Разработка метода и технология напыления износостойких покрытий на наружную коническую поверхность кольца блокирующего синхронизатора ВАЗ 2123

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 из-за 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,

Fа — осевое усилие,

µс — динамический коэффициент трения между кольцом и конусом,

Rc — средний радиус конуса,

Ti — индексный момент,

Rb — радиус индексного момента (Ti),

в — угол скоса в радиусе индексного момента (Ti),

µs — 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 2108−1 701 164−10). Используются также синхронизаторы с одинарным наружным конусом (2101−1 701 164), 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 WАRNER 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

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 из-за 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 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 из-за 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.)

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

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.

Рис. 1.12 Многоконусный (трехконусный) синхронизатор 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 R_C1,2,3 — средние радиусы конусных поверхностей трения, P_C — усилие включения передачи, — коэффициент трения, — 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.

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 =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 М_с к моменту М_б 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, — угол скоса блокирующих поверхностей, ₁ — 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 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 из-за дорогостоящего процесса приклеивания дополнительного износостойкого материала и их неприемлемо малого запаса на износ.

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 из-за 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, из-за 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. 3атем 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 ассоциировалась с более высоким коэффициентом трения из-за того, что масло более легко начинает вытекать в канавки. Фактически, как можно увидеть на рис. 1.19, это справедливо для температуры 80⁰С, но не справедливо для температуры 120⁰С.

Рис. 1.19. Латунь. Зависимость коэффициента от температуры Коэффициент трения на латунной шпильке с канавками при температуре 120⁰С является меньше, чем при температуре 80⁰С, что указывает на наличие при повышении температуры и других феноменов. Возможно, здесь имеют место химические реакции добавок, добавляемых в масло с латунной поверхностью. В случае применения нового фрикционного материала — бронза+15% хромистой стали, как видно на рис. 1.20, более высокие температуры ассоциируются с более высоким коэффициентом трения без каких-либо эффектов, зависящих от температуры. Следует сказать, что при температурах 20⁰С и 80⁰С кривые зависимости коэффициента трения от скорости скольжения совпадают, поэтому на рис. 1.20. указаны только температуры 80⁰С и 120⁰С.

Рис. 1.20. Новый фрикционный материал. Зависимость коэффициента трения от температуры При различных условиях был замерен износ образцов. Была выявлена ясная зависимость износа от содержания модификатора трения (рис. 1.21.). Износ уменьшается по мере увеличения содержания модификаторов трения, но существует предел, когда начинает действовать сцепление бронзовой матрицы. Было определено, что этот предел соответствует 25% содержанию модификатора трения, поэтому был выбран стандартный состав с 20% модификатора трения (хромистая сталь), когда скорость износа составляет 3•10^-9 мм³/Нм. Это лучше чем величина износа, измеренная на латуни и равная 10^-5 мм³/Нм.

Рис. 1.21 Новый фрикционный материал. Зависимость износа от содержания модификатора трения На рис. 1.22 показана зависимость коэффициента трения от усилия сцепления, измеренная на функциональных деталях во время стендовых испытаний. Характеристики синхронизаторов с новым композитным материалом приближаются к характеристикам синхронизаторов, имеющих молибденовое покрытие. Большое значение коэффициента трения при низких условиях сцепления на этой кривой означает, что водитель будет чувствовать себя более комфортно при переключении передач, так как переключение передач будет происходить более мягко.

Рис. 1.22. Новый фрикционный материал. Зависимость коэффициента трения от усилия сцепления В результате исследований были разработаны новые технологический процесс и семейство новых фрикционных материалов, для смазываемых трибологических систем, для колец синхронизаторов ручных коробок передач. Успешную разработку новинок обеспечило уяснение следующих двух явлений:

— понимание, каким образом формируется масляная пленка и каким образом ее можно дестабилизировать за счет морфологии и соответствующего состава поверхности,

— способность получать требуемые морфологию и химический состав поверхности путем нанесения покрытия из композитного металлического порошка даже на стальные неплоские поверхности.

Уверенность в том, что результаты данных исследований будут использованы в промышленности, основывается на высоких фрикционных характеристиках нового материала и на высокой экономической эффективности разработанных технологических процессов при массовом производстве. Высокие фрикционные характеристики будут оценены водителем автомобиля, так как они смогут легко переключать скорости в течении всего срока службы автомобиля, даже в тяжелых условиях эксплуатации, например, в мороз зимой.

1.2.6 Напыление колец молибденом

Напыление наружной конической поверхности кольца блокирующего синхронизатора молибденом является способом повышения долговечности работы узлов синхронизации. Метод напыления основан на процессе газопламенного напыления, при котором не происходит диффузионного взаимодействия частиц молибдена в виде порошка и материала-основы колец, а возникает механическое скрепление раскаленных частиц молибдена с поверхностью кольца. Качество скрепления характеризуется адгезионными свойствами порошка.

В табл.1.4. приведен химический состав материала латуни ЛМцАЖН серийных (ВАЗ 2101) и опытных (с напылением Мо) блокирующих колец синхронизатора, которые изготовлены из одной заготовки (трубы), процентные диапазоны химических элементов данного материала по ТУ184 550−106−033−97.

Таблица 1.4 Химический состав материала серийных и опытных блокирующих колец

Испытания блокирующих колец как серийных, так и с напылением Мо проводились при следующих условиях (табл. 1.5). Режим испытаний при Рос=700Н соответствует наиболее тяжелым условиям, которые могут возникнуть при работе узла синхронизации (основные рабочие режимы соответствуют Рос=350−600Н). Смазывание узла проводилось струйным методом, при котором температура масла поддерживалась постоянной при помощи термостата. Смазочным материалом являлось трансмиссионное масло 85w90 (ОмскОил Супер — Т).

Общая величина размерного износа пары трения определялась по измерению посадки блокирующего кольца на конус муфты до и после испытания. Для определения величины износа блокирующего кольца измерялась его посадка на не работавшем конусе муфты. Износ конуса муфты определялся путем вычитания из общей величины износа пары трения величины износа кольца блокирующего.

Таблица 1.5 Условия испытаний блокирующих колец синхронизатора

Величина износа блокирующих колец в начале испытания (до 2000 циклов синхронизации) определялась через каждые 500 циклов, затем через 1000−2000 циклов.

Таблица 1.6 Трибологические характеристики пары трения «блокирующее кольцо — муфта скользящая КПП»

*предельно допустимый износ Величина износа блокирующих колец в начале испытаний (до 2000 циклов синхронизации) определялась через каждые 500 циклов, затем через 1000−2000 циклов. В табл.1.7 и на рис. 1.23 приведены усредненные значения размерного износа (Iр, мм) и коэффициента трения пары (f_ср), полученные в результате испытаний исследуемых блокирующих колец. Значение коэффициента трения определено при наработке 3500 циклов. Количество испытаний на каждую точку с каждым вариантом составляло 3−4.

Рис. 1.23 Трибологические характеристики пары трения «блокирующее кольцо — муфта скользящая КПП»

Таблица 1.7 Величины износов пары трения «блокирующее кольцо синхронизатора — муфта скользящая КПП»

Рис. 1.24 Диаграмма величин износов колец синхронизаторов, муфты и общий износ пары трения.

Анализируя результаты испытаний (см. рис. 1.23, 1.24 и табл.1.6, 1.7), можно отметить следующее:

— Процесс изнашивания колец разделяется на две стадии: стадию приработки и стадию установившегося изнашивания. В стадии приработки (до 2000;2500 циклов синхронизации) интенсивность изнашивания серийных и опытных (с напылением) блокирующих колец практически одинакова. Для колец с напылением в пределах 0−1500 циклов синхронизации несколько большую интенсивность износа можно объяснить отсутствием операции финишной доводки поверхности конусной части после напыления.

— В стадии установившегося режима трения интенсивность износа серийных колец снижается, но остается достаточно высокой, что объясняется наличием пластической деформации вершин резьбы вследствие высокой температуры тонкого поверхностного слоя и нормальным механическим износом.

— У колец с напылением Мо после приработки интенсивность износа резко снижается, что можно объяснить высокой твердостью поверхности и жаропрочностью молибдена по сравнению с латунью. Наблюдается отсутствие пластифицирования вершин резьбы блокирующего кольца.

— Износостойкость колец с напылением Мо, рассчитанная по интенсивности износа, в 4−6 раз превышает соответствующие показатели для серийных колец. Возможной причиной повышенного износа конусов муфт является неравномерность нанесения износостойкого покрытия молибдена (Мо) на блокирующее кольцо и вызванное этим неудовлетворительное прилегание поверхностей трения.

Величина критического износа (I_л=0,65−0,70 мм) на опытных кольцах с покрытием Мо в заданных условиях испытаний достигнута не была ввиду необходимости для этого длительных испытаний.

— Коэффициент трения у пары с блокирующими кольцами, напыленными Мо, в установившемся режиме трения на 10−15% ниже, чем у пары с серийными блокирующими кольцами.

— Общий износ пары трения «блокирующее кольцо синхронизатора — конус скользящей муфты КПП» с напыленными молибденом (Мо) блокирующими кольцами на 40−50% меньше, чем при работе с серийными латунными кольцами.

1.3 Условия работы и состояние фрикционных материалов для колец синхронизаторов Как показывают исследования изношенных колец блокирующих синхронизатора, снятых с КПП 2101 после дорожных испытаний и колец после испытаний на стенде «ZF» ОДШ УПА, долговечность синхронизаторов КПП ограничивается износостойкостью резьбы конусной части кольца блокирующего 2101−1 701 164. При этом поверхностные слои резьбы, участвовавшие в процессе трения, пластически деформированы, т. е. наряду с нормальным механическим износом происходила пластическая деформация и смятие вершин резьбы. В результате деформации (увеличения опорной поверхности) преждевременно прекращается разрыв масляной пленки и выполнение функций синхронизации 9 .

Тонкие молибденовые покрытия показывают эксплуатационные характеристики почти такие же, какие показывают спеченные фрикционные обкладки на низких скоростях. Однако при более высоких поверхностных скоростях молибденовые покрытия, у которых на поверхности температура превышает 300С, легко разрушаются и отделяются от основы, так как при такой температуре происходит окисление молибдена.

Кроме того, с дальнейшим увеличением нагрузок и давления в синхронизирующей системе превышаются, как правило, прочностные характеристики латуни, что ведет к деформации самого кольца.

Наряду с этим, в ряде публикаций [5,6,11,12−17] указывается на высокую стоимость материалов на основе молибдена. Поэтому увеличение долговечности синхронизатора за счет ввода дополнительной операции по напылению износостойкого покрытия ведет к существенному повышению стоимости синхронизаторов, при этом, что зачастую не решаются проблемы по износу входящего конуса.

По мере того, как автомобилестроительные компании стремятся улучшить технические характеристики автомобиля, вырисовывается необходимость в создании нового материала для изготовления колец синхронизатора. Этот материал должен обладать лучшей износостойкостью, чем традиционная латунь. Но стоимость этого материала должна быть меньше чем стоимость других материалов, используемых при изготовлении колец синхронизатора.

В серии опубликованных статей [10,18,19,20] указывается на широкое применение у большого класса деталей покрытий с повышенной износостойкостью из самофлюсующихся сплавов на основе никеля, железа и других материалов. Приводящиеся данные по эксплуатационным характеристикам данного класса материалов указывают на перспективность их применения для различных пар трения.

Анализ и обобщение литературных данных [10,18,19,20,21−23] указывает на удачное соотношение у этих материалов таких характеристик как стоимость и эксплуатационные свойства.

1.4 Состояние и перспективы развития газотермических покрытий в автомобилестроении В связи с увеличением удельных тепловых и механических нагрузок в современных автомобилях все большее значение приобретает проблема повышения надежности и долговечности деталей узлов трения.

Часто возникает необходимость обеспечения высокой прочности деталей в сочетании с их высокой износозадиростойкостью, антифрикционностью. Решение таких комплексных задач, как правило, возможно лишь благодаря использованию тех или иных технологий поверхностного упрочнения.

Вопросами упрочнения деталей методами газотермического напыления за рубежом занимаются такие известные фирмы, как «Sultzer Metco AG», «Castolin-Eutectic», «Plasmadyne» (США), «Plasmatechnic» (Швейцария), «Interweld» (Австрия), «Union Carbide» (США), «Simka» (Франция) и др.

В отличии от фирмы «Sultzer Metco AG», создающей не только универсальное оборудование для газопламенного и плазменного напыления, но и автоматизированные установки дли упрочнения деталей автомобиля (клапаны, кольца синхронизатора, вилки переключения, поршневые кольца, гильзы цилиндров в блоке цилиндров ДВС) применительно к условиям массового производства, институт «Castolin-Eutectic» ориентируется в основном на применение методов газопламенного, плазменного напыления и электродуговой наплавки. В связи с этим он производит только универсальное оборудование, специальные приспособления и манипуляторы для осуществления процессов напыления и наплавки. Однако по желанию потребителя аппаратура может встраиваться в автоматические линии и автоматизированное оборудование. Газотермическая аппаратура отличается высокой надежностью и незначительными потерями порошковых материалов при напылении (не более 10%).

По некоторым данным, области применений в Европе газотермических методов в производстве выглядели следующим образом:

Италия — автоматические и полуавтоматические установки для металлизации и напыления колец синхронизаторов автомобилей; автоматические установки для металлизации вилок переключения передач автомобилей, металлизация штампов, роликов, частей самолета, частей гидравлических двигателей; камеры для плазменной и газопламенной установок.

Франция — автоматические установки для металлизации диафрагм сцепления, вилок переключения автомобилей, корпуса синхронизатора.

Швеция — автоматические установки для металлизации колец синхронизаторов автомобилей, конусов ракет.

Германия — автоматические установки для металлизации колец синхронизаторов и вилок переключения автомобилей.