Разработка метода и технология напыления износостойких покрытий на наружную коническую поверхность кольца блокирующего синхронизатора ВАЗ 2123

 

Введение

В связи с увеличением удельных тепловых и механических нагрузок в современных автомобилях все большее значение приобретает проблема повышения надежности и долговечности деталей узлов трения.

Кольцо блокирующее синхронизатора является одним из важнейших компонентов любой коробки передач. Применяемый в настоящее время на ВАЗе материал кольца (латуни ЛМцАЖН, ЛМцАЖКС) не обеспечивает требуемый ресурс этой детали из-за пластической деформации вершин резьбы конусной рабочей части и повышенного износа материала кольца.

Традиционно в мировой практике автомобилестроения эта проблема решается путем напыления газотермических покрытий на основе молибдена - в настоящее время в мире применяется до 25% колец с такими покрытиями. Тем не менее, такая операция приводит к повышению стоимости готовых изделий, что требует проведение дополнительных работ по улучшению трибологических свойств колец блокирующих синхронизатора с учетом оптимизации их стоимости.

В настоящее время на Волжском автомобильном заводе активно ведутся исследования, направленные на улучшение работы синхронизаторов, а именно повышение износостойкости колец блокирующих синхронизатора автомобиля ВАЗ 2123, путем нанесение износостойких покрытий на наружную конусную поверхность трения кольца.

Дипломный проект посвящен разработке технологии напыления износостойких покрытий на наружную коническую поверхность кольца блокирующего синхронизатора, как одного из способов повышения долговечности узла синхронизатора коробки переключения передач ВАЗ 2123.Технология нанесения износостойких покрытий основана на действующей базовой технологии изготовления колец ВАЗ 2101. В качестве решения этой задачи исследованы различные методы оптимизации синхронизаторов.

1. Анализ исходных данных

.1 Описание конструкции и условий функционирования узлов синхронизации

.1.1 Описание конструкции синхронизатора автомобиля ВАЗ 2123

Все передачи переднего хода КПП автомобиля ВАЗ 2123 синхронизированы. Принцип действия синхронизатора при включении III передачи показан на рис.1.

схема I - нейтральное положение

схема II - начало включения III передачи

схема III - полное включение III передачи

Рис.1.1 Принцип действия синхронизатора при включении III передачи

- вторичный вал, 3 - шестерня постоянного зацепления первичного вала, 5 - блокирующее кольцо синхронизатора IV передачи, 6 - скользящая муфта синхронизатора III и IV передач, 7 - вилка включения III и IV передач, 8- стопорное кольцо, 9 - блокирующее кольцо синхронизатора III передачи, 10 - пружина синхронизатора, 11- упорная шайба пружины синхронизатора, 12 - шестерня и зубчатый венец синхронизатора III передачи, 42 - ступица муфты синхронизатора III и IV передач, 44 - стопорное кольцо, 45 - тарельчатая пружина.

В нейтральном положении (схема I) блокирующие кольца 5 и 9 прижаты пружинами к стопорным кольцам 8. Между коническими поверхностями колец и муфты 6 имеется зазор, а зубья блокирующих колец находятся во впадинах зубчатых венцов 4 и 12 синхронизаторов. Крутящий момент от зубчатого венца 12 через блокирующее кольцо 9 не передается.

В начале включения III передачи (схема II) скользящая муфта 6, перемещаясь по шлицам ступицы 42, прижимается своим конусом к конической поверхности блокирующего кольца 9. Между поверхностями возникает трение, вследствие которого кольцо проворачивается на небольшой угол (окружной ход от 2,5 до 5 мм). При этом боковые скосы зубьев кольца упираются в боковые скосы зубьев венца 12, и дальнейшее проворачивание кольца прекращается. Одновременно создается сопротивление дальнейшему осевому перемещению муфты 6. Это будет продолжаться до тех пор, пока не станут равными скорости вращения вторичного и промежуточного валов коробки передач. Уравнивание скоростей происходит за счет трения между блокирующим кольцом и муфтой 6.

При полном включении III передачи (схема III), когда скорости вращения станут равными, сила трения между коническими поверхностями муфты 6 и кольца 9, а также между скосами блокирующего кольца и венца 12, уменьшится, и блокирующее кольцо, скользя по скосам зубьев венца 12, переместится вместе с муфтой по зубьям венца синхронизатора. При этом муфта 6 соединит шестерню III передачи со ступицей 42, и произойдет безударное включение III передачи.

Вал первичный коробки переключения передач с синхронизатором и подшипником в сборе представлен на рис.1.2.

Рис.1.2 Вал первичный коробки передач с синхронизатором и подшипником в сборе

.1.2 Трибологическая система пары трения синхронизатора

Важнейшими элементами инерционного синхронизатора коробки передач являются скользящая муфта, предназначенная для выравнивания частот вращения между валом и свободной шестерней, а также «зубчатое зацепление», которое должно предотвратить преждевременное включение передач. Совокупность элементов, представленных на рисунке 1.3 составляют трибологическую систему пары трения синхронизатора.

Рис.1.3 Трибологическая система пары трения синхронизатора:1-запас на износ, 2-усилие включения, 3- блокирующее кольцо синхронизатора, 4-фрикционное покрытие, 5-смазочный материал, 6-муфта скользящая синхронизатора

.1.3 Оценка коэффициента трения пары трения синхронизатора

Геометрия «зубчатого зацепления» и величина угла конусов трения должны совпадать с уровнем коэффициента трения так, чтобы во время всей фазы скольжения оставался в наличии достаточный блокирующий момент (Рис.1.4).

Рис.1.4 Требование к функционированию синхронизатора.

Условие работы синхронизатора выглядит следующим образом (1.1)

> , (1.1)

где Тс - момент синхронизации на конусе,

Fа - осевое усилие,

µс - динамический коэффициент трения между кольцом и конусом,

Rc - средний радиус конуса,

Ti - индексный момент,

Rb - радиус индексного момента (Ti),

? - угол скоса в радиусе индексного момента (Ti),

µs - статический коэффициент трения на скосе.

Чтобы реализовать высокий блокирующий момент при незначительном усилии включения, необходим высокий динамический коэффициент трения используемых элементов трения. Этого высокого коэффициента трения можно достичь только за счет граничного трения (Рис.1.5). По граничному трению (также трение в пограничном слое) определяется состояние трения, при котором нормальное усилие уже не передается - даже частично (смешанное трение) - через гидродинамическое давление. Следовательно, пара трения разделяется пограничным слоем толщиной несколько нанометров (0,5-10), состоящим из образованных химическим путем реакционных слоев (например, CuS) и полярных абсорбированных молекул смазочного материала.

Рис.1.5 Состояние трения (схематичное изображение)

Сегодня разработано много методов, как можно на практике эффективно противостоять образованию гидродинамической масляной пленки. Элементы трения синхронизирующего устройства снабжены интенсивными пазами и канавками, которые должны обеспечивать быстрое разложение масляной пленки. Помимо используемого смазочного материала на пограничный слой влияние оказывает структура и химический состав используемых материалов трения (Рис.1.6).

Рис.1.6 Параметры, оказывающие влияние на образование пограничного слоя

.1.4 Требования, предъявляемые к современным фрикционным материалам, используемым в синхронизирующих устройствах

Чтобы во время всего срока службы коробки передач обеспечить достаточную эксплуатационную надежность, фрикционные материалы поверхности трения должны иметь следующие свойства:

высокая износостойкость,

отсутствие абразивного износа сопряженных деталей,

постоянный коэффициент трения независимо от нагрузки (pv - диаграмма) и количества переключений (число нагрузочных циклов > 200.000),

надежность в отношении перегрузок,

достаточная совместимость с маслом.

1.2 Пути повышения долговечности узлов синхронизатора используемые в мировой практике

Большинство европейских компаний, производящих коробки переключения передач в массовом масштабе, использует в настоящее время латунные кольца синхронизаторов системы Borg Warner (аналог - кольцо 2108-1701164-10). Используются также синхронизаторы с одинарным наружным конусом (2101-1701164), которые обеспечивают немного большую несущую способность при том же диаметре. Имеются различные варианты улучшения работы синхронизаторов, включая переход на многоконусные синхронизаторы, переход на альтернативные фрикционные материалы (молибден, бумага, спеченные материалы), корректировка химического состава латунного сплава, из которого изготавливают кольца, осуществление термической обработки и деформационного упрочнения конусной части. Доказанная эффективность того или иного решения применима лишь в том случае если оно удовлетворяет предъявляемым требованиям со стороны производителя.

На практике используются две системы синхронизаторов с различными вариациями - это система BORG WАRNER и система с наружным синхронизатором. Сравнительная доля применения каждой системы на автомобилях в процентном отношении каждого варианта кольца представлена на рис.1.7.

Рис. 1.7 Сравнительная доля систем синхронизации, используемых в настоящее время на рынке.

Большинство ручных коробок перемены передач (КПП), изготавливаемых в массовом количестве, используют кольца синхронизаторов, изготовленные из специальной латуни, благодаря удачному соотношению у данных материалов таких характеристик как стоимость и эксплуатационные свойства. Латунь должна функционировать как основной и в тоже время как фрикционный материал, поэтому необходимо достигать компромисса между прочностью материала и фрикционными свойствами.

Масляные канавки, которые необходимы для функционирования и охлаждения синхронизатора требуют для их получения дорогого процесса механической обработки. В результате контактная площадь поверхности получается сравнительно небольшой, а это ведет к увеличению удельных давлений на поверхностях трения.

Проблемы повышения несущей способности латунных колец синхронизатора затрагиваются многими ведущими европейскими автомобилестроительными компаниями. Решение такой комплексной задачи, как правило, возможно лишь благодаря использованию комплексных технологических приемов (рис.1.8).

Рис.1.8 Доля рынка современных фрикционных материалов, используемых в синхронизаторах

Раньше единственным путем повышения несущей способности латуни было покрытие фрикционной поверхности молибденом. При этом преимущества получаются небольшие, так как при увеличении нагрузок и давления в синхронизирующей системе превышаются прочностные характеристики латуни, что ведет к деформации поверхности трения. Можно использовать для изготовления кольца синхронизатора альтернативные высокопрочные материалы, но при этом требуется нанести на трущуюся поверхность дополнительный фрикционный материал с использованием дорогих процессов склеивания и наплавки. В табл.1.1 приведены различные варианты решения этой проблемы и их комбинации.

Дополнительно к латуни и молибдену, в синхронизаторах используются обкладки из спеченных и органических материалов (рис.1.8.)

Таблица 1.1 Варианты и комбинации фрикционных материалов колец

Основной материалФрикционная обкладкаПротивоположная сопрягаемая поверхностьСпеченный материал. Сформированная сталь. ПоковкаМолибден (тонкий, толстый) слой. Органическая фрикционная обкладка. Дисперсный спеченный материал.Сталь (спеченный) материал, цементация, шлифовка и хонингование.

В настоящее время обкладки из спеченных материалов используются исключительно на позициях переключения с высоким уровнем энергии. Европейские автомобилестроительные компании очень редко используют в синхронизаторах органические фрикционные обкладки.

При использовании специальных латунных сплавов, фрикционная поверхность кольца, а также и другие поверхности профилируются во время процесса штамповки.

Во время процесса спекания фрикционных обкладок из спеченного дисперсного материала, состоящего из латунного порошка, фрикционных стабилизаторов и неметаллических элементов: углерод, кремний и т.д., прикрепляется к стальному носителю, который затем формируется в виде одинарного или двойного конусов (патент Hoerbiger).

Молибден на профилируемую коническую поверхность кольца наносится с помощью процесса газопламенного напыления, шлифуется (при нанесении толстого слоя) и (или) калибруется.

В случае применения органических обкладок, на несущее кольцо с помощью клея крепится волокнистый материал с органической матрицей (хлопок, фенольная смола) содержащий включения фрикционных и структурных стабилизаторов.

Все эти четыре фрикционных материала: латунь, спеченный материал, молибден и органический материал - ведут себя при эксплуатации по-разному.

Стендовые испытания, выполненные различными нейтральными исследовательскими институтами и полевые испытания показали, что при типичных условиях эксплуатации обкладки из молибдена или из спеченного материала показывают хорошие или очень хорошие эксплуатационные свойства, хотя из-за высокого удельного давления получающегося вследствие геометрических размеров синхронизатора латунь и органические фрикционные обкладки показывают сравнительно высокую степень износа (рис.1.9).

Рис.1.9. Характер износа фрикционных обкладок синхронизатора

Серия опубликованных статей [1] указывает на то, что спеченные фрикционные обкладки допускают очень высокие нагрузки (рис.1.10), которые недопустимы при использовании обкладок из латуни, органических материалов и молибдена. Высокая теплопроводность и пористость спеченных обкладок, наряду с высокой теплоемкостью масла, находящегося в порах, обеспечивают низкую температуру фрикционной поверхности. Это выгодно не только для фрикционного материала, но и для развития термических напряжений в поверхности трения.

Тонкие молибденовые покрытия показывают эксплуатационные характеристики почти такие же, какие показывают спеченные фрикционные обкладки на низких скоростях. При более высоких поверхностных скоростях (10 м/сек) следы перегрева (образующийся мартенсит при трении) проявляются вполне очевидно, развиваясь в фреттинг-коррозию на конической поверхности.

Органические обкладки разрушаются первыми при высоком поверхностном давлении, развивающемся в синхронизаторе. Даже тогда, когда синхронизатор работает с низким пределом теплоемкости, может иметь место неприемлемое уменьшение запаса на износ. Латунь не пригодна для постоянного уровня нагрузки более чем 0,1 дж/мм2 из-за износа.

Рис.1.10. Максимально допустимая нагрузка при трении.

Испытания в условиях работы с нарушением правил эксплуатации автомобиля обычно проводятся в США. В табл.1.2 указаны условия испытаний, моделирующие поведение водителя спортсмена, который не соблюдает правил переключения передач. При этих испытаниях делается допущение, что многие из этих водителей не полностью нажимают на педаль сцепления при переключении передач или что кольцо синхронизатора прижимается к конусу муфты при неконтролируемом сцеплении, (рычаг переключения передач находится в нейтральном положении - это привычка, возникающая при езде на автомобиле с автоматической коробкой передач).

Таблица 1.2. Испытания с нарушение правил переключения передач (КПП). (Усилие на рукоятке переключения: 281 Н, передаточное отношение рычажного механизма: 7,5:1; осевое усилие: 2109 Н, период нажатия: 2,5 сек., диаметр кольца синхронизатора: 100 мм.)

ПередачаЧастота, об/мин.Скорость, м/сек.Энергия, Дж.Удельная энергия, Дж/мм2.14502,312370,5128204,222540,92312306,433811,39415908,243701,79518009,349502,03619009,852232,14

В обоих случаях это означает, что синхронизатор должен абсорбировать значительно больше энергии.

Испытания с нарушением правил, проведенные с большими дифференциальными скоростями выявили функциональные проблемы при использовании органических и молибденовых обкладок. На молибденовых обкладках выявлена фреттинг-коррозия, в то время как основа органических обкладок страдала от сильного перегрева (обугливания).

Испытания с нарушением правил привели к внедрению в европейское автомобилестроение обкладок из спеченного материала при производстве автомобилей.

Наглядное сравнение эксплуатационных характеристик для различных обкладок приведено в табл.1.3.

Таблица 1.3. Сравнительная оценка альтернативных фрикционных материалов

ХарактеристикаСпеченный материалБумагаТонкий слой молибденаИзнос (фрикционная поверхность)++-+Износ (входящий конус)00-Несущая способность, Дж/мм2+++++++Динамическое трение++++Фрикционная способность+++0Результаты испытаний с НПП+++++0Совместимость с маслом+++++

Базой для оценки является кольцо синхронизатора из специальной латуни.

Улучшение Повышение износа

+++ Существенное --Существенное

++ Явно выраженное - Небольшое

+ Небольшое 0 Отсутствует

Все варианты конструкции с одноконусным латунным кольцом синхронизатора имеют общий недостаток в том, что увеличение мощности синхронизатора за счет ввода дополнительных фрикционных обкладок ведет к существенному повышению стоимости синхронизаторов (рис.1.11).

Рис. 1.11 Сравнение стоимости и допустимых нагрузок по десятибалльной системе для компонентов стандартных синхронизаторов, имеющихся на рынке

1.2.1 Многоконусный синхронизатор

Все возрастающий спрос на современные коробки передач с повышенным уровнем комфорта при переключении передач и с высоким уровнем энергоемкости привел к пересмотру одноконусной конструкции. До настоящего времени решение этих задач можно было обеспечить только увеличением диаметра синхронизатора и увеличением количества рабочих поверхностей.

Идея повышения эффективности синхронизатора за счет увеличения числа поверхностей трения нашла свое воплощение в многоконусном синхронизаторе, разработанном английской фирмой Смита (рис. 1.12) [2 ].

В таком синхронизаторе осевые силы распределяются по трем концентрично расположенным поверхностям трения. Как видно из рисунка, между двумя главными конусами, принадлежащими соответственно блокирующему кольцу 2 и шестерне 4, расположены концентрические конусные кольца 1 и 3. Конусное кольцо 3 имеет шипы В, которые входят в соответствующие пазы блокирующего кольца 2. Другое конусное кольцо 1 соединяется шипами А с шестерней, для чего в конусном выступе последней профрезерованы пазы.

Блокирующее кольцо 2 и связанное с ним шипами В конусное кольцо 3 изготовляют из фосфористой бронзы, а конусное кольцо 1, соединено со стальной шестерней 4.

Рис. 1.12 Многоконусный (трехконусный) синхронизатор

В синхронизаторе Смита вместо одной поверхности трения, присущей всем рассмотренным выше инерционным конусным синхронизаторам, образуются три поверхности трения. Если конструктивные осевые зазоры между отдельными кольцами обеспечивают равное распределение усилия включения между всеми тремя поверхностями трения, то синхронизирующий момент увеличивается по сравнению с обычными одноконусными синхронизаторами приблизительно втрое. Величину синхронизирующего момента можно вычислить по формуле (1.2) [2, стр. 127]:

, (1.2)

где RC1,2,3 - средние радиусы конусных поверхностей трения, PC - усилие включения передачи, m- коэффициент трения, g- угол наклона конических поверхностей.

Теоретические преимущества многоконусного синхронизатора подтверждаются на практике. При переключении передач в одинаковых условиях эксплуатации значительно уменьшаются усилия, требующиеся для выполнения этого процесса, а при равных усилиях сокращается время синхронизации угловых скоростей соединяемых деталей и общее время включения выбранной передачи [3].

При испытаниях многоконусного синхронизатора, использованного в коробке передач грузового автомобиля повышенной грузоподъемности для включения второй, третьей, четвертой и пятой (прямой) передач, получены высокие результаты[4]. По утверждению автора статьи, полностью загруженный десятитонный грузовой автомобиль в условиях интенсивного городского движения и на дорогах с крутыми подъемами управлялся так же легко и бесшумно, как легковой автомобиль высокого класса.

Кроме повышенного синхронизирующего момента, многоконусный синхронизатор Смита обладает надежно работающей блокировкой при любых методах переключения передач. Это объясняется стабильностью коэффициента трения между конусными тормозными поверхностями. В этой же статье отмечается, что многоконусный синхронизатор, имеющий приблизительно размеры типичного современного синхронизатора, надежно работает при коэффициенте трения m=0,025, что намного ниже значений коэффициента трения, используемых в современных одноконусных синхронизаторах. Такой низкий коэффициент трения обеспечивает высокую долговечность многоконусного синхронизатора, а также исключает случаи прихватывания конусов и вызванных этим больших трудностей при включении шестерни, которые наблюдаются в одноконусных синхронизаторах при повышении коэффициента трения до 0,10 - 0,11.

Об эффективности синхронизатора Смита можно судить по отношению синхронизирующего момента Мс к моменту Мб на блокирующем кольце, возникающему на скосах зубьев под действием приложенного к скользящей зубчатой муфте усилия водителя [2, стр. 128 ]:

, (1.3)

Синхронизатор эффективен в том случае, если синхронизирующий момент больше момента на блокирующем кольце. В противном случае синхронизатор не будет блокировать, и зубья скользящей муфты будут сцепляться с зубьями муфтового соединения шестерни до выравнивания угловых скоростей, что неизбежно приведет к ударам.

Для сравнения различных конструкций удобно пользоваться графиками зависимость эффективности синхронизатора от коэффициента трения.

На рис.1.13 верхняя линия характеризует зависимость эффективности современного одноконусного инерционного синхронизатора от коэффициента трения на его конусных поверхностях; средняя линия показывает аналогичную зависимость для одноконусного синхронизатора конструкции 40-х годов; нижняя линия характеризует эффективность трехконусного синхронизатора Смита.

Рис. 1.13 Зависимость эффективности синхронизатора от коэффициента трения: а - блокировки нет; б - зона блокировки.

Момент на блокирующем кольце определяем по формуле (1.4) [2, стр. 128 ]:

, (1.4)

где Ro - расстояние от оси вращения синхронизатора до поверхности контакта блокирующего кольца с зубчатой муфтой, b - угол скоса блокирующих поверхностей, m1 - коэффициент трения между блокирующими поверхностями.

Подставим зависимость (1.2) и (1.4) в формулу (1.3),получим [2, стр. 128 ]:

, (1.5)

В синхронизаторе 40-х годов с одним синхронизирующим кольцом блокировка происходила при коэффициенте трения m»0,04. Однако эффективность достигалась за счет больших габаритных размеров синхронизатора. Эффективность же современного одноконусного синхронизатора при той же конструкции достигается за счет высокого коэффициента трения на тормозных конусных поверхностях. Как видно из графика на рис. 1.13, блокировка современного одноконусного синхронизатора происходит при значениях коэффициента трения, больших 0,075. По мере износа конусных поверхностей и заглаживания канавок, выполняемых на конусах для разрыва масляной пленки и лучшего сцепления синхронизирующего кольца с шестерней включаемой передачи, реализуемый коэффициент трения уменьшается. Это приводит к ненадежной блокировке скользящей зубчатой муфты, зубья которой могут вступать в зацепление с зубьями муфтового соединения шестерни включаемой передачи раньше, чем уравниваются их угловые скорости.

В трехконусном синхронизаторе Смита надежность блокировки во всех случаях обеспечивается самой возможностью ее осуществления при весьма небольшом значении коэффициента трения, около 0,025 (рис. 1.13).

.2.2 Латунное кольцо со сформованной спеченной обкладкой

Во время процесса спекания фрикционных обкладок из спеченного дисперсного материала, состоящего из латунного порошка, фрикционных стабилизаторов и неметаллических элементов (углерод, кремний и т.д.), прикрепляется к стальному носителю, который затем или вваривается внутрь блокирующего кольца, или формуется в виде одинарного или двойного конусов. Компания Herbiger разработала технологию, которая дает возможность использовать обкладки из спеченного материала внутри латунного или стального одноконусного кольца синхронизатора [1 ].

Целью данной разработки было объединение преимуществ двух, широко известных, проверенных материалов для создания нового продукта: дешевая латунь, как материал основы, и высокая несущая способность фрикционных обкладок.

Рис1.14. Латунное кольцо со сформованным кольцом из фольги с обкладкой из спеченного материала.

При этом технологическом процессе сформированное плоское кольцо в виде фрикционной обкладки механически фиксировалось за одну операцию внутри латунного кольца. Отгиб фольги вокруг фасок на переднем и заднем торцах кольца обеспечивает фиксацию кольца в осевом направлении, а запрессовка фольги в радиальные канавки предотвращает поворот кольца.

Такая система позволяет заменить существующую конструкцию кольца синхронизатора без кардинальной переделки узла синхронизатора.

1.2.3 Специальные латунные сплавы

При использовании этих сплавов фрикционная поверхность профилируется во время процесса штамповки с последующей механической обработкой. Повышение прочности блокирующего кольца происходит путем изменения химического состава (легирования) материала и повышения твердости готовых колец. Резервные возможности материала в этом случаи ограничиваются: большой процент легирования может привести к снижению пластичности и ухудшению штампуемости блокирующих колец, а увеличение твердости сказывается на обеспечении точности механической обработки и преждевременным выходом из строя режущего инструмента.

1.2.4 Органические обкладки

Дополнительно к латуни и спеченным материалам в синхронизаторах используются обкладки из органических материалов. В случае применения органических обкладок, на несущее кольцо с помощью клея крепится волокнистый материал с органической матрицей (хлопок, фенольная смола, бумага и др.), содержащий включения фрикционных и структурных стабилизаторов. Европейские автомобилестроительные компании очень редко используют в синхронизаторах органические фрикционные обкладки из-за дорогостоящего процесса приклеивания дополнительного износостойкого материала и их неприемлемо малого запаса на износ [5].

1.2.5 Кольцо синхронизатора, полученное методом порошковой металлургии

По мере того как автомобилестроительные компании стремятся улучшить все технические характеристики автомобиля, вырисовывается необходимость в создании нового материала для изготовления колец синхронизатора. Этот материал должен обладать лучшей износостойкостью, чем штампованная латунь. Но стоимость этого материала должна быть меньше, чем стоимость порошковой спеченной стали с молибденовым покрытием, а также других материалов, используемых при изготовлении колец синхронизатора.

Достижению высокой силы трения на кольцах синхронизатора препятствует смазочное масло, присутствующее в коробке передач. Когда синхронизатор проталкивается по направлению к шестерне, он вытесняет смазочное масло, находящееся между коническими поверхностями. При касании поверхностей друг с другом контакт металл-металл достигается не сразу, так как на металлических поверхностях имеется масляная пленка. Масло, применяемое в коробках передач, содержит специальные добавки, которые абсорбируются на металлической поверхности, создавая стабильную и равномерную пленку смазки.

Обычно используется два типа колец синхронизатора: штампованные латунные и стальные, изготовленные методом порошковой металлургии с молибденовым покрытием. Латунные синхронизаторы дешевле, но они требуют выполнения большого количества производственных операций, прежде всего проточки канавок на фрикционных поверхностях. Латунные синхронизаторы функционируют хорошо, когда они новые, но со временем они деградируют из-за износа поверхности с канавками.

Молибденовые покрытия наносятся с помощью методов термического проецирования, предпочтителен метод плазменного напыления. Нанесение этих покрытий обходится дорого, так как исходные материалы дороги, процесс плазменного напыления довольно сложен, а на очень твердой молибденовой поверхности трудно выполнять финишные операции. Синхронизаторы с молибденовым: покрытием более предпочтительны, чем латунные, из-за их высокого коэффициента трения, не зависящего от температуры и вязкости масла.

Фрикционные материалы, получаемые методом порошковой металлургии, хорошо разработаны в форме покрытий наносимых на конические поверхности синхронизатора. Эти спеченные материалы применяются в основном в тяжелонагруженных синхронизирующих системах грузовиков и строительно-дорожных машин. Они включают спеченную бронзовую матрицу, содержащую твердые частицы, такие как кварц или корунд, которые создают большую силу трения, наряду, с частицами, оказывающими смазывающее воздействие, такими как графит.

В прошлом делались попытки распространить эту технологию на изготовление колец синхронизаторов, используемых в ручных коробках передач, но успех при этом был достигнут довольно ограниченный. Возникли проблемы связанные с конической формой фрикционных поверхностей деталей синхронизаторов, на которые трудно с помощью прежних методов порошковой металлургии нанести порошковый материал. Более серьезной проблемой является присутствие в коробке передач смазок, специально предназначенных для создания стабильных пленок на металлических поверхностях. Эти смазки приводят к получению более низкого коэффициента трения на материалах из спеченной бронзы, чем на сухих системах.

Новая конструкция кольца блокирующего синхронизатора, изготовлена методом порошковой металлургии, на коническую наружную поверхность которого нанесено покрытие из фрикционного материала [6,7]. Спеченная ступенчатая деталь получается с помощью обычных методов порошковой металлургии.Порошки фрикционного материала смешиваются с органическим связующим веществом на основе воска. Нанесение покрытия на наружную коническую поверхность осуществляется путем подачи точно дозированного объема смеси порошка и связующего состава в полость прессформы. При открывании полости прессформы смесь металлического порошка и связующего состава образует покрытие на основе стальной детали. На следующей стадии органический связующий состав устраняется, путем медленного нагрева на воздухе. 3атем проводится спекание в контролируемой атмосфере. Последней производственной операцией является чеканка канавок на поверхности фрикционного материала. Новый фрикционный материал состоит из матрицы с внедренными частицами. Эти частицы состоят из стали, обогащенной хромом и молибденом. Коэффициент трения у таких материалов получается такой же, как и материалы с молибденовым покрытием, а износостойкость получается лучше, чем у штампованной латуни.

Из литературных источников известно, что ходовые испытания автомобиля с деталью, имеющей покрытие на основе нового фрикционного материала, дают полную оценку эксплуатационных характеристик детали, но это обходится очень дорого, для этого требуется много времени и не предоставляется возможности контролировать физические параметры, такие как температура и давление. Стендовые испытания КПП и синхронизатора дают возможность более быстро дать оценку прототипов при значительно меньших затратах. Трибометр является эффективным для определения усилия трения и износа на материалах при точно контролируемых физических и химических параметрах. Последний представляет собой вращающийся диск и шпильку из исследуемого материала, трущуюся о диск (рис. 1.15).

Главным условием успеха проведения таких экспериментов является правильный выбор испытываемых параметров для каждой стадии экспериментов, чтобы обеспечить одинаковое воспроизводство трибологических явлений. Обычные хорошо известные материалы, такие как молибден и латунь, испытывались первыми, чтобы продемонстрировать адекватность стадии эксперимента. Очень важно было также четко определить требуемые характеристики для разрабатываемого материала относительно износостойкости, коэффициента трения, а также таких параметров испытаний, как скорость, давление и температура.

Другим аспектом данной экспериментальной работы был анализ испытываемых образцов до и после испытаний на трибометре, чтобы скоррелировать результаты наблюдений за поверхностью материала и замеров процесса трения. С этой целью использовались электронный сканирующий микроскоп, анализ рассеивания энергии рентгеновских лучей, исследования с помощью рентгеновских лучей и электронная спектроскопия для химического анализа.

Результаты проведенных экспериментов обеспечили понимание механических и химических факторов влияющих на работу синхронизирующей системы и способствующих идентификации нового семейства фрикционных материалов. Функциональные прототипы, покрытые одним из этих новых фрикционных материалов, были последовательно испытаны на стенде для испытания синхронизаторов, на стенде для испытания КПП и непосредственно на автомобиле.

На рис.1.16 приведена зависимость коэффициента трения от скорости скольжения для порошкового фрикционного материала, измеренная на трибометре при условиях испытания: температура 200С, смазка ХТ 1536, давление 56 МПа.

Рис.1.16 Порошковый материал. Зависимость коэффициента трения от скорости скольжения.

На рис.1.17 показаны кривые, полученные для латунных колец обычно используемой в синхронизаторах с поверхностью без канавок и с поверхностью, имеющей канавки для разрыва масляной пленки. Испытания проводились на трибометре при тех же условиях, что и для порошкового материала. Можно увидеть, что для латуни канавки совершенно необходимы, чтобы достичь необходимой для синхронизации величины коэффициента трения, при этом наблюдается три режима смазывания: граничная тонкопленочная смазка при малых скоростях, смешанный режим смазки и гидродинамическая смазка при высоких скоростях скольжения.

Такие трибологические режимы обычны для систем смазки, где наблюдается трение деталей из сплавов на основе железа или меди. Только механическое воздействие канавок позволяет разрезать масляную пленку и достичь граничного режима смазки. Под механическим разрезанием масляной пленки понимается процесс стекания масла в полости канавок, суммарный объем которых строго определен.

Рис.1.17. Латунь. Зависимость коэффициента трения от скорости скольжения.

Для более подробного описания нового фрикционного материала на рис.1.16 показана зависимость коэффициента трения от скорости скольжения, измеренной на испытываемых шпильках состоящих из бронзовой матрицы без фрикционных модификаторов. Как и в случае использования латуни наблюдались три режима смазки. Приведенная кривая показывает, что характерные свойства нового фрикционного материала связаны с присутствием фазы модификатора трения.

В случае использования молибденового покрытия высокая пористость слоя покрытия, наряду с высокой твердостью, позволяют маслу стекать, в результате чего достигается контакт металл-металл при граничном режиме смазки. Это можно увидеть на рис.1.18, где приведена зависимость коэффициента трения от скорости скольжения при испытании на трибометре с выше указанными условиями. Способность получать граничные условия смазывания при гладкой поверхности является характерной особенностью нового композитного фрикционного материала.

Рис.1.18. Молибденовое покрытие. Зависимость коэффициента трения от скорости скольжения

На рис.1.19 приведена зависимость коэффициента трения от скорости скольжения для латуни, полученной на трибометре при температурах 200С, 800С, 1200С при использовании масла, содержащего добавки бора ELF XT 1536.

Очень важно отметить, что вязкость масла резко изменяется от 429 сантистокс при 200С до 20 сантистокс при 800С и только на 7 сантистокс при 1200С. Если бы механическое воздействие канавок, когда подрезается масляная пленка, было единственным параметром, влияющим на коэффициент трения, то тогда бы более низкая вязкость масла ассоциировалась с более высоким коэффициентом трения из-за того, что масло более легко начинает вытекать в канавки. Фактически, как можно увидеть на рис.1.19, это справедливо для температуры 800С, но не справедливо для температуры 1200С.

Рис.1.19. Латунь. Зависимость коэффициента от температуры

Коэффициент трения на латунной шпильке с канавками при температуре 1200С является меньше, чем при температуре 800С, что указывает на наличие при повышении температуры и других феноменов. Возможно, здесь имеют место химические реакции добавок, добавляемых в масло с латунной поверхностью. В случае применения нового фрикционного материала - бронза+15% хромистой стали, как видно на рис.1.20, более высокие температуры ассоциируются с более высоким коэффициентом трения без каких-либо эффектов, зависящих от температуры. Следует сказать, что при температурах 200С и 800С кривые зависимости коэффициента трения от скорости скольжения совпадают, поэтому на рис.1.20. указаны только температуры 800С и 1200С.

Рис.1.20. Новый фрикционный материал. Зависимость коэффициента трения от температуры

При различных условиях был замерен износ образцов. Была выявлена ясная зависимость износа от содержания модификатора трения (рис.1.21.). Износ уменьшается по мере увеличения содержания модификаторов трения, но существует предел, когда начинает действовать сцепление бронзовой матрицы. Было определено, что этот предел соответствует 25% содержанию модификатора трения, поэтому был выбран стандартный состав с 20% модификатора трения (хромистая сталь), когда скорость износа составляет 3?10-9 мм3/Нм. Это лучше чем величина износа, измеренная на латуни и равная 10-5 мм3/Нм.

Рис.1.21 Новый фрикционный материал. Зависимость износа от содержания модификатора трения

На рис.1.22 показана зависимость коэффициента трения от усилия сцепления, измеренная на функциональных деталях во время стендовых испытаний. Характеристики синхронизаторов с новым композитным материалом приближаются к характеристикам синхронизаторов, имеющих молибденовое покрытие. Большое значение коэффициента трения при низких условиях сцепления на этой кривой означает, что водитель будет чувствовать себя более комфортно при переключении передач, так как переключение передач будет происходить более мягко.

Рис.1.22. Новый фрикционный материал. Зависимость коэффициента трения от усилия сцепления

В результате исследований были разработаны новые технологический процесс и семейство новых фрикционных материалов, для смазываемых трибологических систем, для колец синхронизаторов ручных коробок передач. Успешную разработку новинок обеспечило уяснение следующих двух явлений:

понимание, каким образом формируется масляная пленка и каким образом ее можно дестабилизировать за счет морфологии и соответствующего состава поверхности,

способность получать требуемые морфологию и химический состав поверхности путем нанесения покрытия из композитного металлического порошка даже на стальные неплоские поверхности.

Уверенность в том, что результаты данных исследований будут использованы в промышленности, основывается на высоких фрикционных характеристиках нового материала и на высокой экономической эффективности разработанных технологических процессов при массовом производстве. Высокие фрикционные характеристики будут оценены водителем автомобиля, так как они смогут легко переключать скорости в течении всего срока службы автомобиля, даже в тяжелых условиях эксплуатации, например, в мороз зимой.

.2.6 Напыление колец молибденом

Напыление наружной конической поверхности кольца блокирующего синхронизатора молибденом является способом повышения долговечности работы узлов синхронизации. Метод напыления основан на процессе газопламенного напыления, при котором не происходит диффузионного взаимодействия частиц молибдена в виде порошка и материала-основы колец, а возникает механическое скрепление раскаленных частиц молибдена с поверхностью кольца. Качество скрепления характеризуется адгезионными свойствами порошка.

В табл.1.4. приведен химический состав материала латуни ЛМцАЖН серийных (ВАЗ 2101) и опытных (с напылением Мо) блокирующих колец синхронизатора, которые изготовлены из одной заготовки (трубы), процентные диапазоны химических элементов данного материала по ТУ184550-106-033-97.

Таблица 1.4 Химический состав материала серийных и опытных блокирующих колец

ОбразцыХимический состав, %CuMnAlFeSiPbZnЗаготовка71,26,525,531,511,790,89ост.ТУ69,5-71,56,5-7,55,0-6,01,4-2,41,7-2,50,6-1,2ост.

Испытания блокирующих колец как серийных, так и с напылением Мо проводились при следующих условиях (табл. 1.5) [8]. Режим испытаний при Рос=700Н соответствует наиболее тяжелым условиям, которые могут возникнуть при работе узла синхронизации (основные рабочие режимы соответствуют Рос=350-600Н). Смазывание узла проводилось струйным методом, при котором температура масла поддерживалась постоянной при помощи термостата. Смазочным материалом являлось трансмиссионное масло 85w90 (ОмскОил Супер - Т).

Общая величина размерного износа пары трения определялась по измерению посадки блокирующего кольца на конус муфты до и после испытания. Для определения величины износа блокирующего кольца измерялась его посадка на не работавшем конусе муфты. Износ конуса муфты определялся путем вычитания из общей величины износа пары трения величины износа кольца блокирующего.

Таблица 1.5 Условия испытаний блокирующих колец синхронизатора

№ п/пКонтролируемый параметрЕдиница изм.Величина1Разность скоростей ведущего и ведомого валов КППоб/мин13502Осевая нагрузка, PосH7003Время торможения (синхронизации)сек.24Количество циклов синхронизации, Nсинхршт.500-115005Температура масла°С60Величина износа блокирующих колец в начале испытания (до 2000 циклов синхронизации) определялась через каждые 500 циклов, затем через 1000-2000 циклов.

Таблица 1.6 Трибологические характеристики пары трения «блокирующее кольцо - муфта скользящая КПП»

ВариантРазмерный износ (Iл), мм при количестве цикловfср5001000150020002500300035005000600011000Серийн. кольцо0,20,290,350,420,480,510,530,630,71*-0,08Напыление Mo0,260,310,330,340,350,350,360,380,390,460,07

*предельно допустимый износ

Величина износа блокирующих колец в начале испытаний (до 2000 циклов синхронизации) определялась через каждые 500 циклов, затем через 1000-2000 циклов. В табл.1.7 и на рис.1.23 приведены усредненные значения размерного износа (Iр, мм) и коэффициента трения пары (fср), полученные в результате испытаний исследуемых блокирующих колец. Значение коэффициента трения определено при наработке 3500 циклов. Количество испытаний на каждую точку с каждым вариантом составляло 3-4.

Рис.1.23 Трибологические характеристики пары трения «блокирующее кольцо - муфта скользящая КПП»

Таблица 1.7 Величины износов пары трения «блокирующее кольцо синхронизатора - муфта скользящая КПП»

№ п/пОбразец испытанийРазмерный износ, ммКольца синхронизатораКонуса муфтыОбщий износ пары трения1Серийное кольцо без напыления0,58 ± 0,070 - 0,050,61 ± 0,082Кольцо с напылением Mo Ж6-20,13 ± 0,010,23 ± 0,020,36 ± 0,033Кольцо с напылением Mo С50,08 ± 0,010,25 ± 0020,33 ± 0,034Кольцо с напылением Mo М50,1 ± 0,010,30 ± 0,020,40 ± 0,03

Рис.1.24 Диаграмма величин износов колец синхронизаторов, муфты и общий износ пары трения.

Анализируя результаты испытаний (см. рис.1.23, 1.24 и табл.1.6, 1.7), можно отметить следующее:

Процесс изнашивания колец разделяется на две стадии: стадию приработки и стадию установившегося изнашивания. В стадии приработки (до 2000-2500 циклов синхронизации) интенсивность изнашивания серийных и опытных (с напылением) блокирующих колец практически одинакова. Для колец с напылением в пределах 0-1500 циклов синхронизации несколько большую интенсивность износа можно объяснить отсутствием операции финишной доводки поверхности конусной части после напыления.

В стадии установившегося режима трения интенсивность износа серийных колец снижается, но остается достаточно высокой, что объясняется наличием пластической деформации вершин резьбы вследствие высокой температуры тонкого поверхностного слоя и нормальным механическим износом.

У колец с напылением Мо после приработки интенсивность износа резко снижается, что можно объяснить высокой твердостью поверхности и жаропрочностью молибдена по сравнению с латунью. Наблюдается отсутствие пластифицирования вершин резьбы блокирующего кольца.

Износостойкость колец с напылением Мо, рассчитанная по интенсивности износа, в 4-6 раз превышает соответствующие показатели для серийных колец. Возможной причиной повышенного износа конусов муфт является неравномерность нанесения износостойкого покрытия молибдена (Мо) на блокирующее кольцо и вызванное этим неудовлетворительное прилегание поверхностей трения.

Величина критического износа (Iл=0,65-0,70 мм) на опытных кольцах с покрытием Мо в заданных условиях испытаний достигнута не была ввиду необходимости для этого длительных испытаний.

Коэффициент трения у пары с блокирующими кольцами, напыленными Мо, в установившемся режиме трения на 10-15% ниже, чем у пары с серийными блокирующими кольцами.

Общий износ пары трения «блокирующее кольцо синхронизатора - конус скользящей муфты КПП» с напыленными молибденом (Мо) блокирующими кольцами на 40-50% меньше, чем при работе с серийными латунными кольцами.

.3 Условия работы и состояние фрикционных материалов для колец синхронизаторов

Как показывают исследования изношенных колец блокирующих синхронизатора, снятых с КПП 2101 после дорожных испытаний и колец после испытаний на стенде ZF ОДШ УПА, долговечность синхронизаторов КПП ограничивается износостойкостью резьбы конусной части кольца блокирующего 2101-1701164. При этом поверхностные слои резьбы, участвовавшие в процессе трения, пластически деформированы, т.е. наряду с нормальным механическим износом происходила пластическая деформация и смятие вершин резьбы. В результате деформации (увеличения опорной поверхности) преждевременно прекращается разрыв масляной пленки и выполнение функций синхронизации [ 9 ].

Тонкие молибденовые покрытия показывают эксплуатационные характеристики почти такие же, какие показывают спеченные фрикционные обкладки на низких скоростях. Однако при более высоких поверхностных скоростях молибденовые покрытия, у которых на поверхности температура превышает 300°С, легко разрушаются и отделяются от основы, так как при такой температуре происходит окисление молибдена [10].

Кроме того, с дальнейшим увеличением нагрузок и давления в синхронизирующей системе превышаются, как правило, прочностные характеристики латуни, что ведет к деформации самого кольца [5].

Наряду с этим, в ряде публикаций [5,6,11,12-17] указывается на высокую стоимость материалов на основе молибдена. Поэтому увеличение долговечности синхронизатора за счет ввода дополнительной операции по напылению износостойкого покрытия ведет к существенному повышению стоимости синхронизаторов, при этом, что зачастую не решаются проблемы по износу входящего конуса.

По мере того, как автомобилестроительные компании стремятся улучшить технические характеристики автомобиля, вырисовывается необходимость в создании нового материала для изготовления колец синхронизатора. Этот материал должен обладать лучшей износостойкостью, чем традиционная латунь. Но стоимость этого материала должна быть меньше чем стоимость других материалов, используемых при изготовлении колец синхронизатора.

В серии опубликованных статей [10,18,19,20] указывается на широкое применение у большого класса деталей покрытий с повышенной износостойкостью из самофлюсующихся сплавов на основе никеля, железа и других материалов. Приводящиеся данные по эксплуатационным характеристикам данного класса материалов указывают на перспективность их применения для различных пар трения.

Анализ и обобщение литературных данных [10,18,19,20,21-23] указывает на удачное соотношение у этих материалов таких характеристик как стоимость и эксплуатационные свойства.

.4 Состояние и перспективы развития газотермических покрытий в автомобилестроении

В связи с увеличением удельных тепловых и механических нагрузок в современных автомобилях все большее значение приобретает проблема повышения надежности и долговечности деталей узлов трения.

Часто возникает необходимость обеспечения высокой прочности деталей в сочетании с их высокой износо- задиростойкостью, антифрикционностью. Решение таких комплексных задач, как правило, возможно лишь благодаря использованию тех или иных технологий поверхностного упрочнения.

Вопросами упрочнения деталей методами газотермического напыления за рубежом занимаются такие известные фирмы, как "Sultzer Metco AG", "Castolin-Eutectic", "Plasmadyne" (США), "Plasmatechnic" (Швейцария), "Interweld" (Австрия), "Union Carbide" (США), "Simka" (Франция) и др.

В отличии от фирмы "Sultzer Metco AG", создающей не только универсальное оборудование для газопламенного и плазменного напыления, но и автоматизированные установки дли упрочнения деталей автомобиля (клапаны, кольца синхронизатора, вилки переключения, поршневые кольца, гильзы цилиндров в блоке цилиндров ДВС) применительно к условиям массового производства, институт "Castolin-Eutectic" ориентируется в основном на применение методов газопламенного, плазменного напыления и электродуговой наплавки. В связи с этим он производит только универсальное оборудование, специальные приспособления и манипуляторы для осуществления процессов напыления и наплавки. Однако по желанию потребителя аппаратура может встраиваться в автоматические линии и автоматизированное оборудование. Газотермическая аппаратура отличается высокой надежностью и незначительными потерями порошковых материалов при напылении (не более 10%).

По некоторым данным, области применений в Европе газотермических методов в производстве выглядели следующим образом:

Италия - автоматические и полуавтоматические установки для металлизации и напыления колец синхронизаторов автомобилей; автоматические установки для металлизации вилок переключения передач автомобилей, металлизация штампов, роликов, частей самолета, частей гидравлических двигателей; камеры для плазменной и газопламенной установок.

Франция - автоматические установки для металлизации диафрагм сцепления, вилок переключения автомобилей, корпуса синхронизатора.

Швеция - автоматические установки для металлизации колец синхронизаторов автомобилей, конусов ракет.

Германия - автоматические установки для металлизации колец синхронизаторов и вилок переключения автомобилей.

Испания - полуавтоматическая установка для металлизации вилок переключения автомобилей; автоматическая установка для металлизации колец синхронизаторов автомобилей; специальная камера для плазменной и газопламенной установок.

Румыния - установка для металлизации картера коробки переключении скоростей автомобиля; автоматическая установка для металлизации колец синхронизаторов; звукоизоляционная камора для плазменной установки.

Польша - автоматические установки для металлизации вилок переключения и колец синхронизаторов автомобиля.

Венгрия - автоматическая установка для металлизации колец синхронизаторов.

Попытки повышения ресурса деталей традиционными методами упрочнения (химико-термической обработкой, наплавкой и т.д.) во многих случаях не имеют успеха, и все чаще единственной возможность, решения этой задачи становится напыление на поверхность деталей износостойких покрытии газотермическими методами. При этом стоимость газотермических способов напыления должна быть сравнима со стоимостью процессов нанесения покрытий, которые они заменяют. С целью снижения этой стоимости продолжены исследования процессов напыления с использованием газового пламени или дуги.

Однако, несмотря на достаточно широкое распространение, дальнейшее распространение эти методов, как в зарубежном, так и в отечественном массовом производстве, сдерживается из-за целого ряда факторов:

в ряде случаев низкая прочность сцепления напыляемого материала с поверхностью детали (10 - 40 МПа), практически исключающая возможность термической обработки. Этот недостаток усугубляется еще и тем, что процесс не гарантирует даже такой прочности по всей поверхности детали;

применение для оплавления напыленных покрытий существующих источников нагрева (плазмы, токов высокой частоты и т. п.), которые не позволяют вести процесс без значительного нагрева детали (подложки), что часто привозит к короблению и появлению значительных неоднородностей по толщине покрытия (наплавы, поры, раковины). В настоящее время делаются попытки оплавлять или приваривать напыленный слой с помощью лазерного и электронного луча, но говорить о внедрении этого метода в массовое производство преждевременно, поскольку при оплавлении напыленных материалов возникают проблемы, связанные с удержанием расплава на поверхности;

- сложившийся в массовом производстве парк оборудования для механической обработки с очень жесткими режимами обработки, повреждающими покрытия. Трудности в обработки покрытий обусловлены, прежде всего тем, что напыленный слой из-за недостаточной пластичности и высоких остаточных напряжений при обработке часто скалывается.

В настоящее время имеется ряд теорий, объясняющих явления, происходящие при газотермических процессах, разработана большая номенклатура порошков с различными свойствами, существует множество конструкций пистолетов. Однако, несмотря на это задачи по упрочнению целого ряда деталей требуют решения вопроса комплексно.

Технология нанесения покрытий предусматривает длинную цепь различных операций - от мойки, дробеструйной обработки, обезжиривания и т.п. до финишной обработки и контроля качества поверхности. Поэтому технология газотермического напыления применяется в массовом производстве ограниченно и преимущественно для деталей, не требующих механической обработки после напыления, в частности колец блокирующих синхронизатора.

.5 Выводы по анализу возможных путей повышения долговечности синхронизатора

На основе различных способов повышения износостойкости узлов синхронизации, можно сказать, что многоконусные системы синхронизаторов нашли свое применение в области высоконагруженных синхронизаторов грузовых автомобилей, для легковой автомобильной промышленности данный метод является нецелесообразным в силу большого количества деталей синхронизатора и неоправданной несущей способности данной системы.

Использование колец (как латунных, так и стальных) со сформированными фрикционными обкладками различных систем Horbiger, аналогично многоконусной системе применяются в основном в тяжелонагруженных синхронизаторах грузовиков и строительно-дорожных машин. Данные системы позволяют выдерживать достаточно высокие допустимые нагрузки пары трения синхронизатора (рис.1.10, 1.11), но являются самыми дорогими из систем аналогов.

Процесс изготовления колец синхронизатора методом порошковой металлургии требует довольно точной технологии смешивания фрикционного материала с органическими веществами, что является относительно дорогим и сложным методом.

Напыление наружной конической поверхности кольца блокирующего синхронизатора молибденом повышает характеристики износостойкости всей синхронизирующей системы, является относительно недорогим методом (при использовании газопламенной технологии нанесения молибдена на поверхность кольца) в сравнении с вышеуказанными методами. По сравнительным оценкам, приведенным в табл.1.6, при использовании тонкого слоя молибден в виде фрикционной обкладки, наблюдается явно выраженные улучшения по износу фрикционной поверхности кольца, возникновения динамического трения в области контакта фрикционной поверхности и входящего конуса, а также несущей способности пары трения синхронизатора (сравнительная оценка проводилась относительно кольца из специальной латуни без напыления). Следует отметить и недостаток данного покрытия - наблюдается небольшой износ на входящем конусе муфты.

Применение «голых» латунных блокирующих колец ведет за собой не только высокий износ пары трения (рис.1.23), но и интенсивный процесс изнашивания деталей синхронизатора (рис.1.24), следствием чего является быстрый выход из строя всей синхронизирующей системы. Так же следует отметить, что использование латунных колец без фрикционного материала морально устарело, так как имеются множество улучшенных систем синхронизации.

Предпочтительным способом нанесения износостойких покрытий, из условия соотношения производительности и экономических показателей, с точки зрения ВАЗа, является широко применяемый метод газопламенного напыления. Аналогом молибденовых покрытий являются покрытия на основе никеля (Ni), которые почти в два раза ниже по стоимости и не уступают молибденовым покрытиям по износостойкости и другим показателям.

В итоге сформулированы задачи, главными из которых являются:

• разработать технологию упрочнения рабочей поверхности кольца блокирующего синхронизатора КПП;
• подобрать и оптимизировать состав покрытия кольца;
• провести лабораторные исследования и испытания с упрочнением фрикционной поверхности кольца блокирующего синхронизатора КПП методом газопламенного напыления;
• определить диапазон нормального трения и износа (т. е. критических условий, соответствующих возникновению повреждаемости) для серийных колец и опытных с покрытием;

2. Разработка метода и технологии напыления конических поверхностей колец блокирующих синхронизатор ВАЗ 2123

.1 Метод газопламенного напыления

При газопламенном напылении источником тепловой энергии является пламя, образующееся в результате горения смеси кислород - горючий газ. Напыление в зависимости от состояния напыляемого материала может быть трех типов: проволочное, прутковое и порошковое. В любом случае напыляемый материал в виде проволоки или прутка подается через центральное отверстие горелки и расплавляется в пламени. Струя сжатого воздуха распыляет расплавленный материал на мелкие частицы, которые осаждаются на обрабатываемой поверхности. Подача проволоки производится с постоянной скоростью роликами, приводимыми встроенной в воздушную горелку турбиной, работающей на сжатом воздухе, используемым для напыления. Или электродвигателем через редукционный механизм. При этом необходима точная регулировка скорости вращения турбины или электродвигателя.

При использовании воздушной турбины трудно производить точную регулировку скорости подачи проволоки, однако в этом случае горелка более компактная и имеет меньшие габариты. Поэтому воздушные турбины используют в горелках, которые предназначены для ручного напыления. Горелки с электрическим двигателем позволяют более точно регулировать подачу проволоки и поддерживать ее постоянную скорость. Однако они имеют значительную массу, поэтому их устанавливают в механизированных установках для напыления. Редуктор снижает давление сжатого воздуха, поступающего из воздушной емкости, до 3,0-6,0 кгс/см3, а осушитель удаляет из воздуха влагу и масло.

В большинстве случаев в качестве горючего газа используют ацетилен. При полном сгорании ацетилена протекают следующие химические реакции:

С2Н2=2С+Н2+54,8 ккал (2.1)

С+О2=2СО+52,9 ккал (2.2)

Н2+1/2I2=Н2О (газ) + 57,8 ккал (2.3)

СО+О2=2СО2+135,9 ккал (2.4)

С2Н2+1/2I2=2СО2+Н2О+301,4 ккал

Таким образом, для полного сгорания 1 граммолекулы ацетилена необходимо 2,5 граммолекулы кислорода. При соотношении в смеси кислорода к ацетилену, равном 1:1, получается нейтральное пламя за счет того, что в горении ацетилена участвует также окружающий атмосферный кислород. На начальном участке факела, который образуется непосредственно у выхода из сопла и имеет наиболее интенсивное свечение, протекают реакции (2.1) и (2.2). На этом участке газообразные продукты сгорания имеют восстановительную атмосферу. За пределами рассматриваемого участка в факеле под действием кислорода, поступающего из атмосферы, протекают реакции (2.3 ) и (2.4) и происходит полное сгорание ацетилена. При движении напыляемых частиц в факеле происходит их непрерывный нагрев. При подаче струи сжатого воздуха в факел, как это имеет место в горелках газопламенного напыления проволоки, в результате присутствия большого количества воздуха большая часть пламени факела является окислительной.

Температура пламени ацетилен-кислород достигает 3100 0С, а скорость истечения струи до 150 м/сек. Попадая в струю пламени, частицы порошка нагреваются до жидкого или высокопластичного состояния и приобретают скорость до 80 м/сек.

Опыт применения газопламенного напыления показывает , что этот способ, по сравнению с другими методами нанесения покрытий, имеет следующие преимущества:

в отличие от распыления жидких материалов при газотермическом напылении исходный материал находится в твердом состоянии;

наносимый материал находится в горячем, жидкотекучем состоянии, что всегда имеет высокую адгезию (прочность сцепления).

покрытие можно наносить любой толщиной;

газопламенное покрытие не требует никакой сушки, что позволяет покрытые изделия подвергать дальнейшей обработке сразу же после газопламенного напыления, а также исключить операции сушки;

напыление можно производить на изделия сложной конфигурации, а также на отдельные участки поверхности;

при образовании на покрытии каких-либо местных дефектов или повреждений возможно легкое их устранение, что имеет большое значение при ремонте.

.1.1 Анализ конструкций горелок и распылительных головок для газопламенного напыления

Для газопламенного напыления используют горелки двух типов, с подачей порошка непосредственно в горючую смесь и с внешней подачей порошка в пламя (рис.2.1 и 2.2).

Горелки второго типа, с внешней подачей порошка, применяются для наплавки в стационарных условиях. В этих горелках дозирование подачи порошка из бункера производится под собственным весом через калибровочные отверстия (дозы). Отечественная модель горелок подобного типа ГАЛ-6, позволяющая напылять до 10 кг/час порошка.

Горелки первого типа используют только для ручного напыления, они позволяют использовать ацетилен низкого давления (0.01 - 0.02 атм.). Горелки ГАЛ-2 комплектуются мундштуками стандартной сварочной горелки и позволяют получать напыленный слой толщиной от 0,1 до 4 мм, при расходе порошка (с грануляцией до 100 мкм) от 35 до 60 г/мин.

В зависимости от способа подачи горючего газа различают инжекторные и безынжекторные распылительные головки. На рис.2.3 (а) приведена примерная конструктивная схема инжекторной головки. В корпусе головки 1 размещены кольцевой канал и, перпендикулярно ему, продольные по периферии. Центральный канал с наконечником 2 предназначен для подачи распыляемого материала. Корпус головки снабжен газовым соплом 3 с рассекателем горючей смеси. Для проволочного и иногда порошкового напыления предусмотрено воздушное обжимное сопло 5 с воздушным колпаком 4 и соответствующие коммуникационные каналы. Для подачи горючего газа в смесительную камеру 6 предусмотрен инжектор 7. К инжектору подводится кислород под давлением 0.2 -0.4 МПа. На выходе из инжектора развивается высокая скорость истечения кислорода и соответственно этому местное разрежение. Происходит подсос горючего газа через периферийные каналы инжектора. При наличии инжектора распылитель может работать с применением горючего газа, находящегося под низким давлением. Это важно для ацетилена, получаемого на месте производимых работ от переносных ацетиленовых генераторов низкого давления (0.005 - 0.01 МПа). При более высоких давлениях горючего газа роль инжекции снижается. В случае равных или близких давлений кислорода и горючего газа может производиться безинжекторная подача (рис.2.3 б).

Наличие инжектора делает распылитель универсальным по давлению горючего газа. На выходе из газового сопла образуется пламя, являющееся источником нагрева, распыления и ускорения напыляемых частиц. Распылительную головку закрепляют в корпусе аппарата. Для напыления внутренних поверхностей применяют сменные угловые головки с удлинителями. В отличие от плазменных горелок распылительные головки составляют чаще всего неотъемлемую часть газопламенного аппарата. Распылительные головки не взаимозаменяемы [7].

.1.1.1 Горелки ГН-1, ГН-2, ГН-3, ВНИИавтогенмаш

Для наплавки промышленных порошковых твердых сплавов на основе железа, никеля и кобальта. Горелки ацетиленокислородные однофакельные двухстадийного смешения: сначала порошок инжектируется кислородом, затем кислородно-порошковая смесь инжектируется ацетиленом. Толщина наплавки до 1,5 мм. Горелка ГН-3 отличается от горелок ГН-1, ГН-2 более высокой мощностью и особенностью конструкции нижней части узла подачи порошка, в котором предусмотрено устройство, обеспечивающее всасывание воздуха из атмосферы и его регулирование.

.1.1.2 Горелка ГН-4, ВНИИавтогенмаш

Для наплавки и напыления с оплавлением тел вращения. В отличие от предыдущих горелок порошок в горелке ГН-4 транспортируется через центральный канал кислородом в зону пламени, концентрично вытекающего из многофакельного мундштука.

Рис2.1 Распылительный аппарат наружной подачи порошкового материала: 1- порошковый бункер, 2-направляющая трубка, 3- многосопловый наконечник, 4-база сварочной горелки

Рис.2.2 Схема смешивания порошка с кислородом и ацетиленом: а и б - двуступенчатая инжекция, в - комбинированная инжекция (одноступенчатая)

Рис.2.3 Конструктивная схема газопламенного инжекторного (а) и безынжекторного (б) распылителей.

.1.1.3 Газотермическое напыление с использованием гибких шнуровых материалов по технологии ООО «СП Техникорд»

В последнее время при газотермическом напылении применяют такой расходных материалов, как гибкие шнуры Sfecord, которые выпускает в России российско-французское предприятие "Техникорд" по now-how фирмы SNMI (Sosiete Nouvelle De Metallisation Industries).

Гибкие шнуры разработаны для использования в газопламенных металлизационных системах и представляют собой композиционный материал проволочного типа, состоящий из порошкового наполнителя и органической связующей, полностью исчезающей при нанесении покрытия (сублимирует процессе нагрева при 400°С без какого-либо отложения на подложку).

Для распыления гибких шнуров можно использовать стандартное оборудование, применяемое при газопламенной металлизации. Накоплен опыт распыления шнуров с использованием зарубежных (Metco 9E, Metco 10E, Меtсо 12Е) и отечественных (МГИ-4, УГМ) металлизаторов. Однако из-за конструктивных особенностей механизма подачи распыляемого матера возникают определенные сложности распыления шнуров из керамики и шнуров диаметром 4,75 мм (основной размер продукции, выпускаемой СП "Техникорд») Для такого оборудования СП "Техникорд" производит гибкие шнуры диаметром 3,17 мм. Естественно, при уменьшении диаметра применяемого шнура снижается и производительность процесса напыления. Поэтому рекомендуется применять металлизаторы с двумя активными прижимными роликами горизонтального исполнения, обеспечивающие скорость подачи в диапазоне от 15 до 150 см/мин.

Оборудование СП "Техникорд" обладает повышенной (до 10 кг/ч) производительностью распыления. Для большинства материалов КИМ составляет не менее 80 %. Струя распыла узкая (пятно составляет 10-15 мм в диаметре на расстоянии от 120 до 150 мм от среза сопла до подложки). Пористость покрытий в зависимости от марки материалов, режимов и дистанции напыления составляет от 3 до 10 %. Особое преимущество гибкие шнуры этого типа имеют при применении смесей.

В СНГ такое специализированное оборудование - установка ТЕНА-ГШ (ТОП-ЖЕТ/2) - производят СП "Техникорд" и МНПП "ТЕНА" (Минск). Установка состоит из пистолета для металлизации ТОП-ЖЕТ/2, пульта управления, подставки для его установки и катушек со шнуровыми материалами.

Возможности оборудования очень гибкие и не связаны с конкретным помещением. Поэтому металлоемкие и особенно крупногабаритные детали, изделия и конструкции можно без особых сложностей обрабатывать на месте. Техника напыления очень проста и может быть освоена за несколько часов.. Главное - правильно осуществить выбор материала для решения конкретной задачи, а для обеспечения постоянного высокого качества покрытий проводить все основные операции по напылению в соответствии с известными рекомендациями и в точной последовательности [13].

Напыление шнуровыми материалами - новое направление в области нанесения защитных покрытий различного функционального назначения.

2.2 Применение самофлюсующихся порошковых материалов

В последнее время самофлюсующиеся порошковые материалы на никелевой и кобальтовой матрицах с упрочняющими фазами на основе карбидов и боридов благодаря своим высоким износостойким свойствам нашли широкое применение при упрочнении деталей не требующих механической обработки после нанесения покрытий или имеющих минимальные припуски на механическую обработку, а также при упрочнении или восстановлении деталей дорогостоящих и выпускаемых малыми сериями.

Существенным препятствием для распространения этих материалов в крупносерийном и массовом производствах является сложность их обработки на существующем оборудовании с применением выпускаемого инструмента для лезвийной и абразивно-шлифовальной обработки из-за особенностей структуры самофлюсующихся сплавов, имеющих сравнительно "мягкую легкоплавкую матрицу (Ni) и твердый наполнитель (карбиды, бориды). Твердость наполнителей на основе карбидных и боридных фаз сложного состава, соизмеримая с твердостью наполнителя в лезвийном абразивном инструментах, приводит к потере режущих свойств инструмента, а высокие контактные температуры, возникающие в процессе механической обработки, - к разупрочнению поверхностных слоев матрицы самофлюсующихся сплавов, особенно на никелевой основе, и ее налипанию на режущие контактные поверхности. Оба этих явления затрудняют процесс обработки и требуют частой правки инструмента, что, в конечном счете, и ограничивает применение самофлюсующихся сплавов на никелевой основе. Таким образом, одним из основных направлений развития упрочняющих материалов является разработка технологии изготовления деталей с упрочняющими покрытиями на никелевой матрице (основе) и специального инструмента для их обработки с целью расширения их внедрения в серийном и массовом производствах.

При проведении комплекса исследований в этой области необходимо стремиться к тому, чтобы экономический эффект от увеличения ресурса деталей с упрочняющими покрытиями в эксплуатации превышал затраты на их изготовление.

Следует учитывать при этом, что работоспособность сплавов на никелевой основе зависит от условий эксплуатации. Так, например, хорошо проявив себя в условиях трения скольжения, даже абразивного, эти сплавы не работают в конструкциях с высокими ударными и удельными знакопеременными нагрузками. Объясняется это тем, что в данных условиях механизм износа описываемых сплавов имеет питтинговый характер, который до конца не изучен, но с большой степенью вероятности может быть охарактеризован следующим образом. Никелевая матрица под воздействием ударных нагрузок подвергается наклепу, в результате чего происходит вытеснение упрочняющих карбидоборидных зерен в зону трения. На границе появляются острые иглы, начинающие интенсивно изнашивать ответное (контр) тело. В результате по мере износа происходит микросварка зерен упрочняющей фазы с трущейся поверхностью и вырыв их из покрыта. Образовавшиеся пустоты не заполняются продуктами износа, и это, по мере эксплуатации изделия, приводит к катастрофическом износу трущейся пары. Один из путей улучшения свойств этих материалов, применяемых для упрочнения автомобильных деталей, - легирование их элементами, частично устраняющими перечисленные выше недостатки.

Большое влияние на работоспособность материалов трущихся пар деталей оказывают их температура плавления, энергия связи в решетке и способность образовывать в зоне трения продукты в виде пленок химических соединений, препятствующих схватыванию поверхностей трения.

Принципиальные же решения в области создания новых порошковых материалов, обладающих свойствами самофлюсовиния, для нанесения их в качестве износостойких покрытий на детали машин и механизмов, очевидно, могут быть, найдены при выполнении целого ряда условии. Во-первых, материал основы (матрицы) должен иметь более высокую энергию связи в решетке, чем никель, обладающий способностью удовлетворительно обрабатываться на традиционном оборудовании и традиционным инструментом. Во-вторых, твердость упрочняющей фазы должна быть ниже, чем у твердосплавного или керамического лезвийного инструмента, при этом упрочняющая фаза должна обладать свойствами, обеспечивающими высокую работоспособность деталей с покрытиями, и удовлетворять требованиям, предъявляемым к материалам, работающим в различных условиях трения. Матричные материалы оболочек должны состоять из сплавов на основе Fe, Ni, Cu, Ti, Al или их соединений с элементами, обладающим свойствами флюсования, - В, Si, Р, Mn.

Наиболее доступным и дешевым сырьем в качестве наполнителя новых порошковых самофлюсующихся материалов, по-видимому, являются ненасыщенные низкие оксиды металлов. Являясь фазами с ионным типом связи в решетки, они представляют coбой, устойчивые элементы покрытий, поскольку не склонны к схватыванию в зоне трения и не боятся окисления при работе в условиях повышенных температур, так как имеют более высокие температуру плавления и твердость по сравнению с чистым металлом, из которого они образованны. Совокупность этих свойств оксидов, позволяет применить их в самых различных условиях эксплуатации в машиностроении: при фрикционном и антифрикционном трении, со мазкой и без нее.

Основной задачей создания материалов с таким наполнителем является подбор матричных материалов, прочно связанных с наполнителем и обладающих хорошей совместимостью с металлом детали, на которую наносят покрытие. Работоспособность таких материалов зависит от дисперсности включения наполнителя, оптимального соотношения между наполнителем и матрицей и свойств самой матрицы.

2.3 Сцепление покрытия с деталью и факторы, влияющие на его величину

Известно, что прочность сцепления напыленных на деталь покрытий с материалом основы в зависимости от мощности источника распыления колеблется в пределах от 0,1 до 10 кгс/мм2 при прочности сцепления частиц в слое покрытия 10-50 кгс/мм2. В то же время, согласно исследованиям, наибольшая прочность сцепления покрытия с материалом основы, определенная через работу адгезии по формуле

sсц=Аадг/r=sжг (1 + cos q)/ r, (2.5)

где Аадг - работа адгезии, эрг/см2;

r - радиус сил межатомного взаимодействия, см;

sжг - поверхностное натяжения жидкой фазы, ккал/моль;

q - краевой угол смачивания, град.

для окислов на металлах, например, составляет 25800-26500 кгс/см2, а для системы металлическое покрытие - деталь эта величина еще больше. Столь значительная разница приведенных значений величины прочности сцепления, по - видимому, обусловлена самой технологией газотермического напыления покрытий. Анализ явлений, происходящих на границе деталь - покрытие и в самом покрытии между слоями в процессе напыления, позволяет выдать практические рекомендации для разработки технологии нанесения покрытий с высокими рабочими свойствами.

Как известно, процесс получения покрытий газотермическим распылением заключается в разогреве порошкового или проволочного материала в дуговом разряде или в кислородно-ацетиленовом пламени до состояния плавления или пластического состояния, в разгоне этих частиц и их отложении на поверхности детали. Варьируя не скорость, а продолжительность взаимных перемещений детали и источника напыления, можно получить покрытие заданной геометрии и толщины. Сравнение условий формирования первого и каждого последующего слоя покрытия показывает, что они отличаются, в основном, температурой и площадью поверхности, на которую осуществляют напыление слоев. Если первый слой наносится на холодную поверхность компактного металла, то каждый последующий - на ранее наносимый слой, температура которого выше температуры; поверхности детали. При этом площадь контакта каждого последующего слоя превышает площадь контакта первого слоя. Следствием этого - является градиент плотности и прочности сцепления слоев в покрытии. Изменение этих параметров происходит в сторону их увеличения от первого слоя к поверхности покрытия.

Градиентом свойств и температур по толщине покрытия в процессе его нанесения, также при эксплуатации, по - видимому, и объясняются негативные явления, проявляющиеся в покрытиях в виде их растрескивания и скалывания.

Покрытия, полученные термическим распылением, по свойствам приближаются к порошковым материалам, и, следовательно, их характеристики в значительной мере отличаются от свойств материала детали, на которую они наносятся. Различия эти приводят к возникновению в покрытиях значительных напряжений, существенно снижающих прочности сцепления частиц в слое и покрытия с деталью, вследствие чего покрытие разрушается или отслаивается либо уже в процессе его получения, либо при механической обработке или последующей эксплуатации.

На основании приведенных ранее рассуждений о наличии градиента температур по толщине покрытия в процессе его напыления, а также существенного различия физико-механических свойств материалов покрытия и детали, сделано допущение, в соответствии с которым основное разрушающее действие на материал покрытия оказывают напряжения двух видов - sDт и sDd, вызываемые соответственно наличием градиента температур и различием коэффициентов термического расширений материалов покрытия и детали. Отсюда суммарное напряженное состояние покрытия sи может быть записано в следующим виде:

sи = sDт + sDd (2.6)

Определение величин этих напряжений и их влияние на ухудшение свойств покрытия представляет собой практический интерес.

Расчет величин напряжений производится по формулам:

sDт = E*a/1 - m * (Т1 - Т2), (2.7)

где Е - модуль упругости материала детали;

a - коэффициент линейного расширения;

m - коэффициент Пуассона;

Т1 - температура перехода материала покрытия в упругое состояние, К;

Т2 - средняя температура по толщине покрытия, К.

sDd = Е*Е1*Dd*DТ/(1 - m)*Е1 + (h/h1) * Е * (1 - m) (2.8)

где Е1 - модуль упругости материала покрытия;

Dd - разность коэффициентов термического расширения материалов подложки и покрытия;

DТ - градиент температур между первыми и последующими слоями покрытия;

h - толщина покрытия, мм;

h1 - толщина детали, мм.

Известно, что адгезионная прочность сцепления покрытия с деталью с ростом толщины покрытия уменьшается из-за действия напряжений. Поскольку площадь контакта детали с покрытием не меняется, а суммарные напряжения в покрытии с увеличением его толщины возрастают, становится очевидным факт их превалирующего влияния на величину адгезионной прочности сцепления покрытий с основой.

Снижение термических напряжений sDт , приводящих, в основном, к когезионному разрушению покрытия, можно достигнуть за счет уменьшения градиента температур Т1 - Т2, т. е. повышением температуры подложки в процессе напыления. Однако при этом будут повышаться и остаточные напряжения sDd приводящие в процессе охлаждения к адгезионному отслаиванию покрытий по границе покрытие - подложка.

Из двух видов напряжений (sDт и sDd) для изделий с покрытиями наибольшую опасность представляют напряжения sDd, поскольку их величина в значительной степени превышает эффективную прочность сцепления покрытия с основой. Это подтверждают эксперименты по напылению покрытия на подложки, разогретые до различных температур. Первоначальный подогрев приводит к увеличению прочности сцепления, а с дальнейшим повышением температуры значение их снижается.

Таким образом, анализ литературных источников показал, что работоспособность деталей с покрытиями, в первую очередь, зависит от величины напряжений в покрытии и от свойств первого слоя. Исходя из этого вывода, можно сформулировать требования к первому слою: максимальная прочность сцепления с поверхностью детали и другими слоями покрытия; способность релаксировать возникшие в покрытии напряжения в процессе его получения, механической обработки и эксплуатации деталей с покрытиями; обеспечение плавкого перехода свойств от детали к покрытию.

В современной технологии получения работоспособных покрытий распылением различают два способа: с последующим оплавлением и без него. Первый способ обеспечивает высокую прочность сцепления с материалом основы за счет взаимодействия расплава покрытия с поверхностью детали и образования между ними наиболее прочной металлической связи. Технология нанесения покрытия вторым способом содержит целый арсенал средств, делящихся на две основные группы: первая включает средства воздействия на напыляемую поверхность, вторая - на напыляемый материал.

Для получения работоспособных покрытий вторым способом используются:

-предварительная обработка поверхности детали под напыление, включающая создание микрорельефа, химическую, механическую и термическую активацию;

-напыление подслоев из проволочных материалов, обеспечивающих высокую прочность сцепления поверхности детали с покрытием (молибден, нихром);

-напыление подслоев из химических соединений с низкой энергией связи, способствующих протеканию химических реакций при напылении основного слоя покрытия;

-напыление подслоев из термореагирующих порошковых и проволочных материалов;

улучшение нагрева распыляемого материала в результате увеличения продолжительности его пребывания в струе источника, - например ламинарной плазмы, или за счет увеличения мощности аппаратуры для напыления;

увеличение кинетической энергии распыляемых частиц посредством ступенчатого их ускорения до скоростей, приближающихся к сверхзвуковым;

нанесение покрытий при низком давлении в безокисдной атмосфере, что позволяет значительно разогревать поверхность детали без ее окисления и получать покрытия высокого качества и работоспособности;

2.4 Технологический процесс нанесения износостойкого покрытия на основе Ni

2.4.1 Описание химического состава порошков

Испытуемые блокирующие кольца 2101-1701164 для КПП 2123 были изготовлены из латуни ЛМцАЖН (ТУ184550-106-033-97) из одной заготовки (трубы), с целью обеспечения постоянства объемных свойств готовых деталей, по действующему техпроцессу в ц.33-3 МСП.

Для получения покрытия методом газотермического напыления рабочей поверхности кольца блокирующего синхронизатора использовали смесь порошков для газотермического напыления (ГОСТ 28377 «Порошки для газотермического напыления и наплавки) марок ПН85-Ю15 и ПРН70Х17С4Р4. Химический состав данных марок порошков приведен в таблице 2.1. Для получения опытных вариантов покрытий с заданными свойствами были приготовлены смеси порошков ПН85-Ю15 и ПРН70Х17С4Р4 с различным процентным соотношением этих порошков в общем объеме смеси. Маркировка опытного варианта покрытия указывала на процентный состав порошка, образующего упрочняющую фазу Cr3C2 (порошок марки ПРН70Х17С4Р4) в объеме смеси (Табл.2.2).

Смеси порошков для напыления были получены механическим замешиванием. Размер частиц находился в диапазоне 40 - 100 мкм.

Таблица 2.1 Требования по химическому составу порошков для напыления

№ п/пМарка порошкаХимический состав, %NiFeCCrSiAlBN1ПН85-Ю15основа0,20,07--12-15-0,082ПРН70Х17С4Р4основадо 50,8-1,216-183,8-4,5-3,1-4,0-

Таблица 2.2 Процентное соотношение порошков в смеси для напыления

№ п/пМаркировка образцаСоотношение порошков в смеси, %ПН85-Ю15ПРН70Х17С4Р41Н0 (0%)10002Н2 (20%)80203Н4 (40%)60404Н6 (60%)40605Н10 (100%)0100

Смеси порошков для напыления были получены механическим замешиванием. Размер частиц находился в диапазоне 40 - 100 мкм.

.2.2 Технология напыления износостойких покрытий

Процесс напыления включает следующие операции: предварительную обработку поверхности основы для обеспечения прочного сцепления напыляемого материала; напыление материала на основу; обработку покрытия после напыления, если в этом есть необходимость.

Предварительная обработка поверхности основы является важным фактором для обеспечения прочного сцепления напыленного покрытия с деталью, так как в большинстве случаев соединение напыленного покрытия с основой происходит в результате механического сцепления. Увеличение прочности механического зацепления связано с увеличением площади поверхности основы и созданием большей активности основы, что важно и для других видов соединения. Поэтому создание развитой шероховатости на поверхности основы является важным требованием [10,24-27].

Учитывая технологичность, простоту и эффективность механической активации поверхности для колец блокирующих синхронизатора, применялась обдувка абразивным материалом. В этом случае на поверхности, подвергнутой обдувке абразивным материалом, образуются многочисленные выступы и впадины. Кроме того, обдувка абразивом позволяет удалять тонкий слой масла и окислов, которые могут быть на поверхности детали.

Рациональной следует считать подготовку абразивным материалом острогранной формы, так как абразивное воздействие любого абразива на подготавливаемую поверхность в значительной мере определяется наличием острых граней у отдельных частиц, а также длительностью сохранения остроты граней и размера частиц в процессе подготовки. Известно, что с уменьшением размеров частиц абразива в процессе подготовки уменьшается их масса, а следовательно, уменьшается и кинетическая энергия отдельных песчинок [27].

Максимальная прочность сцепления получается тогда, когда размеры частиц распыленного металла меньше, чем ширина впадин, возникших на поверхности в результате подготовки. При большей шероховатости не достигается значительного развития поверхности, как это достигается при меньшей, поэтому степень шероховатости должна быть оптимальной [28].

Абразивный материал выбирается в зависимости от назначения подготавливаемой детали и твердости ее материала, материала и толщины покрытия [10,24,28]. Кроме того, выбор зернистости абразива зависел в большей степени от шага конической резьбы рабочих поверхностей колец синхронизатора: при небольшом шаге следует обрабатывать поверхности мелкозернистым абразивным материалом, так как иначе не удается добиться нужной степени шероховатости [28,29]. Также для получения качественного покрытия на кольце не допустимо наличие частиц абразивного материала после обдувки. Поэтому, с учетом предъявляемых требований к покрытию и геометрии кольца блокирующего синхронизатора, а также исходя из твердости материала основы, предварительную обработку рабочей поверхности колец блокирующих синхронизатора проводили с использованием электрокорунда нормального марок 12А, 14А (ГОСТ 28818) с зернистостью 63-Н, 80-Н. После обработки электрокорундом получается «бархатистая» поверхность. Абразив из электрокорунда можно использовать до 30 раз [28].

Качество подготовки поверхности определяется степенью шероховатости, которая в свою очередь зависит и от режима работы аппарата (установки).

Основные параметры режима:

• давление сжатого воздуха;
• дистанция - расстояние от среза сопла аппарата до поверхности;
• угол наклона струи абразива к поверхности детали.

Для обработки деталей из цветных металлов такие параметры как давление сжатого воздуха и дистанция выбираются обычно опытным путем (уменьшая давление или увеличивая дистанцию). Учитывая резьбовой профиль колец синхронизатора давление сжатого воздуха необходимо устанавливать и поддерживать в диапазоне, необходимом для обеспечения развитой шероховатости без существенного изменения геометрии зуба. Значение рабочего давления находилось в диапазоне 1,5 - 2 кгс/см2, дистанция выдерживалась не более 70-80 мм. Для проработки всех участков резьбовой поверхности кольца синхронизатора, до нанесения покрытия, угол атаки струи, по отношению к торцу кольца, изменялся в пределах примерно 10° - 80°.

Время между обдувкой и напылением должно быть по возможности минимальным, так как шероховатая основа является активной и легко окисляется. С увеличением этого промежутка времени ухудшается сцепление покрытия с основой [28].

Используемая технология газопламенного напыления (ГПН) должна отвечать следующим требованиям. Сжатый воздух, используемый для распыления материалов, должен быть сухим и не содержать масла. Давление сжатого воздуха должно быть выше 3,5 кгс/см2 [10], поверхность под напыление не должна содержать следов влаги, окалины и других загрязнений.

Расстояние от горелки до поверхности детали обычно составляет 75 - 250 мм. Выбор величины этого расстояния обычно зависит от напыляемого материала, а также от его свойств. При очень малом расстоянии может возникнуть опасность коробления основы под действием термических напряжений. Как правило, температура поверхности не должна превышать 260С°. Когда же расстояние слишком большое, температура летящих частиц снижается, что приводит к образованию рыхлого покрытия и уменьшению адгезионных и когезионных связей.

Наибольшая деформация напыляемых частиц при соударении с поверхностью основы происходит, если горелка установлена под углом 90°. В случаях, когда невозможно обеспечить этот угол, покрытия получаются с несколько худшими характеристиками. Допустимый угол наклона горелки, при котором можно наносить покрытие, составляет 45° - 135° [10].

Одним из критериев, который позволяет определить область применения и эксплуатационные характеристики покрытий, является их толщина. Минимальная толщина покрытия должна выбираться из конструктивных соображений и включать в себя: припуск на обработку после напыления (например, притирку) и некоторый допуск на неизбежный износ. Необходимо учитывать также, что газотермические покрытия с большой толщиной подвержены воздействию внутренних напряжений, приводящих к скалыванию напыленного материала либо уже в процессе его получения, либо при механической обработке или во время эксплуатации. Отколовшиеся частицы в виде абразива, попадая в зону трения, приводят к катастрофическому износу и выходу из строя пары трения. Кроме того, под действием напряжений может произойти разрушение контактной зоны и, в конечном счете, отделение покрытия от основы [10].

Известно, что адгезионная прочность сцепления покрытия с деталью с ростом толщины покрытия уменьшается [10,19,30] из-за действия напряжений. Поскольку площадь контакта детали с покрытием не меняется, а суммарные напряжения в покрытии с увеличением его толщины возрастают, становится очевидным факт их превалирующего влияния на величину прочности сцепления покрытий с основой. Поэтому, критической толщиной покрытия, без последующего оплавления, следует считать толщину равную не более 1,0 мм [10].

Традиционно технология напыления газотермических покрытий на рабочую поверхность кольца блокирующего синхронизатора производится тремя способами: покрытие наносится на всю рабочую поверхность готовой детали, с последующий притиркой (если в этом есть необходимость); на рабочую поверхность, отштампованной заготовки кольца, наносится слой покрытия, толщиной необходимой для последующей механической нарезки резьбы в теле покрытия; либо для увеличения прочности сцепления покрытия с основой рабочая поверхность отштампованной заготовки кольца предварительно обрабатывается (например нарезается рваная резьба) под напыление и наносится слой покрытия, толщиной также необходимой для последующей механической нарезки резьбы в теле покрытия [14].

Очевидно, в условиях массового производства довольно сложная технология таких способов напыления на кольца блокирующие синхронизатора существенно снижает производительность. Кроме этого увеличиваются затраты на материалы вследствие низкого коэффициента использования материала (потери материала при напылении составляют около 25%) [19].

Особенностью работы кольца блокирующего синхронизатора является то, что нагружение конусной резьбы кольца синхронизатора происходит только при посадке на конус муфты во время цикла синхронизации. При этом на вершины резьбы действует сдвигающие усилие вдоль образующей конуса. В связи с этим предполагается наносить упрочняющее покрытие только на поверхность резьбы, воспринимающую нагрузку.

Поскольку рабочая часть кольца блокирующего синхронизатора выполнена в виде резьбы на наружном конусе, имеется возможность напыления покрытия с разных сторон кольца: со стороны заднего или соответственно переднего торца (рис.2.9).

Для определения влияния на износостойкость покрытия направления напыления (по отношению к торцу кольца) на оборудовании ТГУ были изготовлены опытные блокирующие кольца 2101-1701164, напыленные с разных сторон (рис.2.9) составом из 60% ПН85 - Ю15 + 40% ПРН70Х17С4Р4, маркировка Н4 (табл.3.2).

Рис.2.9. Схема напыления покрытия на блокирующее кольцо (на примере 2101-1701164)

2.5 Разработка схемы опытной установки для нанесения износостойкого покрытия на кольца блокирующие синхронизатора

Схема газопламенной установки, представленная на рис.2.10, предназначена для нанесения износостойких покрытий из порошковых материалов на кольца блокирующие синхронизатора ВАЗ 2123.

.5.1 Описание принципа действия установки для газопламенного напыления

Установка для газопламенного напыления покрытия на кольца блокирующие синхронизатора ВАЗ 2123 представляет собой совокупность четырех камер, разделенных внутренними перекрытиями в виде резиновых шторок. В первой камере происходит загрузка заготовок и разгрузка напыленных колец. Во второй камере происходит абразивная обработка кольца. Она необходима для того, чтобы удалить тонкий слой масла и окислов, которые могут быть на поверхности заготовки. В качестве абразивного материала используется электрокорунд нормальный марок 12А, 14А (ГОСТ 28818) с зернистостью 63-Н, 80-Н. Вращение заготовки относительно пескоструйного пистолета должно осуществляться со скоростью 15 об/мин. Расстояние между обрабатываемой поверхность кольца и соплом пистоле должно составлять 200-250 мм. В третьей камере осуществляется обдувка заготовки воздухом под давлением 5-6 кгс/см2 для удаления остатков абразивных частиц с поверхности заготовок перед напылением. Частота вращения заготовки относительно сопла подачи воздуха составляет 20 об/мин. В четвертой камере происходит напыление порошковых самофлюсующихся материалов на коническую поверхность трения кольца. Параметры, которые нужно соблюдать в процессе напыления:

рабочее давление кислорода………………….1,5-2 кгс/см2

рабочее давление ацетилена…………………..0,8-1 кгс/см2

рабочее давление воздуха……………………....5-6 кгс/см2

расход кислорода………………………………..1-1,15 м3/час

расход ацетилена………………………………..0,8-1,2 м3/час

расход воздуха…………………………………..до 3 м3/час

расход порошка………………………………….5 грамм/кольцо

скорость напыляемого потока…………………..330 м/с

Вращение заготовки относительно газопламенного пистолета должно осуществляться со скоростью 10 об/мин.

Переход заготовки из одной камеры в другую осуществляется посредством вращения внутреннего корпуса относительно наружного неподвижного. Таким образом, данная установка должна иметь четыре привода - для трех камер, кроме разгрузки-загрузки и для вращения внутреннего корпуса.

Принцип действия газопламенного пистолета (рис.2.11) состоит в следующем. Подводимый к горелке кислород, проходя через инжектор, создает в нем разряжение, в результате чего в кольцевую камеру засасывается ацетилен и смешивается с кислородом. В камере имеются восемь сопел, расположенных симметрично. Кислородно-ацетиленовая смесь, фокусируется с образованием резкой границы в структуре пламени. Через центральный канал подается с определенной скоростью и определенного состава напыляемый материал. Порошковый материал, в зависимости от назначения детали, меняет свой химический состав (упрочняющая и пластифицирующая фаза) вплоть до включения твердой смазки в виде плакированного графита. Газопламенная горелка может работать в любом пространственном положении: она может быть закреплена неподвижно или в специальном приспособлении, которое перемещается вдоль вращающегося изделия. Подача кислорода и ацетилена - от баллонов через специальные редукторы и ротаметры. Установка позволяет наносить покрытия из различных металлов, керамики, а также из порошков самофлюсующихся и композиционных материалов. Для устранения таких дефектов покрытия как:

а) низкая адгезионная прочность, вызванная низкими скоростями напыления;

б) окисление частиц вследствие их перегрева;

в) перегрев изделия в целом,

а также для ускорения периферийных частиц и самого порошкового факела используется новое сопло, выполненное в форме двойного сопла Лаваля.

В сверхзвуковом сопле, называемом соплом Лаваля, газовый поток преобразуется таким образом, что скорость истечения становится больше скорости звука:

М>1, и wa>a (2.9)

Рассмотрим случай одномерного течения газа по сверхзвуковому соплу. Уравнение неразрывности дает:

G=p·w·F=const (2.10)

Газ движется по соплу с ускорением, поэтому при малой скорости, когда плотность газа можно считать неизменной, необходимо уменьшать сечение. Этим обусловлено сужение начальной части сопла. при дальнейшем расширении газа, увеличение скорости сопровождается заметным уменьшением давления и, следовательно, плотности газа, что частично компенсирует рост скорости, и поэтому сужать сечение канала нужно уже не так быстро. Наконец, процесс проходит через такую стадию, когда плотность расширяющегося газа уменьшается обратно пропорционально скорости. Как известно, в этом сечении канала скорость потока равна скорости звука. Дальнейшее увеличение скорости сопровождается еще более быстрым падением плотности, вследствие чего, как это следует из уравнения неразрывности, сечение сопла должно увеличиться.

Таким образом, сверхзвуковое сопло, предназначенное для получения сверхзвукового потока, должно состоять из сужающейся (дозвуковой) и расширяющейся (сверхзвуковой) частей (рис.2.12). В самом узком сечении сверхзвукового сопла (критическом сечении) скорость потока равна звуковой.

Теоретический расчет газовых горелок является весьма сложным, так как связан с комплексными расчетами процессов смещения, горения и теплоотдачи, которые должны обеспечивать не только высокую энтропию сжигания газового топлива, но и минимально возможную концентрацию вредных компонентов продуктов сгорания. Так как такой методики еще не существует, то при расчете горелок приходится пользоваться рядом приближенных данных, полученных из практики или отдельных экспериментов.

Рис.2.12. Сопло Лаваля

Рис.2.13. Зависимость безразмерной площади сопла Лаваля от числа М (к=1,4)

Однако w=аМ и Мкр=1, поэтому

(2.11)

Но известно:

(2.12)

(2.13)

Следовательно:

(2.14)

(2.15)

Отсюда следует:

(2.16)

Для воздуха к=1,4, поэтому имеем:

(2.17)

Из этих формул видно, что безразмерное значение площади сечение сопла является функцией только числа М. Где М-число маха = 330 м/сек.

Если задается конфигурация сверхзвукового сопла, то можно указать, какое число М получается в любом сечении. Каждому значению числа М соответствует определенная величина отношения F/Fкр. Кривая F/Fкр = f(M), построенная по формуле (2.17), приведена на рис.2.13. При этом, как видно из кривой, уравнение (2.17), и значит уравнение (2.11), имеет два решения; одному и тому же F/Fкр отвечают два значения числа М: одно при дозвуковой скорости и другое при сверхзвуковой скорости. Для входной части сопла, предшествующей критическому сечению, годны все дозвуковые решения, а для выходной части - все сверхзвуковые. Однозначное решение получается только в критическом сечении (F/Fкр=1).

Давление и плотность газа при идеальном процессе зависят однозначно от числа М. Отсюда следует, что, выбрав произвольное сечение, мы получим в этом сечении определенное значение числа М, которому соответствует определенные значения температуры, давления и плотности газа (с точностью до влияния пограничного слоя).

Величина скорости в данном сечении сверхзвукового сопла зависит только от температуры торможения Т*. Изменение полного давления ?* на скорость не влияет, так как пропорционально ему изменяется и местное давление ?, а их отношение остается неизменным, также остается неизменным и отношение температур:

(2.18)

Для получения на срезе сверхзвукового сопла, определенного значения числа М необходимо соответствующим образом подобрать площадь сечения, кроме того, надо иметь достаточный запас давления в камере перед соплом. Другими словами, для достижения требуемого числа М на срезе сопла давление в камере должно в известное число раз превосходить давление окружающей среды.

Предположим, что давление в камере ?* возросло, тогда на срезе сопла давление также увеличивается и газ истекает с избыточным давлением. Где-то за срезом сопла давление уравняется с атмосферным, избыток давления израсходуется в струе на увеличение скорости, а так как для сверхзвукового потока увеличение скорости требует увеличения поперечного сечения струи, то струя как бы образует в пространстве расширяющееся сверхзвуковое сопло. Если же давление в камере по какой-либо причине понизится, то на срезе произойдет понижение давления, причем давление в некоторых случаях может получиться ниже атмосферного; скорость истечения при этом не изменится, так как она является функцией только отношения площадей выходного и критического сечений сопла. Изменение давления в атмосфере не сказывается на истечении из сопла, так как волна давления, распространяющаяся со скоростью звука, сносится сверхзвуковым газовым потоком.

По выходу газовой струи из сопла, давление в ней, в конце концов, должно сравняться с атмосферным, т. е. повыситься за счет торможения сверхзвукового потока.

Таким образом, давление на срезе данного сверхзвукового сопла не связано с давлением атмосферы, а зависит только от давления в камере и формы сопла.

Поскольку разработанное сопло газопламенной горелки состоит из двух сопл Лаваля: внутреннего и внешнего, причем внутреннее сопло выстраивается как полое сопло, то внешнее представляет собой сверхзвуковое сопло с центральным телом (рис.2.14).

Рис.2.14. Схема сопла с внешним расширением

Оно используется для обжатия рабочей струи высокоскоростным потоком воздуха, фокусируя "пятно нагрева" для локальности тепловложения и предотвращения перегрева основного металла; для ускорения рабочей струи, выравнивая периферийной скорости со скоростью факела по сечению потоков; для охлаждения воздушным высокоскоростным потоком сопла газопламенной горелки. В таком сопле газ течет по кольцевому каналу (между центральным телом и обечайкой). Роль центрального тела в нашем случае играет внутреннее сопло Лаваля. Здесь используется сопло с чисто внешним расширением, в котором критическое сечение и угловая точка течения расположены на срезе обечайки. Расширение газа при этом является односторонним, а критическое сечение наклонено к оси на угол ?, равный углу поворота газового потока около точки, а при разгоне от критической скорости (М=1) до расчетного значения числа Маха. Полная длина выступающей за обечайку (хвостовой) части центрального тела определяется точкой пересечения траектории крайнего положения газового потока с осью. Однако опыты показывают, что хвостовая часть центрального тела может быть без заметного снижения тяги укорочена на 30-50%. В критическом сечении внешнего сопла обечайка должна быть параллельна стенке центрального тела.

На основании данных расчетов было получено сверхзвуковое сопло газопламенной горелки, которое изображено на рис.2.15.

Рис.2.15. Сверхзвуковое сопло газопламенной горелки

В результате применения сопла Лаваля, скорость напыляемого потока превышает 330 м/с, т.е. становится выше скорости звука.

Использование сопла Лаваля позволяет сделать и поток газового пламени, и поток воздуха ламинарными, предотвратить рассеивание и увеличить скорость периферийных частиц. Кроме того, значительно снижается время воздействия расплавленного напыляемого материала с кислородом, что положительно сказывается на качестве покрытия.

Конструкция горелки, используемой для напыления колец блокирующих синхронизатора, приведена на рис.2.16

Рис.2.16. Конструкция сверхзвуковой газопламенной горелки

.5.2 Расчет такта поворота установки

Такой параметр установки как такт поворота внутреннего корпуса относительно наружного неподвижного получается путем расчета времен, затрачиваемых на обработку в каждой отдельной из 4-х камер и выбор максимального.

На загрузку заготовок и разгрузку напыленных колец требуется 5 с.

На абразивную обработку одного кольца, учитывая, что ? = 15 об/мин, затрачивается t= 4 с.

На обдувку одного кольца воздухом, учитывая, что ? = 20 об/мин, затрачивается t= 3 с.

На напыление конической поверхности кольца при ? = 10 об/мин, затрачивается t= 6 с.

Таким образом, максимальное время затрачивается на напыление износостойкого покрытия, поэтому внутренний корпус установки должен каждые 7 секунд (1 с. взята в запас) поворачиваться на 900 относительно неподвижного наружного корпуса.

.6 Выводы по технологическому процессу напыления колец блокирующих синхронизатора ВАЗ 2123

В данном разделе был рассмотрен метод газопламенного напыления, который по сравнению с другими методами нанесения покрытий имеет ряд преимуществ. Также был проведен анализ различных конструкций горелок, рассмотрены и проанализированы факторы, влияющие на величину сцепления покрытия с заготовкой. В итоге были разработаны технологический процесс нанесения износостойкого покрытия на основе никеля и схема установки для газопламенного напыления порошковых самофлюсующихся материалов на кольца блокирующие синхронизатора.

3. Результаты исследований по повышению долговечности конических поверхностей блокирующих колец синхронизатора ВАЗ 2123 после напыления

3.1 Результаты трибологических исследований структур нанесенных покрытий

синхронизатор напыление покрытие кольцо

Трибологические испытания проводились с целью определения оптимального соотношения порошков ПН85 - Ю15 и ПРН70Х17С4Р4 в напыляемой смеси для достижения максимальной износостойкости блокирующего кольца и пары трения в целом. Количество испытуемых серийных колец составило 6, опытных колец с напылением было испытано по 1 кольцу на вариант.

.1.1 Результаты измерений твердости конических поверхностей

Измерение твердости HV проводились на оборудовании Micromet-II, при этом для каждого напыленного кольца снималось по 12 измерений твердости. Таким образом, для определенного покрытия вероятностный анализ результатов значений твердости проводился по 12 точкам. Результаты измерения в зависимости от состава порошка покрытия, приведены в табл. 3.1, рис. 3.1.

Таблица 3.1 Значения твердости для различных вариантов покрытий колец синхронизатора*

№ п/пМаркировка образцаТвердость покрытия**, HV1Н0592±432Н2673±243Н4709±604Н6742±425Н10720±60*Замеры твердости покрытия на образцах колец проводились после испытаний.

**Доверительный интервал определен при доверительной вероятности 90%.

Рис. 3.1. Зависимость твердости покрытия от процента упрочняющей фазы в порошке.

3.1.2 Анализ результатов измерений размерного износа

Исследования на износостойкость напыленных колец проводились в Исследовательском Центре АО «АвтоВАЗ» на специализированном стенде для испытания пары трения «кольцо блокирующее синхронизатора - муфта скользящая коробки передач».

.1.2.1 Методика проведения испытаний на износостойкость блокирующих колец синхронизатора ВАЗ 2123 после напыления

Подготовить стенд к испытаниям:

1.Установить испытуемую скользящую муфту на фланце нагружающего устройства, поставить фиксирующее кольцо и закрепить тремя болтами.

2.Установить кольцо синхронизатора на зубчатой ступице и зафиксировать его стопорным кольцом. Поставить кольцо в сборе со ступицей на шпиндель стенда.

.Сдвинуть переднюю бабку установки так, чтобы осевой зазор между конусами муфты и кольца синхронизатора был S=0,5…1,0 мм. Зафиксировать переднюю бабку поджимными планками на станине. Зафиксировать крышку испытательной камеры.

.Заполнить бачок термостата испытуемым маслом на уровне 20…30 мм ниже заливной горловины. На табло термостата установить требуемую температуру масла. Тумблер установить в позицию «нагрев». Регулятор предельной температуры установить на 20…300С выше, чем на табло. Включить термостат. Мигание оранжевого индикатора означает, что термостат вышел на поддержание заданной температуры.

.Включить маслостанцию нагружающего устройства. Задавшись величиной осевого поджатия деталей при испытаниях, выбрать значение давления масла по тарировочному графику. Редукционным клапаном маслостанции по манометру установить необходимое давление.

.На лицевой панели управления установить фиксированный режим испытаний, при котором максимальное число оборотов электродвигателя, время торможения в цикле, порог давления срабатывания сервоклапана нагрузки заданы жестко и не подлежат изменению.

.Для измерения момента трения подключить датчик перемещения к указывающему прибору («Калибр» 275-01). Установить датчик в цанговый зажим деформированной балки и выставить его начальное положение так, чтобы деформация балки приводила к перемещению стрелки указателя в пределах всей шкалы.

.Для измерения величины износа перед испытаниями необходимо произвести два измерения. Первое измерение заключается в определении толщины пакета муфты в сборе с кольцом синхронизатора. Измерение проводится микрометром или индикаторной стойкой с точностью до 0,01 мм. Результаты измерений по шести точкам усредняются.

При втором измерении определяется масса кольца синхронизатора. Кольцо тщательно промывается несколькими порциями бензина «Калоша», просушивается. Для окончательного обезжиривания блокирующее кольцо промывается техническим спиртом и просушивается. Взвешивание проводится на весах ВЛР-200 с точностью до 0,1 мг.

Проведение испытаний на износостойкость на специальном стенде для испытания пары трения

1.Прогреть испытуемое масло в термостате до заданной температуры.

2.Установить число циклов испытаний.

.Режим работы при испытаниях - циклический, моделирующий условия работы узла синхронизации. Разгон двигателя контролируется по тахометру. После разгона срабатывает сервоклапан нагружения. Давление маслостанции через клапан и сильфон передается на шток, что вызывает осевое прижатие конусов муфты и кольца синхронизатора с силой Fос. При этом двигатель снижает обороты до нуля за время торможения и один цикл испытаний завершается.

.Для измерения момента трения по стрелочному прибору («Калибр» 275-01) фиксируется разница между показаниями при разгоне и торможении двигателя. По тарировочному графику определяют момент трения Мтр (Н·м). Коэффициент трения можно определить по формуле:

где Fn - нормальное усилие (Н), возникающее на поверхности конуса при действии осевой нагрузки Fос:

где ?=70 - угол уклона конуса при испытаниях кольца блокирующего синхронизатора ВАЗ 2123.

Dср - средний диаметр конуса шестерни.

3.1.2.2 Результаты измерений размерного износа

Результаты трибологических испытаний (значения размерного износа блокирующих колец и конусов шестерен), полученные на исследуемых парах трения, представлены в таблице 3.2 и на рисунке 3.3.

Результаты испытаний блокирующих колец 2101-1701164 для автомобиля 2123с напылением износостойкого покрытия. Осевая нагрузка Рос = 400 Н. Смазочное масло трансмиссионное 85w90, температура масла 60 °С.

Таблица 3.2.

№ п/пВариантИзнос, Iл, мм кольца синхрИзнос конуса муфты Iл, ммПримечаниеКоличество циклов синхронизации350070001.Серийные (без напыления)1,10 ±0,15--0,0Максимально допустимый износ кольца синхр2.0 % упрочняющей фазы Cr 3C20,75--0,0На вершинах резьбы колец синхр обнажилась латунь3.20% упрочняющей фазы Cr 3C20,48--0,0--4.40 % упрочняющей фазы Cr 3C20,250,440,05 - 3500 циклНа конусе муфты - кольцевая волнистость без резания0,05 - 7000 цикл5.60 % упрочняющей фазы Cr 3C20,350,560,05 - 3500 циклНа конусе муфты - кольцевая волнистость без резания0,05 - 7000 цикл6.100 % упрочняющей фазы Cr 3C20,49--0,05На конусе муфты - борозды резания

Рис. 3.3. Величина размерного износа блокирующих колец 2101-1701164 с покрытием в зависимости от содержания порошка, образующего упрочняющую фазу, при количестве циклов синхронизации 3500 циклов.

Влияние на трибологические характеристики процентного содержания порошка, образующего упрочняющую фазу, представлено на рис.1. При содержании в напыляемом покрытии от 0% до 20% порошка ПРН70Х17С4Р4 качество покрытия неудовлетворительное, т.к. происходит отслоение и скалывание покрытия после 3500 циклов испытаний. В тоже время при испытании образца Н10 (100%), на конусе муфты наблюдается резание. Минимальные повреждения поверхностей пары трения, имеющие характер допустимых, были получены при содержании 40% и 60% упрочняющего порошка в напыляемом покрытии после 3500 циклов испытаний. Следует отметить, что при испытаниях колец с покрытием на конусе муфты допускается незначительный износ в пределах 0,6 мм и кольцевая волнистость без следов резания.

Наилучшие результаты показали кольца с напылением смеси Н4, износостойкость которых в 4 раза выше соответствующих показателей для серийных колец без напыления.

Наличие оптимальной концентрации упрочняющей фазы в напыленном материале, обеспечивающей максимальную износостойкость пары трения, объясняется, по-видимому, следующим. При малой концентрации упрочняющей фазы недостаточная твердость и жесткость покрытия приводит к износу покрытия. При концентрации упрочняющей фазы выше оптимальной твердость покрытия и конуса муфты примерно одинаковы, что в заданных условиях испытаний приводит к образованию на шлифованной поверхности конуса муфты борозд резания с рваными, острыми краями. В свою очередь, борозды резания приводят к повышению износа покрытия блокирующего кольца. Возникновение резания при испытаниях пары трения обусловлено острыми вершинами резьбы на конусе кольца синхронизатора и высокой твердостью покрытия.

Кроме того, для выявления влияния угла напыления по отношению к профилю резьбы на формирование геометрии покрытия и его износостойкости проводились испытания колец, напыленных под различными углами струи атаки газопламенного потока по отношению к профилю зуба резьбовой поверхности кольца.

Результаты трибологических испытаний показали, что износостойкость колец, напыленных с различных сторон, значительно отличается между собой. Нанесение покрытия на кольца со стороны заднего торца не приводит к повышению износостойкости пары трения по сравнению с кольцами без упрочняющего покрытия. Это объясняется скалыванием покрытия на вершинах резьбы в процессе испытания из-за неблагоприятного расположения арочных слоев по отношению к направлению действующей нагрузки.

Испытания на определение зависимости размерного износа колец блокирующих синхронизатора КПП ВАЗ 2123 от угла напыления по отношению к профилю зуба резьбовой поверхности показали, что оптимальный угол напыления может находиться в пределах 60-800.

3.1.3 Металлографические исследования материала и структур нанесенных покрытий

Металлография исследуемых покрытий необходима для визуализации результатов исследований до и поле испытаний блокирующих колец синхронизатора ВАЗ 2101 и проводилась на оборудовании NEOPHOT 32. На рис. 3.6 представлены разрезы блокирующих колец ВАЗ 2101 с 0%, 20%, 40%, 60%, 100% упрочняющей фазы Cr3C2 с 25 и 100 кратным увеличением слайдов. Видно, что наиболее подходящим порошком, удовлетворяющим условиям фрикционного покрытия, является порошок с 40% упрочняющей фазы ПРН70Х17С4Р4.

н0 (0% упр. порошка) ´25´0,7н0 (0% упр. порошка) ´100´0,73500 циклов испытаний 3500 циклов испытанийН2 (20% упр. порошка) ´25´0,7 3500 циклов испытанийН2 (20% упр. порошка) ´100´0,7 3500 циклов испытаний

Н4 (40% упр. порошка) ´25´0,7

7000 циклов испытаний

Н6 (60% упр. порошка) ´25´0,7

7000 циклов испытаний

Н4 (40% упр. порошка) ´100´0,7

7000 циклов испытаний

Н6 (60% упр. порошка) ´100´0,7

7000 циклов испытаний

Н10 (100% упр. порошка) ´25´0,7Н10 (100% упр. порошка) ´100´0,7Рис.3.6. Металлография блокирующих колец 2101-1701164 с покрытием после испытаний на износостойкость

.2 Выводы по результатам исследований

. При содержании в напыляемом покрытии от 0% до 20% порошка ПРН70Х17С4Р4 качество покрытия неудовлетворительное, т.к. происходит отслоение и скалывание покрытия после 3500 циклов испытаний. Возможной причиной является неудовлетворительное качество покрытия, приводящее к отслаиванию. Отслоившиеся частицы покрытия, попадая в зону трения, приводят к микрорезанию латуни на вершинах резьбы конуса и повышенному износу блокирующего кольца.

2. В тоже время при испытании образца Н10 (100%), на конусе муфты наблюдается резание.

3. Минимальные повреждения поверхностей пары трения, имеющие характер допустимых, были получены при содержании 40% и 60% упрочняющего порошка в напыляемом покрытии после 3500 циклов испытаний.

. Наилучшие результаты показали кольца с напылением смеси Н4, износостойкость которых в 4 раза выше соответствующих показателей для серийных колец без напыления.

. Как положительный фактор следует отметить хорошую адгезию покрытий. Тонкие границы упрочняющих фаз и отсутствие сфероидальных частиц в покрытиях свидетельствуют о хорошем качестве напыляемых слоев.

. Износостойкость колец, напыленных с разных сторон, значительно отличается между собой. Результаты испытаний на износостойкость показали:

Нанесение покрытия на кольца со стороны заднего торца не приводит к повышению износостойкости пары трения по сравнению с кольцами без упрочняющего покрытия. Это объясняется скалыванием покрытия на вершинах резьбы в процессе испытания из-за неблагоприятного расположения арочных слоев по отношению к направлению действующей нагрузки.

. Испытания на определение зависимости размерного износа колец блокирующих синхронизатора КПП ВАЗ 2123 от угла напыления по отношению к профилю зуба резьбовой поверхности показали, что оптимальный угол напыления может находиться в пределах 60-800

. В итоге, можно сделать вывод, что наилучшие результаты были получены после испытания колец с покрытием, содержащим 40% упрочняющего порошка ПРН70Х17С4Р4, причем напыление производилось со стороны переднего торца и под углом в пределах 60-800С. Данное покрытие обладает хорошими адгезионными и когезионными свойствами, о чем свидетельствуют тонкие границы упрочняющих фаз, отсутствие сфероидальных частиц в покрытии и сплошные тонкие границы раздела основа-покрытие.

4. Разработка технологического процесса изготовления кольца блокирующего синхронизатора ВАЗ 2123

Анализ технологического процесса детали проводим на базе комплекта документов: чертежи деталей ВАЗ 2101-1701164 и ВАЗ 2123-1701164 и действующий технологический процесс обработки кольца блокирующего синхронизатора ВАЗ 2101-1701164 коробки передач.

.1 Анализ технологичности чертежа детали

Чертеж кольца блокирующего синхронизатора содержит все необходимые проекции, виды, сечения и разрезы, однозначно определяющие форму и конфигурацию детали. Также указаны технические требования, предъявляемые к детали.

В качестве замечания, которое можно предъявить к чертежу детали, необходимо отметить:

некорректно задано радиальное биение внутренней цилиндрической поверхности в месте срезанного зуба относительно базы Ж, представляющей собой ось наружной конической поверхности трения (стрелка показана с противоположной правильному стороны).

.2 Анализ технологичности детали

Множество поверхностей кольца блокирующего синхронизатора представляют собой сложные совокупности простых геометрических элементов, полученных методом горячего пластического деформирования. Формирование сложных участков геометрии кольца методом давления, а не резанием является технологичным методом. Образование некоторых простых поверхностей кольца резанием происходит при свободном доступе режущего инструмента в зону обработки и минимальным числе рабочих ходов, а также при небольших удаляемых припусках. Также следует отметить что, несмотря на довольно сложную геометрию кольца, наблюдаются плавные переходы от одного элемента кольца к другому (см. чертеж детали радиусы скруглений).

Таким образом, с точки зрения технологичности можно сделать вывод, что кольцо блокирующее синхронизатора в целом является технологичной деталью.

.3 Комплект основным конструкторских баз

Комплектом основных конструкторских баз для кольца блокирующего синхронизатора является (см.рис.1.2):

передний торец кольца блокирующего синхронизатора - установочная явная база - лишает трех степеней свободы (перемещения вдоль одной координатной оси и поворотов вокруг двух других осей).

ось делительного диаметра зубьев Æ60, расположенных на внутренней поверхности кольца - двойная опорная мнимая база (лишает перемещений вдоль двух координатных осей.

плоскость симметрии зуба - опорная мнимая база - лишает одной степени свободы (поворота вокруг оси).

.4 Формулировка основных технологических задач

Исходя из анализа чертежа детали, можно сформулировать следующие технологические задачи:

допуски на линейные размеры кольца блокирующего синхронизатора выполнены в пределах 12-16 квалитетов, наиболее точным размером является размер 7±0,1 соответствующий 12-13 квалитетам.

допуски на диаметральные размеры детали выполнены в пределах 12-16 квалитетов, наиболее точными размерами являются: Æ62,1+0,3, Æ55+0,3, Æ69,2+0,3, Æ66,5+0,3, соответствующие 12 квалитету.

- допуски на все угловые размеры кольца, лежат в диапазоне 11-17 степеней точности, наиболее точным является размер угла наклона образующей наружной конической поверхности кольца блокирующего синхронизатора (11-12 степень точности);

допуск соосности оси поверхности Æ52,87 относительно базы З, представляющей собой ось наружной конической поверхности;

допуск круглости наружной конической поверхности трения задан в пределах 0,03 мм и находится в пределах 8-9 степеней точности

суммарный допуск формы и расположения соответствует 9-10 степеням точности и представляет собой радиальное биение внутренней цилиндрической поверхности в месте срезанных зубьев относительно базы З (оси наружной конической поверхности) не более 0,12 мм;

Самое высокое значение шероховатости Ra = 2…1,6 мкм задано на поверхности зубьев. Шероховатость переднего торца колеса, внутренней цилиндрической поверхности в месте срезанных зубьев, а также на наружном диаметре конической резьбовой поверхности трения составляет Ra2,5 мкм. Шероховатость профиля резьбы Rz80.Остальные поверхности, необрабатываемые резанием (полученные штамповкой), имеют шероховатость Rz = 20мкм.

.5 Физико-механические свойства материала детали

Материал кольца блокирующего синхронизатора - латунь ЛМцАЖН (ТУ184550-106-033-97). Химический состав материала указан в табл.1.4 (п.1.2.6). Твердость поверхности кольца HB 180 - 220.

.6 Определение типа производства

Для определения типа производства необходимо найти коэффициент закрепления операций Kзо, который зависит от следующих факторов: заданной программы выпуска и трудоемкости изготовления детали. Значение коэффициента определяем по формуле [31]:

, (4.1)

где tв - такт выпуска, мин, Tшт.ср - средне штучное время на каждой операции, мин.

, (4.2)

где FД - действительный годовой фонд времени работы оборудования, час, N - годовая программа выпуска деталей, шт.

, (4.3)

где Tщтi - штучные времена на операциях, мин, n - количество операций.

FД=4000 часов, N=1000000 шт/год, n=7, Tшт1=0,47 мин, Tшт2=0,36 мин, Tшт3=0,15 мин, Tшт4=0,014 мин, Tшт5=0,055 мин, Tшт6=0,31 мин, Tшт7=0,07мин.

Таким образом, получаем:

Так как полученный 1<Кзо<10, то тип производства изготовления кольца блокирующего синхронизатора соответствует крупносерийному, непрерывно поточному [31] по ГОСТ 14.004-74 для крупносерийного производства.

.7 Разработка технологического процесса изготовления детали «кольцо блокирующее синхронизатора ВАЗ 2123»

Операция 005:

Наименование: Ленточно-пильная автоматическая

Оборудование: Отрезной автомат с ленточной пилой модели КМ-504

Содержание операции: Отрезать одновременно четыре заготовки детали с автоматической подачей 4-х труб. Вручную загрузить 4 трубы и отрезать дефектные торцы труб длиной 13 мм.

Режущий инструмент: Пластина твердосплавная ВК6

Приспособления: - приспособление для крепления труб,

ложемент,

упор центрирующий,

кулачок,

клин зажимной,

приспособление для направления пилы.

Измерительный инструмент: - калибр для контроля размера

калибр для контроля перпендикулярности

Примечание: время подвода, перебега, возврата пилы, и подачи труб до упора:

Т=3+3+3+1=10 с

Операция 010:

Наименование: Расточная 4-х шпиндельная

Оборудование: Станок расточной 4-х шпиндельный

Содержание операции: Точить наружную цилиндрическую поверхность «1» Æ73+0,5*, снятие фаски «3» 1,5х450 и расточка выточки «2» Æ66,5

Режущий инструмент: резец расточной, пластина специальная

Приспособления: цанговый патрон, опора

Операция 020:

Наименование: Фрикционно-автоматизированная

Оборудование: Электрическая печь и фрикционный пресс 250 т. с РТК для автоматической перегрузки деталей из печи в пресс и разгрузки с пресса

Содержание операции: Нагреть в электрической печи заготовку до 770-7900 и штамповать кольцо

Инструмент: штамп для формовки, матрица, пуансон

Приспособления: кольцо для нагрева штампа, клещи для ввода детали в штамп, приспособление для смазки фигуры, сосуд для смазки

Операция 030:

Наименование: Кривошипно-штамповочная.

Оборудование: Кривошипный пресс 100 т.

Содержание операции: отрезать наружный и внутренний облои

Инструмент: штамп в сборе, пуансон, матрица

Операция 035:

Наименование: Контрольная, межоперационная.

Оборудование: Рабочий стол

Содержание операции: Прозванивание колец перед загрузкой в бункер автоматической линии токарных станков «Вайсер» для предотвращения попадания колец с трещинами на обработку

Приспособление: Стальная наковальня

Операция 040:

Наименование: Токарно-лобовая 2-х шпиндельная

Оборудование: Токарно-лобовой станок 2-х шпиндельный с автоматической за грузкой (выгрузкой) ВАЗ.

Содержание операции: Обточить наружную коническую поверхность кольца предварительно 70±30, подрезать торец со стороны зубьев окончательно 8,3±0,2

Режущий инструмент: вставка резцовая, четырехугольная пластина

Приспособления: цанга блокировки заготовки, автоматическое разгрузочное и загрузочное устройство

Операция 050:

Наименование: Контрольная, межоперационная

Оборудование: Стол контрольный

Содержание операции: контроль согласно карте контроля

Операция 060:

Наименование: Термическая стабилизирующая.

Оборудование: Печь электрическая карусельная.

Содержание операции: стабилизирующий отжиг до температуры 390°С ±10°С. Время выдержки 1,5 часа

Операция 070:

Наименование: Зачистная.

Оборудование: Специальная установка для зачистки заусенцев с поворотным столом и автоматической загрузкой и разгрузкой

Содержание операции: 1-ый установ - внутренняя зачистить зубья с внутренней стороны, обработанной торцовкой в операции 30; 2-ой установ - зачистить заусенцы на противоположном торце детали.

Инструмент: металлическая щетка.

Приспособления: специальное установочно-зажимное приспособление.

Операция 080:

Наименование: Токарно-лобовая 2-х шпиндельная.

Оборудование: Токарно-лобовой станок 2-х шпиндельный с автоматической загрузкой (выгрузкой)

Содержание операции: расточить наружный конус70±10 окончательно, Ra 2,5, снять фаски на наружной конической поверхности с 2-х сторон, нарезать наружную резьбу на конусе.

Инструмент: резец специальный.

Приспособления: специальное установочно-зажимное приспособление

Операция 090:

Наименование: Зачистная

Оборудование: Верстак с зачистной головкой

Содержание операции: Зачистить резьбу

Инструмент: металлическая щетка

Операция 100:

Наименование: Контрольная.

Оборудование: Стол контрольный

Содержание операции: 100% контроль детали на наличие трещин.

Операция 110:

Наименование: Газопламенная

Оборудование: Газопламенная установка

Содержание операции: нанести покрытие Н4 (40% упроч.фазы) под углом по отношению к профилю резьбы кольца в пределах 60-800

Операция 120:

Наименование: Контрольная

Оборудование: Стол контрольный

Содержание операции: проверить деталь на качество покрытия

4.8 Расчет режимов резания

Произведем расчет режимов резания для операции 010 - расточной.

Скорость резания V рассчитывают по эмпирической формуле (4.4) [32]:

(4.4)

Так как это черновой этап обработки, то подачу S выбираем максимально возможную, исходя из жесткости и прочности системы СПИД, мощности привода и других ограничительных факторов:

S=0,3 мм/об

Глубину резания назначаем также, максимально возможную:

t=0.5 мм

СV =420;

Т=45 мин.

m=0.2; х=0,15; у=0,2; [32,стр.269]

Коэффициент КV является произведением коэффициентов, учитывающих влияние материала заготовки КMV =Kг(190/НВ)nv [32,стр.261], состояния поверхности КПV =0.9, материала инструмента КИV =1,15.

КMV =Kг(190/НВ)nv=1,056 [32 стр.261]

KV=1.056×0.9×1.15=0,996

=

Частота ращения:

(4.5)

Учитывая значение из геометрического ряда частот вращения, принимаем n=1000 об/мин.

Произведем пересчет скорости резания при черновом растачивании:

Расчеты режимов резания для остальных операций сведены в таблицу 4.1

Таблица 4.1 Расчет режимов резания

№ П/ПНаименование операцииS, мм/обV, м/минn, об/мин 010Расточная0,3229,221000040Токарно-лобовая 2-х шпиндельная0,3229,221000080Токарно-лобовая 2-х шпиндельная0,2/0,6183,38800

.9 Нормирование операции технологического процесса изготовления детали «кольцо блокирующее синхронизатора ВАЗ 2123»

Штучно-калькуляционное время определяется по формуле:

(4.6)

где - основное время.

Тв - вспомогательное время.

Торг.обс- время на организационное обслуживание рабочего места.

Ттех.обс. - время на техническое обслуживание рабочего места.

Тотд. - время на отдых и личные потребности.

Тпз - подготовительно-заключительное время.

Для операции 010 основное технологическое время:

Вспомогательное время:

Тв=Туст+Тупр+Тизм (4.7)

где Туст - время на установку и снятие детали.

Тупр - время на управление станком, связанное с переходом.

Тизм - время на контрольные измерения.

Тв=0,1 мин.

Топер=То+Тв=0,049+0,1=0,149мин.

Торг.обс=7%Топер=7%×0,149=0,011 мин.

Ттех.обс=3%Топер=3%×0,149=0,00447мин.

Тотд=4%Топер=4%×0,149=0,006 мин.

Тпз=0,3 мин.

Тшт=0,049+0,1+0,011+0,0045+0,006+0,3=0,47 мин

Результаты нормирования остальных операции приведены в операционных картах.

5. Проектирование и расчет измерительного приспособления для контроля угла конуса наружной поверхности трения

Основным элементом детали «кольцо блокирующее синхронизатора» является коническая поверхность трения, она является составляющей пары трения «кольцо блокирующее - муфта скользящая». Для контроля угла наружного конуса необходимо спроектировать измерительное приспособление.

5.1 Описание измерительного приспособления для контроля угла конической поверхности кольца блокирующего синхронизатора

Измерительное приспособление для контроля угла наружной конической поверхности трения колец блокирующих синхронизатора (см.чертеж ДП 00.000.00СБ) представляет собой плиту 10 на которой установлена направляющая 1. В направляющей, по двум гладким пояскам устанавливается опора 2. Данная деталь имеет три призматических паза для базирования детали по трем зубьям. Во внутреннее отверстие опоры вворачивается винт 3. Сверху деталь поджимается прижимной шайбой 4. Для того, чтобы лапки этой шайбы прижали деталь напротив трех зубьев, установленных в 3 призматических паза, шайба и опора связываются ориентиром 5. В опоре данный ориентир установлен с натягом, а в шайбе имеется отверстие с зазором. На прижимную шайбу устанавливается сферическая шайба. Данная деталь нужна для того, чтобы усилия на каждой лапке прижимной шайбы были равны и деталь прижималась в трех точках одинаково. На винт 3 далее одевается зажимная гайка 7, с установленным внутри него пальцем 8. Палец имеет сферические канавки, расположенные под углом 600. В зажимной гайке имеется отверстие, перпендикулярное оси детали, в нем установлены шарик, пружина и винт, завинчивая который, передается усилие на пружину, а, следовательно, и на шарик. Шарик под действием возникающего крутящего момента начинает из одной канавки перекатывать в другую, тем самым, создавая измерительное усилие.

6. Расчет технико-экономических показателей

Целью дипломного проекта является разработка технологического процесса газопламенного напыления внутренней конической поверхности кольца блокирующего синхронизатора ВАЗ 2123 износостойким покрытием. Технология напыления основана на действующем технологическом процессе изготовления колец блокирующих синхронизатора ВАЗ 2101. Вследствие этого технико-экономические показатели будут рассчитаны для данного технологического процесса, а также приведен расчет затрат исследований на износостойкость конической поверхности кольца после напыления.

6.1 Расчет себестоимости технологического процесса изготовления одной детали

В таблице 6.1. приведены все необходимые показатели для расчета себестоимости кольца блокирующего синхронизатора для действующего технологического процесса на Волжском автомобильном заводе, пересчитанные на единицу детали.

Таблица 6.1 Показатели для расчета себестоимости кольца блокирующего синхронизатора

№Статьи расходаЕд. измер.МолибденНикель1Материал заготовкируб.20,8820,882Материалы напыляемыеруб.3,700,943Транспортно-заготовительные расходы 2,44%руб.0,090,044Топливо и энергия 64,41%руб.0,040,045Основная зарплата основн.рабочихруб.0,060,066Расходы по содержанию и эксплуатации оборудования 285,09%руб.0,170,177Цеховые расходы 116,41%руб.0,070,078Возмещение износа спецоснастки и инструмента 64,69%руб.0,040,049Общезаводские расходы 168,22%руб.0,100,1010Итого цеховая себестоимостьруб.21,4719,0311Внепроизводственные расходы 2,64%руб.0,570,5212Себестоимость детали с износостойким покрытиемруб.22,0419,54

Расчеты себестоимости кольца, напыленного молибденом:

. Стоимость материала заготовки детали: 20,88 руб.;

. Транспортно-заготовительные расходы составляют 2,44% от стоимости материалов и равны: 0,0244·3,7=0,09 руб.;

. Топливно-энергетические расходы: 0,04 руб.;

. Заработная плата: 0,06 руб.;

. Ремонт и содержание оборудования составляют 285,09% от заработной платы и равны: 2,8509·0,06=0,17 руб.;

. Цеховые расходы составляют 116,41% от заработной платы и равны: 1,1641·0,06=0,07 руб.;

. Затраты на оснастку, инструмент и тару составляют 64,69% от заработной платы и равны: 0,6469·0,06=0,04 руб.;

. Общезаводские расходы составляют 168,22% от заработной платы и равны: 1,6822·0,06=0,1 руб.;

. Общая цеховая себестоимость равна сумме показателей в п. 1 - 9 и составляет: 20,88+0,09+0,04+0,02+0,06+0,17+0,07+0,04+0,1=21,47 руб.;

. Внепроизводственные расходы составляют 2,64% от общей цеховой себестоимости и равны: 0,0264·21,47=0,57 руб.;

. Себестоимость детали равна сумме внепроизводственных расходов и общей цеховой себестоимости кольца блокирующего синхронизатора: 0,57+21,47=22,04 руб.

Результаты расчетов себестоимости детали с износостойким покрытием на основе никеля представлены в таблице 6.1.

6.2 Расчет текущих затрат на исследование

Для расчета текущих затрат, необходимо исследования разбить на несколько этапов, что позволит систематизировать расчеты.

Выделим этапы исследований:

подготовительный этап: анализ состояния вопроса, изучение сущности метода газотермического напыления, его преимуществ и недостатков по сравнению с другими методами, литературно-патентный поиск;

выбор и проектирование необходимого оборудования: для дальнейших испытаний колец после напыления, исследований результатов после испытаний, а также установки для газопламенного напыления;

разработка технологического процесса напыления;

разработка методики испытаний на износостойкость деталей;

разработка методики исследований после испытаний колец блокирующих синхронизатора;

модернизация опытной установки для напыления колец блокирующих синхронизатора;

модернизация стенда для испытаний колец;

напыление опытной партии колец блокирующих синхронизатора;

испытание колец блокирующих синхронизатора;

обработка информации.

В общем случае расходы на проведение исследований рассчитываются по формуле (6.1):

, (6.1)

где Сзп - основная и дополнительная заработной платы (с отчислениями в фонд социального страхования), См - затраты на эксплуатацию имеющегося оборудования, Св - затраты на закупку необходимого оборудования и материалов.

Затраты на заработную плату Сзп определим по формуле (6.2):

, (6.2)

где n - количество этапов исследования, СЧi - часовая тарифная ставка работника, выполняющего i-ю часть исследования, руб./час., ti - затраченное время на проведение i-ого этапа исследования, час.

Затраты на эксплуатацию оборудования См можно определить как:

, (6.3)

где СМЧi - стоимость машино-часа работы i-ого оборудования, руб./час.

Затраты на закупку необходимого оборудования и материалов СВ рассчитываем по формуле (6.4):

, (6.4)

где Спор - стоимость одного килограмма порошка для напыления, Спор=660 руб., N - необходимое количество порошка, кг., N = 8кг, Суст - затраты, связанные с модернизацией установки для дуговой наплавки, Суст = 1200 руб., Сстенд - затраты, связанные с модернизацией стенда для испытаний колец блокирующих синхронизатора, Сстенд = 850 руб., Ссеб - себестоимость одного кольца блокирующего синхронизатора, Ссеб = 19,54 руб.(см. п. 6.1) ,М - количество испытуемых колец, М = 30 шт.

В формуле 6.4 первое слагаемое, характеризующее затраты на материалы, умножается на 2, так как при напылении используется смесь из двух порошков: марок ПН85-Ю15 и ПРН70Х17С4Р4. Стоимости порошков одинаковые.

В табл. 6.2 приведены показатели для расчета затрат на заработную плату работникам, занимающихся исследованием.

Таблица 6.2 Показатели для расчета затрат на заработную плату работникам, занимающихся исследованием

№Этапы исследованийti, час.ИсследователиCЧi, руб./час.СЗПi, руб.1подготовительный этап120инженер-исследователь2226402выбор и проектирование необходимого оборудования15инженер-технолог223303разработка технологического процесса напыления15инженер-технолог223304разработка методики испытаний на износостойкость деталей30инженер-технолог22660инженер-исследователь226605разработка методики исследований после испытаний колец30инженер-исследователь226606модернизация опытной установки30инженер-технолог22660рабочий175107модернизация стенда для испытаний колец30инженер-исследователь22660рабочий175108напыление опытной партии колец блокирующих синхронизатора5инженер-исследователь22110лаборант14709испытание опытной партии колец блокирующих синхронизатора80инженер-исследователь221760лаборант14112010обработка информации80инженер-исследователь221760

По формуле 6.2, просуммировав значения СЗПi, указанные в табл. 6.2, получим величину затрат на заработную плату:

В табл. 6.3 приведены необходимые данные по эксплуатации оборудования, для расчета соответствующих затрат.

Таблица 6.3 Показатели для расчета затрат по эксплуатации оборудования

№Этапы исследованийti, час.Используемое оборудованиеСМЧi, руб./час.СМi, руб.1подготовительный этап120ПК IBM Celeron 40056002выбор и проектирование необходимого оборудования15ПК IBM Celeron 4005753разработка технологического процесса напыления15ПК IBM Celeron 4005754разработка методики испытаний на износостойкость деталей30ПК IBM Celeron 40051505разработка методики исследований после испытаний колец30ПК IBM Celeron 40051506модернизация опытной установки30---7модернизация стенда для испытаний колец30---8напыление опытной партии колец блокирующих синхронизатора5модернизация опытной установки 10509испытание опытной партии колец блокирующих синхронизатора80стенд для испытаний колец1080010обработка информации80ПК IBM Celeron 4005400

По формуле 6.3, просуммировав значения СМi, указанные в табл. 6.3, получим величину суммарных затрат на эксплуатацию оборудования:

Затраты на закупку необходимого оборудования и материалов СВ получаем по формуле 6.4.

Зная затраты на заработную плату, затраты на эксплуатацию оборудования, а также затраты на закупку необходимого оборудования и материалов для проведения исследований получим значение расходов на проведение исследований:

6.3 Анализ результатов экономического расчета

Анализ результатов показал, что с экономической точки зрения, процесс напыления износостойких покрытий на основе никеля является более рациональным.

В результате расчета текущих затрат на исследования напыленных колец на износостойкость, был получен следующий результат: данные исследования предполагают затраты в размере 27936 руб.

7. Безопасность жизнедеятельности

Задачей дипломного проекта является разработка технологического процесса газопламенного напыления наружной конической поверхности кольца блокирующего синхронизатора ВАЗ 2123 износостойким покрытием на основе никеля (Ni), что является одним из методов повышения износостойкости колец блокирующих, а следствием и повышение долговечности узла синхронизатора КПП ВАЗ 2123. Технология напыления основана на действующем технологическом процессе изготовления колец блокирующих синхронизатора ВАЗ 2123, таким образом, помимо техники безопасности преследуемой в действующем технологическом процессе необходимо учесть и специфику технологии напыления в области безопасности жизнедеятельности.

7.1 Общие требования безопасности к технологическим процессам

Общие требования безопасности к технологическим процессам регламентированы ГОСТ 12.3.002-75 «Процессы производственные. Общие требования безопасности».

Проектирование, организация и проведение технологического процесса изготовления детали «Кольцо блокирующее синхронизатора» предусматривает:

устранение непосредственного контакта рабочих с исходными материалами, заготовками, полуфабрикатами, готовой продукцией и отходами производства, оказывающими вредное воздействие;

замену технологических процессов и операций, связанных с возникновением опасных и вредных производственных факторов, процессами и операциями, при которых указанные факторы отсутствуют или обладают меньшей интенсивностью;

рациональную организацию труда и отдыха с целью профилактики монотонности и гиподинамии, а также ограничения тяжести труда, а именно: герметизацию оборудования, применение средств защиты работающих, комплексную механизацию, автоматизацию, применение дистанционного управления технологическими процессами и операциями при наличии опасных и вредных производственных факторов;

систему контроля и управления технологического процесса, обеспечивающую защиту рабочих и аварийное отключение производственного оборудования;

своевременное удаление и обезвреживание отходов производства, являющихся источниками опасных и вредных производственных факторов.

7.1.1 Общие требования к материалам, производственному оборудованию и организации рабочих мест

Производственные помещения, в которых осуществляются процессы обработки резанием, а также обработки давлением должны соответствовать СН и П ІІ-2-80, СН и П ІІ-89-80 и санитарным нормам проектирования промышленных предприятий СН 245-71. Бытовые помещения должны соответствовать требованиям СН и П ІІ-92-76. Все помещения должны быть оборудованы средствами пожаротушения по ГОСТ 12.4.009-83.

По ГОСТ 12.2.009-80 «Станки металлорежущие. Общие требования безопасности» регламентируются требования на все группы изготавливаемых и находящихся в эксплуатации металлорежущих, электрофизикохимических станков, автоматических линий, а также применяемых совместно с ними устройств, подключаемых к питающей сети с номинальным напряжением до 660В и частотой до 220Гц.

Станки должны отвечать требованиям безопасности в течение всего периода эксплуатации при выполнении потребителем требований, установленных в эксплуатационной документации по ГОСТ 12.2.003-91. Используемые в расчетах характеристики станка (мощность, частота вращения шпинделя и т.д.) выбраны из паспорта.

Введение В связи с увеличением удельных тепловых и механических нагрузок в современных автомобилях все большее значение приобретает проблема повышения на

Больше работ по теме: