автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Исследование технологии изготовления торсионных валов и торсиорессор с эксцентриковыми головками

/

/

Ижевский государственный технический университет

Для служебного пользования экз. № 1

На правах рукописи

Кокорин Николай Анатольевич

УДК 621.789; 621.88

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТОРСИОННЫХ ВАЛОВ И ТОРСИОРЕССОР С ЭКСЦЕНТРИКОВЫМИ ГОЛОВКАМИ

Специальность 05.02.08 - "Технология машиностроения"

05.02.02 - "Машиноведение и детали машин"

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д.т.н., профессор О.И. Шаврин

Ижевск - 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ 4

ПРИНЯТЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ 5

ВВЕДЕНИЕ 11

1. АНАЛИЗ КОНСТРУКЦИЙ, УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ И ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТОРСИОННЫХ ВАЛОВ И ТОРСИОРЕССОР 19

1.1. Назначение и область применения торсионных валов и торсиорессор 19

1.2. Конструктивные особенности торсионных валов и торсиорессор 21

1.3. Анализ методов передачи крутящего момент 30

1.4. Анализ материалов, используемых для изготовления торсионных валов и торсиорессор Л. 52

1.5. Анализ технологии изготовления торсионных валов и 55 торсиорессор

1.6. Выводы и постановка задачи исследования 71

2. РАЗРАБОТКА ОСНОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТОРСИОННЫХ ВАЛОВ И ТОРСИОРЕССОР С ЭКСЦЕНТРИКОВЫМИ ГОЛОВКАМИ 73

2.1. Конструкции эксцентриковых соединений 73

2.2. Оптимизация конструктивных элементов эксцентриковой головки торсионного вала. 83

2.3. Расчет конструктивных элементов торсионного вала с эксцентриковыми головками 86

2.4. Экспериментальные исследования несущей способности торсионных валов с эксцентриковыми головками 89

2.5. Оценка несущей способности конструкций головок торсионных валов по критерию "весовое совершенство" 91

2.6. Методика расчета ступицы эксцентрикового соединения 99

2.7. Основные нормы взаимозаменяемости эксцентриковых соединений 104

Выводы по главе 2 128

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ВИНТОВЫМ ОБЖАТИЕМ ТОРСИОННЫХ ВАЛОВ И ТОРСИОРЕССОР В ПРОЦЕССЕ ВТМО 131

3.1. Технологические особенности процесса винтового обжатия 132

3.2. Формообразование ступенчатых заготовок торсионных валов винтовым обжатием в режиме ВТМО 141

3.3. Металлографические исследования структуры материала 147

3.4. Исследование механических характеристик формообразованных заготовок 152 Выводы по главе 3 154

4. ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И СБОРКИ ДЕТАЛЕЙ С ЭКСЦЕНТРИКОВЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ 156

4.1. Базирование деталей при механической обработке 156

4.2. Синтез, анализ и выбор процессов формообразования эксцентричных поверхностей 164

4.3. Способы взаимного ориентирования деталей эксцентрикового соединения при узловой сборке 175 Выводы по главе 4 180

5. ПРОМЫШЛЕННОЕ ОПРОБОВАНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ВТМО ВО ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ВАЛОВ С ЭКСЦЕНТРИКОВЫМИ ГОЛОВКАМИ 182

5.1. Область применения эксцентриковых соединений 182

5.2. Промышленное опробование ВТМО ВО для изготовления валов 185 Выводы по главе 5 189 ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 190 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 192 ПРИЛОЖЕНИЯ 201

ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ

ВО - винтовое обжатие

ВТМО - высокотемпературная термомеханическая обработка

ГКМ - горизонтально-ковочные машины

ДСМ - деформационное старение мартенсита

Зн - заневоливание

М - маркировка

МО - механическая обработка

ОТО1 - обычная термическая обработка (закалка + отпуск 220°С) ОТО2 - обычная термическая обработка (закалка + отпуск 470°С) ПМО - предварительная механическая обработка ППД - поверхностное пластическое деформирование Пр - правка

РПЧ - разделение проката на части ТВТМО - тоническая высокотемпературная

термомеханическая обработка УО - удаление окалины

ФГ - формообразование головок ФПиД - формирование прочности и долговечности ФСиС - формирование структуры и свойств ЧМО - чистовая механическая обработка ШО - шлицеобразование ЭШП - электрошлаковый переплав

ПРИНЯТЫЕ ОБОЗНА ЧЕНИЯ а - текущий угол, определяющий положение точки

Oto, ос« - границы контактной зоны А а4 - угол между системами координат заготовки и

эксцентричного профиля Р - угол разворота деформирующих роликов

Р' - угол между осью вращения эксцентрикового профиля

и текущей точкой укр - относительный сдвиг при кручении Ai, Аг - минимальная величина предельного отклонения

эксцентриситета ступицы и вала Адоп - дополнительное отклонение эксцентриситета Ак - компенсационное отклонение эксцентриситета

Хобж , Лир , А,сд - степень деформации обжатия, кручения, сдвига А,тах - предельная степень деформации по обжатию JLL - безразмерный коэффициент Пуассона

р - радиус вектор

ру - плотность

с - среднее квадратическое отклонение

Св - предел прочности (временное сопротивление

при разрыве

<70,2 - предел текучести условный с допуском на пластическую

деформацию (0,2%) при нагружении а см - напряжение смятия

[с] - допустимое напряжение при разрыве

[(Тем] - допустимое напряжение смятия <5т - предел текучести материала

СТг, Сг - радиальная и тангенциальная составляющие

нормального напряжения [Тер] - допустимое напряжение при срезе [Хкр] - допустимое напряжение при кручении [т] - допустимое напряжение при сдвиге материала вала

Тот - предел прочности при кручении

тПц - предел пропорциональности при кручении

то - предел выносливости при пульсирующем кручении

Т-1 - предел выносливости при знакопеременном

симметричном кручении то - предел выносливости при пульсирующем кручении

Тшах - максимальное напряжение цикла фзан - угол заневоливания фпц - угол соответствующий пределу пропорциональности материала ф -упругое угловое перемещение

фкр - угол скручивания со - поле технологического рассеяния

А - линейный размер (величина мерной пластины,

срезаемой части кулачка) А1 - номинальный размер составляющего го звена

Ад - номинальный размер замыкающего звена

Ъ - линейный размер (зазор, длина)

С - жесткоссть торсионной подвески

(1 - диаметр стержня (рабочей части моноторсиона)

де - диаметр эксцентричной поверхности

¿г - диаметр головки моноторсиона

¿1, сЬ - внутренний и наружный диаметр ступицы Б - диаметр центрирующего отверстия

- диаметр эксцентричного отверстия Эср - средний диаметр соединения

Бц Вэ - номинальные диаметры центрирующей и эксцентричной

ступеней соединения е - эксцентриситет

еэц, еээ - верхние отклонения центрирующего и эксцентричного

диаметров головки Е - модуль упругости первого рода

Е1 - передаточное отношение ьго звена

Е1ц, Е1э - нижние отклонения центрирующего и эксцентрицного

диаметров отверстий Ее - среднее геометрическое граничных значений интервала

номинальных размеров Ет - коэффициент смещения центра группирования (матема-

тическое ожидание) размера с середины поля допуска Етиг, Ешах - наименьшее и наибольшее граничное значение

интервала номинальных размеров ¿"(х) - плотность вероятности отклонений расположения

К - относительный параметр

Рем - площадь поверхности контакта

И - линейная величина (перемещение, плечо, высота)

НВ - твердость по Бринелю

НЛС - твердость по Роквеллу (шкала с)

НЯСэ - твердость по Роквеллу (шкала с, воспроизводимая государственным специальным эталоном) к - коэффициент технологической точности процесса

обработки по расположению поверхностей К - коэффициент заневоливания

КС!) - ударная вязкость с концентратором радиусом 1 мм 1Ст - длина рабочей части (стержня) моноторсиона

1Г - длина головки моноторсиона

1ь ¡2 - линейные величины

Ь - длина моноторсиона

Ькр - длина участка скручивания

гп - модуль шлицев

шг - масса головки

М - момент внешних сил

Ми, Мкр - изгибающий, крутящий моменты (Мкр]г, (Мкр]т - допустимые крутящие моменты передаваемые

головкой и стержнем моноторсиона (Мкр]Ср , [Мкр]см - допустимые крутящие моменты определяемые из

условия деформаций среза и смятия [М]Приз, [М]шп, [М]шл, |М]е - допустимые крутящие моменты передаваемые призматическими, шпоночными, шли-цевыми и эксцентриковыми головками N - число переходов

0,01,0г - точки начало координат Р - внутреннее давление

Рк - контактное давление

Р1 - элементарные силы

4 - интенсивность погонной силы реакции в зоне контакта

<3 - поперечная сила

г - текущее значение радиуса

Г1 - внутренний радиус сечения ступицы

Г2 - наружный радиус сечения ступицы

Я - радиус заготовки

Яа - среднее арифметическое отклонение профиля

И, - коэффициент ассиметрии цикла

Як - радиус шлифовального круга

Зприз - площадь правильного многоугольника

5»ц, 8Э - действительные зазоры в сопряжении центрирующих и

эксцентричных участков соединения

Зттц, Зттэ - минимальные зазоры в сопряжении центрирующих и

эксцентричных участков соединения 5шахц, Зшахэ - наибольшие зазоры в сопряжении центрирующих и

эксцентричных участков соединения Т - относительный параметр

Ть Т2 - допуски размеров координируемых поверхностей Тс.зав, Тг.зав - зависимый допуск эксцентриситета ступицы и вала Тс.доп, Тг.доп - дополнительный допуск эксцентриситета ступицы и вала

ТГГ1 и

слип, Тглшп - минимальныи допуск эксцентриситета ступицы и вала Тс.зав.тах, Тг.зав.шах - предельные зависимые допуски эксцентриситета

ступицы и вала и - радиальное перемещение точки

V - линейная величина

- относительный параметр X - текущее значение случайной величины отклонения

эксцентриситета У - относительный параметр

ъ - число граней, шлицев

Z - относительный параметр

Ъ\, Ъг - действительные отклонения размеров

Вс - весовое совершенство

Мн - температура (точка) начала образования мартенсита

и

ВВЕДЕНИЕ

Торсионные подвески получили широкое распространение в системах подресссоривания современных транспортных колесных и гусеничных машин в связи с простотой конструкции, удобством компановки, высокими техническими показателями и надежностью [2, 4, 6, 7,8, 16, 93,94].

Успешно используются торсионные валы (торсиорессоры) и в агре-гатированных системах с механическим приводом для передачи крутящего момента, обеспечивая компенсацию несоосностей, перекосов и амортизацию колебаний крутящего момента, делая работу привода более плавной и мягкой [5, 6].

Известно также применение торсионных валов в качестве уравновешивающих элементов и накопителей энергии в различных исполнительных механизмах [6, 9].

Упругие элементы указанных выше устройств выполняются в виде круглого стержня с шлицевыми или призматическими головками на концах. Торсионы, как и другие длинномерные нежесткие валы, относят к нетехнологичным деталям, так как обработка их связана с определенными трудностями. Учитывая достаточно широкое применение торсионных валов и тор-сиорессор, технология изготовления их постоянно совершенствуется путем приближения формы заготовки к форме детали за счет горячей высадки головок [33], ротационной ковки [34, 95] или продольной холодной раскатки [9, 26]. По сути дела в последнем случае создана малоотходная деталепро-катная технология, повышающая коэффициент использования металла до 0,8-0,9.

Однако, с высокоэффективным процессом холодной продольной раскатки плохо сочетаются последующая механическая обработка и упрочнение шлицев, что требует комплексного подхода и к конструкции торсиона и к технологии формообразования шлицев и детали в целом.

Одним из перспективных направлений такого комплексного подхода является применение профильных моментопередающих соединений. Про-

фильные соединения обеспечивают более высокие нагрузочные характеристики по сравнению со шлицевыми, а также надежное центрирование [18, 19].

Многогранный профиль на головках торсионных валов возможно получить в заготовке, используя например, метод холодной продольной раскатки. Но трудности последующей механической обработки, потребность в специальном оборудовании и технологической оснастке позволяют рекомендовать такие соединения в основном для крупносерийного и массового производства.

Технологически наиболее отработанным является трехгранный профиль с равноосным контуром (РК-профиль) или с равноосным профилем срезанным (Кс-профиль) [18]. Для этого профиля разработаны способы предварительной токарной обработки вала и ступицы, а также способы окончательного шлифования профиля сопрягаемых деталей [19]. Необходимость в специализированном оборудовании и технологической оснастке делают предпочтительным такой профиль для условий крупносерийного и массового производства, но вопрос организации производства специализированных станков и инструментов пока не решен.

Учитывая эти трудности, для условий серийного и мелкосерийного производства предлагаются эксцентриковые соединения [20].

Применение торсионов с цилиндрическими головками и местными эксцентричными шейками обеспечивают унификацию обрабатываемых поверхностей, точное центрирование сопрягаемых поверхностей и взаимозаменяемость. Причем изготовление сопрягаемых деталей такого эксцентрикового соединения легко осуществить на существующем универсальном оборудовании (не требует его модернизации и сложной оснастки), стандартным режущим инструментом. Изготовление сопрягаемых деталей может осуществляться из высокопрочных заготовок, обработанных на высокую твердость, с возможностью последующего упрочнения методами поверхностного пластического деформирования, закалки ТВЧ и т. д.

Наиболее технологичным является эксцентриковое соединение, состоящее как минимум из двух цилиндрических поверхностей, эксцентрично расположенных между собой.

Рабочими являются обе цилиндрические поверхности, но моментопе-редающей - одна - эксцентрично расположенная. В процессе работы возникают напряжения смятия на цилиндрической эксцентрично расположенной поверхности и напряжения среза в плоскости стыка эксцентричного и центрирующего участков. Допустимый крутящий момент, передаваемый эксцентриковым участком вала является функцией допустимых характеристик сопротивления материала и геометрических параметров, таких как: эксцентриситет, диаметр и длина эксцентричного участка вала.

Однако, применение торсионных валов и торсиорессор с эксцентриковыми головками сдерживается в связи с отсутствием теоретических и экспериментальных исследований по целому ряду вопросов, связанных с оценкой работоспособности, нагрузочных характеристик и металлоемкости при малых величинах эксцентриситета, с назначением допусков и посадок на базовые, эксцентричные элементы и их взаимное расположение, с вопросами базирования элементов эксцентрикового соединения при их изготовлении и сборке.

Учитывая, что упругие элементы типа торсионов и торсиорессор являются, как правило, наиболее нагруженными элементами, определяющими надежность и долговечность системы в целом [16], необходимо учитывать процессы упрочнения этих ответственных деталей и требования, предъявляемые в связи с этим к их конструктивным формам.

Для изготовления торсионных валов и торсиорессор рекомендуются в основном стали 45ХНМФА, 45ХН2МФА и реже другие легированные пружинные стали [5, 27], а уровень расчетных напряжений в условиях ограниченной долговечности доводят до 800 - 1200 МПа. Причем повышение допустимых напряжений в торсионных валах один из наиболее эффективных путей повышения качества и работоспособности подвески и других ме-

ханизмов с упругими элементами в виде торсионов. Для решения этой задачи разработан большой круг технологических методов формирования требуемых эксплуатационных характеристик торсионных валов и торсиорес-сор.

Традиционная термическая обработка (закалка и отпуск) для торсионов применяется в сочетании с заневоливанием - для повышения упругих характеристик и с поверхностным пластическим деформированием - для обеспечения высокого уровня усталостной долговечности. Кроме того для повышения указанных эксплуатационных характеристик может успешно использоваться и деформационное старение мартенсита [23, 38, 39].

Более эффективное воздействие на структуру и свойства конструкционных сталей оказывает высокотемпературная термомеханическая обработка (ВТМО), базирующаяся на сочетании в едином цикле процессов горячей обработки металлов давлением и последующей закалки. Это показано результатами многочисленных экспериментов по реализации различных схем ВТМО для различных материалов и конструктивных форм деталей [44, 45].

Реализация процесса ВТМО возможна с различными схемами деформирования: кручением, ковкой, штамповкой и винтовым обжатием [23, 25, 42, 43, 45]. Поскольку торсионные валы работают на кручение, поэтому ВТМО проводят с деформацией кручением с целью создания ориентированного характера упрочнения [25,42].

Результаты стандартных испытаний материала заготовок малых сечений фиксируют повышение прочности после ВТМО деформацией кручением по сравнению с обычной термической обработкой на 10-20% при одинаковом или несколько большем уровне пластичности. Если же ВТМО проводить в заготовках больших сечений, то характеристики пластичности повышаются на 10-20%, а прочность может не увеличиваться [25].

Более широкие технологические возможности (направленное упрочнение и формообразование) имеет разработанный в Ижевском механиче-