Шестерня

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси(72) Автор Покровский Артур Игоревич(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси(57) Шестерня, состоящая из зубчатого венца и ступицы и выполненная из высокопрочного чугуна, содержащего вытянутые в результате горячей пластической деформации графитные включения, отличающаяся тем, что эти включения ориентированы по контуру зубчатого венца, а глубина области ориентированных графитных включений составляет от 1,2 до 1,7 высоты зуба. 106772015.06.30 Полезная модель относится к области машиностроения и может быть использована для передачи крутящего момента в редукторах, приводных механизмах оборудования, автотракторной техники и др. Известна шестерня, состоящая из зубчатого венца и ступицы, соединенных между собой виброизолирующим кольцевым элементом 1. Как следует из описания аналога,зубчатый венец выполнен из конструкционной стали, ступица - из алюминия, а виброизолирующий кольцевой элемент - из оксидокерамики. Недостатком аналога является относительно невысокая механическая прочность шестерни, обусловленная совокупностью используемых конструктивных материалов. В связи с этим рассматриваемая шестерня может быть использована только в малогабаритных механизмах, не подвергаемых высоким механическим нагрузкам. Одним из традиционных материалов для изготовления шестерен, работающих в тяжелонагруженных условиях, является чугун, преимущественно высокопрочный с шаровидным графитом. Горячая пластическая деформация, используемая при изготовлении изделий из высокопрочного чугуна, приводит к направленному изменению формы графитных включений в структуре чугуна и возникновению в связи с этим значительной анизотропии механических свойств материала. Управление этой анизотропией позволяет целенаправленно изменять широкий спектр характеристик конечных изделий. Наиболее близким к заявляемому техническому решению, его прототипом является изделие из чугуна, представляющее собой втулку требуемых размеров из высокопрочного деформированного чугуна с вытянутыми графитными включениями, ориентированными в радиальном направлении 2. Прототип предназначен для использования в качестве подшипника скольжения, а радиальная ориентация вытянутых в результате горячей пластической деформации графитных включений позволяет достичь максимальной твердости рабочей поверхности и выровнять ее значение по всей рабочей поверхности подшипника,чем обеспечивается его повышенная износостойкость. Однако такая радиальная ориентация вытянутых графитных включений оказалась неприемлемой при изготовлении чугунных шестерен, которые, как широко известно, состоят из ступицы и зубчатого венца. Включения графита являются центрами зарождения трещин, поскольку способствуют концентрации механических напряжений на границе их раздела с металлической матрицей. Закалка профиля зубьев приводит к значительной концентрации механических напряжений вокруг графитных включений в структуре чугуна и повышению вероятности их скалывания в процессе эксплуатации. Распространение трещин в деформированном высокопрочном чугуне протекает, как правило, за счет последовательного разрушения областей металлической матрицы между ближайшими графитными включениями, что с энергетической точки зрения требует наименьших затрат. Поскольку графит является чрезвычайно непрочным материалом, то преимущественное направление распространения трещин совпадает с направлением ориентации вытянутых графитных включений. Выход шестерни из строя обусловлен преимущественно либо разрушением зубчатого венца, либо разрушением ее тела. Износ зубьев шестерен, работающих в условиях смазки,протекает преимущественно за счет истирания материала с их боковой поверхности вблизи полюсной линии вследствие воздействия знакопеременных нагрузок в процессе ее работы с последующим скалыванием всего зуба. Разрушение тела шестерни протекает, как правило, за счет зарождения трещины на дне впадины между зубьями в результате концентрации механических напряжений в критических условиях и ее дальнейшего развития в радиальном направлении. Поскольку толщина шестерни в центральной части для снижения ее веса, как правило, заметно меньше ее толщины в области зубчатого венца, то это приводит к быстрому развитию трещины и поломке шестерни. Радиальная ориентация графитных включений в структуре чугуна, из которого выполнена это шестерня, способствует развитию трещины в радиальном направлении, в связи с чем прочностные характеристики таких изделий оказываются чрезвычайно низкими. 2 106772015.06.30 Задачей заявляемой полезной модели является повышение прочностных характеристик шестерен. Поставленная задача решается тем, что в шестерне, состоящей из зубчатого венца и ступицы и выполненной из высокопрочного чугуна, содержащего вытянутые в результате горячей пластической деформации графитныевключения, эти включения ориентированы по контуру зубчатого венца, а глубина области ориентированных графитных включений составляет от 1,2 до 1,7 высоты зуба. Сущность заявляемого технического решения заключается в управлении анизотропией структуры и свойств деформированной области материала шестерни. Контурная ориентация деформированных графитных включений в зубчатом венце шестерни (когда вытянутые включения расположены вдоль образующей зубчатый венец поверхности), приводит к тому, что любая зародившаяся на его поверхности трещина развивается не вглубь материала, а вдоль его поверхности и в большинстве случаев снова выходит на поверхность недалеко от точки зарождения. Это приводит к некоторому износу шестерни, но не к ее поломке. Вероятность зарождения трещины на поверхности зубчатого венца при контурной ориентации графитных включений значительно снижается благодаря тому, что прочность чугуна на разрыв в направлении ориентации деформированных графитных включений существенно возрастает. Это связано с тем, что доля площади, занимаемой непрочными графитными включениями, в сечении, перпендикулярном направлению пластического течения чугуна при деформации, уменьшается, а доля площади более прочной металлической матрицы возрастает. При этом размер зерна металлической матрицы в результате деформации уменьшается, что также в целом приводит к увеличению прочностных характеристик материала шестерни. В результате этого максимальная прочность чугуна достигается вдоль линии, совпадающей с внешним контуром. Область вытянутых графитных включений в заявляемой шестерне расположена по периметру зубчатого венца на некоторую глубину, зависящую от высоты зуба. Это область шестерни подвергается максимальным знакопеременным нагрузкам в процессе эксплуатации и является самой прочной. Основной же объем материала шестерни, не подвергаемый горячей пластической деформации, сохраняет шаровидную форму графитных включений. Прочностные характеристики чугуна с шаровидным графитом являются изотропными. Нагрузки на область шестерни с шаровидными графитными включениями значительно меньше нагрузок на зубчатый венец. Сохранение исходной шаровидной формы графита в данной области не требует дополнительных затрат и поэтому экономически является оправданным. Таким образом, заявляемая совокупность взаимного расположения областей деформированного и недеформированного чугуна в составе шестерни позволяет достичь оптимальных технико-экономических характеристик. Заявляемая контурная ориентация вытянутых графитных включений реализуется при использовании двухстадийной горячей пластической деформации. Пластическое течение чугуна на первой стадии деформации, например, путем поперечной прокатки, штамповки, выдавливания или иным методом протекает вдоль деформируемой поверхности заготовки. Шаровидные графитные включения при этом сдавливаются в направлении диаметра изделия и растягиваются в направлениях, перпендикулярных ему. Их ориентацию на данной стадии обработки можно определить как контурную по окружности заготовки. На второй стадии деформации в условиях осевого и радиального сжатия формируются зубья шестерни за счет воздействия деформирующего инструмента в радиальном направлении. Пластическое течение чугуна с одновременной деформацией графитных включений при этом протекает преимущественно в радиальном направлении. Во впадинах между зубьями будущей шестерни это течение направлено преимущественно к ее оси, вследствие чего графитные включения деформируются с ориентацией выпуклой стороной также по направлению к этой оси. Вблизи вершин зубьев пластическое течение 3 106772015.06.30 чугуна осуществляется также преимущественно в радиальном направлении, но уже в противоположную сторону, т.е. по направлению от оси шестерни во впадину между зубьями деформирующего инструмента. Графитные включения при этом деформируются с образованием изгиба, но ориентированного уже наружу, а не внутрь шестерни. Графитные включения, расположенные на боковых поверхностях зубьев, под воздействием деформирующего инструмента претерпевают дальнейшую деформацию с вытягиванием вдоль формируемой поверхности зубьев. Их ориентация по отношению к диаметру шестерни меняется на угол, задаваемый формой зуба. По отношению к вновь образованной поверхности зубчатого венца эти графитные включения сохраняют (претерпевают разворот на тот же угол) свою контурную ориентацию, сформированную на этапе предварительной деформации. Осевое сжатие в процессе второй стадии деформации препятствует пластическому течению чугуна в осевом направлении, что предопределяет требуемое направление ориентации графитных включений. Если предварительную пластическую деформацию поверхности шестерни не проводить, то в результате деформации в условиях радиального и осевого сжатия, проводимой на втором этапе, во впадинах и на вершинах зубьев шестерни ориентация графитных включений будет иметь преимущественно радиальный характер. А это приведет к снижению прочностных характеристик зубчатого венца и повышению вероятности зарождения трещин во впадинах. Таким образом, итоговая ориентация графитных включений в области зубчатого венца повторяет его форму по всей длине. Во впадинах между зубьями графитные включения являются вогнутыми, вблизи вершин - выпуклыми, а на боковых поверхностях зубьев они параллельны этим поверхностям. Основной же объем материала шестерни сохраняет исходную структуру с шаровидным графитом. Оптимальная глубина области ориентированных графитных включений установлена экспериментально и составляет от 1,2 до 1,7 высоты зуба, из которых 0,2-0,7 расположены ниже впадин между зубьями (т.е. за вычетом высоты непосредственно зубьев). Если глубина деформированной области меньше 1,2 высоты зуба и равна, например, 1,0 этой высоты, то во впадинах между зубьями ориентация графитных включений становится неопределенной, наблюдаются недеформированные включения и положительный эффект от наличия такой области исчезает практически полностью, поскольку во впадинах сохраняется высокая вероятность зарождения трещин. Увеличение этой глубины, например, до 2,0 высоты зуба ведет к нерациональному росту энергетических затрат на изготовление шестерни без получения дополнительных преимуществ. Глубина области контурной ориентации графитных включений задается глубиной нагрева в процессе горячей пластической деформации в условиях осевого и радиального сжатия. При этом часть материала в результате пластического течения выдавливается из заготовки и заполняет впадины между зубьями деформирующего инструмента. Экспериментально установлено, что внешний диаметр будущей шестерни (по вершинам зубьев) при этом увеличивается до 20 от высоты зуба. Таким образом, требуемая глубина нагрева составляет 1,0-1,5 высоты зуба. Заявляемое техническое решение поясняется фигурой, где приведено схематическое изображение фрагмента получаемой шестерни. На фигуре приняты следующие обозначения тело шестерни зубчатый венец ступица зуб граница деформированной области вогнутые графитные включения во впадине между зубьями выпуклые графитные включения на вершине зубьев 4 106772015.06.30 вытянутые графитные включения на боковых поверхностях зубьев О - ось шестерни. Как видно из приведенной фигуры, заявляемая шестерня из чугуна содержит области деформированного и недеформированного чугуна. Граница деформированной области 5 располагается в зоне зубчатого венца 2. Ниже этой границы в направлении ступицы 3 и оси О графитные включения (на фигуре не изображены во избежание загромождения) в структуре чугуна имеют шаровидную форму, а выше - вытянутую в направлении внешнего контура зубчатого венца 2. Во впадинах между зубьями графитные включения 6 имеют вогнутую форму, у вершины зубьев графитные включения 7 имеют выпуклую форму, а вблизи боковых поверхностей зубьев 4 графитные включения 8 ориентированы вдоль этих поверхностей. Тело шестерни 1 в своей структуре содержит только шаровидные графитные включения, чем обеспечивается необходимая прочность изделия в целом. Повышение прочностных характеристик заявляемой шестерни при ее работе в составе различных механизмов достигается за счет следующих факторов. Контурная ориентация деформированных графитных включений в зубчатом венце в структуре чугуна обеспечивает повышение прочности зубчатого венца за счет того, что возникающие в зубчатом венце в результате действия знакопеременных нагрузок микротрещины не распространяются вглубь тела шестерни и далее по направлению к ее оси О,достигая ступицы 3 с полным разрушением в радиальном направлении. Они скользят(распространяются) вдоль поверхности зубьев по контуру графитных включений, поскольку микроскалывание материала в этом направлении энергетически более выгодно,чем в направлении оси шестерни. Такое скольжение приводит лишь к некоторому износу, но никак не поломке всего изделия. Кроме того, энергия зарождения микротрещин при контурной ориентации графитных включений значительно увеличивается за счет уменьшения размера зерна металлической матрицы деформированного чугуна и снижения доли непрочных графитных включений в радиальном сечении шестерни, что является дополнительным фактором повышения прочностных характеристик. Таким образом, повышение прочности шестерни достигается контурной ориентацией деформированных графитных включений в структуре высокопрочного чугуна. Испытания заявляемой шестерни проводили следующим образом. Для изготовления шестерен использовали литые заготовки с размерами (диаметрвысота) 30157 мм, полученные методом литья в песчано-глинистые формы высокопрочного чугуна марки ВЧ-50. Заготовки нагревали в индукторе до температуры 9001000 С на глубину, обеспечивающую формирование деформированной области требуемых размеров (1,0-1,5 высоты зуба). После этого проводили предварительную горячую пластическую деформацию со степенью 40-60 методом поперечной прокатки. После этого проводили повторный нагрев заготовок на требуемую глубину до температуры 9001000 С и вторую горячую пластическую деформацию со степенью 40-60 в условиях радиального и осевого сжатия. Затем охлаждали заготовки до комнатной температуры и проводили их отпуск при температуре 450-500 С. После этого проводили финишную механическую обработку для получения требуемых размеров шестерен. Конечная высота зуба составила 8,0 мм. Полученная глубина деформированной области с контурной ориентацией вытянутых графитных включений приведена в таблице. При изготовлении шестерен-прототипов из указанного цикла были исключены операции предварительного нагрева и предварительной горячей пластической деформации, а нагрев для деформации в условиях радиального и осевого сжатия осуществляли по всему объему. Полученные шестерни-прототипы в своей структуре содержали вытянутые графитные включения, ориентированные строго радиально. Прочностные и пластические характеристики зубьев полученных шестерен исследовали во время статических испытаний на прочность при кручении на испытательном стенде модели С 455, который содержал станину для жесткого закрепления испытуемой 5 106772015.06.30 шестерни, электродвигатель и понижающий редуктор с приводом на контрольную шестерню, находящуюся в зацеплении с испытуемой. При медленном вращении контрольной шестерни происходили закручивание испытуемой шестерни и ее поломка. При этом регистрировали крутящий момент М, характеризующий предел прочности материала при изгибе, и угол закручивания , характеризующий пластичность материала, при которых происходило разрушение. Расположение включений графита в объеме шестерни контролировали методом классической оптической микроскопии при увеличениях от 100 до 1000 х на полированной поверхности шлифа. Результаты испытаний приведены в таблице. Глубина области ориентированных графитных включенийприведена относительно высоты зуба (8,0 мм). В качестве точки отсчета использован внешний диаметр шестерни (по вершинам зубьев). Зависимость характеристик шестерен от их конструктивных особенностей Крутящий момент Угол закручивания Контурное расположение графитных включений Повышенные энергозатраты Радиальное расположение графитных включений Из приведенных данных видно, что заявляемая конструкция шестерни из чугуна по сравнению с прототипом позволяет заметно повысить ее прочностные характеристики. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6