Зубчатое колесо z 13

Когда слышишь 'зубчатое колесо z 13', первое, что приходит в голову — стандартный расчёт модуля. Но на практике с этим размером есть нюанс: при 13 зубьях начинает проявляться эффект подрезания ножки зуба, если не смещать исходный контур. Мы в ООО Чжэньцзян Синшэн Стальное Литье через это прошли — заказчик как-то прислал типовой расчёт без учёта смещения, получили выкрашивание по переходной поверхности. Пришлось переваривать техпроцесс.

Почему z 13 — нестандартный случай

В учебниках пишут, что до 17 зубьев нужно применять корригирование. Но для z 13 коррекция должна быть не просто положительной, а расчётной под конкретную нагрузку. Как-то раз для дробилки щебня делали такое колесо из стали 40Х — поначалу взяли стандартный коэффициент смещения 0,4, но при обкатке появился шум. Разобрали — контактное пятно сместилось к головке зуба. Пересчитали с учётом крутящего момента, получили 0,38 — разница копеечная, а шумность снизилась на 12 дБ.

Ещё момент — выбор материала. Для z 13 с его малым диаметром впадин термическая обработка часто приводит к короблению. Мы пробовали закалку ТВЧ, но для ответственных узлов типа редукторов башенных кранов перешли на азотирование — деформация меньше, хоть и дороже. Как-то для портового крана изготавливали партию — 8 колёс, из них 2 забраковали именно из-за коробления после закалки.

Сейчас для таких деталей используем сталь 38ХГМ — после азотирования твёрдость 52-54 HRC, но без перекосов. Важно контролировать структуру перед обработкой — если исходная структура не сорбит, а троостит, то после азотирования возможно шелушение. Проверяем на УЗДТ каждую заготовку, особенно если прокат поставляется с металлобазы, а не с металлургического комбината.

Технологические ловушки при изготовлении

Фрезеровка зубьев — отдельная история. Когда делали первую партию для нефтехимического насоса, использовали червячную фрезу с диаметром 100 мм — в зоне впадин оставались следы резания, концентраторы напряжений. Технолог настаивал на уменьшении диаметра фрезы до 63 мм, но при этом падала стойкость инструмента. Компромисс нашли — взяли фрезу 80 мм с покрытием TiAlN, плюс изменили схему деления — не непрерывное, а с поджимом заготовки после каждого зуба. Время выросло, но качество впадин стало стабильным.

Часто забывают про припуски под шлифовку. Для z 13 с модулем 4-5 мм припуск больше 0,3 мм на сторону уже критичен — съёмы шлифкруга неравномерные, может 'поплыть' кинематическая точность. Однажды пришлось переделывать 12 колёс для редуктора лесозаготовительной машины — заказчик указал припуск 0,5 мм, а после термообработки биение по делительному диаметру превысило 0,1 мм. Сейчас в техкартах прописываем жёсткий контроль после предварительной обработки — если биение больше 0,05 мм, правим на прессе перед термообработкой.

Контроль зубьев — тут старый добрый зубомерный станок ОВ-3194 выручает, хотя молодые инженеры пытаются перейти на 3D-сканирование. Но для серийных z 13 сканирование избыточно — достаточно контроля по трем сечениям и проверки шага. Хотя для экспортных поставок в ЕС требуют полноценный протокол по ISO 1328 — тут без 3D не обойтись, особенно проверка профиля зуба. Помню, для немецкого заказа пришлось делать поправку на температурное расширение при измерениях — их лаборатория 20°C, а у нас в цехе 24°C, разница в диаметре делительном составила 0,02 мм, едва не забраковали партию.

Опыт применения в конкретных отраслях

Для портовых кранов — особые требования к ударной вязкости. Стандартная 40Х не всегда подходит, перешли на 35ХГСА с улучшением до 30-32 HRC. Важно именно сочетание твёрдости и вязкости — при -20°C (типичная температура для северных портов) зуб не должен хрупко разрушаться. Как-то зимой в Мурманске на козловом кране колесо z 13 раскололось по впадине — расследование показало, что была ликвация в заготовке, плюс низкая температура эксплуатации. Теперь для северных поставок дополнительно делаем УЗ контроль 100% заготовок.

В дорожно-строительной технике главная проблема — абразивный износ. Делали эксперимент — наплавляли твердый сплав на головки зубьев, но оказалось дорого и неремонтопригодно. Остановились на цементации на глубину 0,8-1,0 мм с последующей закалкой — для грейдеров хватает на 2 сезона. Но здесь важно качество исходного материала — если сталь с повышенным содержанием серы, после цементации появляются сетки карбидов. Брали металл у ООО Чжэньцзян Синшэн Стальное Литье — там строгий входной контроль по химии, проблем с карбидной неоднородностью не было.

Для судовых насосов — коррозионная стойкость. Пробовали делать из нержавейки 12Х18Н10Т, но для z 13 с его тонким зубом прочность на изгиб недостаточна. Перешли на 20Х13 с закалкой — и стойкость к морской воде приемлемая, и прочность выше. Правда, при шлифовке возникают прижоги — приходится снижать подачу, использовать круги на керамической связке. Технология отработана, но себестоимость выходит выше обычных колёс на 35-40%.

Ошибки, которые лучше не повторять

Самая грубая — экономия на операциях. Как-то решили упростить — не делать черновое и чистовое фрезерование зубьев, а сразу чистовое. Вроде бы мелочь — но при термообработке в местах с повышенной остаточной напряжённостью пошли трещины от впадин. Пришлось всю партию отправлять в переплавку. Теперь всегда: черновая фреза — снятие 70% припуска, чистовая — остальное, с разным шагом и подачей.

Ещё пример — не учли разницу в коэффициентах теплового расширения при сборке узла. Колесо z 13 из стали, вал — из чугуна. При нагреве до 80°C (рабочая температура в редукторе экскаватора) посадка с натягом превратилась в зазор. Теперь для таких случаев считаем тепловые зазоры отдельно, особенно если материалы пары разные.

И классика — неправильный выбор шпоночного паза. Для z 13 с его небольшим диаметром впадин глубина паза критична — можно ослабить зубья. Один раз пришлось экстренно переделывать партию для металлургического рольганга — заказчик потребовал паз по ГОСТ 8789-68, но при модуле 6 мм это привело к толщине зуба у основания меньше расчётной. Убедили перейти на шлицевое соединение — надёжнее, хоть и дороже в изготовлении.

Перспективы и альтернативы

Сейчас многие переходят на зубчатые колёса с круговым зубом — для z 13 это могло бы решить проблему шумности. Но стоимость изготовления инструмента для нарезания таких зубьев окупается только при сериях от 500 штук. Для единичных заказов пока невыгодно — проще оптимизировать эвольвенту традиционного зуба.

Интересное направление — аддитивные технологии. Пробовали печатать z 13 из стали 17-4PH на SLM-установке — прочность на 15% ниже кованой, но зато можно интегрировать системы смазки прямо в тело зуба. Пока для ответственных применений рано, но для малонагруженных передач, например в приводах заслонок, уже рассматриваем как вариант.

Из классических улучшений — внедрение глубокого азотирования в тлеющем разряде. Для z 13 получаем глубину слоя до 0,6 мм без деформации — это решает проблему износа в условиях загрязнённой среды. Испытали на зубчатых колёсах для гусеничных тракторов — ресурс увеличился в 1,8 раза по сравнению с цементацией. Дорого, но для спецтехники оправдано.