ПАЛЕЦ ШАРОВОГО ШАРНИРА ДЛЯ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА

Полезная модель относится к области транспортного машиностроения, а именно к шаровым шарнирам и может быть использовано в конструкциях подвесок и рулевого управления транспортных средств различного назначения.
Известен палец шаровой шарнира, выполненный их стали с последующей термообработкой, состоящий из шаровой головки и хвостовика с элементом крепления (см. патент РФ №RU 2296249 С1, МПК F16С 11/06, 2006 г.). Недостатком данного решения является:
- необходимость применения в шарнире пальца совместно с антифрикционным вкладышем, что усложняет конструкцию шарниров;
- ограничения по применению для грузовых автомобилей шарниров с вкладышами из антифрикционных полимерных материалов;
- невозможность применения стальных вкладышей, наиболее широко используемых в конструкциях шарниров грузовых автомобилей;
- недостаточная прочность, долговечность и надежность хвостовика пальца шарового и соответственно шарнира при высоких нагрузках, характерных для элементов рулевого управления грузовых автомобилей.
Наиболее близким к заявляемому объекту по технической сущности из известных решений является палец шарового шарнира рулевого управления грузового автомобиля, изготовленный из стали, состоящий из шаровой головки и хвостовика (стержня), включающий «шейку» пальца (элемент сопряженный с шаровой головкой), коническую часть стержня (элемент для крепления шарнира в ответной детали) и элемент крепления в виде резьбы, причем поверхность сферической головки пальца выполнена повышенной твердости (см. патенты РФ №RU 83557, МПК F16С 7/00, 2006 г., РФ №RU 118379 U1, MПК F16С 11/06, 2006 г.).
Недостатком данного решения является низкая износостойкость и низкие прочностные характеристиками хвостовика пальца, особенно конической части стержня и «шейки». Шарнир с таким пальцем так же имеет низкую надежность, низкий эксплуатационный ресурс.
Известны пальцы шарового шарнира, изготавливаемые из среднеуглеродистой хромосодержащей стали, содержащей (мас.%): углерод 0,37-0,44, кремний 0,17-0,37, марганец 0,50-0,80, хром 0,60-1,10, сера - не более 0,035, медь - не более 0,30, никель - не более 0,30 и остальное - железо. Допускается наличие: вольфрама - не более 0,20, титана - не более 0,03, ванадия - не более 0,05 (ГОСТ 4543-71, сталь марки 40Х).
Недостатком данного решения являются низкие прочностные и износостойкие характеристики пальца шарового из-за недостаточно стабильной прокаливаемости стержня и шаровой головки заготовки пальца и, как следствие, низкий эксплуатационный ресурс шарнира.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является палец шарового шарнира, изготовленный из стали, содержащей (масс.%) углерод 0,38 - 0,47, марганец 0,58 - 0,94, кремний до 0,40, хром 0,87 - 1,25, серу 0,020 - 0,045, никель до 0,30, фосфор до 0,035, железо и неизбежные примеси - остальное, при выполнении соотношения углерод плюс марганец ≥ 1,00%, а также кремний плюс фосфор минус никель ≥ минус 0,25% (см. патент РФ №RU 2368672 С1, МПК С21D 8/06, С22С 38/60, 2006 г.).
Однако палец шарового шарнира, изготовленный из данной среднеуглеродистой хромосодержащей стали имеет размерные ограничения при своем использовании. Так при изготовлении пальцев шарового шарнира с диаметром сферической головки 40 мм и более, существенно снижаются прочностные и износостойкие характеристики, так как:
- совокупное сочетание приведенных элементов, таких как: углерод, марганец, хром, кремний, - в известных пределах не позволяет за счет имеющейся прокаливаемости стабильно обеспечить требуемую твердость шаровых пальцев, особенно если все эти элементы находятся на своих нижних пределах;
- для шаровых пальцев, имеющих большие перепады сечений (с отношением диаметра сферической головки к меньшему диаметру стержня 1,8 и более при диаметре сферической головки 40 мм и более), недостаточная прокаливаемость при попытке обеспечения требуемой твердости может привести к появлению не снимаемых при отпуске остаточных термических напряжений, т.е. к хрупкому разрушению пальца.
Задачей предлагаемого технического решения является устранение перечисленных недостатков, а именно расширение области использования пальцев в конструкциях шарниров для грузовых автомобилей, упрощение конструкции шарового шарнира, повышение прочности, износостойкости, пальца шарового, соответственно повышение надежности, эксплуатационного ресурса шарового шарнира и межремонтного цикла автомобиля.
Техническим результатом применения предложенного пальца шарового шарнира для транспортного средства является возможность использования пальцев в конструкциях шарниров для грузовых автомобилей, в том числе с применением стальных вкладышей, улучшение характеристик долговечности при циклических нагружениях, повышение прочностных характеристик, повышение ресурса эксплуатации и надежности шаровых шарниров, увеличение межремонтного цикла автомобиля.
Технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что у предложенного пальца шарового шарнира для транспортного средства, состоящего из шаровой головки и стержня, включающего элементы конической и резьбовой части, поверхностный слой металла от торца или полюса сферической части шаровой головки до части или всей длины конического элемента стержня, выполнен с повышенной твердостью по отношению к твердости металла внутренней части пальца шарового, при этом металл внутренней части пальца шарового выполнен с твердостью 22…39 HRC (НВ 237…365), а упрочненный поверхностный слой выполнен с твердостью 55…63 HRC глубиной 0,6-4,0 мм.
Палец шарового шарнира для транспортного средства, состоящий из шаровой головки и стержня, включающего элементы конической и резьбовой части, выполнен из среднеуглеродистой хромосодержащей стали, содержащей углерод, марганец, кремний, хром, серу, никель, железо и неизбежные примеси - остальное, при этом среднеуглеродистая хромосодержащая сталь дополнительно содержит молибден и ванадий при следующем содержании компонентов (мас.%):
углерод
0,38-0,47
марганец
0,58-0,94
кремнийдо
0,40
хром
0,87-1,25
молибден
0,15-0,30
сера
до0,035
фосфордо
0,035
никельдо
0,30
ванадийдо
0,30
железо
и неизбежные примеси
остальное
при выполнении соотношения углерод плюс марганец ≥ 0,98%, а также хром плюс молибден ≥ 1,05% и кремний плюс фосфор минус никель ≥ минус 0,25%.
Среди признаков, характеризующих предложенный палец шарового шарнира, существенными являются:
1. Поверхностный слой металла от торца или полюса сферической части шаровой головки до части или всей длины конического элемента стержня, выполнен с повышенной твердостью по отношению к твердости металла внутренней части пальца шарового.
Упрочнение поверхностного слоя металла пальца шарового в приведенном диапазоне обеспечивает не только достаточно хорошую устойчивость к износу в области сферической головки, даже при применении металлического вкладыша или использовании вместо вкладыша упрочненную часть корпуса шарнира, но и повышает прочность и износоустойчивость области сопряжения стержня с шаровой головкой («шейку»), конического элемента стержня или его наиболее нагруженную и подверженную износу и деформации в процессе эксплуатации часть, расположенную со стороны большего диаметра конуса.
2. Металл внутренней части пальца шарового выполнен с твердостью 22…39 HRC (НВ 237…365), а упрочненный поверхностный слой выполнен с твердостью 55…63 HRC глубиной 0,6-4,0 мм.
Нижний предел твердости внутренней части пальца шарового обусловлен минимальными показателями прочностных характеристик пальца шарового, обеспечивающих работоспособность шарнира. Верхний предел твердости внутренней части пальца шарового обусловлен возможными стабильно получаемыми показателями прочностных и ресурсных характеристик пальца шарового, обеспечивающих высокую работоспособность шарнира на уровне известных мировых аналогов.
Нижние пределы твердости и глубины упрочненного поверхностного слоя обусловлены минимальными требованиями к эксплуатационным ресурсам шарнира с учетом износа областей сферической головки, «шейки» и конуса стержня пальца шарового. Верхние пределы твердости и глубины упрочненного поверхностного слоя обусловлены достаточным уровнем обеспечения прочностных и сохранения необходимых пластических характеристик, обеспечивающих хорошую работоспособность и высокие ресурсные характеристики шарниров, а так же экономической целесообразностью.
3. Палец шарового шарнира для транспортного средства, выполнен из среднеуглеродистой хромосодержащей стали, содержащей углерод, марганец, кремний, хром, серу, никель, железо и неизбежные примеси - остальное, при этом среднеуглеродистая хромосодержащая сталь дополнительно содержит молибден и ванадий при следующем содержании компонентов (мас.%): углерод 0,38 - 0,47; марганец 0,58 - 0,94; кремний до 0,40; хром 0,87 - 1,25; молибден 0,15 - 0,30; сера до 0,035; фосфор до 0,035; никель до 0,30; ванадий до 0,30; железо и неизбежные примеси остальное, при выполнении соотношения углерод плюс марганец ≥ 0,98%, а так же хром плюс молибден ≥ 1,05% и кремний плюс фосфор минус никель ≥ минус 0,25%.
Экспериментальные исследования пальца шарового, выполненного из предложенной стали показали его высокую эффективность. С использованием всех существенных признаков предложенного технического решения достигнуто обеспечение комплексного сочетания требуемых характеристик, обеспечивающих стабильное и качественное получение шаровых пальцев нужной формы, точности с необходимым заданным сочетанием эксплуатационных свойств. Холодной объемной штамповкой изготовлены заготовки пальцев шаровых заданной точности, за счет термоулучшения заготовок получены заданные прочностные и пластические характеристики, обеспечивающие получение точной резьбы, при этом достигнута стабильная прокаливаемость сердцевины заготовок пальцев шаровых с диаметром сферической головки 40 мм и более, а так же обеспечена обрабатываемость резанием с получением требуемой точности и чистоты поверхностей сферической головки и стержня пальца шарового, за счет поверхностного упрочнения получена повышенная твердость поверхностей сферической головки, «шейки» и конуса стержня, соответственно повышена прочность и износостойкость пальца шарового.
В стали предложенного пальца шарового углерод - обеспечивает заданный уровень прочности, прокаливаемое и обрабатываемости резанием. Нижняя граница содержания углерода (0,38%) обусловлена необходимостью обеспечения требуемого уровня прокаливаемости и получения заданной твердости пальца шарового, а так же обеспечением заданного уровня обрабатываемости резанием отожженного проката. Верхняя граница содержания углерода (0,47%) обусловлена необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности и прочности стали для калибрования и холодной объемной штамповки, а также пластичности и ударной прочности термообработанной заготовки и (или) готового изделия.
Марганец - раскислитель, обеспечивает заданный уровень прочности и прокаливаемости, увеличивает твердость, несколько увеличивает величину зерна, упрочняет отожженный феррит, что предупреждает налипание высаживаемого материала на инструмент. Нижняя граница содержания марганца (0,58%) обусловлена необходимостью обеспечения требуемого уровня прокаливаемости и получения заданной твердости пальца шарового, а также обеспечением заданного уровня обрабатываемости резанием отожженного проката. Верхняя граница содержания марганца (0,94%) обусловлена необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности и прочности стали для калибрования и холодной объемной штамповки, а также пластичности и ударной прочности термообработанной заготовки и (или) готового изделия.
Кремний - раскислитель, растворяясь в феррите упрочняет сталь, повышает упругость, твердость, уменьшает величину ферритного зерна. Влияние кремния на сталь объясняется его способностью интенсивно сжимать решетку железа, снижать содержание углерода, а, следовательно, охрупчивать карбидные фазы на границах зерен. Нижний предел не лимитирован и зависит только от технологии раскисления стали. Верхняя граница содержания кремния (0,40%) обусловлена необходимостью обеспечения требуемого уровня вязкости, пластичности и прочности стали для калибрования, холодной объемной штамповки и чистовой обкатки, а также пластичности и ударной прочности термообработанной заготовки и (или) готового изделия. При содержание кремния более 0,40% существенно снижается пластичность металла, что неблагоприятно сказывается при холодной штамповке заготовок пальцев.
Хром - упрочняет феррит, но не так существенно как кремний и марганец, улучшает износостойкость изделий, при содержании более 0,87%) хром несколько снижает вязкость стали, обеспечивает заданный уровень обрабатываемости резанием, особенно отожженного проката, прокаливаемости и прочности. Нижняя граница содержания хрома (0,87%) обусловлена необходимостью обеспечения требуемого уровня прокаливаемости и получения заданной твердости шарового пальца, а так же обеспечения заданного уровня обрабатываемости резанием отожженного проката. Верхняя граница содержания хрома (1,25%) обусловлена необходимостью обеспечения требуемого уровня вязкости, пластичности и прочности стали для калибрования обточенного проката, для холодной объемной штамповки и чистовой обкатки заготовок, а также пластичности и ударной прочности термообработанной заготовки пальца и (или) готового изделия.
Сера - придает стали хрупкость, повышает сопротивление деформации, улучшает обрабатываемость резанием, не растворяется в железе, образует пирротит FeS. Верхняя граница содержания серы (0,035%) обусловлена необходимостью обеспечения требуемого уровня вязкости и пластичности стали для калибрования отожженного проката, для холодной объемной штамповки и чистовой обкатки заготовок пальцев, а также ограничения влияния серы как стимулятора наводораживания стали.
Никель - упрочняет феррит стали, повышает пластичность и вязкость стали, влияет на прокаливаемость и твердость. Верхняя граница содержания никеля (0,30%) обусловлена необходимостью достижения требуемого уровня вязкости, пластичности и прочности стали для обеспечения заданного уровня обрабатываемости резанием отожженного проката, для калибрования обточенного проката, для холодной объемной штамповки и чистовой обкатки заготовок пальцев, а также для обеспечения заданного уровня пластичности и ударной прочности термообработанной заготовки пальца и (или) готового изделия.
Фосфор - растворяясь в феррите придает стали хрупкость, повышает сопротивление деформации, улучшает обрабатываемость резанием. Верхняя граница содержания фосфора (0,035%) обусловлена необходимостью обеспечения требуемого уровня вязкости и пластичности стали для калибрования отожженного проката, для холодной объемной штамповки заготовок пальцев, а также для предотвращения отпускной хрупкости.
Молибден - введение молибдена 0,15…0,30% в хромсодержащие стали увеличивает прокаливаемость, снижает порог хладноломкости. Молибден увеличивает статическую, динамическую и усталостную прочность стали. Кроме того, молибден снижает склонность к отпускной хрупкости хромсодержащих сталей, содержащих марганец, кремний и особенно никель.
Ванадий - в количестве до 0,3% в хромсодержащих сталях измельчает зерно и повышает прочность и вязкость.
Соотношение углерод+марганец ≥ 0,98%, а так же соотношение хром+молибден ≥ 1,05% обеспечивает стабильную прокаливаемость проката заявляемой композиции диаметром до 50 мм и получение требуемой твердости готового изделия.
Соотношение кремний плюс фосфор минус никель ≥ минус 0,25% обеспечивает нижний уровень баланса между вязкостью металла и его способностью подвергаться обработке резанием с заданной точностью и чистотой поверхности. При соотношении кремний плюс фосфор минус никель менее минус 0,25% вязкость металла доминирует, ухудшается обрабатываемость резанием, особенно отожженного проката, увеличивается вероятность залипание металла на инструмент при холодной объемной штамповке заготовок шаровых пальцев.
Сущность предложенного технического решения поясняется чертежами, где:
- на фиг.1 показан общий вид пальца шарового с поверхностным упрочнением сферической головки (головка в форме усеченной сферы), «шейки» и части конуса стержня;
- на фиг.2 показан общий вид пальца шарового с поверхностным упрочнением сферической головки, «шейки» и конуса стержня.
Палец шарового шарнира для транспортного средства, состоящий из головки в форме усеченной сферы (фиг.1) и стержня, включающего элементы конической и резьбовой части, выполнен с поверхностным упрочнением части пальца шарового по длине L. При этом поверхностному упрочнению подлежали головка в форме усеченной сферы, «шейка» и часть конуса стержня по длине l1.
Частный случай, палец шарового шарнира для транспортного средства, состоящий из головки в форме сферы (фиг.2) и стержня, включающего элементы конической и резьбовой части, выполнен с поверхностным упрочнением части пальца шарового по длине L. При этом поверхностному упрочнению подлежали сферическая головка, «шейка» (при конструктивном наличии таковой) и (частный случай) конуса стержня по длине l.
Учитывая наработанный ранее опыт производства шаровых пальцев из сталей марок 40Х, 40Х ″Селект″, 38ХГНМ и 41X1 на металлургическом комбинате выплавлено и подготовлено несколько партий предложенного сортового проката для производства шаровых пальцев из стали марки 42X1М с химическими составами, приведенными в таблице 1.
Таблица 1.
Марка стали
№
Содержание элементов, мас.%
С
Мn
Si
Сr
Мо
S
Ni
Р
V
42Х1М
1
0,42
0,74
0,15
1,07
0,25
0,017
0,11
0,009
-
2
0,43
0,75
0,16
1,10
0,18
0,016
0,06
0,010
-
3
0,46
0,94
0,20
1,25
0,20
0,022
0,26
0,012
0,06
Из проката холодной объемной штамповкой на многопозиционном автомате изготовлены заготовки пальцев шаровых с диаметрами сферической головки от 45 до 46,5 мм. Термическую обработку заготовок пальцев проводили на закалочно-отпускном агрегате конвейерного типа. Механическая обработка сферической головки, «шейки», конической части стержня и стержня под «накатку резьбы» произведена на специализированном оборудовании. Накатка резьбы производилась на роликовом резьбонакатном станке. Поверхностное упрочнение проведено с применением установки ТВЧ.
Испытания механических свойств пальцев шаровых, изготовленных из стали показали:
- твердость сердцевины пальцев шаровых составила 29…32 HRC;
- твердость поверхностного слоя 58…60 HRC;
- глубина упрочненного слоя 2,0…3,5 мм.
С пальцами шаровыми собраны наконечники тяги стойки рулевого управления грузового автомобиля. Испытания на стенде показали хорошие прочностные и эксплуатационные характеристики шарниров.
Анализ предложенного технического решения конструкции пальцев шаровых с аналогами и прототипом позволяет сделать вывод о том, что предложенная конструкция с поверхностным упрочнением сферической головки и части стержня пальца, механические свойства пальца и состав стали по совокупности заявляемых признаков отличаются от известных конструкций, заявленными свойствам и диапазонами содержания компонентов стали, а именно углерода, кремния, марганца, хрома, молибдена, ванадия, соотношениями содержания углерода и марганца, хрома и молибдена.
Таким образом, заявляемое техническое решение, по совокупности признаков, соответствует критериям ″новизна″ и ″существенные отличия″.
Внедрение пальцев шаровых предложенной конструкции из среднеуглеродистой стали 42X1М для производства шаровых пальцев с заявляемыми: параметрами, свойствами, композицией, соотношением химических элементов, обеспечивает стабильное качественное изготовление пальцев шаровых шарниров и улучшает эксплуатационные характеристики шаровых шарниров рулевого управления и подвесок автомобилей.