Синхронизаторные системы трансмиссий для тяжелых условий эксплуатации работают за счет приложения крутящего момента при высоких нагрузках, частом переключении передач и термических перегрузках. Они предназначены для выравнивания скорости вращающихся деталей перед включением, что минимизирует рывки при переключении и износ зубьев. Коническое кольцо, и в частности синхронизирующее кольцо, обеспечивает формирование поверхности трения, позволяющей согласовывать скорости.
В связи с ростом крутящего момента двигателей коммерческих автомобилей и увеличением пробега, синхронизирующее кольцо должно обеспечивать стабильный момент трения, быть устойчивым к механическому износу и сохранять точность размеров. Традиционные кованые стальные кольца могут потребовать значительной механической обработки и иметь характеристики, изменяющиеся в зависимости от нагрузки. Порошковая металлургия (ПМ) является альтернативным методом производства сложных деталей с контролируемым градиентом плотности и хорошими механическими свойствами для тяжелых условий эксплуатации.
Содержание:
Функциональные характеристики синхронизирующего конусного кольца
Момент трения создается синхронизирующим кольцом, посредством которого две шестерни соединены для обеспечения одинаковой скорости вращения. Его коническая поверхность контактирует с сопряженной деталью и должна прижимать эту сопряженную деталь с большой силой.
Циклическое скольжение, резкие изменения температуры и зависящие от времени нагрузки требуют компромисса между твердостью, ударной вязкостью и размерной стабильностью. Если структура становится вязкой, деформируется в некоторых областях или нарушается равномерность трения, переключение передач с синхронизатором может быть затруднено, слишком большой крутящий момент не может быть снят, и износ может начаться на ранней стадии. Таким образом, необходимы стабильная микроструктура и плоские свойства поверхности.
Металлический порошок для синхронизирующих колец
Как правило, в синхронизирующих кольцах постоянных магнитов используется порошковая композиция Fe–Mo–Ni–Cu, полученная методом диффузионного легирования. Обычная система содержит Mo для закаливаемости, Ni для прочности, Cu для улучшения свойств при спекании и добавки графита для балансировки содержания углерода. Небольшое количество внутренней смазки улучшает текучесть и выталкивание из матрицы. Легирующие элементы равномерно диффундируют во время спекания, образуя мелкозернистую перлитную матрицу в теле кольца. Такая форма обеспечивает стабильность размеров и позволяет упрочнять участки, которые при термообработке образуют мартенситные структуры.
Технологический процесс производства синхронизирующих колец методом порошковой металлургии.
процесс производства порошковой металлургии Процесс изготовления синхронизирующих колец включает в себя ряд контролируемых технологических этапов.
Смешивание порошков
Производственный процесс состоит в том, что сначала порошок диффузионно-легированного железа смешивают с графитом (≈0.8 мас.%) и смазочным материалом (≈0.3 мас.%). Равномерное смешивание легирующих элементов обеспечивает стабильность как при уплотнении, так и при термической обработке.
Уплотнение
Процесс уплотнения Используется высокотоннажный пресс с многопозиционной системой матриц. В процессе прессования в этой инструментальной системе формируются конусная поверхность, углубления и центральное отверстие. Матрица может быть заполнена примерно до 42 мм, а подача с вибрацией способствует равномерной упаковке. Давление прессования обычно находится в диапазоне 600-700 МПа. Таким образом, плотность заготовки достигает примерно 6.80-6.90 г/см³ в кольцевом теле и приблизительно 6.85-6.95 г/см³ в местах с более высокой несущей способностью.
Спекание
Заготовка подвергается поэтапному термическому циклу при спекании в инертной атмосфере. Связующие вещества и смазки выжигаются при температуре приблизительно 680 °C, после чего кольца предварительно спекаются при температуре около 900 °C перед достижением основной температуры плато спекания около 1120 °C, когда внутри кольца формируются зоны для инфильтрации расплавленной меди, чтобы увеличить локальную плотность до примерно 7.45–7.55 г/см³. Такое избирательное уплотнение укрепляет области, подвергающиеся максимальному механическому воздействию в синхронизаторе.
Охлаждение контролируется таким образом, чтобы предотвратить любые термические деформации и подготовить материал к дальнейшему упрочнению. Кратковременная выдержка при температуре около 860 °C способствует обеспечению однородной температуры кольца непосредственно перед окончательным охлаждением.
Вторичные операции
Термическая обработка
Для упрочнения поверхности трения используется индукционная термообработка. Кольцо вращается со скоростью 40 об/мин и приводится в действие коротким высокоэнергетическим импульсом ~600 А в течение ~3 с, за которым следует активное охлаждение. В результате образуется мартенситный слой толщиной 0.6–0.8 мм с твердостью поверхности около HRC 27–35.
Обработка CNC
Допуски на размеры конической поверхности, отверстий для штифтов и торцевых поверхностей определяются окончательной механической обработкой. Сборка завершается соединением фрикционной накладки из углеродного волокна приблизительной толщиной 0.65 миллиметра с внешней поверхностью конуса.
Паровая обработка
После спекания и контролируемого охлаждения, обработка паром Наносится на поверхность синхронизирующего кольца. Компонент подвергается воздействию перегретого пара при повышенной температуре, образуя тонкий и плотный слой оксида железа. Этот оксидный слой улучшает стабильность поверхности, износостойкость и коэффициент трения, а также обеспечивает базовую защиту от коррозии.
Механические и физические свойства
Синхронизирующие кольца PM имеют градиент плотности, разработанный для обеспечения оптимального распределения нагрузки. В обработанных зонах образуется перлитный сердечник с мартенситными участками, что обусловлено индукционной обработкой. К таким зонам относятся высокие крутящие моменты в сочетании с повторяющимися нагрузками, характерными для коммерческих автомобилей.
В таблице ниже показаны механические свойства конусных колец синхронизатора постоянных магнитов.
| Свойства | Типичное значение |
|---|---|
| Плотность (тела) | 7.47 g / cm³ |
| Твердость поверхности | ~HRC 30 |
| Высочайшая прочность на разрыв | ~ 619 МПа |
| Матричная структура | Высокотонкий перлитный диффузионный сплав |
| Глубина зоны закалки | ~0.6–0.8 мм |
Синхронизирующие кольца PM демонстрируют надежную работу при циклической нагрузке при переключении передач. Их закаленная поверхность сохраняет фрикционные свойства и устойчива к полировке.
Участки с медным покрытием не сжимаются и не деформируются при интенсивной эксплуатации. Стабильность размеров сохраняется после термических циклов, обеспечивая постоянное зацепление диффузора.
Градиент уплотнения и тщательно контролируемая термообработка при порошковой металлургии предотвращают возникновение таких видов разрушений, как локальный изгиб или размягчение, характерных для обычных колец.
В сравнении с традиционным производством
Для изготовления синхронизирующих колец из стали 40Cr методом ковки или токарной обработки требуется множество технологических процессов, что приводит к образованию большого количества отходов и увеличению затрат. Их микроструктура может значительно различаться от партии к партии, что влияет на долговременную работу синхронизаторов.
Однако спеченные синхронизирующие кольца усложняют свою геометрию в процессе уплотнения. Это минимизирует время обработки на станке, повышает повторяемость размеров и позволяет регулировать плотность в наиболее важных для производительности областях. Эти преимущества делают порошковую металлургию особенно эффективной для крупносерийного производства трансмиссий для тяжелых условий эксплуатации.
Рабочие характеристики синхронизирующих колец постоянных магнитов основаны на конструкции сплава, селективном уплотнении и контролируемой термической обработке. Превосходная плотность в критических зонах повышает несущую способность, а перлитное ядро уменьшает любые деформации при длительной эксплуатации. Индукционная закалка обеспечивает прочную поверхность трения, длительный срок службы и плавную синхронизацию.
Порошковая металлургия представляет собой надежный, экономически эффективный и проверенный процесс для изготовления синхронизирующих конусных колец, используемых, например, в трансмиссиях для тяжелых условий эксплуатации.