Пути повышения надежности машин на стадии проектирования

Повышение качества изделий в большинстве случаев связано с повышением точности обработки и сборки деталей. Изготовление деталей по более высокому квалитету точности связано с большими трудоемкостью и затратами на оборудование, что увеличивает себестоимость изделия. Но при этом обеспечиваются более высокая точность сопряжений, постоянство характера этих сопряжений для большой партии деталей и узлов при их серийном или массовом выпуске, более благоприятные условия для работы сопряженных деталей, а в конечном итоге — высокие эксплуатационные показатели машин. Изготовление деталей по расширенным допускам проще, но обусловливает снижение их гарантированной точности и, следовательно, долговечности машин. Таким образом, задача конструктора и технолога — рационально на основе технико-экономического анализа разрешать противоречия между эксплуатационными требованиями и технологическими возможностями исходя прежде всего из выполнения эксплуатационных требований. При таком анализе должны учитываться все элементы затрат, включая затраты на разработку, на производство и связанные с эксплуатацией изделия.

При проектировании необходимо устанавливать соответствующие функциональному назначению детали или сборочной единицы рациональные квалитеты (классы) точности и чистоту обработки, предельные отклонения формы и расположения поверхностей. Например, зубчатые колеса, изготовленные с небольшой точностью, не могут работать при высоких скоростях вращения, так как при этом в передаче возникают дополнительные ударные нагрузки.

Обеспечение заданных точности изготовления, геометрической формы и шероховатости поверхностей сопряженных деталей способствует повышению надежности подшипниковых узлов и износостойкости опорных поверхностей, в частности при заданной шероховатости нагруженных валов — необходимого сопротивления их усталости.

Предельное состояние деталей в большинстве случаев вызывается недостаточной износостойкостью, во многом зависящей от принятой технологии их изготовления. К основным технологическим факторам, оказывающим наибольшее влияние на износостойкость, относятся: качество материала детали, особенно ее поверхностного слоя; шероховатость поверхностей трения; точность размеров и геометрической формы; качество сборки.

При правильно назначенных и выполненных перечисленных факторах увеличение износостойкости может быть достигнуто за счет поверхностного упрочнения деталей автомобилей. Методы упрочнения различны: поверхностное пластическое деформирование (дробеструйная и пескоструйная обработка, накатывание, волочение, калибрование, центробежно-шариковая обработка и упрочнение взрывом и др.); поверхностная закалка, например токами высокой частоты (ТВЧ), а также комбинированные методы — термическая обработка и пластическое деформирование. Широкое распространение получили в автомобилестроении методы химико-термической обработки (цементация, азотирование, борирование и др.), диффузионное насыщение поверхностных упрочняемых слоев обрабатываемых деталей, упрочнение поверхностных слоев нанесением твердых износостойких покрытий, методы лазерного и электронно-лучевого упрочнения и некоторые другие.

Для повышения надежности деталей машин используют, например, следующие технологические методы обработки.

1. Для зубчатых колес и валов ведущих мостов, коробок передач и раздаточных коробок применяют химикотермическую обработку — цементацию (высокотемпературное насыщение низкоуглеродистых сталей углеродом) и закалку. Такой обработке подвергаются детали из высоколегированных сталей. Так, например, для зубчатых колес и валов коробок передач иногда применяют сталь 15ХГН2ТА, цементацию производят на глубину 0,9...1,2 мм, твердость цементованного слоя 50... 63 HRCa, сердцевины зубьев — 37... 42 HRC3. Установлены и нормы на размер зерна.

Для зубчатых колес главной передачи автомобилей Минского автозавода применяют сталь 20ХНЗА, цементацию производят на глубину 1,2...1,5 мм; твердость цементованного слоя не менее 59 HRC3, сердцевины зубьев —30...44 HRC3.

При цементации и закалке в результате структурных и термических превращений в цементованном слое возникают значительные остаточные напряжения. Этот метод химико-термической обработки при высокой твердости поверхности зуба и относительно вязкой его сердцевине обеспечивает высокую износостойкость и изгибную и контактную прочность.

Шевингование зубьев цилиндрических шестерен способствует повышению чистоты поверхности зубьев, устранению погрешностей профиля и размеров зубьев. Однако более существенным резервом повышения долговечности зубчатых колес является применение зубошлифования вместо чаще всего используемого шевингования.

Кроме того, для уменьшения концентрации нагрузки зубьям цилиндрических колес придают бочкообразную форму, при которой толщина зуба уменьшается от середины к торцам (например, у зубчатых колес главной передачи автомобилей КрАЗ — на

0,08 мм). Бочкообразная  форма зуба дает возможность  стабилизировать пятно контакта  в средней части зубьев и  тем самым увеличить долговечность  передачи за счет уменьшения  контактных напряжений и напряжений  при изгибе зубьев, улучшить их  приработку, уменьшить шум во  время работы.

Применяют также упрочнение шестерен с помощью поверхностного наклепа методом дробеструйной обработки (изгибная прочность зубьев шестерен повышается на 10...15 %, а контактная— на 15...25,%).

В немалой степени долговечность зубчатых колес зависит от методов получения заготовок. Так, при изготовлении зубчатых колес методом горячей накатки прочность зубьев повышается на 15...40 % за счет расположения волокон металла по контуру зуба и возникновения полезных напряжений сжатия в его поверхностных слоях.

2. Для шлицевых соединений валов трансмиссии обеспечивают высокую точность их изготовления, особенно размеров по центрирующему диаметру шлицев, поскольку увеличение зазора в этом соединении приводит к увеличению скорости их изнашивания.

Эффективным является разработанный на Минском автозаводе метод чистового продольного накатывания прямобочных шлицев в отверстиях и на валах с помощью шлиценакатных устройств и многороликовых раскатников. В процессе такой обработки деталей карданных валов высота микронеровностей боковых поверхностей зубьев уменьшается до 6,3... 1,6 мкм. На накатанных поверхностях разность толщин зубьев и непараллельность их боковых поверхностей в поперечном сечении находятся в пределах 0,010... 0,025 мм при исходном различии толщин до 0,03 мм. После термической обработки, осуществляемой вслед за накатыванием, толщина зубьев и точность их расположения сохраняются. Износостойкость их зависит от твердости шлицев деталей, входящих в сочленение.

3. Методы поверхностного пластического деформирования (ППД), относящиеся к наиболее прогрессивным технологическим процессам современной чистовой обработки, обеспечивают получение заданной шероховатости поверхностей и одновременно — упрочняющего эффекта. Образующиеся при этом микронеровности скругленной формы способствуют увеличению площади несущей поверхности и, соответственно, уменьшению давления в зоне контакта трущихся пар, а образование рельефа с большими радиусами выступов и впадин — удержанию смазочного материала между трущимися поверхностями. Упрочнение деталей методами ППД происходит за счет наклепа, при котором в поверхностном слое детали образуются остаточные напряжения сжатия и повышается его твердость.

Накатывание обеспечивает возможность получения поверхностей с параметром шероховатости Ra=0,4... 0,05 мкм при исходной шероховатости =6,3...1,6 мкм и упрочнение поверхностного слоя на 15...20 %. Обработке ППД подвергаются стальные детали с твердостью до 40...45 HRCa, детали из чугуна, алюминиевых сплавов и цветных металлов с различной формой наружных и внутренних поверхностей (цилиндрическими, коническими, шаровыми, торцевыми поверхностями), а также кольцевыми канавками различного профиля и многошлицевыми отверстиями. Этим методом обрабаты¬ваются посадочные поверхности под подшипники ступиц колес, тормозные барабаны, детали карданной передачи, рулевого управления, подвески, гидравлических и пневматических устройств.

4. Все большее применение для деталей автомобилей находит лазерное и электронно-лучевое термоупрочнение. Впервые в отечественном автомобилестроении мощные лазерные установки были внедрены на Московском автомобильном заводе для закалки опорных поверхностей под полуосевые шестерни и сателлиты в чашках дифференциала заднего моста автомобиля «Москвич», изготовляемых из ферритного ковкого чугуна КЧ 35-10. При этом на каждую поверхность под шестерню или сателлит в виде кольца шириной 8...10 мм наносятся две дорожки упрочнения шириной 2 мм на расстоянии 2...3 мм друг от друга с глубиной закалки 0,1...0,2 мм.

Лазерная и электронно-лучевая обработка используется также для упрочнения поршневых колец и канавок для них, шаровых шарниров, седел клапанов, толкателей и других деталей. Твердость упрочненного слоя деталей составляет 61...64 HRC».

Лазерное и электронно-лучевое термоупрочнение обеспечивает значительное повышение износостойкости стальных и чугунных деталей по сравнению с нормализованными или не обработанными термически поверхностными слоями, но не дает существенного уменьшения степени изнашивания по сравнению с деталями, поверхностные слои которых подвергаются нитроцементации, цементации, и даже качественной закалке ТВЧ.

5. Дробеструйная обработка листов рессоры с одной или двух сторон обеспечивает повышение долговечности рессоры за счет создания остаточных напряжений сжатия.

Для упрочнения скользящего конца рессоры на ЗИЛе, например, производится электротермическая обработка листов рессоры, обеспечивающая получение высокой твердости поверхности (57...61 HRC3). То же достигается лазерной или электронно-лучевой обработкой. Однако обеспечить реальное повышение долговечности рессорного узла можно лишь при увеличении износостойкости не только коренных листов, но и работающих в паре с ними вкладышей опоры рессоры. Обычно их упрочняют закалкой ТВЧ (КамАЗ), индукционной закалкой (КрАЗ), цементацией (ЗИЛ). Более эффективно здесь применение плазменного и газопламенного напыления различных самофлюсующихся материалов с последующим их оплавлением. Пальцы ушка задней рессоры, упрочненные нанесением износостойкого материала, имеют повышенную почти в 4 раза износостойкость по сравнению с пальцами, поверхность которых закалена ТВЧ. Одновременно должна быть увеличена твердость втулки до 57...61 HRC9.

6. Эффективным методом повышения износостойкости деталей машин является высокотемпературное напыление на поверхности самофлюсующихся сплавов с последующим их оплавлением. Исследования показали, что износостойкость напыленного и оплавленного покрытия из самофлюсующихся сплавов в условиях абразивного изнашивания в 2...3 раза выше, чем стали 45, закаленной до твердости 47.. .49 HRCa. Этот метод используется, в частности, для напыления поверхности зева буксирного крюка автомобилей Минского автозавода, что обеспечило не менее чем четырехкратное увеличение долговечности крюка по сравнению с подвергавшимся ранее объемной закалке и отпуску.

Применение самофлюсующихся порытий весьма эффективно и для повышения износостойкости шарниров тяг привода рулевого управления. Износостойкость упрочненных таким методом шаровых пальцев и сухарей в 3,5...5 раз выше по сравнению с деталями, закаленными ТВЧ или цементованными.

Приведенные примеры только иллюстрируют возможности технологических методов повышения надежности деталей автомобилей, но, конечно, не дают полного освещения этого направления. Только совместная работа конструктора и технолога, правильная организация этой работы на всех стадиях разработки, изготовления и эксплуатации автотранспортных средств у потребителя позволяет изыскать оптимальные пути обеспечения необходимой надежности автомобилей. Опыт передовых предприятий автомобильной промышленности показывает, что наибольший эффект достигается, если деятельность всех служб предприятия — технических, контроля, стандартизации, метрологии и, конечно, производственных подразделений — будет подчинена решению этой важнейшей народнохозяйственной задачи. Одно из ведущих мест в этой работе, как правило, принадлежит конструкторско-экспериментальным отделам (или управлениям). 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Особенности геометрии косозубых передач. Силы, действующие в косозубом зацеплении

 

Механизм, в котором два подвижных звена являются зубчатыми

 колесами, образующими с неподвижным звеном вращательную или поступательную пару, называют зубчатой передачей (рис. 1). 

 

Рис. 1. Виды зубчатых передач: а, б, в — цилиндрические зубчатые передачи с внешним зацеплением; г — реечная передача; д — цилиндрическая передача с внутренним зацеплением; е — зубчатая винтовая передача; ж, з, и — конические зубчатые передачи; к — гипоидная передача 

 

В большинстве случаев зубчатая передача служит для передачи вращательного движения. В некоторых механизмах эту передачу применяют для преобразования вращательного движения в поступательное (или наоборот, см. рис. 1, г).

Зубчатые передачи — наиболее распространенный тип передач в современном машиностроении и приборостроении; их применяют в широких диапазонах скоростей (до 100 м/с), мощностей (до десятков тысяч киловатт).

Основные достоинства зубчатых передач по сравнению с другими передачами:

- технологичность, постоянство  передаточного числа;

- высокая нагрузочная  способность;

- высокий КПД (до 0,97-0,99 для  одной пары колес);

- малые габаритные размеры  по сравнению с другими видами  передач при равных условиях;

- большая надежность в  работе, простота обслуживания;