ЦЕМЕНТИРУЕМОЕ ЗУБЧАТОЕ КОЛЕСО

Полезная модель относится к областям техники, использующим тяжело нагруженные зубчатые передачи со стальными зубчатыми колесами (ЗК).
Зубья колес в эксплуатации подвержены изгибу и различным видам износа. При этом конструкционная прочность деталей достигается упрочнением за счет соответствующего химического состава (марки) и способа термического упрочнения, которые должны обеспечить достижение структурного состояния металла, характеризующегося высокой статической и динамической прочностью, износостойкостью и усталостной долговечностью металла.
Практикой установлена твердость, обеспечивающая надежную конструкционную прочность стальных ЗК («эффективная твердость»): на поверхности зубьев - не менее HRC55; в сердцевине и основании зубьев - HRC 28÷45. На сопротивление износу, кроме твердости, существенное влияние оказывает содержание углерода в стали - износостойкость тем выше, чем больше содержание углерода.
Наряду с уровнем механических свойств, показателями качества ЗК (особенно в массовом производстве) являются экономические затраты в изготовлении деталей. Последние зависят от стоимости металла, технологичности его в механической обработке резанием, материальных и энергетических затрат, возникающих в термическом упрочнении, а также затрат на устранение изменения геометрии шестерен из-за деформаций, возникающих при термическом упрочнении.
Известны ЗК, изготавливаемые из легированной стали, содержащей не более 0,3% углерода, и подвергаемые химико-термической обработке, при которой поверхность дополнительно насыщается углеродом (цементация), или углеродом и азотом (нитроцементация), после чего деталь подвергается закалке [1].
Для ЗК, которые по условиям работы подвержены износу, диффузионное насыщение должно обеспечивать поверхностное содержание углерода (цементация) или суммарное содержание углерода и азота (нитроцементация) не менее 1%. Химико-термическая обработка выполняется на специализированном оборудовании, предусматривающем возможность совмещения нагрева под закалку с высокотемпературным диффузионным насыщением поверхности («непосредственная закалка»).
Благодаря легированию стали эффективная твердость ЗК достигается при закалке погружением в минеральное масло. Этим, а также применением непосредственной закалки, в значительной мере решается задача снижения деформации.
При определенной конфигурации ЗК непосредственная закалка осуществляется в штампе закалочного пресса, в которой практически полностью сохраняется геометрия.
С этой точки зрения наиболее эффективной представляется конфигурация колеса в форме диска, одна поверхность которого образована вершинами зубьев, а вторая поверхность является полностью плоской, что позволяет жестко фиксировать геометрию детали в штампе закалочного пресса.
Недостатком известного ЗК является то, что применение легированной стали удорожает производство ЗК. Кроме того, на стали, содержащей не более 0,3% углерода, достижение поверхностного содержания, превышающего 1%, требует достаточно продолжительного диффузионного насыщения, что значительно удорожает производство детали.
Задачей заявляемой полезной модели является устранение указанных недостатков.
Технический результат достигается за счет того, что предлагаемое цементируемое зубчатое колесо, имеющие форму диска, одна поверхность которого образована вершинами зубьев зубчатого венца, а вторая поверхность является полностью плоской, выполнено из нелегированной стали марок типа 50 и или 58(55ПП) по ГОСТ 1050.
Полезная модель поясняется чертежом, где показан разрез конфигурации зубчатого колеса.
Цементируемое зубчатое колесо 1, имеющее форму диска, одна сторона которого, состоит из зубчатого венца 2 с вершинами зубьев 3, а вторая сторона является полностью плоской («привалочная плоскость») 4, отверстия для крепежа 5.
Работа цементируемого зубчатого колеса 1, осуществляется следующим образом. В собранном редукторе зубчатый венец 2 находится в зацеплении с венцом ведущей шестерни (не показан), сопряженной с колесом; противоположная плоская поверхность («привалочная плоскость») 4 служит для установки колеса в редукторе с жестким прикреплением к соответствующей детали, входящей в редуктор. В процессе работы ЗК крутящий момент, поступающий с ведущей шестерни, воспринимается зубчатым венцом 2 и далее через (привалочную плоскость) 4 передается на соответствующую деталь редуктора.
Использование цементируемых зубчатых колес из нелегированной стали, марок типа 50 и или 58(55ПП) по ГОСТ 1050, позволит:
- достичь эффективной твердости ЗК при закалке, в которой сохраняется геометрия детали;
- сократить затраты на производство ЗК;
- сократить время диффузионного насыщения;
- минимизировать потерь при механической обработке (поковок)
Пример. В производстве ОАО «ГАЗ» для изготовления зубчатых колес ведущих мостов автомобилей используется легированная сталь марки 20ХГНМ (ГОСТ 4543).
Данная деталь подвергаются цементации с диффузионным насыщением поверхности углеродом, продолжительность которого составляет 8-9 часов, и непосредственной закалкой в штампе закалочного пресса (модель HEESS} с охлаждением циркулирующем под высоким давлением маслом.
С целью опробования нового решения изготовлена партия ЗК из стали марки 58, содержащей 0,56% углерода. (Содержание остальных элементов находится в пределах норм, установленных для данной марки по ГОСТ 1050).
Механическая обработка поковок не вызвала замечаний.
Детали подвергали цементации продолжительностью 3 часа с непосредственной закалкой в прессе.
В результате получили детали с поверхностным слоем, содержащем до 1,0% углерода, зубья которых имеют твердость HRC 58-60 на поверхности и HRC 30-32 в основании, по геометрии, не отличающиеся от шестерен, изготавливаемых в действующем производстве.
Источники информации, принятые во внимание при составлении заявки:
[1] Башнин Ю.А. и др. Технология термической обработки. М., Металлургия, 1986, с.286-289, 294, 295