ЗАДНЯЯ ЗВЕЗДА ЗУБЧАТОЙ ПЕРЕДАЧИ МОТОЦИКЛА

Заявляемое техническое решение относится к звездам цепной передачи мотоцикла, точнее к ведомой звезде, располагающейся на заднем колесе мотоцикла (задней звезде).
Известна задняя звезда зубчатой передачи мотоцикла, изготовленная из стали, чаще всего используется сталь типа Ст45 или ее аналоги, которые имеют после термообработки твердость выше 210 единиц по Бриннелю и достаточно высокую износостойкость. Такие звезды выпускаются большим числом компаний-производителей комплектующих для мотоциклов и устанавливаются на современных серийных мотоциклах, число зубьев таких звезд, как правило, составляет 36÷48, а профиль зуба определяется, в том числе, используемой в мотоцикле цепью. Параметры цепей и зубьев применяемых в мотоциклетной передаче звезд в достаточной степени стандартизованы. В качестве примера производителя стальных звезд можно привести французскую компанию «AFAM Industries S.A.» ([1]: сайт в Интернете http://www.dc-afam.be/ или http://www.dc-afam.ru/). Стальные звезды демонстрируют высокую надежность и ресурс, однако значительный вес (600÷900 граммов в зависимости от количества зубьев) является существенным недостатком известного технического решения, особенно учитывая тот факт, что задняя звезда относится к неподрессоренной массе мотоцикла, уменьшение которой представляет значительный интерес.
3
3
Уменьшить вес задней звезды мотоцикла возможно при использовании более легких сплавов, прежде всего сплавов на основе алюминия, а также за счет применения сквозных выборок в материале звезды на тех ее участках, где возникающие при работе напряжения сравнительно невелики. Сквозные выборки используются и в стальных задних звездах зубчатой передачи мотоцикла, однако существенное снижение веса достигается именно за счет применения материала с существенно меньшей плотностью (около 2,8 г/см у высокопрочных алюминиевых сплавов по сравнению с ~7,8 г/см у сталей).
Использование алюминия позволяет приблизительно вдвое снизить массу задней звезды, однако вследствие недостаточной твердости поверхности и низкой износостойкости алюминиевые звезды имеют низкий, до 5÷10 раз меньший по сравнению со стальными, ресурс.
Износ алюминиевых звезд носит прежде всего абразивный характер и связан с попаданием песка и грязи между роликами цепи и зубьями задней звезды, имеющей недостаточную твердость (даже высокопрочные алюминиевые сплавы имеют твердость не более 150÷160 единиц по Боинеллю). Увеличение ресурса алюминиевой задней звезды мотоцикла в этом случае может быть достигнуто нанесением на поверхность алюминиевой звезды повышающих износостойкость покрытий.
Наиболее близким аналогом к заявляемому техническому решению (прототипом) является задняя звезда зубчатой передачи мотоцикла, изготовленная из алюминиевого сплава, со сквозными выборками и с нанесенным на ее поверхность твердым покрытием. Известное техническое решение применяется рядом производителей задних звезд мотоцикла, прежде всего звезд для спортивных мотоциклов, например компанией «AFAM Industries S.A.». В качестве твердого покрытия, как правило, используется твердое анодирование, то есть покрытие, нанесенное электрохимическим способом. Покрытие наносится на всю поверхность звезды (обычно за исключением небольших участков - «точек» - токоподвода, которые выбираются в таких местах, которые слабо подвержены коррозии и/или затем защищаются с помощью грунтовки или аналогичным способом), изготавливаемой, как правило, из сплава 7075 ([2]: http://www.dc-afam.ru/products_transmission_afam_alloyrearsprockets.html); аналогичные задние звезды представлены на сайте итальянской компании «RED Racing Parts» ([3]: http://www.redracingparts.coin/en/english.htm#english/motorbikesmotorcycles/partsandaccessories/finaltransmissions/rearsprocketsaftermarketrims/marvic.php). Технология твердого анодирования хорошо известна и подробно описана ([4]: Аверьянов Е.Е. «Справочник по анодированию». М.: Машиностроение, 1988 - 224 с.; [5]: Шрейдер А.В. «Оксидирование алюминия и его сплавов». М.: Металлургиздат, 1960 - 20 с.). Применение твердого анодного покрытия, а также (в некоторых моделях) дополнительных углублений с обеих сторон зубьев для более эффективного удаления абразивных частиц позволяет значительно увеличить ресурс известной алюминиевой звезды - до 60÷70% от ресурса стального аналога при существенном снижении ее веса. Например, согласно данным [3], алюминиевая задняя звезда с твердым анодным покрытием, состоящая из 40 зубьев и предназначенная для работы с 525-й мотоцепью, весит 360-370 граммов в то время как соответствующая стальная задняя звезда весит около 700 граммов. Укажем, что вес звезды снижается меньше, чем уменьшается плотность материала, из которого она изготовлена, поскольку толщина алюминиевой звезды в среднем больше, чем стальной. Однако, несмотря на значительное снижение веса и рост срока службы, известное техническое решение не обеспечивает достижение ресурса качественных стальных звезд и не позволяет реализовать минимальный вес алюминиевой звезды.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является увеличение ресурса и снижение веса задней звезды зубчатой передачи мотоцикла.
Технический результат достигается тем, что в задней звезде зубчатой передачи мотоцикла, изготовленной из алюминиевого сплава, со сквозными выборками и с нанесенным на ее поверхность твердым покрытием, толщина твердого покрытия, нанесенного на поверхность зубьев и примыкающую к ним поверхность звезды больше толщины покрытия, нанесенного на всю оставшуюся часть поверхности звезды. Толщина твердого покрытия, нанесенного на поверхность зубьев и примыкающую к ним поверхность звезды составляет не менее 40 мкм. Твердое покрытие нанесено на поверхность зубьев и поверхность задней звезды, примыкающую к поверхности зубьев на расстояние не более, 10 мм. Твердое покрытие нанесено на поверхность зубьев и поверхность задней звезды, примыкающую к поверхности зубьев на расстояние не более 3 мм. Толщина твердого покрытия, нанесенного на оставшуюся часть поверхности звезды, составляет не более 25 мкм. Толщина твердого покрытия, нанесенного на оставшуюся часть поверхности звезды составляет не более 10 мкм. Твердое покрытие на поверхности звезды представляет собой твердое электрохимическое покрытие. Твердое покрытие поверхности звезды выполнено методом микродугового оксидирования. Твердое покрытие поверхности звезды выполнено методом анодирования. Твердое электрохимическое покрытие поверхности зубьев и примыкающей к ним поверхности звезды выполнено методом микродугового оксидирования, а твердое покрытие оставшейся части поверхности звезды выполнено методом анодирования.
На фиг.1 показан участок задней звезды мотоцикла, 1 - поверхность зубьев, включающая как непосредственно области контакта с роликами, так и «боковую» поверхность зуба и примыкающая к зубьям поверхность звезды, 2 - оставшаяся (остальная) часть поверхности звезды.
В заявляемом техническом решении толщина нанесенного на различные участки поверхности алюминиевой звезды твердого покрытия отличается, предпочтительно значительно отличается. Это оказалось принципиально важным для достижения заявляемого технического результата, поскольку роль твердого покрытия существенно разная на различных участках задней звезды. Если в зоне абразивного износа роль твердого покрытия положительна и обеспечивает увеличение ресурса, то в остальных областях звезды покрытие приводит к снижению предела усталости и, соответственно, к уменьшению срока службы. Таким образом, при нанесении твердого покрытия конкурируют два противоположных процесса: повышение износостойкости поверхности и снижение ее (поверхности) сопротивления усталостным нагрузкам.
Снижение предела усталости алюминиевых сплавов при нанесении твердых покрытий и особенно при увеличении их (покрытий) толщины известно ([6]: Верник С., Пиннер Р., «Химическая и электролитическая обработка алюминия и его сплавов». Л-д.: Судпромгиз, 1960 - 387 с.). С другой стороны, требуемый уровень износостойкости достигается при достаточно «толстом» твердом покрытии, обычно не менее 40 мкм. В заявляемом техническом решении это противоречие разрешается тем, что на разных участках звезды применяется твердое покрытие различной толщины в зависимости от условий эксплуатации и локальных напряжений.
Авторами заявляемого технического решения при анализе напряжений, возникающих в процессе работы задней звезды мотоцикла, установлено, что звезда может быть спроектирована таким образом, чтобы зона максимальных напряжений (то есть область, где требуются максимальные усталостные характеристики) не совпадала с зоной, в которой требуется максимальная износостойкость (область зубьев и примыкающая к ней).
2
6
2
2
На поверхности зубьев и примыкающей к ней поверхности звезды основная задача твердого покрытия - обеспечить износостойкость поверхности, прежде всего по отношению к абразивному износу. При этом напряжения в этой области существенно ниже максимальных напряжений, возникающих в задней звезде при работе мотоцикла. Для оптимально спроектированной звезды (звезды с оптимально спроектированными сквозными выборками) эти напряжения не превышают 65÷70% от максимальной величины напряжений в звезде, для среднецикловой и многоцикловой нагрузок (см. ниже) это очень существенная разница. Например, для сплава Д16Т при напряжении 18 кГ/мм среднее число циклов нагружения до разрушения составляет 2·10, а при напряжении 16 кГ/мм (снижение на 11%) число циклов нагружения до разрушения возрастает в 10 раз, далее уменьшение напряжения на ≈1 кГ/мм (снижение на 6%) приводит еще к десятикратному росту числа циклов нагружения.
В то же время зона максимальных напряжений, находящаяся, как правило, на границе сквозных выборок, практически не подвергается абразивному износу, в этой зоне толщина твердого покрытия для обеспечения требуемого уровня коррозионной стойкости и, возможно, декоративных качеств может быть существенно меньше (чтобы обеспечить ресурс коррозионной зашиты 3 года в типичных условиях эксплуатации мотоцикла достаточна толщина покрытия 5÷8 мкм) или даже для коррозионной защиты остальной поверхности задней звезды и с декоративными целями могут использоваться и другие технологии, например, покрытие толщиной несколько микрон и затем порошковая окраска.
Таким образом, при небольшой толщине твердого покрытия в зоне максимальных напряжений предел усталости материала практически соответствует своему максимальному значению, а это означает, что соответствующие сечения задней звезды могут иметь меньшую площадь, то есть звезда будет легче без потери надежности.
Авторами установлено, что для того, чтобы ресурс работы относительно износа зубьев алюминиевой звезды был не меньше ресурса работы стальной звезды необходима толщина твердого покрытия, в частности твердого электрохимического покрытия, не менее 40 мкм. Соответственно, в случае твердого покрытия постоянной по всей поверхности звезды толщины (за исключением участка токоподвода), его толщина определяется условием требуемого ресурса по износу зубьев ≥40 мкм. Однако при указанной толщине покрытия заметно снижаются усталостные характеристики материала, из которого изготавливается звезда, соответственно, необходимо увеличивать площади сечений задней звезды, то есть автоматически увеличивается ее вес.
Здесь также целесообразно указать, что при прочих равных условиях (при одной и той же площади сечений и дизайне вырезов в звезде) возникающие при работе мотоцикла напряжения в задней звезде меньше в случае, когда плоскость симметрии звезды постоянна. Сказанное поясняет фиг.2, на которой схематично представлены чертежи двух различных звезд: в одной (поз.3) плоскость симметрии зубьев совпадает с плоскостью симметрии той области звезды, которая присоединяется к заднему колесу, а во второй (поз.4) эти плоскости смещены. В результате во втором случае появляются дополнительные изгибающие напряжения, для противодействия которым требуется увеличивать сечения и в итоге вес задней звезды.
В одном из вариантов реализации задней звезды зубчатой передачи мотоцикла размер области, в которой толщина твердого покрытия составляет не менее 40 мкм, составляет не более 10 мм от зубьев и определяется тем, что на таком расстоянии от зубьев контакта с цепью, при котором происходит абразивный износ, уже нет для всех известных авторам заявляемой полезной модели мотоциклетных цепей. Кроме того, на таком расстоянии от поверхности зубьев уже возможно размещение снижающих вес звезды выборок, вблизи которых локальные напряжения при работе мотоцикла увеличиваются. Необходимо также указать, что в зависимости от конкретного дизайна звезды (включая форму и расположение сквозных выборок) «ширина» области, в которой твердое покрытие имеет толщину не менее 40 мкм, может изменяться в окружном направлении, то есть внутренний край покрытия толщиной ≥40 мкм может отличаться от окружности и иметь более сложную форму.
В предпочтительном варианте реализации задней звезды зубчатой передачи мотоцикла твердое покрытие нанесено на поверхность зубьев и поверхность задней звезды, примыкающую к поверхности зубьев на расстояние не более 3 мм. Такой размер области, на которой толщина покрытия обеспечивает эффективное сопротивление абразивному износу, достаточен для большинства применяемых мотоцепей. Кроме того, увеличение площади, на которую наносится твердое покрытие значительной толщины, приводит к увеличению затрат на создание покрытия и, соответственно, его стоимости (в частности, энергозатрат при использовании твердых электрохимических покрытий). В связи с этим предпочтителен минимальный размер области, на которую наносится твердое покрытие значительной (≥40 мкм) толщины.
Остальная часть поверхности задней звезды мотоцикла, для которой фактор абразивного износа не существенен, может быть защищена от коррозии покрытием меньшей толщины. Выбор толщины покрытия для оставшейся части звезды определяется условиями обеспечения:
- значительного предела усталости для многоцикловой нагрузки, поскольку звезда подвергается миллионам циклов нагружения при езде на мотоцикле: 100 тыс.км пробега соответствуют ~50 млн. оборотам колеса, для звезды из 40 зубьев каждый зуб нагружается роликом мотоциклетной цепи ~20 раз за один оборот колеса, то есть общее число циклов нагружения составляет ~1 млрд. циклов
- высокого предела усталости при среднецикловой нагруке, поскольку рывок при старте и переключении скоростей создает кратно большую нагрузку на звезду (предполагая в среднем 1 старт или переключение скорости на километр пути, получим количество циклов «ударного нагружения» порядка нескольких сот тысяч);
- достаточного уровня защиты от коррозии для нормальной работы звезды в течение не менее 2÷3 лет.
Реализация указанных выше требований обеспечивается при меньшей толщине покрытия, которая зависит от типа нанесенного на поверхность звезды твердого покрытия и составляет не более 25 мкм.
В предпочтительном варианте реализации заявляемой задней звезды мотоцикла толщина твердого покрытия на оставшейся части поверхности звезды составляет не более 10 мкм, что, как установлено авторами, уже достаточно для обеспечения требуемого ресурса работы и сохранения высоких усталостных характеристик материала звезды. Аналогично случаю твердого покрытия значительной толщины (≥40 мкм), уменьшение толщины покрытия оставшейся части поверхности звезды позволяет уменьшить время нанесения покрытия, энергозатраты и стоимость технологического процесса создания покрытия.
Твердое покрытие на поверхности задней звезды мотоцикла может генерироваться различными способами, которые хорошо известны специалистам. Выбор технологии наносимого покрытия определяется прежде всего стоимостью процесса и его производительностью, включая возможность конвейерного нанесения покрытия и одновременного нанесения покрытия на большое число изделий. В предпочтительном варианте реализации задней звезды мотоцикла твердое покрытие на ее поверхность наносится электрохимическими методами и, соответственно, покрытие представляет собой твердое электрохимическое покрытие. Такое покрытие может быть получено известными методами анодирования, в том числе и как предпочтительный вариант - твердого анодирования ([4]-[6]), или микродугового оксидирования, используется также термин микроплазменное оксидирование ([7]: Суминов И.В., Эпельфельд А.В, Людин В.Б. и др. «Микродуговое оксидирование (теория, технология, оборудование)». М.: Экомет, 2005 - 368 с.).
В предпочтительном варианте заявляемого технического решения в качестве износостойкого покрытия зубьев и примыкающей к ним поверхности задней звезды мотоцикла используется твердое электрохимическое покрытие, полученное методом микродугового оксидирования (МДО). Указанный вариант является предпочтительным, поскольку МДО создает покрытие с более высокими износостойкими и коррозионными характеристиками. Твердое покрытие остальной части поверхности задней звезды, которая не подвергается абразивному износу, может быть сформировано как методами МДО, так и анодирования (в том числе твердого анодирования). Выбор между этими технологиями определяется, в том числе, имеющимся оборудованием и требованиями к декоративным качествам покрытия, а также экономическими параметрами (соотношением между стоимостью МДО и анодирования). Дополнительно укажем, что заявляемое техническое решение позволяет существенно снизить энергетические затраты и расход электролита при нанесении покрытия, а также общее время его нанесения за счет значительного уменьшения его толщины на большей части поверхности задней звезды (площадь поверхности, на которую наносится покрытие значительной толщины составляет не более 25-30% общей площади поверхности звезды).
Реализовать заявляемое техническое решение возможно различными способами. Например, при использовании метода МДО возможно нанести покрытие толщиной ~10 мкм на всю поверхность задней звезды, а затем с помощью маски «закрыть» от электрохимического воздействия всю поверхность звезды, кроме поверхности зубьев и примыкающей к ней поверхности звезды, и продолжить МДО только подвергающейся абразивному износу области, реализовав в этой области твердое покрытие большей толщины. Возможен и обратный подход, например, когда вначале покрытие наносится только на поверхность зубьев и примыкающую к ней поверхность задней звезды мотоцикла (вся остальная часть поверхности звезды «маскируется»), а затем маска удаляется и уже на всю поверхность дополнительно наносится МДО-покрытие толщиной, например ~5÷10 мкм. Аналогичные технологические операции могут быть проведены при создании покрытий методами анодирования (в том числе твердого анодирования), а также при использовании смешанной технологии, когда часть покрытий наносится методом МДО, а часть - методами анодирования. Более того, заявляемой формуле и описанию полезной модели не противоречит и ситуация, когда твердое электрохимическое покрытие нанесено только на поверхность зубьев и примыкающую к ним на расстояние не более 10 мм поверхность задней звезды, а остальная часть поверхности окрашивается, например порошковой краской или же на остальную часть задней звезды наносится достаточно тонкое твердое покрытие и затем проводится ее окраска. Конкретная реализация заявляемого технического решения, как и детали дизайна задней звезды мотоцикла (включая, например структуру канавок на прилегающей к зубьям области звезды для улучшения удаления абразива или форму и количество сквозных выборок, которые зависят в том числе от количества зубьев и крутящего момента двигателя мотоцикла) не является предметом настоящей заявки на полезную модель.
Для удовлетворения каких-либо возможных конкретных требований могут быть выполнены и другие очевидные для квалифицированных специалистов в этой отрасли изменения описанных выше вариантов выполнения задней звезды мотоцикла, а также их переделка без отклонения от защищаемых формулой полезной модели положений.
Далее полезная модель поясняется с помощью примера, которым заявляемое техническое решение однако не ограничено.
На фиг.3 представлена фотография алюминиевой задней звезды мотоцикла согласно заявляемому техническому решению. Звезда изготовлена из сплава Д16Т и состоит из 40 зубьев, рассчитанных на 525-ю мотоцепь, покрытие наносилось методом МДО, толщина твердого покрытия, нанесенного на поверхность зубьев и примыкающую к ним на расстояние около 2 мм поверхность звезды (поз.1), составляет около 60 мкм, толщина покрытия, нанесенного на всю оставшуюся часть поверхности звезды, за исключением участка токоподвода, (поз.2) составляет 5÷7 мкм (как разумеется любому специалисту, в области токоподвода электрохимическое покрытие не создается). В качестве поверхности токоподвода (поз.5) использована цилиндрическая посадочная поверхность задней звезды, для этой поверхности возникающие в процессе работы мотоцикла напряжения достаточно малы, абразивный износ полностью отсутствует и толщина покрытия может варьироваться в широких пределах. Кроме того, указанный участок с минимальным зазором жестко фиксируется на соответствующем посадочном фланце заднего колеса и эта область может быть защищена от корозии герметикой, смазкой и тому подобным образом.
Вес алюминиевой звезды по заявляемому техническому решению с нанесенным покрытием составил ~290 граммов, что на ~20% меньше веса прототипа, при этом ресурсные испытания звезды, а также испытания на коррозию показали, что ее срок службы не меньше ресурса качественной стальной звезды. Аналогичные результаты были получены для алюминиевой задней звезды мотоцикла, изготовленной из сплава В93 (аналог сплава 7075).
Таким образом, техническим результатом, обеспечиваемым приведенной в заявляемой полезной модели совокупностью признаков, является снижение веса и увеличение ресурса работы задней звезды мотоцикла.
Сопоставительный анализ предлагаемой полезной модели и прототипа выявляет наличие отличительных признаков у заявляемой задней звезды зубчатой передачи мотоцикла по сравнению с наиболее близким аналогом, что обеспечивает ей соответствие критерию «новизна».
Использование заявляемой задней звезды зубчатой передачи при сборке серийных мотоциклов, а также при тюнинге обеспечивает заявляемому техническому решению и соответствие критерию «промышленная применимость».