Зубчатая передача широко применяется в различном механическом оборудовании благодаря своим преимуществам: точному передаточному отношению и высокой эффективности передачи. Китай в настоящее время стал крупной страной-производителем зубчатых колес — стоимость продукции зубчатой промышленности в 2017 году превысила 236 миллиардов юаней, заняв первое место в мире, и сформировалась относительно полная промышленная система. Являясь основным компонентом для передачи мощности и вывода энергии, производительность зубчатых колес напрямую влияет на эффективность работы и надежность оборудования. Во время передачи зубчатые колеса испытывают чрезвычайно сложные нагрузки, что делает их подверженными таким явлениям отказа, как питтинг, выкрашивание, износ, задиры и усталостное разрушение при изгибе. В прошлом при проектировании прочности зубчатых колес в основном учитывалась прочность контактной поверхности зуба; однако с развитием инженерных технологий системы зубчатых передач стремятся к облегчению, и прочность на усталость при изгибе у основания зуба постепенно стала ключевым фактором.

 

 

 

Во время работы зубчатой передачи максимальное растягивающее напряжение на зубчатом колесе действует на нагруженную сторону, в то время как максимальное сжимающее напряжение действует на противоположной стороне. Точка нулевого напряжения находится ниже точки пересечения окружности основания и осевой линии зуба, что приводит к сильной концентрации напряжений у основания зуба на нагруженной стороне. При непрерывной работе зубчатого колеса опасное сечение становится областью, подверженной возникновению усталостных трещин — первый этап разрушения зубчатого колеса.

 

Возникшие трещины далее распространяются к точке нулевого напряжения, которая перемещается вниз вдоль основания зуба по мере расширения трещин. Это второй этап — стабильное распространение трещин (см. рисунок 1). Стабильный этап распространения можно условно разделить на два подэтапа: на этапе I трещина распространяется вдоль направления максимального касательного напряжения 45° с небольшой глубиной; на этапе II, из-за различных ориентаций и препятствий на границах зерен, направление распространения постепенно подвергается влиянию нормального напряжения и изменяется на направление, перпендикулярное нормальному напряжению.

 

Когда оставшаяся часть основания зуба больше не может выдерживать внешнюю нагрузку, происходит мгновенное разрушение — третий этап: нестабильное распространение трещин (разрушение). Соответствующая область на поверхности усталостного разрушения относительно шероховатая, часто сопровождается складками, образованными разрывом материала.

 

 

Общепринято, что наличие растягивающего остаточного напряжения увеличивает средний уровень напряжения в циклическом напряжении, тем самым ускоряя скорость роста усталостных трещин и снижая надежность зубчатых колес. Напротив, сжимающее остаточное напряжение способствует увеличению усталостной долговечности зубчатых колес. Во время обработки зубчатых колес амплитуда остаточного напряжения, возникающего в зубьях зубчатых колес, может достигать тысяч мегапаскалей, что оказывает существенное влияние на усталостные характеристики зубчатых колес. Поэтому остаточное напряжение является незаменимым фактором при производстве зубчатых колес, устойчивых к усталости, и точный мониторинг состояния остаточного напряжения у основания зуба имеет важное инженерное значение.

 

Типичные кривые распределения остаточного напряжения на поверхности основания зуба после цементации и закалки обычно показаны на рисунке 2. В фактическом производстве зубчатых колес остаточное напряжение на поверхности основания зуба не всегда представляет собой идеальное распределение, как показано на рисунке 2(a). В практических условиях работы из-за эффекта связи термического напряжения и структурного напряжения во время закалки и охлаждения пластическая деформация поверхности приводит к смещению слоя максимального сжимающего остаточного напряжения под поверхность, что, возможно, представляет собой характеристику распределения, показанную на рисунке 2(b). В настоящее время в отечественном производстве зубчатых колес обезуглероживание и внутреннее окисление неизбежны на поверхности зубьев зубчатых колес после цементации и закалки. Особенно внутреннее окисление образует не мартенситные структуры. В это время типичное распределение остаточного напряжения упрочненного слоя показано на рисунке 2(c) — то есть растягивающее остаточное напряжение образуется на самой внешней поверхности зубчатого колеса, и из-за геометрических структурных факторов это растягивающее напряжение часто более сильное у основания зуба.

 

Характеристики распределения остаточного напряжения напрямую определяют усталостные характеристики зубчатых колес. Однако следует особо отметить, что процесс термической обработки зубчатых колес является сложным нелинейным процессом, включающим взаимодействие температуры, структурного преобразования и напряжения, сопровождающимся пластической деформацией. Поэтому практически невозможно получить остаточное напряжение с использованием аналитических методов. Таким образом, в практическом машиностроении определение остаточного напряжения имеет большое значение для оценки срока службы и производительности зубчатых колес.

 

 

В настоящее время существует много методов измерения остаточного напряжения, но наиболее часто используемым и высокоточным методом в машиностроении является метод рентгеновской дифракции (XRD). Технология XRD обеспечивает неразрушающий контроль, а портативное оборудование может быстро завершить полевые испытания в производстве. В настоящее время эта технология получила международное признание, существуют отечественные и зарубежные стандарты для обеспечения точности измерений, а измерительное оборудование и вспомогательные приборы относительно сложны. Оборудование, показанное на рисунке 3, использовалось в зубчатой промышленности в стране и за рубежом для измерения остаточного напряжения у основания зубчатого колеса. Среди них опасное сечение основания зуба обычно определяется методом касательной 30°, и остаточное напряжение в этом положении выбирается для представления остаточного напряжения основания. Для конкретного метода измерения остаточного напряжения методом XRD обратитесь к предыдущей статье «Как определить остаточное напряжение методом рентгеновской дифракции?»