Разработка метода и технология напыления износостойких покрытий на наружную коническую поверхность кольца блокирующего синхронизатора ВАЗ 2123 - Дипломная работа
Конструкция и условия функционирования узлов синхронизации. Повышение долговечности узлов синхронизатора. Технология напыления конических поверхностей колец, блокирующих синхронизатор. Результаты трибологических исследований структур нанесенных покрытий.
При низкой оригинальности работы "Разработка метода и технология напыления износостойких покрытий на наружную коническую поверхность кольца блокирующего синхронизатора ВАЗ 2123", Вы можете повысить уникальность этой работы до 80-100%
Приспособления: кольцо для нагрева штампа, клещи для ввода детали в штамп, приспособление для смазки фигуры, сосуд для смазкиИнструмент: штамп в сборе, пуансон, матрица Операция 035: Наименование: Контрольная, межоперационная. Содержание операции: Прозванивание колец перед загрузкой в бункер автоматической линии токарных станков «Вайсер» для предотвращения попадания колец с трещинами на обработку Содержание операции: Обточить наружную коническую поверхность кольца предварительно 70±30’, подрезать торец со стороны зубьев окончательно 8,3±0,2Операция 060: Наименование: Термическая стабилизирующая. Операция 070: Наименование: Зачистная. Оборудование: Специальная установка для зачистки заусенцев с поворотным столом и автоматической загрузкой и разгрузкой Содержание операции: 1-ый установ - внутренняя зачистить зубья с внутренней стороны, обработанной торцовкой в операции 30; 2-ой установ - зачистить заусенцы на противоположном торце детали. Содержание операции: расточить наружный конус70±10’ окончательно, Ra 2,5, снять фаски на наружной конической поверхности с 2-х сторон, нарезать наружную резьбу на конусе.Инструмент: металлическая щеткаСодержание операции: нанести покрытие Н4 (40% упроч.
План
Содержание операции: Нагреть в электрической печи заготовку до 770-7900 и штамповать кольцоСодержание операции: отрезать наружный и внутренний облоиСодержание операции: контроль согласно карте контроляСодержание операции: Зачистить резьбуСодержание операции: 100% контроль детали на наличие трещин.Содержание операции: проверить деталь на качество покрытия
4.8 Расчет режимов резания
Произведем расчет режимов резания для операции 010 - расточной.
Скорость резания V рассчитывают по эмпирической формуле (4.4) [32]:
(4.4)
Так как это черновой этап обработки, то подачу S выбираем максимально возможную, исходя из жесткости и прочности системы СПИД, мощности привода и других ограничительных факторов: S=0,3 мм/об
Глубину резания назначаем также, максимально возможную: t=0.5 мм
CV =420;
Т=45 мин. m=0.2; х=0,15; у=0,2; [32,стр.269]
Коэффициент KV является произведением коэффициентов, учитывающих влияние материала заготовки KMV =Кг(190/НВ)nv [32,стр.261], состояния поверхности КПV =0.9, материала инструмента КИV =1,15.
KMV =Кг(190/НВ)nv=1,056 [32 стр.261]
KV=1.056?0.9?1.15=0,996
=
Частота ращения: (4.5)
Учитывая значение из геометрического ряда частот вращения, принимаем n=1000 об/мин.
Произведем пересчет скорости резания при черновом растачивании: Расчеты режимов резания для остальных операций сведены в таблицу 4.1
Таблица 4.1 Расчет режимов резания
№ П/П Наименование операции S, мм/об V, м/мин n, об/мин
4.9 Нормирование операции технологического процесса изготовления детали «кольцо блокирующее синхронизатора ВАЗ 2123»
Штучно-калькуляционное время определяется по формуле: (4.6) где - основное время.
Тв - вспомогательное время.
Торг.обс- время на организационное обслуживание рабочего места.
Ттех.обс. - время на техническое обслуживание рабочего места.
Тотд. - время на отдых и личные потребности.
Тпз - подготовительно-заключительное время.
Для операции 010 основное технологическое время:
Вспомогательное время: Тв=Туст Тупр Тизм (4.7)
где Туст - время на установку и снятие детали.
Тупр - время на управление станком, связанное с переходом.
Тизм - время на контрольные измерения.
Тв=0,1 мин.
Топер=То Тв=0,049 0,1=0,149мин.
Торг.обс=7%Топер=7%?0,149=0,011 мин.
Ттех.обс=3%Топер=3%?0,149=0,00447мин.
Тотд=4%Топер=4%?0,149=0,006 мин.
Тпз=0,3 мин.
Тшт=0,049 0,1 0,011 0,0045 0,006 0,3=0,47 мин
Результаты нормирования остальных операции приведены в операционных картах.
5. Проектирование и расчет измерительного приспособления для контроля угла конуса наружной поверхности трения
Основным элементом детали «кольцо блокирующее синхронизатора» является коническая поверхность трения, она является составляющей пары трения «кольцо блокирующее - муфта скользящая». Для контроля угла наружного конуса необходимо спроектировать измерительное приспособление.
5.1 Описание измерительного приспособления для контроля угла конической поверхности кольца блокирующего синхронизатора
Измерительное приспособление для контроля угла наружной конической поверхности трения колец блокирующих синхронизатора (см.чертеж ДП 00.000.00СБ) представляет собой плиту 10 на которой установлена направляющая 1. В направляющей, по двум гладким пояскам устанавливается опора 2. Данная деталь имеет три призматических паза для базирования детали по трем зубьям. Во внутреннее отверстие опоры вворачивается винт 3. Сверху деталь поджимается прижимной шайбой 4. Для того, чтобы лапки этой шайбы прижали деталь напротив трех зубьев, установленных в 3 призматических паза, шайба и опора связываются ориентиром 5. В опоре данный ориентир установлен с натягом, а в шайбе имеется отверстие с зазором. На прижимную шайбу устанавливается сферическая шайба. Данная деталь нужна для того, чтобы усилия на каждой лапке прижимной шайбы были равны и деталь прижималась в трех точках одинаково. На винт 3 далее одевается зажимная гайка 7, с установленным внутри него пальцем 8. Палец имеет сферические канавки, расположенные под углом 600. В зажимной гайке имеется отверстие, перпендикулярное оси детали, в нем установлены шарик, пружина и винт, завинчивая который, передается усилие на пружину, а, следовательно, и на шарик. Шарик под действием возникающего крутящего момента начинает из одной канавки перекатывать в другую, тем самым, создавая измерительное усилие.
6. Расчет технико-экономических показателей
Целью дипломного проекта является разработка технологического процесса газопламенного напыления внутренней конической поверхности кольца блокирующего синхронизатора ВАЗ 2123 износостойким покрытием. Технология напыления основана на действующем технологическом процессе изготовления колец блокирующих синхронизатора ВАЗ 2101. Вследствие этого технико-экономические показатели будут рассчитаны для данного технологического процесса, а также приведен расчет затрат исследований на износостойкость конической поверхности кольца после напыления.
6.1 Расчет себестоимости технологического процесса изготовления одной детали
В таблице 6.1. приведены все необходимые показатели для расчета себестоимости кольца блокирующего синхронизатора для действующего технологического процесса на Волжском автомобильном заводе, пересчитанные на единицу детали.
Таблица 6.1 Показатели для расчета себестоимости кольца блокирующего синхронизатора
№ Статьи расхода Ед. измер. Молибден Никель
1 Материал заготовки руб. 20,88 20,88
2 Материалы напыляемые руб. 3,70 0,94
3 Транспортно-заготовительные расходы 2,44% руб. 0,09 0,04
4 Топливо и энергия 64,41% руб. 0,04 0,04
5 Основная зарплата основн.рабочих руб. 0,06 0,06
6 Расходы по содержанию и эксплуатации оборудования 285,09% руб. 0,17 0,17
7 Цеховые расходы 116,41% руб. 0,07 0,07
8 Возмещение износа спецоснастки и инструмента 64,69% руб. 0,04 0,04
9 Общезаводские расходы 168,22% руб. 0,10 0,10
10 Итого цеховая себестоимость руб. 21,47 19,03
11 Внепроизводственные расходы 2,64% руб. 0,57 0,52
12 Себестоимость детали с износостойким покрытием руб. 22,04 19,54
Расчеты себестоимости кольца, напыленного молибденом: 1. Стоимость материала заготовки детали: 20,88 руб.;
2. Транспортно-заготовительные расходы составляют 2,44% от стоимости материалов и равны: 0,0244·3,7=0,09 руб.;
3. Топливно-энергетические расходы: 0,04 руб.;
4. Заработная плата: 0,06 руб.;
5. Ремонт и содержание оборудования составляют 285,09% от заработной платы и равны: 2,8509·0,06=0,17 руб.;
6. Цеховые расходы составляют 116,41% от заработной платы и равны: 1,1641·0,06=0,07 руб.;
7. Затраты на оснастку, инструмент и тару составляют 64,69% от заработной платы и равны: 0,6469·0,06=0,04 руб.;
8. Общезаводские расходы составляют 168,22% от заработной платы и равны: 1,6822·0,06=0,1 руб.;
9. Общая цеховая себестоимость равна сумме показателей в п. 1 - 9 и составляет: 20,88 0,09 0,04 0,02 0,06 0,17 0,07 0,04 0,1=21,47 руб.;
10. Внепроизводственные расходы составляют 2,64% от общей цеховой себестоимости и равны: 0,0264·21,47=0,57 руб.;
11. Себестоимость детали равна сумме внепроизводственных расходов и общей цеховой себестоимости кольца блокирующего синхронизатора: 0,57 21,47=22,04 руб.
Результаты расчетов себестоимости детали с износостойким покрытием на основе никеля представлены в таблице 6.1.
6.2 Расчет текущих затрат на исследование
Для расчета текущих затрат, необходимо исследования разбить на несколько этапов, что позволит систематизировать расчеты.
Выделим этапы исследований: - подготовительный этап: анализ состояния вопроса, изучение сущности метода газотермического напыления, его преимуществ и недостатков по сравнению с другими методами, литературно-патентный поиск;
- выбор и проектирование необходимого оборудования: для дальнейших испытаний колец после напыления, исследований результатов после испытаний, а также установки для газопламенного напыления;
- разработка технологического процесса напыления;
- разработка методики испытаний на износостойкость деталей;
- разработка методики исследований после испытаний колец блокирующих синхронизатора;
- модернизация опытной установки для напыления колец блокирующих синхронизатора;
- модернизация стенда для испытаний колец;
- напыление опытной партии колец блокирующих синхронизатора;
- испытание колец блокирующих синхронизатора;
- обработка информации.
В общем случае расходы на проведение исследований рассчитываются по формуле (6.1): , (6.1) где Сзп - основная и дополнительная заработной платы (с отчислениями в фонд социального страхования), См - затраты на эксплуатацию имеющегося оборудования, Св - затраты на закупку необходимого оборудования и материалов.
Затраты на заработную плату Сзп определим по формуле (6.2): , (6.2) где n - количество этапов исследования, СЧІ - часовая тарифная ставка работника, выполняющего i-ю часть исследования, руб./час., ti - затраченное время на проведение i-ого этапа исследования, час.
Затраты на эксплуатацию оборудования См можно определить как: , (6.3) где СМЧІ - стоимость машино-часа работы i-ого оборудования, руб./час.
Затраты на закупку необходимого оборудования и материалов СВ рассчитываем по формуле (6.4): , (6.4) где Спор - стоимость одного килограмма порошка для напыления, Спор=660 руб., N - необходимое количество порошка, кг., N = 8кг, Суст - затраты, связанные с модернизацией установки для дуговой наплавки, Суст = 1200 руб., Сстенд - затраты, связанные с модернизацией стенда для испытаний колец блокирующих синхронизатора, Сстенд = 850 руб., Ссеб - себестоимость одного кольца блокирующего синхронизатора, Ссеб = 19,54 руб.(см. п. 6.1) ,М - количество испытуемых колец, М = 30 шт.
В формуле 6.4 первое слагаемое, характеризующее затраты на материалы, умножается на 2, так как при напылении используется смесь из двух порошков: марок ПН85-Ю15 и ПРН70Х17С4Р4. Стоимости порошков одинаковые.
В табл. 6.2 приведены показатели для расчета затрат на заработную плату работникам, занимающихся исследованием.
Таблица 6.2 Показатели для расчета затрат на заработную плату работникам, занимающихся исследованием
№ Этапы исследований ti, час. Исследователи СЧІ, руб./час. СЗПІ, руб.
1 подготовительный этап 120 инженер-исследователь 22 2640
2 выбор и проектирование необходимого оборудования 15 инженер-технолог 22 330
3 разработка технологического процесса напыления 15 инженер-технолог 22 330
4 разработка методики испытаний на износостойкость деталей 30 инженер-технолог 22 660 инженер-исследователь 22 660
5 разработка методики исследований после испытаний колец 30 инженер-исследователь 22 660
6 модернизация опытной установки 30 инженер-технолог 22 660 рабочий 17 510
7 модернизация стенда для испытаний колец 30 инженер-исследователь 22 660 рабочий 17 510
10 обработка информации 80 инженер-исследователь 22 1760
По формуле 6.2, просуммировав значения СЗПІ, указанные в табл. 6.2, получим величину затрат на заработную плату: В табл. 6.3 приведены необходимые данные по эксплуатации оборудования, для расчета соответствующих затрат.
Таблица 6.3 Показатели для расчета затрат по эксплуатации оборудования
№ Этапы исследований ti, час. Используемое оборудование СМЧІ, руб./час. СМІ, руб.
1 подготовительный этап 120 ПК IBM Celeron 400 5 600
2 выбор и проектирование необходимого оборудования 15 ПК IBM Celeron 400 5 75
3 разработка технологического процесса напыления 15 ПК IBM Celeron 400 5 75
4 разработка методики испытаний на износостойкость деталей 30 ПК IBM Celeron 400 5 150
5 разработка методики исследований после испытаний колец 30 ПК IBM Celeron 400 5 150
6 модернизация опытной установки 30 - - -
7 модернизация стенда для испытаний колец 30 - - -
8 напыление опытной партии колец блокирующих синхронизатора 5 модернизация опытной установки 10 50
9 испытание опытной партии колец блокирующих синхронизатора 80 стенд для испытаний колец 10 800
10 обработка информации 80 ПК IBM Celeron 400 5 400
По формуле 6.3, просуммировав значения СМІ, указанные в табл. 6.3, получим величину суммарных затрат на эксплуатацию оборудования: Затраты на закупку необходимого оборудования и материалов СВ получаем по формуле 6.4.
Зная затраты на заработную плату, затраты на эксплуатацию оборудования, а также затраты на закупку необходимого оборудования и материалов для проведения исследований получим значение расходов на проведение исследований:
6.3 Анализ результатов экономического расчета
Анализ результатов показал, что с экономической точки зрения, процесс напыления износостойких покрытий на основе никеля является более рациональным.
В результате расчета текущих затрат на исследования напыленных колец на износостойкость, был получен следующий результат: данные исследования предполагают затраты в размере 27936 руб.
7. Безопасность жизнедеятельности
Задачей дипломного проекта является разработка технологического процесса газопламенного напыления наружной конической поверхности кольца блокирующего синхронизатора ВАЗ 2123 износостойким покрытием на основе никеля (Ni), что является одним из методов повышения износостойкости колец блокирующих, а следствием и повышение долговечности узла синхронизатора КПП ВАЗ 2123. Технология напыления основана на действующем технологическом процессе изготовления колец блокирующих синхронизатора ВАЗ 2123, таким образом, помимо техники безопасности преследуемой в действующем технологическом процессе необходимо учесть и специфику технологии напыления в области безопасности жизнедеятельности.
7.1 Общие требования безопасности к технологическим процессам
Общие требования безопасности к технологическим процессам регламентированы ГОСТ 12.3.002-75 «Процессы производственные. Общие требования безопасности».
Проектирование, организация и проведение технологического процесса изготовления детали «Кольцо блокирующее синхронизатора» предусматривает: - устранение непосредственного контакта рабочих с исходными материалами, заготовками, полуфабрикатами, готовой продукцией и отходами производства, оказывающими вредное воздействие;
- замену технологических процессов и операций, связанных с возникновением опасных и вредных производственных факторов, процессами и операциями, при которых указанные факторы отсутствуют или обладают меньшей интенсивностью;
- рациональную организацию труда и отдыха с целью профилактики монотонности и гиподинамии, а также ограничения тяжести труда, а именно: герметизацию оборудования, применение средств защиты работающих, комплексную механизацию, автоматизацию, применение дистанционного управления технологическими процессами и операциями при наличии опасных и вредных производственных факторов;
- систему контроля и управления технологического процесса, обеспечивающую защиту рабочих и аварийное отключение производственного оборудования;
- своевременное удаление и обезвреживание отходов производства, являющихся источниками опасных и вредных производственных факторов.
7.1.1 Общие требования к материалам, производственному оборудованию и организации рабочих мест
Производственные помещения, в которых осуществляются процессы обработки резанием, а также обработки давлением должны соответствовать СН и П ІІ-2-80, СН и П ІІ-89-80 и санитарным нормам проектирования промышленных предприятий СН 245-71. Бытовые помещения должны соответствовать требованиям СН и П ІІ-92-76. Все помещения должны быть оборудованы средствами пожаротушения по ГОСТ 12.4.009-83.
По ГОСТ 12.2.009-80 «Станки металлорежущие. Общие требования безопасности» регламентируются требования на все группы изготавливаемых и находящихся в эксплуатации металлорежущих, электрофизикохимических станков, автоматических линий, а также применяемых совместно с ними устройств, подключаемых к питающей сети с номинальным напряжением до 660В и частотой до 220Гц.
Станки должны отвечать требованиям безопасности в течение всего периода эксплуатации при выполнении потребителем требований, установленных в эксплуатационной документации по ГОСТ 12.2.003-91. Используемые в расчетах характеристики станка (мощность, частота вращения шпинделя и т.д.) выбраны из паспорта. Размещение коммуникаций, производственного оборудования, исходных материалов, заготовок, готовой продукции и отходов производства в помещениях не должно создавать опасных рабочих условий - в соответствии с ГОСТ 12.3.002-75. Разработанная технологическая документация, организация и выполнение технологического процесса резанием соответствует требованиям ГОСТ 3.1102 и 12.3.025-80.
Форма станков и их элементов должны обеспечивать удобный отвод стружки и СОЖ из зоны обработки и удаление стружки от станка.
Для охлаждения поверхности обработки применяется 3-5% эмульсия из Эмульсола Укринол - 1М либо водная эмульсия ВЕЛЛС-1. СОЖ подается в зону резания методом распыления с помощью сопла, рекомендуемого ГОСТ 12.3.025-80, для снижения количества аэрозоли. Все зоны резания имеют защитные ограждения в соответствии с ГОСТ 12.2.062-81, но для защиты кожи рабочих от воздействия СОЖ при измерении или уборке станка рабочий использует перчатки и средства индивидуальной защиты соответствующие требованиям ГОСТ 12.4.011-89. Отработанные СОЖ и промывные воды собираются в специальных емкостях и сбрасываются в общую систему канализации только после очистки их от нефтепродуктов.
При разработке технологического процесса предусмотрена рациональная организация рабочих мест, удобное расположение инструментов в приспособлении соответствуют требованиям ГОСТ 12.2.029-88. Инструменты и приспособления располагаются в тумбочках и на стеллажах. Станки располагаются в соответствии с требованиями стандартов. Заготовки помещаются в специализированную тару. Эти меры позволяют снизить производственный травматизм.
7.1.2 Общие требования к транспортировке материалов, заготовок, готовых деталей и отходов производства
Для транспортировки и хранения деталей, заготовок, отходов используют тару в соответствии с ГОСТ 12.3.010-82.
Тара должна быть, рассчитана на необходимую грузоподъемность, иметь надписи о максимально допустимой нагрузке и периодически подвергаться проверке. Погрузку и разгрузку необходимо осуществлять в соответствии с ГОСТ 12.3.009-86, а перемещение - в соответствии с ГОСТ 12.3.020-80. Требования безопасности при транспортировке, хранении и эксплуатации регламентированы ГОСТ 12.3.082-86.
7.1.3 Общие требования для оборудования и аппаратуру при газопламенной обработке деталей
Оборудование для газопламенной обработки должно соответствовать требованиям настоящего стандарта, ГОСТ 12. 2. 003 - 74 и ГОСТ 12. 2. 049-80: - детали аппаратуры, соприкасающиеся с ацетиленом, не должны изготавливаться из меди и сплавов, содержащих серебро и более 70% меди. Мундштуки горелок допускается изготавливать из меди;
- накидные гайки и штуцеры для подключения горячих газов должны иметь левую резьбу и отличительные метки по ГОСТ 2904-45;
- для газовых коммуникаций оборудования должны применяться резиновые рукава по ГОСТ 9356-75, стальные электросварные трубы по ГОСТ 10704-76 - для кислородных коммуникаций при рабочем давлении до 2 МПА (25 кг/см2) и коммуникаций газов-заменителей ацетилена при рабочем давлении до 1,6 МПА (16 кг/см2), стальные бесшовные трубы по ГОСТ 8732-78 и ГОСТ 8734-75 - для кислородных коммуникаций при рабочем давлении свыше 2,5 МПА до 6,4 МПА (64кг/см2) и ацетиленовых коммуникаций;
- эргономические требованиям к органам управления (маховичкам, штурвалам, рычагам, клавишным и кнопочным выключателям и переключателям, выключателям и переключателям типа «Тумблер») - по ГОСТ 21752-76, ГОСТ 22614-77, ГОСТ 22615-77, к пультам управления - по ГОСТ 23000-78;
- эргономические требования к рабочим местам при выполнении работ в положении сидя - по ГОСТ 12.2.032-78, в положении стоя - по ГОСТ 12.2.033-78;
- температура нагрева поверхностей оборудования или ограждений в зоне обслуживания оператора не должна превышать 45°С;
- электрооборудование должно соответствовать требованиям ГОСТ 12.2.007.0-75, ГОСТ 12.2.007.8-75 и «Правилам устройства электроустановок» (ПУЭ);
- конструкция оборудования и аппаратуры должна обеспечивать возможность обезжиривания элементов, соприкасающихся с кислородом;
- материалы, применяемые для изготовления уплотнительных обкладок, должны быть стойкими к средам, в которых они работают, и устанавливаются в технических условиях на конкретный тип или марку изделия;
- сигнальная предупредительная окраска и знаки безопасности, применяемые на оборудовании, - по ГОСТ 12.4.026-76 и ГОСТ 12.4.027-76;
- аппаратура или части аппаратуры должны иметь опознавательные окраску в зависимости от газа: ацетилен - белую;
горючий газ - красную;
жидкое горючее - серую;
кислород - голубую.
7.1.4 Требования к горелкам
Все соединения и каналам горелок, включая уплотнительные устройства, должны быть герметичны при давлении на входе в горелку: в кислородном и ацетиленовом каналах - 0,588 МПА (0,6кг/см2);
в канале горючей смеси - 0,147 МПА (1,5кг/см2);
в канале жидкого горючего 0,294 МПА (3кг/см2);
- в конструкциях грелок должны быть устройства для пуска, регулирования и перекрытия подачи газов в наконечники или мундштуке;
- конструкция горелок должна обеспечивать устойчивое горение пламени без хлопков и обратных ударов в любом пространственном положении при правильной эксплуатации;
- при питании горелок через гибкие рукава от индивидуальных баллонов через редукторы защитное устройство не устанавливают.
7.1.5 Требования к установкам и аппаратам термического напыления покрытий
- конструкция инжекционной аппаратуры и установок для газопламенной металлизации должна обеспечивать инжекцию в газовых каналах распылительной головки не менее 0,016 МПА (120 мм. рт. ст.);
- в конструкциях газовых металлизационных аппаратах должно быть устройство для пуска, регулирования и подачи газов;
- конструкция аппаратуры для газопламенной металлизации при зажигании горючей смеси должна обеспечивать воспламенение без обратных ударов;
- аппаратура для газопламенной металлизации должна быть герметична при наибольшем рабочем давлении и исключать перетекания газов в каналы, не предназначенные для этих газов;
- при питании газовых металлизационных аппаратов от сети на местах потребления горючих газов и кислорода должны быть установлены газоразборные посты. При питании металлизационных аппаратов через гибкие рукава газами от индивидуальных баллонов через редуктор установка постов не обязательна.
Газоразборные посты должны быть обеспечены затворами, предотвращающими распространение обратного удара в газовой магистрали.
7.2 Производственная санитария
Условия труда на рабочих местах производственных помещений складываются под воздействием большого числа факторов, различных по своей природе, формам проявления, характеру действия на человека.
В соответствии с ГОСТ 12.0.003-86 опасные и вредные производственные факторы подразделяются по своему действию на физические, химические, биологические и психофизические.
7.2.1 Анализ опасных и вредных производственных факторов при механической обработке деталей
Выбор технических средств обеспечения безопасности должен осуществляться на основе выявления опасных и вредных факторов, специфичных для данного технологического процесса.
В нашем случае физически вредными производственными факторами являются повышенная запыленность и загазованность воздуха рабочей зоны в процессе обработке детали; высокий уровень шума и вибраций, недостаточная освещенность рабочей зоны; повышенная пульсация светового потока. При отсутствии средств защиты запыленность воздушной среды в зоне дыхания станочников при точении, шлифовании может превышать предельно допустимые концентрации.
Аэрозоль нефтяных масел, входящих в состав смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ), может вызвать раздражение слизистых оболочек верхних дыхательных путей, способствовать снижению иммунобиологической реактивности.
Движущиеся части производственного оборудования, передвигающиеся изделия и заготовки, стружка обрабатываемых материалов, осколки инструментов, высокая температура поверхности обрабатываемых деталей и инструмента, повышенное напряжение в электроцепи или статического электричества, при котором может произойти замыкание, через тело человека - относятся к категории физически опасных и вредных факторов. Участок должен быть защищен от доступа на него посторонних лиц. В соответствии с ГОСТ 12.1.030-81 с целью обеспечения электробезопасности в конструкции электроприводов станков предусмотрена изоляция. На нетоковедущих частях оборудования (корпусах) обязательно применяется заземление, контроль которого необходимо проводить не реже, чем раз в 2 года.
Металлическая стружка, имеющая высокую температуру (400-600°С) и большую кинетическую энергию, представляет серьезную опасность не только для работающего на станке, но и для лиц, находящихся вблизи станка. Наиболее распространенными у станочников являются травмы глаз. Глаза повреждаются отлетающей стружкой, осколками режущего инструмента и частицами абразива, пылевыми частицами обрабатываемого материала и др.
В процессе механической обработки материалов при работе тупыми режущими инструментами происходит интенсивное нагревание, вследствие чего, пыль и стружка превращается в парообразное состояние.
Таким образом, при обработке материала в воздух рабочей зоны поступает сложная смесь аров, газов и аэрозолей, являющихся химически вредными производственными факторами.
Концентрация вредных веществ в воздухе рабочей зоны, образующихся при обработке резанием, не должны превышать предельно допустимых значений (ПДК).
К вредным психофизическим производственным факторам процессов обработки материалов резанием можно отнести физические перегрузки при установке, закреплении и съеме крупногабаритных деталей, перенапряжение зрения, монотонность труда.
К биологическим факторам относятся болезнетворные микроорганизмы бактерии, проявляющиеся при работе с СОЖ.
7.2.2 Вентиляция
Эффективным средством нормализации воздушной среды является вентиляция. По характеру организации воздухообмена различают общеобменную и местную вентиляцию, в зависимости от назначения: приточную, вытяжную, приточно-вытяжную.
Действие общеобменной вентиляции основано на разбавлении выделяющихся вредных веществ свежим воздухом до предельно допустимых концентраций.
С целью более эффективного улавливания пыли, мелкой стружки и аэрозолей СОЖ, образующихся при обработке резанием, применяют местные отсасывающие устройства со специальными насадками, которые размещают в местах интенсивного выделения вредных веществ. Воздухоотводы для удаления пыли должны иметь гладкие внутренние поверхности без карманов и углублений, минимальную длину и число поворотов.
Для снятия зарядов статического электричества, которые могут вызвать взрыв, пылеприемники и воздухоотводы вентиляционных установок заземляют по ГОСТ 12.3.026-86.
В соответствии с требованиями СН и П. ІІ-33-86 ворота, двери и технологические проемы механических цехов оборудуют воздушными и воздушно-тепловыми завесами, которые защищают работников от охлаждения проникающим в цех холодным воздухом.
Воздухоотводы от местных отсосов и общеобменной вентиляции, а также вентиляционные камеры, должны очищаться по графику, утвержденному администрацией цеха.
7.2.3 Освещение рабочих мест
Одним из факторов, способствующих росту производительности труда и предупреждающий производственный травматизм, является рациональное освещение рабочего места.
Для создания светового комфорта в механических цехах используют естественное освещение, создаваемое дневным светом, проникающим через световые проемы в наружных ограждающих конструкциях; искусственное освещение, создаваемое электрическими источниками света, и совмещенное освещение, при котором недостаточное по нормам естественное освещение дополняют искусственным.
Освещение рабочих мест должно соответствовать СН и П. ІІ-23-25-95. Освещенность, создаваемая естественным освещением, изменяется в широких пределах, так как обуславливается временем дня, года, а также метеорологическими факторами. В качестве нормируемой величины принята относительная величина - коэффициент освещенности - это отношение в процентах освещенности в данной точке внутри помещениях одновременному значению наружной горизонтальной освещенности, создаваемой светом открытого небосвода.
Естественное освещение влияет положительно не только на зрение, оно тонизирует организм человека в целом и оказывает благоприятное технологическое воздействие. Поэтому в помещение с недостаточным светом и без естественного света устанавливают в соответствии с СН 245-84, установки искусственного ультрафиолетового облучения.
Для местного освещения следует применять светильники, установленные на металлорежущих станках с целью концентрации светового потока на рабочем месте. Для местного освещения должны использоваться светильники с непросвечивающими отражателями с защитным углом не менее 30°.
При работе на станках, в основном имеются следующие основные зоны зрительной работы: зона обработки, зона лимбов и зона расчетной таблицы режимов резания. В табл. 7.1. приведены нормы освещенности этих зон.
Таблица 7.1 Нормы освещенности по зонам
Зоны зрительной обработки Зона лимбов Зона расчетной таблицы Зона контроля разряд Ів
Освещенность при системе комбинированного освещения, лк 200 300 2000/300
7.2.4 Шум и вибрации
Шум и вибрации являются вредными основными производственными факторами в механических цехах и должны соответствовать СН. 2.2.4/2.1.8.562-96.
Шум на производстве наносит большой экономический и социальный ущерб. Он, неблагоприятно воздействуя на организм человека, вызывает психические и физиологические нарушения, снижающие работоспособности человека.
Источниками шума являются колеблющиеся твердые, жидкие, газообразные тела. Основные источники шума в металлорежущих станках - это зубчатые передачи, электродвигатель и процесс резания.
Основополагающим документом, устанавливающий классификацию шумов, допустимые уровни шума на рабочих местах, общие требования к шумовым характеристикам машин и защита от шума является ГОСТ 12.3.003-83.
Зоны с уровнем звука свыше 80ДБА должны быть обозначены знаками безопасности. Станочников, постоянно находящихся в этих зонах, администрация обязана снабжать средствами индивидуальной защиты органов слуха.
При выборе тех или иных средств борьбы с шумом следует практиковать такие, которые уменьшают уровень шума непосредственно в источнике его образования, следует использовать глушители, звукоизоляцию, звукопоглощающие облицовки потолка и стен, объемные поглотители, подвешиваемые вблизи наиболее шумных станков. Толщина облицовок составляет 20-200мм.
В процессе резания шум можно снизить повышением жесткости инструмента, демпфированием колебания заготовки и инструмента.
Самый эффективный метод снижения шума является оснащение станка подвижным звукоизолирующим кожухом, герметично закрывающим зону резания. Причиной возбуждения вибраций при работе станков являются неуравновешенные силовые воздействия.
В одних случаях они возникают при вращении шкивов, маховиков и валов, в других - при использовании механизмов с возвратно-поступательным движением.
Вибробезопасные условия труда станочников обеспечивают в основном организационно-технологическими мероприятиями, которые включают: - контроль за соблюдением правил и условий эксплуатации станков в соответствии с нормативно-технической документацией;
- контроль технических норм вибрации в соответствии с ГОСТ 12.3.1012-78
- своевременный плановый и предупредительный ремонт станков с обязательным послеремонтным контролем их вибрационных характеристик;
- внедрение мер, исключающих возможность контакта станочников с вибрирующими частями оборудования.
7.2.5 Электробезопасность
Основными причинами воздействия электрического тока на рабочего являются: - случайное прикосновение или приближение на опасное расстояние к токоведущим частям;
- появление напряжения на металлических частях оборудования в результате повреждения изоляции или ошибочных действиях персонала;
- шаговое напряжение на поверхности земли в результате замыкания провода и др.
Основными мерами защиты от поражения током являются: - электроизоляция;
- недоступность токоведущих частей оборудования;
- электрическое разделение сети с помощью специальных разделяющих трансформаторов;
- выравнивание потенциала;
- защитное заземление и зануление;
- защитное отключение;
- применение специальных электрозащитных средств;
- организация безопасной эксплуатации электроустановки.
7.2.6 Смазочно-охлаждающие жидкости
Использованные и отработанные СОЖ необходимо собирать в специальные емкости. Водную и масляную фазы можно использовать для приготовления эмульсий. Масляная фаза может поступать на регенерацию или сжигаться. Концентрация нефтепродуктов в сточных водах при сбросе их в канализацию должна соответствовать требованиям СН и П. ІІ-32-84. Мелкая масляная стружка и пыль по мере накопления подлежит сжиганию или захоронению на специальной площади.
7.2.7 Санитарно-гигиенические требования и условия труда
В табл. 7.2 приведены санитарно-гигиенические требования и условия труда для категории тяжести труда II б.
Таблица 7.2 Санитарно-гигиенические требования и условия труда
№ Факторы Параметры
1 Микроклимат Зима Лето
2 Температура, град 15-22 16-27
3 Влажность, % 15-75
4 Скорость движения воздуха, м/с 0,2-0,4 0,2-0,5
5 Интенсивность тепловой радиации, Вт/м2 100
6 Газовый состав воздуха: Кислород, % (по объему) Углекислота, % (по объему) 21 0,1
9 Уровень общей вибрации на рабочем месте, ДБА, при F=2-63Гц 92
10 Уровень местной вибрации на рабочем месте, ДБА, при F=8-1000Гц 112
11 Предельный спектр, ДБ ПС-75
12 Естественное освещение при разряде работы -3, К.Е.О., % 2
13 Электрическое освещение при разряде работы 3-4 освещенность 2000/300
7.2.8 Вредность работ по газопламенному напылению
Общие требования по газопламенному напылению должны соответствовать ГОСТ 12.3.039-85.
При организации рабочего места и производстве работ по газопламенному напылению нужно учитывать наличие следующих факторов вредности: - возможности перегрева наносимых термопластов и их деструкции с образованием летучих продуктов разложения;
- загрязнение окружающего воздуха не приставшей к изделию порошковой пылью;
- образование продуктов сгорания ацетилена в смеси с воздухом или кислородом;
- действие яркого света пламени горелки на зрение.
С точки зрения вредности для организма человека наиболее опасным является образование токсичных продуктов разложения напыляемых материалов.
Ni имеет ПДК = 0,05 кг/м3 и является канцерогенным и ракообразующим.
При газопламенном напылении органических материалов возможен перегрев и образования летучих продуктов разложения, поэтому необходимо при применении каких либо новых материалов подвергать их проверке на токсичность.
Для удаления газообразных продуктов разложения напыляемых материалов, порошковой пыли и продуктов сгорания газовой смеси рабочие места при стационарно действующих установках должны быть оборудованы вытяжной вентиляцией. Помещения должны быть снабжены мониторами постоянного слежения и автоматической сигнализацией.
Для защиты глаз от действия яркого света пламени работу напыления следует производить в защитных очках с окрашенными стеклами.
При напылении порошковых металлов в зависимости от степени их вредности, в дополнении к вентиляции, рабочий обязан пользоваться респиратором или даже противогазом.
Существующая аппаратура для газопламенного напыления требует применение сжатого воздуха, а также горючих газов и кислорода. Поэтому правилами техники безопасности предусматривается знание устройства применяемой аппаратуры и прилагаемых к ней правил эксплуатации. Кроме указанного, для лиц, допускаемых к работе с установкой, необходимо знание специальных правил по обращению с газовыми баллонами и, в случае их применения, с ацетиленовыми газогенераторами.
Во всех случаях крепления находящихся под давлением воздушных, ацетиленовых и кислородных
Введение
В связи с увеличением удельных тепловых и механических нагрузок в современных автомобилях все большее значение приобретает проблема повышения надежности и долговечности деталей узлов трения.
Кольцо блокирующее синхронизатора является одним из важнейших компонентов любой коробки передач. Применяемый в настоящее время на ВАЗЕ материал кольца (латуни ЛМЦАЖН, ЛМЦАЖКС) не обеспечивает требуемый ресурс этой детали изза пластической деформации вершин резьбы конусной рабочей части и повышенного износа материала кольца.
Традиционно в мировой практике автомобилестроения эта проблема решается путем напыления газотермических покрытий на основе молибдена - в настоящее время в мире применяется до 25% колец с такими покрытиями. Тем не менее, такая операция приводит к повышению стоимости готовых изделий, что требует проведение дополнительных работ по улучшению трибологических свойств колец блокирующих синхронизатора с учетом оптимизации их стоимости.
В настоящее время на Волжском автомобильном заводе активно ведутся исследования, направленные на улучшение работы синхронизаторов, а именно повышение износостойкости колец блокирующих синхронизатора автомобиля ВАЗ 2123, путем нанесение износостойких покрытий на наружную конусную поверхность трения кольца.
Дипломный проект посвящен разработке технологии напыления износостойких покрытий на наружную коническую поверхность кольца блокирующего синхронизатора, как одного из способов повышения долговечности узла синхронизатора коробки переключения передач ВАЗ 2123.Технология нанесения износостойких покрытий основана на действующей базовой технологии изготовления колец ВАЗ 2101. В качестве решения этой задачи исследованы различные методы оптимизации синхронизаторов.
1. Анализ исходных данных
1.1 Описание конструкции и условий функционирования узлов синхронизации
1.1.1 Описание конструкции синхронизатора автомобиля ВАЗ 2123
Все передачи переднего хода КПП автомобиля ВАЗ 2123 синхронизированы. Принцип действия синхронизатора при включении III передачи показан на рис.1.
схема I - нейтральное положение схема II - начало включения III передачи схема III - полное включение III передачи
Рис.1.1 Принцип действия синхронизатора при включении III передачи
2 - вторичный вал, 3 - шестерня постоянного зацепления первичного вала, 5 - блокирующее кольцо синхронизатора IV передачи, 6 - скользящая муфта синхронизатора III и IV передач, 7 - вилка включения III и IV передач, 8- стопорное кольцо, 9 - блокирующее кольцо синхронизатора III передачи, 10 - пружина синхронизатора, 11- упорная шайба пружины синхронизатора, 12 - шестерня и зубчатый венец синхронизатора III передачи, 42 - ступица муфты синхронизатора III и IV передач, 44 - стопорное кольцо, 45 - тарельчатая пружина.
В нейтральном положении (схема I) блокирующие кольца 5 и 9 прижаты пружинами к стопорным кольцам 8. Между коническими поверхностями колец и муфты 6 имеется зазор, а зубья блокирующих колец находятся во впадинах зубчатых венцов 4 и 12 синхронизаторов. Крутящий момент от зубчатого венца 12 через блокирующее кольцо 9 не передается.
В начале включения III передачи (схема II) скользящая муфта 6, перемещаясь по шлицам ступицы 42, прижимается своим конусом к конической поверхности блокирующего кольца 9. Между поверхностями возникает трение, вследствие которого кольцо проворачивается на небольшой угол (окружной ход от 2,5 до 5 мм). При этом боковые скосы зубьев кольца упираются в боковые скосы зубьев венца 12, и дальнейшее проворачивание кольца прекращается. Одновременно создается сопротивление дальнейшему осевому перемещению муфты 6. Это будет продолжаться до тех пор, пока не станут равными скорости вращения вторичного и промежуточного валов коробки передач. Уравнивание скоростей происходит за счет трения между блокирующим кольцом и муфтой 6.
При полном включении III передачи (схема III), когда скорости вращения станут равными, сила трения между коническими поверхностями муфты 6 и кольца 9, а также между скосами блокирующего кольца и венца 12, уменьшится, и блокирующее кольцо, скользя по скосам зубьев венца 12, переместится вместе с муфтой по зубьям венца синхронизатора. При этом муфта 6 соединит шестерню III передачи со ступицей 42, и произойдет безударное включение III передачи.
Вал первичный коробки переключения передач с синхронизатором и подшипником в сборе представлен на рис.1.2.
Рис.1.2 Вал первичный коробки передач с синхронизатором и подшипником в сборе
1.1.2 Трибологическая система пары трения синхронизатора
Важнейшими элементами инерционного синхронизатора коробки передач являются скользящая муфта, предназначенная для выравнивания частот вращения между валом и свободной шестерней, а также «зубчатое зацепление», которое должно предотвратить преждевременное включение передач. Совокупность элементов, представленных на рисунке 1.3 составляют трибологическую систему пары трения синхронизатора.
Рис.1.3 Трибологическая система пары трения синхронизатора:1-запас на износ, 2-усилие включения, 3- блокирующее кольцо синхронизатора, 4-фрикционное покрытие, 5-смазочный материал, 6-муфта скользящая синхронизатора
1.1.3 Оценка коэффициента трения пары трения синхронизатора
Геометрия «зубчатого зацепления» и величина угла конусов трения должны совпадать с уровнем коэффициента трения так, чтобы во время всей фазы скольжения оставался в наличии достаточный блокирующий момент (Рис.1.4).
Рис.1.4 Требование к функционированию синхронизатора.
Условие работы синхронизатора выглядит следующим образом (1.1)
> , (1.1) где Тс - момент синхронизации на конусе, Fa - осевое усилие, ?c - динамический коэффициент трения между кольцом и конусом, Rc - средний радиус конуса, Ti - индексный момент, Rb - радиус индексного момента (Ti), ? - угол скоса в радиусе индексного момента (Ti), ?s - статический коэффициент трения на скосе.
Чтобы реализовать высокий блокирующий момент при незначительном усилии включения, необходим высокий динамический коэффициент трения используемых элементов трения. Этого высокого коэффициента трения можно достичь только за счет граничного трения (Рис.1.5). По граничному трению (также трение в пограничном слое) определяется состояние трения, при котором нормальное усилие уже не передается - даже частично (смешанное трение) - через гидродинамическое давление. Следовательно, пара трения разделяется пограничным слоем толщиной несколько нанометров (0,5-10), состоящим из образованных химическим путем реакционных слоев (например, CUS) и полярных абсорбированных молекул смазочного материала.
Рис.1.5 Состояние трения (схематичное изображение)
Сегодня разработано много методов, как можно на практике эффективно противостоять образованию гидродинамической масляной пленки. Элементы трения синхронизирующего устройства снабжены интенсивными пазами и канавками, которые должны обеспечивать быстрое разложение масляной пленки. Помимо используемого смазочного материала на пограничный слой влияние оказывает структура и химический состав используемых материалов трения (Рис.1.6).
Рис.1.6 Параметры, оказывающие влияние на образование пограничного слоя
1.1.4 Требования, предъявляемые к современным фрикционным материалам, используемым в синхронизирующих устройствах
Чтобы во время всего срока службы коробки передач обеспечить достаточную эксплуатационную надежность, фрикционные материалы поверхности трения должны иметь следующие свойства: - высокая износостойкость, - отсутствие абразивного износа сопряженных деталей, - постоянный коэффициент трения независимо от нагрузки (pv - диаграмма) и количества переключений (число нагрузочных циклов > 200.000), - надежность в отношении перегрузок, - достаточная совместимость с маслом.
1.2 Пути повышения долговечности узлов синхронизатора используемые в мировой практике
Большинство европейских компаний, производящих коробки переключения передач в массовом масштабе, использует в настоящее время латунные кольца синхронизаторов системы Borg Warner (аналог - кольцо 2108-1701164-10). Используются также синхронизаторы с одинарным наружным конусом (2101-1701164), которые обеспечивают немного большую несущую способность при том же диаметре. Имеются различные варианты улучшения работы синхронизаторов, включая переход на многоконусные синхронизаторы, переход на альтернативные фрикционные материалы (молибден, бумага, спеченные материалы), корректировка химического состава латунного сплава, из которого изготавливают кольца, осуществление термической обработки и деформационного упрочнения конусной части. Доказанная эффективность того или иного решения применима лишь в том случае если оно удовлетворяет предъявляемым требованиям со стороны производителя.
На практике используются две системы синхронизаторов с различными вариациями - это система BORG WARNER и система с наружным синхронизатором. Сравнительная доля применения каждой системы на автомобилях в процентном отношении каждого варианта кольца представлена на рис.1.7.
Рис. 1.7 Сравнительная доля систем синхронизации, используемых в настоящее время на рынке.
Большинство ручных коробок перемены передач (КПП), изготавливаемых в массовом количестве, используют кольца синхронизаторов, изготовленные из специальной латуни, благодаря удачному соотношению у данных материалов таких характеристик как стоимость и эксплуатационные свойства. Латунь должна функционировать как основной и в тоже время как фрикционный материал, поэтому необходимо достигать компромисса между прочностью материала и фрикционными свойствами.
Масляные канавки, которые необходимы для функционирования и охлаждения синхронизатора требуют для их получения дорогого процесса механической обработки. В результате контактная площадь поверхности получается сравнительно небольшой, а это ведет к увеличению удельных давлений на поверхностях трения.
Проблемы повышения несущей способности латунных колец синхронизатора затрагиваются многими ведущими европейскими автомобилестроительными компаниями. Решение такой комплексной задачи, как правило, возможно лишь благодаря использованию комплексных технологических приемов (рис.1.8).
Рис.1.8 Доля рынка современных фрикционных материалов, используемых в синхронизаторах
Раньше единственным путем повышения несущей способности латуни было покрытие фрикционной поверхности молибденом. При этом преимущества получаются небольшие, так как при увеличении нагрузок и давления в синхронизирующей системе превышаются прочностные характеристики латуни, что ведет к деформации поверхности трения. Можно использовать для изготовления кольца синхронизатора альтернативные высокопрочные материалы, но при этом требуется нанести на трущуюся поверхность дополнительный фрикционный материал с использованием дорогих процессов склеивания и наплавки. В табл.1.1 приведены различные варианты решения этой проблемы и их комбинации.
Дополнительно к латуни и молибдену, в синхронизаторах используются обкладки из спеченных и органических материалов (рис.1.8.)
Таблица 1.1 Варианты и комбинации фрикционных материалов колец
Основной материал Фрикционная обкладка Противоположная сопрягаемая поверхность
В настоящее время обкладки из спеченных материалов используются исключительно на позициях переключения с высоким уровнем энергии. Европейские автомобилестроительные компании очень редко используют в синхронизаторах органические фрикционные обкладки.
При использовании специальных латунных сплавов, фрикционная поверхность кольца, а также и другие поверхности профилируются во время процесса штамповки.
Во время процесса спекания фрикционных обкладок из спеченного дисперсного материала, состоящего из латунного порошка, фрикционных стабилизаторов и неметаллических элементов: углерод, кремний и т.д., прикрепляется к стальному носителю, который затем формируется в виде одинарного или двойного конусов (патент Hoerbiger).
Молибден на профилируемую коническую поверхность кольца наносится с помощью процесса газопламенного напыления, шлифуется (при нанесении толстого слоя) и (или) калибруется.
В случае применения органических обкладок, на несущее кольцо с помощью клея крепится волокнистый материал с органической матрицей (хлопок, фенольная смола) содержащий включения фрикционных и структурных стабилизаторов.
Все эти четыре фрикционных материала: латунь, спеченный материал, молибден и органический материал - ведут себя при эксплуатации по-разному.
Стендовые испытания, выполненные различными нейтральными исследовательскими институтами и полевые испытания показали, что при типичных условиях эксплуатации обкладки из молибдена или из спеченного материала показывают хорошие или очень хорошие эксплуатационные свойства, хотя изза высокого удельного давления получающегося вследствие геометрических размеров синхронизатора латунь и органические фрикционные обкладки показывают сравнительно высокую степень износа (рис.1.9).
Рис.1.9. Характер износа фрикционных обкладок синхронизатора
Серия опубликованных статей [1] указывает на то, что спеченные фрикционные обкладки допускают очень высокие нагрузки (рис.1.10), которые недопустимы при использовании обкладок из латуни, органических материалов и молибдена. Высокая теплопроводность и пористость спеченных обкладок, наряду с высокой теплоемкостью масла, находящегося в порах, обеспечивают низкую температуру фрикционной поверхности. Это выгодно не только для фрикционного материала, но и для развития термических напряжений в поверхности трения.
Тонкие молибденовые покрытия показывают эксплуатационные характеристики почти такие же, какие показывают спеченные фрикционные обкладки на низких скоростях. При более высоких поверхностных скоростях (10 м/сек) следы перегрева (образующийся мартенсит при трении) проявляются вполне очевидно, развиваясь в фреттинг-коррозию на конической поверхности.
Органические обкладки разрушаются первыми при высоком поверхностном давлении, развивающемся в синхронизаторе. Даже тогда, когда синхронизатор работает с низким пределом теплоемкости, может иметь место неприемлемое уменьшение запаса на износ. Латунь не пригодна для постоянного уровня нагрузки более чем 0,1 дж/мм2 изза износа.
Рис.1.10. Максимально допустимая нагрузка при трении.
Испытания в условиях работы с нарушением правил эксплуатации автомобиля обычно проводятся в США. В табл.1.2 указаны условия испытаний, моделирующие поведение водителя спортсмена, который не соблюдает правил переключения передач. При этих испытаниях делается допущение, что многие из этих водителей не полностью нажимают на педаль сцепления при переключении передач или что кольцо синхронизатора прижимается к конусу муфты при неконтролируемом сцеплении, (рычаг переключения передач находится в нейтральном положении - это привычка, возникающая при езде на автомобиле с автоматической коробкой передач).
Таблица 1.2. Испытания с нарушение правил переключения передач (КПП). (Усилие на рукоятке переключения: 281 Н, передаточное отношение рычажного механизма: 7,5:1; осевое усилие: 2109 Н, период нажатия: 2,5 сек., диаметр кольца синхронизатора: 100 мм.)
Передача Частота, об/мин. Скорость, м/сек. Энергия, Дж. Удельная энергия, Дж/мм2.
1 450 2,3 1237 0,51
2 820 4,2 2254 0,92
3 1230 6,4 3381 1,39
4 1590 8,2 4370 1,79
5 1800 9,3 4950 2,03
6 1900 9,8 5223 2,14
В обоих случаях это означает, что синхронизатор должен абсорбировать значительно больше энергии.
Испытания с нарушением правил, проведенные с большими дифференциальными скоростями выявили функциональные проблемы при использовании органических и молибденовых обкладок. На молибденовых обкладках выявлена фреттинг-коррозия, в то время как основа органических обкладок страдала от сильного перегрева (обугливания).
Испытания с нарушением правил привели к внедрению в европейское автомобилестроение обкладок из спеченного материала при производстве автомобилей.
Наглядное сравнение эксплуатационных характеристик для различных обкладок приведено в табл.1.3.
Таблица 1.3. Сравнительная оценка альтернативных фрикционных материалов
Характеристика Спеченный материал Бумага Тонкий слой молибдена
Износ (фрикционная поверхность) -
Износ (входящий конус) 0 0 -
Несущая способность, Дж/мм2
Динамическое трение
Фрикционная способность 0
Результаты испытаний с НПП 0
Совместимость с маслом
Базой для оценки является кольцо синхронизатора из специальной латуни.
Улучшение Повышение износа
Существенное -Существенное
Явно выраженное - Небольшое
Небольшое 0 Отсутствует
Все варианты конструкции с одноконусным латунным кольцом синхронизатора имеют общий недостаток в том, что увеличение мощности синхронизатора за счет ввода дополнительных фрикционных обкладок ведет к существенному повышению стоимости синхронизаторов (рис.1.11).
Рис. 1.11 Сравнение стоимости и допустимых нагрузок по десятибалльной системе для компонентов стандартных синхронизаторов, имеющихся на рынке
1.2.1 Многоконусный синхронизатор
Все возрастающий спрос на современные коробки передач с повышенным уровнем комфорта при переключении передач и с высоким уровнем энергоемкости привел к пересмотру одноконусной конструкции. До настоящего времени решение этих задач можно было обеспечить только увеличением диаметра синхронизатора и увеличением количества рабочих поверхностей.
Идея повышения эффективности синхронизатора за счет увеличения числа поверхностей трения нашла свое воплощение в многоконусном синхронизаторе, разработанном английской фирмой Смита (рис. 1.12) [2 ].
В таком синхронизаторе осевые силы распределяются по трем концентрично расположенным поверхностям трения. Как видно из рисунка, между двумя главными конусами, принадлежащими соответственно блокирующему кольцу 2 и шестерне 4, расположены концентрические конусные кольца 1 и 3. Конусное кольцо 3 имеет шипы В, которые входят в соответствующие пазы блокирующего кольца 2. Другое конусное кольцо 1 соединяется шипами А с шестерней, для чего в конусном выступе последней профрезерованы пазы.
Блокирующее кольцо 2 и связанное с ним шипами В конусное кольцо 3 изготовляют из фосфористой бронзы, а конусное кольцо 1, соединено со стальной шестерней 4.
В синхронизаторе Смита вместо одной поверхности трения, присущей всем рассмотренным выше инерционным конусным синхронизаторам, образуются три поверхности трения. Если конструктивные осевые зазоры между отдельными кольцами обеспечивают равное распределение усилия включения между всеми тремя поверхностями трения, то синхронизирующий момент увеличивается по сравнению с обычными одноконусными синхронизаторами приблизительно втрое. Величину синхронизирующего момента можно вычислить по формуле (1.2) [2, стр. 127]: , (1.2) где RC1,2,3 - средние радиусы конусных поверхностей трения, PC - усилие включения передачи, m- коэффициент трения, g- угол наклона конических поверхностей.
Теоретические преимущества многоконусного синхронизатора подтверждаются на практике. При переключении передач в одинаковых условиях эксплуатации значительно уменьшаются усилия, требующиеся для выполнения этого процесса, а при равных усилиях сокращается время синхронизации угловых скоростей соединяемых деталей и общее время включения выбранной передачи [3].
При испытаниях многоконусного синхронизатора, использованного в коробке передач грузового автомобиля повышенной грузоподъемности для включения второй, третьей, четвертой и пятой (прямой) передач, получены высокие результаты[4]. По утверждению автора статьи, полностью загруженный десятитонный грузовой автомобиль в условиях интенсивного городского движения и на дорогах с крутыми подъемами управлялся так же легко и бесшумно, как легковой автомобиль высокого класса.
Кроме повышенного синхронизирующего момента, многоконусный синхронизатор Смита обладает надежно работающей блокировкой при любых методах переключения передач. Это объясняется стабильностью коэффициента трения между конусными тормозными поверхностями. В этой же статье отмечается, что многоконусный синхронизатор, имеющий приблизительно размеры типичного современного синхронизатора, надежно работает при коэффициенте трения m=0,025, что намного ниже значений коэффициента трения, используемых в современных одноконусных синхронизаторах. Такой низкий коэффициент трения обеспечивает высокую долговечность многоконусного синхронизатора, а также исключает случаи прихватывания конусов и вызванных этим больших трудностей при включении шестерни, которые наблюдаются в одноконусных синхронизаторах при повышении коэффициента трения до 0,10 - 0,11.
Об эффективности синхронизатора Смита можно судить по отношению синхронизирующего момента Мс к моменту Мб на блокирующем кольце, возникающему на скосах зубьев под действием приложенного к скользящей зубчатой муфте усилия водителя [2, стр. 128 ]: , (1.3)
Синхронизатор эффективен в том случае, если синхронизирующий момент больше момента на блокирующем кольце. В противном случае синхронизатор не будет блокировать, и зубья скользящей муфты будут сцепляться с зубьями муфтового соединения шестерни до выравнивания угловых скоростей, что неизбежно приведет к ударам.
Для сравнения различных конструкций удобно пользоваться графиками зависимость эффективности синхронизатора от коэффициента трения.
На рис.1.13 верхняя линия характеризует зависимость эффективности современного одноконусного инерционного синхронизатора от коэффициента трения на его конусных поверхностях; средняя линия показывает аналогичную зависимость для одноконусного синхронизатора конструкции 40-х годов; нижняя линия характеризует эффективность трехконусного синхронизатора Смита.
Рис. 1.13 Зависимость эффективности синхронизатора от коэффициента трения: а - блокировки нет; б - зона блокировки.
Момент на блокирующем кольце определяем по формуле (1.4) [2, стр. 128 ]: , (1.4) где Ro - расстояние от оси вращения синхронизатора до поверхности контакта блокирующего кольца с зубчатой муфтой, b - угол скоса блокирующих поверхностей, m1 - коэффициент трения между блокирующими поверхностями.
Подставим зависимость (1.2) и (1.4) в формулу (1.3),получим [2, стр. 128 ]: , (1.5)
В синхронизаторе 40-х годов с одним синхронизирующим кольцом блокировка происходила при коэффициенте трения m»0,04. Однако эффективность достигалась за счет больших габаритных размеров синхронизатора. Эффективность же современного одноконусного синхронизатора при той же конструкции достигается за счет высокого коэффициента трения на тормозных конусных поверхностях. Как видно из графика на рис. 1.13, блокировка современного одноконусного синхронизатора происходит при значениях коэффициента трения, больших 0,075. По мере износа конусных поверхностей и заглаживания канавок, выполняемых на конусах для разрыва масляной пленки и лучшего сцепления синхронизирующего кольца с шестерней включаемой передачи, реализуемый коэффициент трения уменьшается. Это приводит к ненадежной блокировке скользящей зубчатой муфты, зубья которой могут вступать в зацепление с зубьями муфтового соединения шестерни включаемой передачи раньше, чем уравниваются их угловые скорости.
В трехконусном синхронизаторе Смита надежность блокировки во всех случаях обеспечивается самой возможностью ее осуществления при весьма небольшом значении коэффициента трения, около 0,025 (рис. 1.13).
1.2.2 Латунное кольцо со сформованной спеченной обкладкой
Во время процесса спекания фрикционных обкладок из спеченного дисперсного материала, состоящего из латунного порошка, фрикционных стабилизаторов и неметаллических элементов (углерод, кремний и т.д.), прикрепляется к стальному носителю, который затем или вваривается внутрь блокирующего кольца, или формуется в виде одинарного или двойного конусов. Компания Herbiger разработала технологию, которая дает возможность использовать обкладки из спеченного материала внутри латунного или стального одноконусного кольца синхронизатора [1 ].
Целью данной разработки было объединение преимуществ двух, широко известных, проверенных материалов для создания нового продукта: дешевая латунь, как материал основы, и высокая несущая способность фрикционных обкладок.
Рис1.14. Латунное кольцо со сформованным кольцом из фольги с обкладкой из спеченного материала.
При этом технологическом процессе сформированное плоское кольцо в виде фрикционной обкладки механически фиксировалось за одну операцию внутри латунного кольца. Отгиб фольги вокруг фасок на переднем и заднем торцах кольца обеспечивает фиксацию кольца в осевом направлении, а запрессовка фольги в радиальные канавки предотвращает поворот кольца.
Такая система позволяет заменить существующую конструкцию кольца синхронизатора без кардинальной переделки узла синхронизатора.
1.2.3 Специальные латунные сплавы
При использовании этих сплавов фрикционная поверхность профилируется во время процесса штамповки с последующей механической обработкой. Повышение прочности блокирующего кольца происходит путем изменения химического состава (легирования) материала и повышения твердости готовых колец. Резервные возможности материала в этом случаи ограничиваются: большой процент легирования может привести к снижению пластичности и ухудшению штампуемости блокирующих колец, а увеличение твердости сказывается на обеспечении точности механической обработки и преждевременным выходом из строя режущего инструмента.
1.2.4 Органические обкладки
Дополнительно к латуни и спеченным материалам в синхронизаторах используются обкладки из органических материалов. В случае применения органических обкладок, на несущее кольцо с помощью клея крепится волокнистый материал с органической матрицей (хлопок, фенольная смола, бумага и др.), содержащий включения фрикционных и структурных стабилизаторов. Европейские автомобилестроительные компании очень редко используют в синхронизаторах органические фрикционные обкладки изза дорогостоящего процесса приклеивания дополнительного износостойкого материала и их неприемлемо малого запаса на износ [5].
1.2.5 Кольцо синхронизатора, полученное методом порошковой металлургии
По мере того как автомобилестроительные компании стремятся улучшить все технические характеристики автомобиля, вырисовывается необходимость в создании нового материала для изготовления колец синхронизатора. Этот материал должен обладать лучшей износостойкостью, чем штампованная латунь. Но стоимость этого материала должна быть меньше, чем стоимость порошковой спеченной стали с молибденовым покрытием, а также других материалов, используемых при изготовлении колец синхронизатора.
Достижению высокой силы трения на кольцах синхронизатора препятствует смазочное масло, присутствующее в коробке передач. Когда синхронизатор проталкивается по направлению к шестерне, он вытесняет смазочное масло, находящееся между коническими поверхностями. При касании поверхностей друг с другом контакт металл-металл достигается не сразу, так как на металлических поверхностях имеется масляная пленка. Масло, применяемое в коробках передач, содержит специальные добавки, которые абсорбируются на металлической поверхности, создавая стабильную и равномерную пленку смазки.
Обычно используется два типа колец синхронизатора: штампованные латунные и стальные, изготовленные методом порошковой металлургии с молибденовым покрытием. Латунные синхронизаторы дешевле, но они требуют выполнения большого количества производственных операций, прежде всего проточки канавок на фрикционных поверхностях. Латунные синхронизаторы функционируют хорошо, когда они новые, но со временем они деградируют изза износа поверхности с канавками.
Молибденовые покрытия наносятся с помощью методов термического проецирования, предпочтителен метод плазменного напыления. Нанесение этих покрытий обходится дорого, так как исходные материалы дороги, процесс плазменного напыления довольно сложен, а на очень твердой молибденовой поверхности трудно выполнять финишные операции. Синхронизаторы с молибденовым: покрытием более предпочтительны, чем латунные, изза их высокого коэффициента трения, не зависящего от температуры и вязкости масла.
Фрикционные материалы, получаемые методом порошковой металлургии, хорошо разработаны в форме покрытий наносимых на конические поверхности синхронизатора. Эти спеченные материалы применяются в основном в тяжелонагруженных синхронизирующих системах грузовиков и строительно-дорожных машин. Они включают спеченную бронзовую матрицу, содержащую твердые частицы, такие как кварц или корунд, которые создают большую силу трения, наряду, с частицами, оказывающими смазывающее воздействие, такими как графит.
В прошлом делались попытки распространить эту технологию на изготовление колец синхронизаторов, используемых в ручных коробках передач, но успех при этом был достигнут довольно ограниченный. Возникли проблемы связанные с конической формой фрикционных поверхностей деталей синхронизаторов, на которые трудно с помощью прежних методов порошковой металлургии нанести порошковый материал. Более серьезной проблемой является присутствие в коробке передач смазок, специально предназначенных для создания стабильных пленок на металлических поверхностях. Эти смазки приводят к получению более низкого коэффициента трения на материалах из спеченной бронзы, чем на сухих системах.
Новая конструкция кольца блокирующего синхронизатора, изготовлена методом порошковой металлургии, на коническую наружную поверхность которого нанесено покрытие из фрикционного материала [6,7]. Спеченная ступенчатая деталь получается с помощью обычных методов порошковой металлургии.Порошки фрикционного материала смешиваются с органическим связующим веществом на основе воска. Нанесение покрытия на наружную коническую поверхность осуществляется путем подачи точно дозированного объема смеси порошка и связующего состава в полость прессформы. При открывании полости прессформы смесь металлического порошка и связующего состава образует покрытие на основе стальной детали. На следующей стадии органический связующий состав устраняется, путем медленного нагрева на воздухе. Затем проводится спекание в контролируемой атмосфере. Последней производственной операцией является чеканка канавок на поверхности фрикционного материала. Новый фрикционный материал состоит из матрицы с внедренными частицами. Эти частицы состоят из стали, обогащенной хромом и молибденом. Коэффициент трения у таких материалов получается такой же, как и материалы с молибденовым покрытием, а износостойкость получается лучше, чем у штампованной латуни.
Из литературных источников известно, что ходовые испытания автомобиля с деталью, имеющей покрытие на основе нового фрикционного материала, дают полную оценку эксплуатационных характеристик детали, но это обходится очень дорого, для этого требуется много времени и не предоставляется возможности контролировать физические параметры, такие как температура и давление. Стендовые испытания КПП и синхронизатора дают возможность более быстро дать оценку прототипов при значительно меньших затратах. Трибометр является эффективным для определения усилия трения и износа на материалах при точно контролируемых физических и химических параметрах. Последний представляет собой вращающийся диск и шпильку из исследуемого материала, трущуюся о диск (рис. 1.15).
Главным условием успеха проведения таких экспериментов является правильный выбор испытываемых параметров для каждой стадии экспериментов, чтобы обеспечить одинаковое воспроизводство трибологических явлений. Обычные хорошо известные материалы, такие как молибден и латунь, испытывались первыми, чтобы продемонстрировать адекватность стадии эксперимента. Очень важно было также четко определить требуемые характеристики для разрабатываемого материала относительно износостойкости, коэффициента трения, а также таких параметров испытаний, как скорость, давление и температура.
Другим аспектом данной экспериментальной работы был анализ испытываемых образцов до и после испытаний на трибометре, чтобы скоррелировать результаты наблюдений за поверхностью материала и замеров процесса трения. С этой целью использовались электронный сканирующий микроскоп, анализ рассеивания энергии рентгеновских лучей, исследования с помощью рентгеновских лучей и электронная спектроскопия для химического анализа.
Результаты проведенных экспериментов обеспечили понимание механических и химических факторов влияющих на работу синхронизирующей системы и способствующих идентификации нового семейства фрикционных материалов. Функциональные прототипы, покрытые одним из этих новых фрикционных материалов, были последовательно испытаны на стенде для испытания синхронизаторов, на стенде для испытания КПП и непосредственно на автомобиле.
На рис.1.16 приведена зависимость коэффициента трения от скорости скольжения для порошкового фрикционного материала, измеренная на трибометре при условиях испытания: температура 200С, смазка ХТ 1536, давление 56 МПА.
Рис.1.16 Порошковый материал. Зависимость коэффициента трения от скорости скольжения.
На рис.1.17 показаны кривые, полученные для латунных колец обычно используемой в синхронизаторах с поверхностью без канавок и с поверхностью, имеющей канавки для разрыва масляной пленки. Испытания проводились на трибометре при тех же условиях, что и для порошкового материала. Можно увидеть, что для латуни канавки совершенно необходимы, чтобы достичь необходимой для синхронизации величины коэффициента трения, при этом наблюдается три режима смазывания: граничная тонкопленочная смазка при малых скоростях, смешанный режим смазки и гидродинамическая смазка при высоких скоростях скольжения.
Такие трибологические режимы обычны для систем смазки, где наблюдается трение деталей из сплавов на основе железа или меди. Только механическое воздействие канавок позволяет разрезать масляную пленку и достичь граничного режима смазки. Под механическим разрезанием масляной пленки понимается процесс стекания масла в полости канавок, суммарный объем которых строго определен.
Рис.1.17. Латунь. Зависимость коэффициента трения от скорости скольжения.
Для более подробного описания нового фрикционного материала на рис.1.16 показана зависимость коэффициента трения от скорости скольжения, измеренной на испытываемых шпильках состоящих из бронзовой матрицы без фрикционных модификаторов. Как и в случае использования латуни наблюдались три режима смазки. Приведенная кривая показывает, что характерные свойства нового фрикционного материала связаны с присутствием фазы модификатора трения.
В случае использования молибденового покрытия высокая пористость слоя покрытия, наряду с высокой твердостью, позволяют маслу стекать, в результате чего достигается контакт металл-металл при граничном режиме смазки. Это можно увидеть на рис.1.18, где приведена зависимость коэффициента трения от скорости скольжения при испытании на трибометре с выше указанными условиями. Способность получать граничные условия смазывания при гладкой поверхности является характерной особенностью нового композитного фрикционного материала.
Рис.1.18. Молибденовое покрытие. Зависимость коэффициента трения от скорости скольжения
На рис.1.19 приведена зависимость коэффициента трения от скорости скольжения для латуни, полученной на трибометре при температурах 200С, 800С, 1200С при использовании масла, содержащего добавки бора ELF XT 1536.
Очень важно отметить, что вязкость масла резко изменяется от 429 сантистокс при 200С до 20 сантистокс при 800С и только на 7 сантистокс при 1200С. Если бы механическое воздействие канавок, когда подрезается масляная пленка, было единственным параметром, влияющим на коэффициент трения, то тогда бы более низкая вязкость масла ассоции
Вы можете ЗАГРУЗИТЬ и ПОВЫСИТЬ уникальность своей работы
