ШКВОРЕНЬ АВТОТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА

Полезная модель относится к области автомобилестроения и тракторостроения и может быть использовано в конструкции шкворневых узлов для поворота управляемых колес автотранспортного средства.
Известен шкворень автотранспортного средства, выполненный из термически обработанной углеродистой стали, содержащий на своей наружной поверхности закаленный слой с микроструктурой в виде отпущенного мартенсита, а под слоем - сердцевину (Гурченко П.С. Упрочнение при индукционном нагреве и управляемом охлаждении. Гомель, 1999, с.54-57).
Однако известный шкворень автотранспортного средства, при своем использовании, имеет следующие недостатки:
- обладает недостаточными усталостной долговечностью при поперечном изгибе, контактной прочностью и износостойкостью, т.к. после термической обработки закаленный слой имеет микроструктуру в виде среднеигольчатого мартенсита 5-6 баллов, который организуется из исходного аустенита применяемой стали с величиной действительного зерна 7-9 баллов;
- обладает большим разбросом по усталостной долговечности и статической прочности при поперечном изгибе, а также по контактной прочности, т.к. применяемая для изготовления сталь марки 45 имеет интервал величины идеального критического диаметра от 26 до 45 мм, характеризующего ее прокаливаемость по полумартенситу, в связи с чем, после термической обработки на наружной поверхности формируется закаленный слой с различной глубиной и неравномерной твердостью по всей его длине;
- обладает недостаточной статической прочностью при поперечном изгибе из-за низкой твердости в центре сердцевины, порядка 22…28 HRC.
Задачей изобретения является создание шкворня автотранспортного средства.
Техническим результатом при использовании предложенного шкворня автотранспортного средства является повышение его усталостной долговечности и статической прочности при поперечном изгибе, повышение его контактной прочности и износостойкости, при одновременном получении на каждом изготавливаемом шкворне автотранспортного средства одинаковых прочностных характеристик, что обеспечит всем шкворням одной размерности, одинаковый срок службы.
Технический результат при осуществлении полезной модели достигается тем, что предложен шкворень автотранспортного средства, выполненный из термически обработанной углеродистой стали, содержащий, на своей наружной поверхности закаленный слой с микроструктурой в виде отпущенного мартенсита, а под слоем - сердцевину, при этом, он выполнен из стали с пониженной прокаливаемостью, с содержанием углерода от 0,40 до 0,66 мас.%, имеющей идеальный критический диаметр, характеризующий ее прокаливаемость по полумартенситу, равный 10-14 мм, глубина закаленного слоя шкворня выполнена равной 0,15-0,25 от идеального критического диаметра стали, причем отпущенный мартенсит закаленного слоя организован из исходного аустенита стали с величиной действительного размера зерна 11-14 баллов и имеет твердость 56…64 HRC, а вся сердцевина шкворня выполнена с микроструктурой в виде троостита, или троостосорбита, или сорбита, при этом, перепад твердости, между любой точкой закаленного слоя шкворня и центром его сердцевины составляет 15…22 HRC.
Среди признаков, характеризующих предложенный шкворень автотранспортного средства, существенными являются:
- выполнение из стали с пониженной прокаливаемостью, с содержанием углерода от 0,40 до 0,66 мас.%;
- выбор идеального критического диаметра стали, характеризующий ее прокаливаемость по полумартенситу, в пределах 10-14 мм;
- выбор глубины закаленного слоя шкворня в пределах 0,15-0,25 от идеального критического диаметра стали;
- организация отпущенного мартенсита закаленного слоя шкворня из исходного аустенита стали с величиной действительного размера зерна 11-14 баллов;
- выполнение отпущенного мартенсита закаленного слоя с твердостью 56…64 HRC;
- выполнение всей сердцевины шкворня с микроструктурой в виде троостита, или троостосорбита, или сорбита, и с перепадом твердости, между центром сердцевины шкворня и любой точкой его закаленного слоя в пределах 15…22 HRC.
Выполнение предложенного шкворня автотранспортного средства из стали с пониженной прокаливаемостью, имеющей идеальный критический диаметр, характеризующий ее прокаливаемость по полумартенситу, равный 10-14 мм, позволяет получать закаленный слой, имеющий одинаковую глубину и равномерную твердость по всей его длине. Это исключает разброс по усталостной долговечности и статической прочности при поперечном изгибе, а также по контактной прочности, и обеспечивает получение одинаковых прочностных характеристик и одинаковый срок службы шкворней одной размерности. Идеальный критический диаметр - параметр, характеризующий прокаливаемость стали - диаметр прутка стали, который при закалке с бесконечно быстрым охлаждением поверхности приобретает в центре сечения прутка структуру полумартенсита, а на поверхности прутка - структуру мартенсита.
Выбор нижнего предела содержания углерода 0,40 мас.% в стали с пониженной прокаливаемостью, нижнего предела глубины закаленного слоя 0,15 от идеального критического диаметра стали и нижнего предела твердости закаленного слоя 56 HRC обеспечивают предложенному шкворню более высокую износостойкость при его работе с подшипниками скольжения.
Выбор верхнего предела содержания углерода 0,66 мас.% в стали с пониженной прокаливаемостью, верхнего предела глубины закаленного слоя 0,25 от идеального критического диаметра стали и верхнего предела твердости закаленного слоя 64 HRC обеспечивают предложенному шкворню более высокую контактную прочность при его работе с подшипниками качения.
Организация отпущенного мартенсита закаленного слоя из исходного аустенита стали с величиной действительного размера зерна 11-14 баллов позволяет получить его скрыто- или мелкоигольчатом виде не крупнее 3 балла, что обеспечивает предложенному шкворню более высокие усталостную долговечность при поперечном изгибе, контактную прочность и износостойкость.
Выполнение всей сердцевины шкворня с микроструктурой в виде троостита, или троостосорбита, или сорбита, и с перепадом твердости, между центром сердцевины шкворня и любой точкой его закаленного слоя в пределах 15…22 HRC обеспечивает предложенному шкворню более высокую статическую прочность при поперечном изгибе.
Предложенное техническое решение применимо, т.к. может быть изготовлено промышленным способом, работоспособно, осуществимо и воспроизводимо, а следовательно, соответствует условию "промышленная применимость".
Сравнение заявляемого технического решения с уровнем техники по научно-технической и патентной документации показывает, что совокупность существенных признаков не известна, а следовательно, соответствует условию патентоспособности "новизна".
Следует отметить, что технология изготовления предложенной конструкции шкворня автотранспортного средства не представляет собой особой сложности, однако, содержание остальных химических элементов в используемой стали с пониженной прокаливаемостью и технология термической обработки шкворня, является предметом «НОУ-ХАУ» и служит предметом отдельной заявки.
Экспериментальные исследования и испытания предложенного шкворня автотранспортного средства показали его высокую эффективность. Было установлено, что предложенный шкворень автотранспортного средства по сравнению с известным, обладает повышенной усталостной долговечностью при поперечном изгибе, повышенной статической прочностью при поперечном изгибе, повышенной контактной прочностью и износостойкостью с одновременным получением на каждом изготавливаемом шкворне одинаковых прочностных характеристик, что обеспечивает всем шкворням одной размерности одинаковый срок службы.
Результаты экспериментальных исследований и испытаний приведены в таблице.
№ п/п
Параметры
Известный шкворень
Предложенный шкворень
1.
Содержание углерода в стали, масс.%
0,42-0,50
0,40-0,66
2.
Идеальный критический диаметр стали, мм
26,1-45,9
14,0-14,0
3.
Отношение глубины закаленного слоя к идеальному критическому диаметру стали
0,08-0,13
0,15-0,25
4.
Микроструктура закаленного слоя
среднеигольчатый мартенсит 6 балла
мелкоигольчатый мартенсит 3 балла
5.
Перепад твердости между закаленным слоем и центром сердцевины
30…39HRC
15…22HRC
6.
Количество шкворней одной размерности, имеющих одинаковый срок службы, %
75
100
7.
Статическая прочность при поперечном изгибе, %
100
не менее 130
8.
Усталостная долговечность при поперечном изгибе, %
100
не менее 150
9.
Контактная прочность, %
100
не менее 120
10.
Износостойкость, %
100
не менее 125
Сущность предложенного технического решения поясняется чертежами, где на фиг.1 показан общий вид шкворня автотранспортного средства, на фиг.2 - разрез по А-А, а на фиг.3 - разрез по Б-Б.
Шкворень автотранспортного средства содержит наружную поверхность 1, закаленный слой 2 и сердцевину 3.
Эксплуатация предложенного шкворня автотранспортного средства является стандартной. Однако, за счет своих более высоких прочностных характеристик, эксплуатация предложенного шкворня автотранспортного средства может производиться в более тяжелых условиях работы, чем эксплуатация известного шкворня.