Почему на зубьях бортового редуктора появляются раковины, хотя металл не царапается? Прижимай зуб к зубу или ролик к кольцу, смотри, где под поверхностью прячется самое опасное напряжение, и считай циклы до выкрашивания.
Зуб шестерни давит на зуб колеса, ролик подшипника давит на кольцо. Сталь чуть сплющивается, и линия касания превращается в полоску шириной в доли миллиметра. Давление на ней распределено полуэллипсом, его посчитал Генрих Герц в 1881 году. Удивительно, что сильнее всего металл сдвигается не на самой поверхности, а на глубине примерно 0,8 полуширины полоски. Каждый оборот этот слой нагружается и разгружается. Через миллионы циклов там появляется трещинка, растет, выходит наверх, и кусочек металла выпадает. Остается раковина. Это питтинг, или усталостное выкрашивание.
Первая формула дает давление в полоске, вторая говорит, где искать трещину, третья, сколько циклов металл выдержит. Числа берутся из опыта.
Какое давление в полоске контакта?
Давление растет только как корень из силы: в два раза больше сила дает в 1,41 раза больше давление. Зато мелкие радиусы и короткий контакт поднимают его сильно.
Где искать трещину?
Под серединой полоски металл сжат и сверху, и с боков, но по-разному. Разница дает сдвиг, и он максимален на глубине около 0,78 полуширины. Упрочненный слой должен быть заметно толще.
Сколько циклов до раковины?
Кривая контактной усталости. Степень m большая, около 13 для цементованной стали: давление на 10 % выше сокращает ресурс почти вчетверо.
Прямо на поверхности металл сжат со всех сторон почти одинаково: сверху давит соседний зуб, с боков не пускают соседние слои. Когда сжатие со всех сторон одинаковое, металл не сдвигается, и трещине негде начаться.
С глубиной давление сверху убывает медленно, а боковое сжатие быстро. Разница растет, и с ней растет касательное напряжение. Еще глубже оба сжатия слабеют. Максимум разницы получается на глубине около 0,78 b. Там и лежат неметаллические включения, которые становятся началом трещины.
Если смазки мало или поверхность грубая, к этому добавляется трение, и максимум поднимается к поверхности: питтинг начинается сверху. Как этого избежать, видно на кривой Штрибека. Общая картина износа: «Износ: абразивный, усталостный, задир».
Солнечные шестерни и сателлиты бортовых и колесных редукторов самосвалов первыми получают питтинг у полюса зацепления. Его видно в эндоскоп через смотровое отверстие без разборки.
Выкрошенные частицы крупные, пластинчатые. Их ловит магнитная пробка, а в анализе масла растет железо. Чем раньше заметили, тем дешевле ремонт.
Ресурс подшипника по формуле L = (C/P)10/3 выведен из той же контактной усталости. Подробно об этом в теме «Подшипники качения и их ресурс» раздела деталей машин.
Глубину твердого слоя выбирают по глубине опасной точки: для крупных зубьев 1,5–3 мм. Слишком тонкий слой проламывается, сердцевина под ним мягкая.
Катки, звенья и ведущие колеса закаляют ТВЧ на глубину в несколько миллиметров: контакт без смазки, с песком, с ударами.
Колесо давит на рельс полоской размером с монету. На головке рельса со временем появляются трещины и выкрашивания: их ищут ультразвуком.
Контакт считается линейным, как у двух цилиндров одинаковой длины, без перекоса и без краевых эффектов. Обе детали из стали, E' = 115 000 МПа. Радиусы кривизны зубьев взяты в полюсе зацепления, сила нормальная и постоянная. Поле напряжений построено по формулам Мак-Юэна без трения на поверхности. Ресурс по степенной кривой N = 5·10⁷ · (σlim / p)13 продолжен и ниже предела выносливости, как разрешают современные нормы; влияние смазки задано простыми множителями 0,5 и 0,25. Ресурс в часах посчитан для одной точки при постоянной частоте вращения. Правило «слой толще двух глубин опасной точки» упрощенное, в нормах для зубчатых колес оно задается через модуль зуба.