость поверхности должна быть в пределах НRC 57 – 59 единиц;
- твердость сердцевины должна быть в пределах НRC 33-37 единиц;
- глубина упрочненного слоя должна составлять 1,3 мм.
В то же время, материал, из которого изготовлены зубчатые колеса, должен обладать следующими свойствами:
- предел текучести σт >1000 Н/мм2;
- ударная вязкость KCU>100 Дж/см2.
Зубчатые колеса могут быть изготовлены из сталей 12ХН2А, 12ХН3А и 12Х2Н4А. Все эти стали являются цементуемыми легированными высококачественными сталями. Применение нелегированных качественных сталей в данном случае нерационально, поскольку они не обеспечат высокой вязкости сердцевины и достаточных значений KCU, повышая опасность брака колес. В таблице 2.1 приведены механические и технологические свойства цементуемых легированных сталей.
Выбор стали в данном случае нужно делать, исходя из требованию по прокаливаемости: критический диаметр при закалке стали должен быть не менее 50 мм, чтобы обеспечить сквозную прокаливаемость зубчатого колеса.

Таблица 2.1 - Механические и технологические свойства некоторых термически обработанных хромоникелевых сталей
Марка стали Критический диаметр, Dкр, мм НВсердцевины
НRCповерхности
12ХН2А 20-25 255-302 56-58
12ХН3А 35-40 306-319 58-60
12Х2Н4А 60-80 320-370 58-62
Примечание: цементация при 9300С, закалка с 820 0С в масле + отпуск при 180 0С.

Из таблицы 2.1 видно, что критический диаметр стали 12Х2Н4А наиболее близок к требуемому (50 мм). Поэтому выберем ее для изготовления колеса.
Данная сталь является широко используемым материалом для изготовления изделий типа вал-шестерня, шестерня и зубчатых колес. Эта сталь обладает хорошей прокаливаемостью и достаточной вязкостью при отрицательных температурах из-за высокого содержания никеля. Химический состав и критические точки стали 12Х2Н4А приведены в таблице 2.2.
Сталь 12Х2Н4А относится к конструкционным, низкоуглеродистым, среднелегированным цементуемым сталям. Эта сталь применяется для изготовления ответственных деталей.
В качестве термической обработки для упрочнения поверхности зубчатого колеса применяется цементация. Этот вид термической обработки обеспечивает такое содержание углерода в поверхностном слое, при котором твердость поверхнос

Конические зубчатые колеса диаметром 50 мм в электротележке работают в условиях динамических нагрузок и повышенного износа. По требованию конструктора сталь должна обладать высоким сопротивлением вязкому и хрупкому разрушению изделия в сердцевине.
Выберите углеродистую цементуемую сталь, укажите состав, рекомендуйте режим термической обработки для получения максимальной вязкости в сердцевине изделия, если цементация выполняется в твердом карбюризаторе. Одновременно для сравнения укажите режим химико-термической обработки и в газовой среде. Укажите механические свойства стали в сердцевине изделия и твердость на поверхности после окончательной термической обработки и объясните, целесообразно ли применение для этой цели стали обыкновенного качества.