К вопросу повышения долговечности шаровых и шкворневых сопряжений передней оси автомобиля

Размещено на http://www.allbest.ru/

К вопросу повышения долговечности шаровых и шкворневых сопряжений передней оси автомобиля

А.П. Ериков, доцент кафедры эксплуатации автобронетанковой техники, доцент

Электронный адрес: yerikov@yandex.ru

Пермский военный институт войск национальной гвардии Российской Федерации,

614112, г. Пермь, ул. Гремячий Лог, 1

В статье проведен анализ современных конструкционных материалов, применяемых для изготовления деталей шаровых сочленений, и рассмотрены инновационные технологии при изготовлении деталей для передних осей автомобилей.

Ключевые слова: шаровые сочленения; цементация; нитроцементация; закалка токами высокой частоты; самофлюсующиеся сплавы; органоволокниты; антифрикционный слой; подшипники; узлы трения.

TO THE QUESTION OF INCREASING THE BALL DURABILITY AND MAGNETIC FORMING FRONT AXLE VEHICLE

A.P. Yerikov, associate professor of the department of armored equipment, associate professor.

E-mail: yerikov@yandex.ru

The Perm Military Institute of the National Guard Troops of the Russian

Federation, Perm

614112, Perm, Gremyachiy Log Street, 1

The article analyzes the modern structural materials used for the manufacture of parts of ball joints, and considers innovative technologies in the manufacture of parts for the front axles of cars.

Keywords: ball joints, cementation; carbonitriding; quenching with high frequency currents; self-fluxing alloys, organic fiber, antifriction layer, bearings, friction units.

Для обеспечения сроков эксплуатации деталей шаровых сочленений их поверхностные слои должны обладать определенными специфическими свойствами, такими как: высокая твердость с достаточно высокой вязкостью и значительное сопротивление сжатию, растяжению и сдвигу.

Срок службы таких деталей, подверженных только цементации не обеспечивает необходимого ресурса образца военной и специальной техники до капитального ремонта. Работы по изучению надежности грузовых автомобилей со сроком эксплуатации 5-7 лет указывают на отказ шарнирных соединений более чем в 20% образцов техники. Анализ изнашивания этих деталей и методов их упрочнения показывает, что в наибольшей мере комплекс необходимых физико-механических свойств поверхностного слоя обеспечивается применением самофлюсующихся покрытий.

По результатам научных исследований, стоимости и объему выпуска самофлюсующихся сплавов основным материалом для шаровых сочленений в отечественной промышленности всегда считался сплав системы Ni-Cr-B-Si.

При его использовании учитывались данные по стойкости сплавов при абразивном износе, результаты исследований износостойкости в условиях трения качения и износостойкости при граничном трении [1].

В процессе исследований было проведено сравнение по степени износоустойчивости цементированных сталей 20, 12ХН3А, применяемых для изготовления сухарей и шаровых пальцев и рассматриваемого сплава. Исследования проводились при скоростях скольжения 0,89 м/с и давлении около 40 МПа. В качестве контроллера использовались диски из цементированных сталей с достаточно высокой твердостью. Максимальная потеря масс при граничном трении в процессе испытаний была получена на образцах, выполненных из стали 40ХН, при этом износостойкость цементированных сталей оказалась в 1,5 раза выше. Использование напыленного покрытия из сплава системы Ni-Cr-B-Si увеличило износоустойчивость еще в 1,5-2 раза.

Исследования износоустойчивости самофлюсующегося покрытия показали, что оно выдерживает более 20 млн. циклов нагружения при давлениях в зоне контакта порядка 1000 МПа, которые превышают напряжения, возникающие при эксплуатации на поверхностях шарового шарнира.

Для оптимального выбора оборудования высокотемпературного напыления покрытий анализировалась работа плазменных и газопламенных горелок, при этом сравнивались результаты о производительности, прочности сцепления, коэффициенте использования порошка и т.д. Замеры твердости, микро-твердости и плотности оплавляемых слоев показали идентичность свойств покрытий, нанесенных плазменным и газопламенным методом.

Минимальной толщиной напыления для самофлюсующихся сплавов системы Ni-Cr-B-Si при стандартных режимах считается 0,2-0,3 мкм. Нанесение большего по толщине слоя опасно из-за возможных подтеков и провисаний при оплавлении, а также трещинообразования при охлаждении. Толщина напыляемого слоя должна быть такой, чтобы слой не износился в процессе определенного времени эксплуатации. Таким образом, толщина слоя после обработки с учетом предотвращения возможного продавливания должна составлять не менее 0,4 мм на сторону.

Для повсеместного внедрения метода высокотемпературного упрочнения деталей необходимо добиться получения надежного сцепления напыленных материалов с основным металлом, а также действенного контроля процесса оплавления, который обеспечивает сохранение мелкодисперсной исходной структуры напыляемых порошков и уменьшает дальнейшую механическую обработку полученных покрытий. Для этого был разработан новый технологический процесс изготовления изделий с износостойким покрытием. Его новизна заключается в том, что для упрочнения изделия обработку рабочей поверхности ведут формованием напыленного покрытия в процессе локального нагрева изделия[2].

Изучение свойств покрытий из самофлюсующихся сплавов показало сохранение физических и механических свойств исходного порошка, что обеспечивает повышение износостойкости покрытий на 40-80% по сравнению с оплавленными слоями тех же сплавов в условиях граничного трения или абразивного износа. Основным преимуществом рассмотренного метода упрочнения является уменьшение, и даже полное устранение припуска на механическую обработку.

Эксплуатационные испытания деталей производились на различных образцах автомобильной техники. По результатам испытаний было установлено, что износоустойчивость деталей упрочненных данным методом оказалась в 3,5-5 раз выше деталей закаленных токами высокой частоты и цементированных шаровых пальцев и сухарей. Изучение изношенных деталей проводилось комплексным методом, сочетающем макро- и микрофрактографические исследования разрушенных поверхностей и микрорельефа поверхностных слоев. По результатам исследований на поверхностях серийных шаровых пальцев были хорошо видны следы разрушения: схватывание, абразивный износ, усталостное выкрашивание, а поверхности упрочненных деталей после испытаний не имели видимых следов разрушений.

Для определения характера износа шаровых сочленений проводились электронно-графические исследования частиц изнашивания, выделенных из отработанной смазки. Результаты исследований показали, что произошла замена интенсивных видов разрушения серийных деталей процессами нормального изнашивания упрочненных поверхностей.

Таким образом, напыление быстроизнашивающихся поверхностей шаровых пальцев и сухарей самофлюсующимися сплавами системы Ni-Cr-B-Si будет значительно увеличивать сроки службы деталей шаровых и шкворневых сопряжений передней оси автомобиля.

Рассмотренный метод упрочнения шаровых пальцев послужил основой технологического процесса плазменного напыления с последующим калиброванием этих деталей в процессе автоматизированного производства.

Комплект оборудования для упрочнения деталей шаровых и шкворневых соединений, как правило, состоит из многопозиционного устройства, на котором осуществляется дробеструйная обработка и плазменное напыление; индуктора токов высокой частоты, предназначенного для нагрева деталей; узла калибрования напыленных поверхностей роликами.

Наименьшую трудоемкость и наибольшее значение коэффициента использования металла при изготовлении деталей обеспечивает порошковая металлургия. В качестве материала для сухарей испытывались различные составы металлокерамики. При испытаниях детали изготавливались по следующей технологии: приготовление шихты; прессование до относительной плотности порядка 80%; спекание при температуре 1150 ⁰С; выдержка при заданной температуре в течение 1 часа в атмосфере водорода; нитроцементация при температуре 850 ⁰С с последующей выдержкой в течении 3 часов; закалка в масле; отпуск при температуре 200 ⁰С и последующей выдержкой в течении 2 часов.

При использовании данной технологии глубина упрочненного слоя составила около 0,4 мм. Прочностные свойства по результатам испытаний составили 18-20 кН.

Результаты испытаний шаровых сочленений продольных и поперечных рулевых тяг показали зависимость износоустойчивости шарниров от количества и состава загрязнений в смазке. Присутствие в ней большого количества абразива в разы увеличивает износ трущихся поверхностей шаровых сочленений, поэтому необходимо улучшать защиту зоны трения от попадания пыли. Вместе с тем в шаровых сочленениях у автомобилей с очень большим пробегом на трущихся поверхностях иногда возникают очаги схватывания, что приводит к усталостному выкрашиванию.

Испытания показали повышение износоустойчивости металлокерамических изделий по сравнению с деталями, изготовленными из цементированных сталей в 1,5 раза, при этом на трущихся поверхностях отсутствовали следы схватывания, задиров, характерных для таких видов сталей.

В идеальном случае шарнирные соединения должны быть самосмазывающимися, неразборными и иметь ресурс, по меньшей мере, до капитального ремонта автомобиля. Таким условиям наиболее полно отвечает конструкция с использованием антифрикционных самосмазывающихся органоволокнитов.

Анализ критериев долговечности существующих методов упрочняющей технологии показывает возможность повышения ресурса деталей шаровых и шкворневых соединений. Цементация таких деталей обеспечивает полуторакратное повышение долговечности по сравнению с поверхностями, просто закаленными токами высокой частоты. Еще большую износоустойчивость может обеспечить скоростная нитроцементация с последующей закалкой токами высокой частоты.

Для повышения долговечности втулок шкворней, имеющих значительно большее значение величины износа по сравнению со шкворнями, могут применяться различные конструкторско-технологические методы, но при этом предпочтение должно отдаваться способам, механизм упрочнения которых обеспечивает подавление преобладающего механизма поверхностного повреждения трущихся поверхностей. Повышение твердости поверхностных слоев, как правило, не обеспечивает увеличения износоустойчивости.

Неплохие результаты по повышению износоустойчивости были получены при трении шкворня в паре с биметаллической трубой, технология производства которой основана на совместном холодном пластическом деформировании составляющих слоев. Последующая термическая обработка при температуре порядка 700 ⁰С обеспечивает хорошую пластичность основного слоя стали и плакирующего покрытия бронзы, а также мелкодисперстность фосфидной эвтектики в поверхностном слое. Данное качество эвтектики обеспечивает равномерную твердость бронзового слоя, хорошую технологичность, а также высокую износоустойчивость, при одновременной прирабатываемости.

Сейчас находит широкое применение использование втулок, изготовленных из сталей, бронзовое покрытие которых пропитано антифрикционным полиацеталем.

Таким образом, использование современных конструкционных материалов и инновационных технологий при изготовлении деталей для передних осей автомобилей показали высокую их износоустойчивость и уменьшение коэффициента трения в 2 раза по сравнению с бронзой и традиционными методами изготовления.

Список литературы

деталь шаровой конструкционный ось автомобиль

1. Артемов И.И., Войнов А.А. Повышение долговечности шаровых опор легковых автомобилей // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2007. - № 9.

2. Беленький В.Я. Использование аддитивных технологий для восстановления деталей транспортных средств специального назначения / В.Я. Беленький, А.П. Ериков, А.Р. Магомедов // Развитие научной конкуренции в области высоких технологий: сб. ст. междунар. науч.-пр. конф. - Уфа: РИО МЦИИ ОМЕГА САЙНС, 2018.

Размещено на Allbest.ru