I sistemi di sincronizzazione delle trasmissioni per impieghi gravosi funzionano applicando coppia in presenza di carichi elevati, frequenti cambi di marcia e variazioni termiche. Sono progettati per uniformare la velocità delle parti rotanti prima dell'innesto, riducendo al minimo gli urti durante il cambio e l'usura dei denti. L'anello conico, e più specificamente l'anello sincronizzatore, realizza la disposizione della superficie di innesto ad attrito che consente tale adattamento della velocità.
Con l'aumento della coppia motrice dei veicoli commerciali e l'aumento delle percorrenze, l'anello sincronizzatore deve presentare una coppia di attrito costante, resistere all'usura meccanica e mantenere una precisione dimensionale costante. Gli anelli tradizionali in acciaio forgiato possono richiedere lavorazioni meccaniche più complesse e presentare caratteristiche prestazionali variabili in base al carico. La metallurgia delle polveri (PM) è un processo di produzione alternativo per realizzare componenti complessi con gradiente di densità controllato e buone proprietà meccaniche per applicazioni gravose.
Contenuti
Caratteristiche funzionali dell'anello conico del sincronizzatore
La coppia di attrito è prodotta dall'anello sincronizzatore, tramite il quale due ingranaggi sono collegati per ottenere la stessa velocità. La sua superficie conica entra in contatto con la parte di accoppiamento e deve premere su di essa con una forza elevata.
Scorrimento ciclico, rapide variazioni di temperatura e carichi dipendenti dal tempo richiedono un compromesso tra durezza, tenacità e stabilità dimensionale. Se la struttura diventa viscosa, si deforma in alcune zone o perde l'uniformità dell'attrito, il cambio marcia con il sincronizzatore può risultare difficoltoso, non è possibile rilasciare una coppia eccessiva e l'usura può verificarsi in una fase precoce. Pertanto, sono necessarie una microstruttura stabile e proprietà superficiali piane.
Polvere metallica per anelli sincronizzati
Più tipicamente, negli anelli sincronizzatori PM viene utilizzata una formulazione in polvere di Fe–Mo–Ni–Cu di tipi sinterizzati in lega per diffusione. Un sistema consueto conterrà Mo per la temprabilità, Ni per la tenacità, Cu per la risposta alla sinterizzazione e aggiunte di grafite per bilanciare il contenuto di carbonio. Una piccola quantità di lubrificante interno migliorerà la fluidità e l'espulsione dallo stampo. Gli elementi di lega si diffondono uniformemente durante la sinterizzazione, formando una matrice di perlite fine nel corpo dell'anello. Questa forma garantisce stabilità dimensionale e consente l'indurimento delle aree, che formano strutture martensitiche durante il trattamento termico.
Processo di produzione di polvere metallica per anelli sincronizzatori
. processo di produzione della metallurgia delle polveri degli anelli sincronizzatori segue una serie di fasi di lavorazione controllate.
Miscelazione in polvere
Il processo di produzione consiste nella miscelazione iniziale della polvere di ferro legata per diffusione con grafite (≈0.8% in peso) e un lubrificante (≈0.3% in peso). La miscela uniforme dell'elemento di lega facilita la costanza sia nella densificazione che nel trattamento termico.
compattazione
Processo di compattazione Viene implementata una pressa ad alto tonnellaggio con un sistema di stampi multi-flottanti. La superficie conica, le rientranze e il foro centrale vengono prodotti durante la pressatura in questo sistema di utensili. Lo stampo può essere riempito fino a circa 42 mm e l'alimentazione assistita da vibrazioni favorisce un compattamento uniforme. La pressione di compattazione è generalmente compresa tra 600 e 700 MPa. In questo modo, la densità verde raggiunge circa 6.80-6.90 g/cm³ in un corpo ad anello e circa 6.85-6.95 g/cm³ nelle posizioni con una maggiore capacità di carico.
sinterizzazione
Il pezzo viene sottoposto a un ciclo termico a stadi durante la sinterizzazione in atmosfera inerte. Leganti e lubrificanti vengono bruciati a circa 680 °C, dopodiché gli anelli vengono pre-sinterizzati a una temperatura di circa 900 °C prima di raggiungere la temperatura di plateau di sinterizzazione principale di circa 1120 °C, quando all'interno di un anello si definiscono zone di infiltrazione di rame fuso, per aumentare le densità locali a circa 7.45–7.55 g/cm³. Questa densificazione selettiva rinforza le zone sottoposte alla massima azione meccanica nel sincronizzatore.
Il raffreddamento è controllato per evitare qualsiasi distorsione termica e in modo da preparare il materiale per un ulteriore indurimento. Una breve sosta intorno agli 860 °C contribuisce a garantire una temperatura omogenea dell'anello appena prima del raffreddamento finale.
Operazioni secondarie
Trattamento termico
Il trattamento termico a induzione viene utilizzato per indurire la superficie di attrito. L'anello ha una velocità di rotazione di 40 giri/min ed è azionato da un impulso di energia breve-alta di circa 600 A per circa 3 s, seguito da raffreddamento attivo. Ciò si traduce in uno strato martenistico profondo 0.6-0.8 mm con una durezza superficiale di circa 27-35 HRC.
Lavorazione CNC
La tolleranza dimensionale sulla superficie conica, sui fori dei perni e sulle superfici terminali è determinata dalla lavorazione finale. L'assemblaggio viene completato collegando una guarnizione di attrito in fibra di carbonio, con uno spessore di circa 0.65 millimetri, alla superficie esterna del cono.
Trattamento a vapore
Dopo la sinterizzazione e il raffreddamento controllato, trattamento a vapore Viene applicato sulla superficie dell'anello sincronizzatore. Il componente viene esposto a vapore surriscaldato ad alta temperatura, formando uno strato sottile e denso di ossido di ferro. Questo strato di ossido migliora la stabilità superficiale, la resistenza all'usura e la consistenza dell'attrito, fornendo anche una protezione di base dalla corrosione.
Proprietà meccaniche e fisiche
Gli anelli sincronizzatori PM presentano un gradiente di densità progettato per adattarsi alla distribuzione del carico. Viene sviluppato un nucleo perlitico con sezioni martensitiche nelle aree trattate durante il trattamento di induzione. Queste aree includono le coppie elevate combinate con sollecitazioni di innesto ripetitive tipiche dei veicoli commerciali.
La tabella seguente mostra le proprietà meccaniche degli anelli conici del sincronizzatore PM.
| Immobili | Valore tipico |
|---|---|
| Densità (corpo) | 7.47 g / cm³ |
| Durezza superficiale | ~HRC 30 |
| Massima resistenza alla trazione | ~ 619 MPa |
| Struttura della matrice | Lega di diffusione perlitica fine |
| Profondità della zona temprata | ~0.6–0.8 mm |
Gli anelli sincronizzatori PM offrono prestazioni affidabili anche sotto carico ciclico durante il cambio. La loro superficie temprata mantiene la resistenza all'attrito e resiste alla lucidatura.
Le aree infiltrate di rame non si comprimono né si deformano sotto stress. La stabilità dimensionale viene mantenuta anche dopo i cicli termici, mantenendo costante l'innesto del cono.
Il gradiente di densificazione e il trattamento termico ben controllato nella lavorazione PM prevengono le modalità di guasto presenti negli anelli convenzionali, come la flessione localizzata o l'ammorbidimento.
Confronto con la produzione convenzionale
Gli anelli sincronizzatori realizzati in acciaio 40Cr mediante forgiatura o tornitura richiedono numerose procedure di lavorazione, con maggiori scarti e costi più elevati. Le loro microstrutture possono variare significativamente da lotto a lotto, il che influisce sul comportamento a lungo termine dei sincronizzatori.
Gli anelli sincronizzatori sinterizzati, tuttavia, combinano la loro geometria nella maggior parte dei casi di compattazione. I tempi di lavorazione sono ridotti al minimo, la ripetibilità dimensionale è migliorata e la densità può essere personalizzata nelle aree più critiche in termini di prestazioni. Questi vantaggi rendono la microfusione a freddo (MP) particolarmente efficace per applicazioni di trasmissione pesanti ad alto volume.
Le prestazioni degli anelli sincronizzatori PM si basano sulla progettazione della lega, sulla densificazione selettiva e sul trattamento termico controllato. Le formazioni ad alta densità nelle zone critiche aumentano la capacità di carico e un nucleo perlitico riduce qualsiasi deformazione durante il lungo servizio. Armonizzazione: la tempra a induzione fornisce una superficie di attrito tenace, per una lunga durata e una sincronizzazione fluida.
La metallurgia delle polveri è un processo affidabile, conveniente e collaudato per la produzione di anelli conici sincronizzatori, come quelli impiegati nelle trasmissioni per impieghi gravosi.