CC BY
14
ISSN 1560-3644 ИЗВЕСТИЯ ВУЗОВ. СЕВЕРО-КАВКАЗСКИМ РЕГИОН._ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ. 2020. № 1
ISSN 1560-3644 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION. TECHNICAL SCIENCE. 2020. No 1
УДК 621.77.014 DOI: 10.17213/1560-3644-2020-1-50-54
ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТРЕБУЕМОЙ ПРОЧНОСТИ НЕРАЗЪЕМНОГО СОЕДИНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ РАЗЛИЧНОЙ ИСХОДНОЙ ПЛОТНОСТИ
© 2020 г. С.А. Дебеева, Е.И. Чернобровкина, Е.В. Хуштокова
Южно-Российский государственный политехнический университет(НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия
PROVISION OF NECESSARY STRENGTH OF UNLIABLE COMMUNICATIONS DETAILS OF VARIOUS INITIAL DENSITY
S.A. Debeeva, E.I. Chernobrovkina, E.V. Khushtokova
Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia,
Дебеева Светлана Александровна - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Общеинженерные дисциплины», Южно-Российский политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. E-mail: sve_tchk@mail.ru
Хуштокова Елена Викторовна - ст. преподаватель, кафедра «Общеинженерные дисциплины», Южно-Российский политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. E-mail: xyshtokova@rambler.ru
Чернобровкина Елена Ивановна - ст. преподаватель, кафедра «Общеинженерные дисциплины», Южно-Российский политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. E-mail: chernobrovkinae@yandex.ru
Debeeva Svetlana A. - Candidate of Technical Science, Associate Professor, Department «General Engineering Disciplines», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia. E-mail: sve_tchk@mail.ru
Khushtokova Elena V. - Senior Lecturer, Department «General Engineering Disciplines», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia. E-mail: xyshtokova@rambler.ru
Chernobrovkina Elena I. - Senior Lecturer, Department «General Engineering Disciplines», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia. E-mail: chernobrovkinae@yandex.ru
Исследовалось повышение эксплуатационных показателей неразъемных прессовых соединений деталей из неравноплотных материалов. Рассматривались варианты напрессовки пористой детали на компактную, а также запрессовки пористой в отверстие компактной без применения нагрева. Проведен сравнительный анализ существующего соединения деталей «ротор - ступица» из традиционных материалов и с применением порошковых композиционных. Выявлены основные закономерности при назначении натяга в прессовых соединениях компактных и порошковых деталей с различной пористостью. Предложена методика оценки качества данного вида соединения для тонкостенных и толстостенных цилиндрических деталей в виде номограммы и её математического описания. Влияние натяга и пористости на качество соединения компактной детали с пористой при различных ее толщинах описывается уравнением, полученным на основе обработки статистических данных. Даны рекомендации по назначению натяга на каждый типоразмер ротора датчика АБС автомобилей серии КамАЗ.
Ключевые слова: прочность соединения; натяг; порошковый материал; компактный материал; пористость; напрессовка; запрессовка; ротор; ступица.
In this work, we investigated the increase in performance offixed press joints ofparts made of unequal materials. The options for pressing the porous part onto a compact part as well as pressing the porous part into the hole were considered. A comparative analysis of the existing connection parts «rotor - hub» of traditional materials and using composite powder is carried out. The main regularities in the assignment of tension in the press connections of compact and powder parts with different porosities are revealed. A method for assessing the quality of this type of compound for thin-walled and thick-walled cylindrical parts in the form of a nomogram and a mathematical description is proposed. The effect of tightness and porosity on the quality of the connection between a compact part and a porous one at various thicknesses is described by 3rd degree polynomials based on calculated values. Recommendations are given on the purpose of the preload on each standard size of the ABS sensor rotor of KamAZ vehicles.
Keywords: joint strength; tension; powder material; compact material; porosity; press-fit; rotor; hub.
ISSN 1560-3644 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.
Введение
Задачи повышения качества деталей, используемых в прессовых соединениях, а также повышение надежности данного вида соединений, на сегодняшний день являются актуальными. Качество соединений во многом определяется обоснованностью принимаемых решений, способствующих повышению эффективности технологической подготовки производства и применением современных информационных технологий при моделировании процессов запрессовки деталей [1 - 3]. Необходимо существенно повышать эксплуатационные показатели работы неподвижных соединений, формируя соединение с минимальным повреждением поверхностного слоя материала при этом уплотняя его до необходимых значений.
Принцип работы
Порошковые материалы активно используются для изготовления различных деталей машин, участвующих в соединении с компактными деталями. Примером получения неразъемного соединения с гарантированным натягом, является ротор датчика антиблокировочной системы автоприцепа автомобиля «КамАЗ», изготовленного на основе железного порошка ПЖВ 3.160.26 (ГОСТ 9849-86). Датчик антиблокировочной системы автомобиля «КамАЗ» состоит из зубчатого ротора, напрессованного на ступицу, и датчика, установленного в поворотном кулаке передней оси (рис. 1).
Основное назначение системы - автоматическое поддержание оптимального торможения автомобиля без блокировки колес. Ротор используется в управлении антиблокировочной системы для формирования импульсов, вырабатываемых датчиком скорости колеса.
Во время работы ротор датчика АБС вращается вместе со ступицей. К зубьям ротора подводится магнитный датчик, передающий последовательные прерывистые сигналы в электронный блок.
При прохождении трапециевидного выступа ротора вблизи электромагнитного устройства в нем возникает электродвижущая сила (ЭДС), которая преобразуется датчиком в электрический импульс. Сигнал поступает в блок управления, где анализируется информация о скорости и частоте вращения колеса, а затем нагрузка равномерно распределяется.
TECHNICAL SCIENCE. 2020. No 1 1 2 3
б
Рис. 1. Установка датчика АБС в колесе заднего моста: 1 - ступица; 2 - ротор датчика; 3 - втулка датчика; 4-кулак
поворотный; 5 - датчик скорости АБС; 6 - скоба / Fig. 1. Installation of the ABS sensor in the rear axle wheel: 1 - hub; 2 - sensor rotor; 3- sensor sleeve; 4 - knuckle;
5 - ABS speed sensor; 6 - bracket
Традиционные технологии изготовления ротора, такие как вырезка заготовки из листа стали, либо из трубы необходимого диаметра, их дальнейшая обработка резанием имеют ряд недостатков. Нестабильность геометрических характеристик как самой детали, так и торцевых выступов; высокая и неоднородная пористость зубьев, приводящая к недостаточному изменению вырабатываемого электромагнитного сигнала. Чтобы избежать вышеперечисленных недостатков, была разработана оптимальная схема холодного прессования и последующей калибровки, обеспечивающие высокую плотность зубьев, необходимую форму и точность размеров.
Технология изготовления
Технология получения ротора методом порошковой металлургии включает в себя приготовление шихты на основе порошка ПЖВ 3.160.26 (ГОСТ 9849-86), в качестве сухого смазочного материала - стеарат цинка марки С (рекомендованное содержание стеарата цинка - 0,8 %). Смешивание компонентов осуществляется в конусном смесителе в течение 4 часов. Холодное прессование проводили на гидравлическом прессе при давлении 350 МПа, последующее спекание в камерной печи периодического действия с
ISSN 1560-3644 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.
карбидокремниевыми нагревателями при температуре 1150 °С в течение 3 часов. Затем спеченные заготовки смазывали дисульфидом молибдена, смешанным с растворителем или этиловым спиртом. Калибровку торцевой поверхности зубьев ротора с целью обеспечения требуемой плотности, конфигурации и размеров производили на гидравлическом прессе при давлении 350 МПа. После этого заготовки подвергали механической обработке, при которой снимаются фаски, придаются окончательные размеры. Производительность возросла в 4 раза по сравнению с традиционной технологией нарезания зубьев на трубных заготовках.
Основной проблемой, возникающей в ходе изготовления датчика АБС, является установление механизмов и явлений, происходящих в пористых изделиях при их напрессовке (запрессовке) на компактные детали. Для обеспечения прочности соединения порошкового ротора и ступицы колеса, при назначении величины натяга N0 необходимо учитывать все факторы, действующие на сопряжение в процессе его эксплуатации [4 - 6], в частности, момент инерции Ми, который может вызвать силу, достаточную для прокручивания ротора и для распрес-совки его со ступицы.
В настоящее время на предприятии производится пять типоразмеров ротора датчика АБС с толщиной стенки следующих диапазонов: 5,05 - 10,5 мм.
Численный эксперимент
Сравнивались следующие показатели: максимальные натяги, полученные моделированием Nmax мод; расчетные минимальные N.™ расч натяги; значения натягов, полученные экспериментальным путем ^кс при различных пористо-стях втулок. Выявлено явное различие по величине расчетных и экспериментальных натягов. Это объясняется тем, что реально протекающие процессы неадекватны приведенной модели расчета.
При проведении эксперимента происходил разрыв пористых образцов толщиной стенки 2 и 4 мм, пористостью 20 - 25 % при напрессовке их на стальной вал с натягом ^кс = 0,45 мм. Была поставлена задача разработать модель, учитывающая реальные значения натягов и их влияние на растягивающие напряжения, полученные при анализе большого объема экспериментальных данных (рис. 2).
TECHNICAL SCIENCE. 2020. No 1
1
Рис. 2. Зависимость растягивающих напряжений а1
от толщины стенки втулки S при максимальном натяге Nmax = 0,8 мм (1 - модель; 2, 3, 4 - эксперимент)
/ Fig. 2. Tensile stress а1 dependence on sleeve wall thickness S at maximum interference Nmax = 0,8 mm (1 - model; 2, 3, 4 - experimental dal^)
По результатам можно сделать вывод о том, что с уменьшением толщины стенки порошковой втулки минимальный натяг, обеспечивающий необходимую прочность соединения, понижается. Прочность соединения с натягом обеспечивается упругими напряжениями, возникающими в прессовых посадках, для оценивания которой был введен коэффициент качества соединения K. Качество соединения - это отношение усилия распрессовки соединения Ррп к усилию напрес-совки Рнп пористой детали на компактную.
При проведении эксперимента по напрес-совке порошковой втулки толщиной 2 мм, пористостью 10 % со стальным валом, также было установлено, что для прочности данного соединения достаточным является натяг N^o= 0,25 мм. При дальнейшем увеличении натяга прочность соединения понижается, возникает риск образования микротрещин.
Тогда как для аналогичного соединения втулки толщиной 12 мм, необходим натяг не менее NXo= 0,5 мм, а оптимальным натягом по результатам эксперимента является натяг ^кс= 0,78 мм.
После обработки полученных данных были построены номограммы [6] для определения качества соединения компактной детали и пористой с различной толщиной стенки (рис. 3).
Влияние натяга и пористости на качество соединения компактной детали с пористой втулкой при различных ее толщинах, описывается математической моделью на основе значений, полученных опытным путем:
ISSN 1560-3644 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.
- для толстостенных деталей
К = 0,82 + 0,145 • ^ас - 0,000009 • П3 ; (1)
- для тонкостенных
К = 0,79 + 0,120 • ^рас - 0,00005 • П2,5. (2)
Основная проблема, возникающая в ходе изготовления датчика АБС, - установление механизмов и явлений, происходящих в пористых изделиях при их напрессовке (запрессовке) на компактные детали.
Для расчета и назначения величины натяга соединения ротора со ступицей рекомендуется воспользоваться номограммой (рис. 3), учитывающей условия работы соединения, а также типоразмер порошковой детали. Используя графики зависимостей (рис. 3), была скорректирована величина натяга с учетом требуемой прочности сопряжения «ротор - ступица» (табл. 1).
TECHNICAL SCIENCE. 2020. No 1
Значения максимальных натягов увеличились на 30 - 40 % от существующих, что позволило получить более высокое качество соединения при аналогичных условиях сборки.
Заключение
По результатам проведенных исследований и на основе анализа типов соединений «ступица колеса - порошковый ротор» автомобиля «КамАЗ», проведена корректировка величины оптимального натяга для сопрягаемых деталей с учетом условий эксплуатации. Предложены параметры, обеспечивающие прочность соединений пяти типоразмеров роторов, изготавливаемых методом порошковой металлургии. Данная корректировка обеспечила требуемые эксплуатационные характеристики прессового соединения «порошковый ротор - ступица колеса» и позволила сократить количество бракованных сборочных узлов.
Рис. 3. Номограмма для определения качества соединения K в зависимости от Npac и П (а - для толстостенных деталей; б - для тонкостенных) / Fig. 3. A nomogram for determining the quality of compound K as a function of А'рас and П
(а - for thick-walled parts; б - thin wall)
Таблица 1 / Table 1
Значения диапазона натягов, участвующих в соединении / Values of the tension range used in the connection
№ ротора d, мм D, мм S, мм П, % Существующий натяг, мм Предлагаемый натяг, мм
max min max min
35205-3541120 164+0,04 176±0,5 6 11 0,133 0,068 0,203 0,078
4308-3541120 138+0,04 154±0,5 8 9 0,117 0,052 0,217 0,092
6520-3541120 144+0,04 160±0,5 8 9 0,125 0,060 0,275 0,150
53205-3541121 176+0,04 194±0,5 9 12 0,133 0,068 0,280 0,160
6520-3541121 178+0,04 198±0,5 10 13 0,133 0,068 0,283 0,168
ISSN 1560-3644 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.
Литература
1. Бабец А.В., Дебеева С.А., Волжин Д.Б., Яковенко А.С. Особенности напряженно-деформированного состояния прессовых соединений с использованием деталей из порошковых материалов // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2009. № 4. С. 80 - 82.
2. Дорофеев Ю.Г., Бабец А.В., Дебеева С.А., Волхонская Д.А.
Прочность неразъемных соединений «порошковая деталь - компактная сталь // Порошковая металлургия: респ. межведомств. сб. науч. тр. / Нац. акад. наук Беларуси; Белорус. гос. науч.-произв. концерн порошковой метал-
TECHNICAL SCIENCE. 2020. No 1
лургии; гос. науч. учреждение «Ин-т порошковой металлургии». Минск, Беларусь, 2006. Вып. 29. С. 129 - 132.
3. Курилов П.Г., Рыбаулин В.М. Производство конструкционных изделий из порошков на основе железа. М.: Металлургия, 1992. 128 с.
4. Ермаков С.С., Вязников Н.Ф. Порошковые стали и изделия. Л.: Машиностроение, 1990. 320 с.
5. Протасов А.В. Повышение качества крупногабаритных соединений с гарантированным натягом при ремонте газовых компрессоров: автореф. дис. ... канд. техн. наук / Иркутск, 2006. 15 с. Иркутский гос. техн. ун-т.
6. Дебеева С.А. Влияние остаточных напряжений на надежность прессового соединения деталей из порошкового и компактного материалов // Изв. вузов. Черная металлургия // МИСИС. М.: 2008. № 8. С. 26 - 30.
References
1. Babets A.V., Debeeva S.A., Volzhin D.B., Yakovenko A.S. Osobennosti napryazhenno-deformirovannogo sostoyaniya presso-vykh soedinenii s ispol'zovaniem detalei iz poroshkovykh materialov [Features of the stress-strain state of press connection using details from powder materials]. Izv. vuzov. Sev-Kavk. region. Tekhn. nauki, 2009, no. 4, pp. 80 - 82. (In Russ.)
2. Dorofeev Yu.G., Babets A.V., Debeeva S.A., Volkhonskaya D.A. [Durability permanent connection item powder-compact steel]. Poroshkovaya metallurgiya: resp. mezhvedomstv. sb. nauch. tr. [Powder metallurgy: Rep. Interdepartmental. Sat. scientific. tr], 2006, Issue 29, pp. 129 - 132. (In Russ.)
3. Kurilov P.G., Rybaulin V.M. Proizvodstvo konstruktsionnykh izdelii iz poroshkov na osnove zheleza [Manufacturing structural products from iron-based powders]. Moscow: Metallurgiya, 1992, 128 p.
4. Ermakov S.S., Vyaznikov N.F. Poroshkovye stali i izdeliya [Powder steel products]. Leningrad: Mashinostroenie, 1990, 320 p.
5. Protasov A.V. Povyshenie kachestva krupnogabaritnykh soedinenii s garantirovannym natyagom pri remonte gazovykh kompres-sorov. Avtoref. diss. kand. tekhn. nauk [Improving the quality of large-size connections with a guaranteed preload in the repair of gas compressors. Cand. tehn. sci. diss.]. Irkutsk, 2006, 15 p.
6. Debeeva S.A. Vliyanie ostatochnykh napryazhenii na nadezhnost' pressovogo soedineniya detalei iz poroshkovogo i kompaktnogo materialov [The effect of residual stresses on the reliability of the pressing parts of the compound powder and compact materials]. Izv. vuzov. Chernaya metallurgiya, 2008, no. 8, pp. 26 - 30. (In Russ.)
Поступила в редакцию /Receive 15 ноября 2019 г. /November 15, 2019
