Условия работы вала-шестерни

1. ОПИСАНИЕ УСЛОВИЙ РАБОТЫ ВАЛА-ШЕСТЕРНИ И ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К НЕМУ 

    Вал-шестерня коробки передач легкового  автомобиля представляет собой вал, изготовленный в одно целое с шестерней. Общий вид и основные размеры вала-шестерни представлены на рисунке 1. 1

     
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    Рис. 1.1 – Вал-шестерня коробки передач легкового автомобиля 

      В процессе эксплуатации зубья шестерни подвергаются: изгибу при максимальном однократном нагружении, изгибу при  многократных циклических нагрузках, вследствие чего в корне зуба развиваются наибольшие напряжения, и может происходить усталостное разрушение, так же в процессе эксплуатации происходит износ поверхностного слоя

      В связи с условиями работы вала-шестерни, он должен обладать высокой прочностью и износостойкостью поверхностного слоя, высоким пределом выносливости при изгибе и контактных нагрузках при вязкой сердцевине. Также вал-шестерня работает в условиях вибраций и при отрицательных температурах, в связи с чем от данного изделия требуется хорошая ударная вязкость при отрицательных температурах [1]. 

      Исходя  из вышесказанного,  к валу-шестерне предъявляются следующие требования ,после химико-термической обработки: сердцевины 32-35 HRC, поверхности 58-61 HRC, глубина упрочненного слоя δ=1,0-1,2 мм.

      Материал, из которого изготавливают вал-шестерню должен обладать следующими свойствами: σ _в=1000-1150 Н/мм², σ_0,2= 800-950 Н/мм², δ₅ ≥ 8-12%, KCU = 100-120 Дж/см². 
 
 
 
 
 

    2 Выбор и обоснования  марки стали 
 

     Исходя  из требований, предъявляемых к вал-шестерне, оптимальными для изготовления детали, являются конструкционные легированные цементуемые стали.

     Основными критериями выбора стали для вал-шестерни должны служить механические свойства сердцевины, которые зависят от размера  сечения и прокаливаемости. Цементуемые  стали должны характеризоваться достаточно высокой прокаливаемостью и закаливаемостью, позволяющей обеспечить требуемую твердость поверхностного слоя и сердцевины при закалке в масле, технологичностью для насыщения, определяемой малой склонностью к чрезмерному насыщению поверхности углеродом.

     Рабочее сечение вал-шестерни составляет 80 мм, для ее изготовления требуется сталь, которая обеспечит предъявляемые требования после химика–термической обработки. В таблице 2. 1. приведены свойства различных сталей после химика - термической обработки. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Таблица 2.2 – Влияние различных режимов химика – термической обработки на свойства различных сталей [1]

 

    Из  таблице 2. 2 видно, что количество легирующие элементы изменяет показатели твердости и механических свойств. Таким образом, хром  – сравнительно дешёвый элемент  и широко используется  для легирования стали. В хромистых сталях в большей степени развивается промежуточное превращение; при закалке с охлаждением в масле, выплавляемой после цементации, сердцевина изделия имеет бейнитное строение. Вследствие этого хромистые стали по сравнению с углеродистыми обладают более высокими прочностными свойствами при несколько меньшей пластичности в сердцевине и лучшей прочности в цементованном слое.  Марганец  образует с железом твердый раствор и несколько повышает твердость и прочность стали, незначительно уменьшая ее пластичность. Марганец связывает серу в соединение MnS, препятствуя образованию вредного соединения FeS. Кроме того, марганец раскисляет сталь. При высоком содержании марганца сталь приобретает исключительно большую твердость и сопротивление износу. Никель - придает стали коррозионную стойкость, высокую прочность и пластичность, увеличивает прокаливаемость. Бор повышает плотность слитка, устраняет дендритную структуру. Стали с бором легче обрабатываются при горячей пластической деформации, хорошо обрабатываются резанием. Следовательно сталь 20Х2Н4А имеет наибольшую твердость, несколько ниже твердость в стали 20ХГНР и наименьшую твердость имеет сталь 20ХН3А. Что касается  свойств, то стали 20Х2Н4А и 20ХГНР обеспечивают заданный уровень свойств, кроме ударной вязкости в стали 20Х2Н4А, однако с точки зрения себестоимости не целесообразно использовать сталь 20Х2Н4А для серийного производства, так как содержит большое количество дорогостоящих легирующих элементов и требует дорогостоящей химика - термической обработки. Сталь 20ХН3А не целесообразно использовать по предъявляемым требованиям, а так же требует многостадийной, дорогостоящей химика - термической обработки. Сравним данные стали по стоимости. Наиболее дорогими элементами из их состава являются никель, соответственно и наиболее дорогой сталью будет та сталь, в которой этих элементов наибольше. Сталь 20ХГНР является самой дешёвой из всех перечисленных, так как содержит всего около 1 %  никеля по сравнению 3-4%  в сталях 20Х2Н4А и 20ХН3А.

    Таким образом, учитывая экономические показатели и уровень получаемых свойств, для  производства вала - шестерни выбрана сталь 20ХГНР. Сталь марки 20ХГНР является конструкционной, легированной низкоуглеродистой, цементуемой, хромоникелевой.

     Химический  состав стали 20ХГНР и ее критические  точки представлены в таблицах 2.3 и 2.4.

Таблица 2.3 - Химический состав стали 20ХГНР [1], %

 

Таблица 2.4 -Температура критических точек  стали 20ХГНР,ºC [1]

 

    В качестве термической обработки для упрочнения поверхности вала-шестерни применяется газовая цементация. Этот вид термической обработки обеспечивает такое содержание углерода в поверхностном слое, при котором твердость поверхности после соответствующей обработки достигает требуемого значения. При этом процесс газовой цементации происходит быстрее и проще, чем процесс цементации в твердом или жидком карбюризаторах. В качестве науглероживающей среды при газовой цементации применяется природный газ, разбавленный эндогазом до концентрации 3-5% СН₄ в газе [3]. В качестве термической обработки цементованного вала-шестерни, в настоящем случае рекомендуется использовать режим термической обработки включающая в себя закалку(770-790 ºC)и низкий отпуск.

     Сталь 20ХГНР, хотя и содержит бор, который измельчает зерно, не является наследственно мелкозернистой из-за наличия никеля и марганца. На рисунке 2.1 показана зависимость роста величины зерна аустенита от температуры нагрева при цементации.

              3

              4

              5

              6

              7

              8

              9

                     700          800       900       1000     1100     1200                

Рисунок 2.1  - Влияние температуры нагрева на рост зерна аустенита стали 20ХГНР [1]

      Из  приведенного графика видно , что  сталь 20 ХГНР не является наследственно мелкозернистой, поскольку величина зерна при цементации растет(при нагреве более чем на 850 ^оС) , что отрицательно сказывается на механических свойствах стали. Следовательно, изделия из стали 20ХГНР нельзя закаливать с цементационного нагрева во избежание получения крупнозернистой структуры [2].

      На  рисунке 2.2 приведена изотермическая диаграмма до и после цементации стали 20ХГНР.

     

А     Б

А- цементованная  сталь  20 ХГН  ; Б- до цементации сталь 20ХГН

Рисунок 2. 2 – Диаграмма изотермического  превращения аустенита цементованной  стали 20ХГНР 

    На  рисунке 2.2 представлена диаграмма  изотермического превращения аустенита  стали 20 ХГНР до и после цементации   . С её помощью определим критическую скорость охлаждения. Она соответствует 2-3 ⁰С/с. Необходимо, чтобы скорость охлаждения в центре изделия была выше критической скорости, что обеспечит бездиффузионный распад аустенита. Достаточной для этого скоростью будет 3-4 ⁰С/с. Такую скорость охлаждения обеспечивает масло. При закалке в масле вероятность появления трещин на изделии весьма мала, поскольку мартенситное превращение идет в условиях медленного охлаждения, что уменьшает уровень внутренних напряжений [5]. Поэтому закалка вала-шестерни из стали 20 ХГНР должна производиться в масле.

    На рисунке 2. 3,показано как изменяются, твердость стали  20ХГНР в зависимости от температуры отпуска не цементованной стали.

        70

        60

        50

        40

             20  

                   100   200 300 400 500 600

Рисунок 2.3 – Зависимость твердости не цементованной стали 20ХГНР от температуры отпуска после закалки [5]