Los sistemas sincronizadores de las transmisiones de servicio pesado funcionan aplicando par con cargas elevadas, cambios de marcha frecuentes y cambios térmicos. Están diseñados para igualar la velocidad de las piezas giratorias antes del acoplamiento, lo que minimiza el impacto del cambio y el desgaste de los dientes. El anillo cónico, y más específicamente el anillo sincronizador, crea la superficie de acoplamiento por fricción que permite dicho acoplamiento de velocidades.
Con el aumento del par motor de los vehículos comerciales y la necesidad de un mayor kilometraje, el anillo sincronizador debe presentar un par de fricción constante, resistir el desgaste mecánico y mantener la precisión dimensional. Los anillos tradicionales de acero forjado pueden requerir un mecanizado mayor y sus características de rendimiento pueden variar con la carga. La pulvimetalurgia (PM) es un proceso de fabricación alternativo para fabricar piezas complejas con gradiente de densidad controlado y buenas propiedades mecánicas para aplicaciones de servicio pesado.
Contenido
Características funcionales del anillo cónico sincronizador
El par de fricción se produce desde el anillo sincronizador, que conecta dos engranajes para alcanzar la misma velocidad. Su superficie cónica entra en contacto con la pieza de acoplamiento y debe presionarla con gran fuerza.
El deslizamiento cíclico, los cambios rápidos de temperatura y las cargas dependientes del tiempo requieren un equilibrio entre dureza, tenacidad y estabilidad dimensional. Si la estructura se vuelve viscosa, se deforma en algunas zonas o se pierde la uniformidad de fricción, el cambio de marcha con sincronizador puede resultar difícil, no se puede liberar demasiado par y puede producirse desgaste precoz. Por lo tanto, se requiere una microestructura estable y propiedades superficiales planas.
Polvo metálico para anillos sincronizadores
Más comúnmente, en los anillos sincronizadores de PM se utiliza una formulación de polvo de Fe-Mo-Ni-Cu de tipos de aleación sinterizada por difusión. Un sistema habitual contiene Mo para la templabilidad, Ni para la tenacidad, Cu debido a la respuesta a la sinterización y adiciones de grafito para equilibrar el contenido de carbono. Una pequeña cantidad de lubricante interno mejora la fluidez y la expulsión del molde. Los elementos de aleación se difunden uniformemente durante la sinterización, formando una fina matriz de perlita en el cuerpo del anillo. Esta forma proporciona estabilidad dimensional y permite el endurecimiento de las áreas, que forman estructuras martensíticas durante el tratamiento térmico.
Proceso de fabricación de anillos sincronizadores mediante polvo metálico
La construcción proceso de fabricación por pulvimetalurgia El proceso de fabricación de los anillos sincronizadores sigue una serie de pasos de procesamiento controlados.
Mezcla de polvos
El proceso de producción consiste en mezclar primero el polvo de hierro aleado por difusión con grafito (≈0.8 % en peso) y un lubricante (≈0.3 % en peso). La mezcla uniforme del elemento de aleación facilita la consistencia tanto en la densificación como en el tratamiento térmico.
Compactación
Proceso de compactación Se implementa en una prensa de alto tonelaje con un sistema de matriz multiflotante. La superficie del cono, las hendiduras y el orificio central se producen durante el prensado en este sistema de herramientas. La matriz puede llenarse hasta aproximadamente 42 mm y la alimentación asistida por vibración promueve un empaquetamiento uniforme. La presión de compactación generalmente se encuentra entre 600 y 700 MPa. De esta manera, la densidad en verde alcanza aproximadamente 6.80-6.90 g/cm³ en un cuerpo anular y aproximadamente 6.85-6.95 g/cm³ en posiciones con mayor capacidad de carga.
sinterización
La pieza se somete a un ciclo térmico por etapas durante la sinterización en atmósfera inerte. Los aglutinantes y lubricantes se queman a aproximadamente 680 °C, tras lo cual los anillos se presinterizan a una temperatura de aproximadamente 900 °C antes de alcanzar la temperatura de meseta de sinterización principal de aproximadamente 1120 °C, cuando se definen las regiones de infiltración de cobre fundido dentro de un anillo, para aumentar las densidades locales a aproximadamente 7.45–7.55 g/cm³. Esta densificación selectiva refuerza las regiones que experimentan la máxima acción mecánica en el sincronizador.
El enfriamiento se controla para evitar cualquier distorsión térmica y acondicionar el material para un endurecimiento adicional. Un breve periodo de reposo de alrededor de 860 °C contribuye a garantizar una temperatura homogénea del anillo justo antes del enfriamiento final.
Las operaciones secundarias
Tratamiento térmico
Se utiliza un tratamiento térmico por inducción para endurecer la superficie de fricción. El anillo tiene una velocidad de rotación de 40 r/min y se acciona mediante un pulso de energía corto y alto de ∼600 A durante ∼3 s, seguido de un enfriamiento activo. Esto da como resultado una capa martenística de 0.6 a 0.8 mm de profundidad con una dureza superficial de aproximadamente HRC 27 a 35.
Mecanizado CNC
La tolerancia dimensional de la cara cónica, los orificios para pasadores y las caras de los extremos se determina mediante el mecanizado final. El ensamblaje se completa conectando un revestimiento de fricción de fibra de carbono, con un espesor aproximado de 0.65 milímetros, a la superficie exterior del cono.
Tratamiento de vapor
Después de la sinterización y el enfriamiento controlado, tratamiento de vapor Se aplica a la superficie del anillo sincronizador. El componente se expone a vapor sobrecalentado a temperatura elevada, lo que forma una capa delgada y densa de óxido de hierro. Esta capa de óxido mejora la estabilidad de la superficie, la resistencia al desgaste y la consistencia de la fricción, además de proporcionar protección básica contra la corrosión.
Propiedades mecánicas y físicas
Los anillos sincronizadores PM tienen un gradiente de densidad diseñado para adaptarse a la distribución de la carga. Al someterse al tratamiento de inducción, se desarrolla un núcleo perlítico con secciones martensíticas en las zonas tratadas. Esto incluye los altos pares de torsión combinados con las tensiones de acoplamiento repetitivas típicas de los vehículos comerciales.
La siguiente tabla muestra las propiedades mecánicas de los anillos cónicos sincronizadores PM.
| Propiedad | Valor típico |
|---|---|
| Densidad (corporal) | 7.47 g / cm³ |
| Dureza superficial | ~HRC 30 |
| Máxima resistencia a la tracción | ~ 619 MPa |
| Estructura de la matriz | Aleación de difusión perlítica fina |
| Profundidad de la zona endurecida | ~0.6–0.8 milímetros |
Los anillos sincronizadores PM ofrecen un rendimiento fiable bajo las cargas cíclicas del cambio. Su superficie endurecida mantiene su resistencia a la fricción y resiste el pulido.
Las áreas con infiltración de cobre no se comprimen ni se deforman bajo condiciones de uso intenso. La estabilidad dimensional se mantiene después del ciclo térmico, manteniendo constante el acoplamiento del cono.
El gradiente de densificación y el tratamiento térmico bien controlado en el procesamiento de PM evitan los modos de fallo presentes en los anillos convencionales, como la flexión o el ablandamiento localizados.
Comparativo con la fabricación convencional
Los anillos sincronizadores de acero 40Cr forjados o torneados requieren numerosos procesos de procesamiento, con mayor cantidad de residuos y un mayor coste. Su microestructura puede variar significativamente entre lotes, lo que influye en el comportamiento a largo plazo de los sincronizadores.
Sin embargo, los anillos sincronizadores sinterizados incorporan su geometría en la mayor parte de la compactación. Se minimiza el tiempo de mecanizado, se mejora la repetibilidad dimensional y se puede personalizar la densidad en las áreas de rendimiento más críticas. Estas ventajas hacen que la PM sea especialmente eficaz para aplicaciones de transmisión de alto volumen y servicio pesado.
El rendimiento de los anillos sincronizadores PM se basa en el diseño de la aleación, la densificación selectiva y el procesamiento térmico controlado. La alta densidad de las formaciones en zonas críticas aumenta la capacidad de carga y el núcleo perlítico reduce la deformación durante largos periodos de servicio. El temple por inducción de armonización proporciona una superficie de fricción resistente para una larga vida útil y una sincronización fluida.
La pulvimetalurgia sirve como un proceso confiable, rentable y probado para la fabricación de anillos cónicos sincronizadores como los que se emplean en transmisiones de servicio pesado.