Планетарная колесная передача ведущего моста транспортного средства

(12) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ ПЛАНЕТАРНАЯ КОЛЕСНАЯ ПЕРЕДАЧА ВЕДУЩЕГО МОСТА ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА(71) Заявитель Производственное республиканское унитарное предприятие Минский автомобильный завод(72) Авторы Ракомсин Александр Петрович Гурченко Павел Семенович Михлюк Анатолий Игнатьевич(73) Патентообладатель Производственное республиканское унитарное предприятие Минский автомобильный завод(57) Планетарная колесная передача ведущего моста транспортного средства, содержащая цилиндрические зубчатые ведомую и ведущую шестерни и сателлит, ведомая шестерня имеет внутреннее зацепление, а ведущая шестерня и сателлиты - внешнее зацепление, при этом ведущая шестерня находится в зацеплении с сателлитами, а сателлиты находятся в зацеплении с ведомой шестерней, отличающаяся тем, что для ведущей шестерни и сателлитов применена углеродистая сталь с пониженной прокаливаемостью с содержанием углерода 0,57-0,63 , при этом шестерни имеют поверхностно упрочненный слой по всему контуру детали твердостью 59-63 , а на глубине 1,0-1,5 мм твердость составляет не менее 50 , твердость сердцевины зуба на расстоянии 2/3 от вершины зуба составляет 32-45 , для ведомой шестерни применена конструкционная легированная сталь с содержанием углерода 0,36-0,44 , причем ведомая шестерня имеет поверхностно упрочненный слой глубиной 1,0-2,5 мм с твердостью поверхности не менее 55 , который расположен только по боковой поверхности и впадине зубчатой поверхности, находящейся в зоне контакта с зубчатой поверхностью сателлита, а твердость зубчатой поверхности,которая не находится в зацеплении с сателлитами, составляет 22-30 .(56) 1. Патент на изобретение РФ 2239740. Дифференциал заднего моста наземного транспортного средства // ОБ РБ от 10.11.2004. 2. Гуляев А.П. Термическая обработка стали. - М. Машгиз, 1960. - 496 с. 3. Лефаров А.Х. Дифференциалы автомобилей и тягачей. - М. Машиностроение, 1972. 147 с. 4. Высоцкий М.С., Гилелес Л.Х., Херсонский С.Г. Грузовые автомобили. - М. Машиностроение, 1995. - 256 с. (прототип). Полезная модель относится к машиностроению, а именно к автомобилестроению, и может быть использована в ведущих мостах транспортных средств. Известен дифференциал заднего моста наземного транспортного средства, содержащий сателлиты, полуосевые и ведомую шестерни, в котором все или хотя бы одна деталь изготовлены из стали пониженной прокаливаемости с содержанием углерода в пределах 0,4-0,85 , при этом выполнены с поверхностно закаленным слоем, расположенным по всему контуру каждой детали либо только на их рабочих поверхностях с твердостью более 56 , шлицы центрального отверстия полуосевых конических шестерен выполнены с твердостью 52-56 , сердцевина деталей имеет твердость 30-47 , а глубина закаленного слоя составляет от 0,12 до 0,4 идеального критического диаметра для данной марки стали 1. Известный дифференциал имеет ряд недостатков. Для изготовления деталей или хотя бы одной из них применяется несколько марок сталей пониженной прокаливаемости с разным содержанием углерода, каждая из которых имеет различную твердость упрочненной поверхности. Это требует разных режимов термообработки и приводит к усложнению технологии изготовления и увеличению стоимости. Кроме того, применение сталей пониженной прокаливаемости для изготовления деталей в известном устройстве оправдано для деталей, имеющих незначительные перемещения относительно друг друга, например сателлитов, полуосевых шестерен и корпусных деталей,в процессе работы дифференциала. Известно, что чем выше содержание углерода в стали,тем больше деформация и коробление деталей 2. Поэтому при термообработке шестерен, изготовленных из стали с пониженной прокаливаемостью с содержанием углерода 0,55-0,85 , в результате воздействия высокой температуры неизбежны деформация и коробление. Работоспособность дифференциала заднего моста в большей степени зависит от равномерного распределения нагрузки между сателлитами, а также точного расположения их под углом 90, и от точности изготовления зубчатых поверхностей как сателлитов, так и полуосевых шестерен 3. Во время движения транспортного средства при поворотах или при пробуксовке одного из колес и других случаях взаимного перемещения деталей дифференциала из стали пониженной прокаливаемости и имеющих коробление рабочих поверхностей неизбежен повышенный шум при работе и неравномерное распределение нагрузки между сателлитами, это снижает работоспособность узла в целом. Также это относится к ведомой шестерне дифференциала, которая при работе находится в постоянном вращении и зацеплении и для которой надежность и низкий шум при работе в значительной степени зависят от ее геометрической точности. Поэтому известный дифференциал в процессе работы имеет повышенный шум ведомой шестерни, а также недостаточную надежность сателлитов и полуосевых шестерен при их взаимном зацеплении. 2 37212007.08.30 Наиболее близкой к заявляемой полезной модели является планетарная колесная передача заднего моста автомобиля МАЗ, содержащая цилиндрические зубчатые ведомую и ведущую шестерни и сателлит, ведомая шестерня имеет внутреннее зацепление, а ведущая и сателлиты - внешнее зацепление. Ведущая шестерня находится в зацеплении с сателлитами, а сателлиты находятся в зацеплении с ведомой шестерней. При этом шестерни изготовлены из специальных легированных сталей (20 ХН 3 А и 18 ХГТ) и подвергаются химико-термической обработке, т.е. цементации на глубину 1,2-1,5 мм с твердостью поверхности не менее 584. Однако известная планетарная колесная передача заднего моста имеет следующие недостатки. Недостаточная долговечность и износостойкость зубчатой поверхности ведущей шестерни и сателлитов, которые подвергаются окончательной шлифовке. В результате повышается точность, но с поверхности шестерен удаляется наиболее эффективный упрочненный слой, имеющий высокую твердость и износостойкость. Повышенный шум при эксплуатации планетарной передачи заключается в том, что в ведомой шестерне, имея тонкие сечения стенок, в процессе проведения операции химикотермической обработки (цементации) с последующей закалкой происходит деформация и коробление. Кроме того, при передаче крутящего момента от сателлитов на ведомую шестерню возникают значительные циклические динамические нагрузки, что приводит к снижению долговечности планетарной передачи. Также недостатком является высокая стоимость изготовления шестерен планетарной передачи, заключающаяся в том, что операция химико-термической обработки является длительным и энергоемким процессом. Задачей является создание планетарной колесной передачи ведущего моста транспортного средства, обладающей высокой долговечностью при одновременном снижении уровня шума и стоимости изготовления. Поставленная задача достигается тем, что в планетарной колесной передаче ведущего моста транспортного средства, содержащей цилиндрические зубчатые ведущую и ведомую шестерни, сателлиты, ведомая шестерня имеет внутреннее зацепление, а ведущая шестерня и сателлиты - внешнее зацепление, при этом ведущая шестерня находится в зацеплении с сателлитами, а сателлиты находятся в зацеплении с ведомой шестерней, для ведущей шестерни и сателлитов применена углеродистая сталь с пониженной прокаливаемостью с содержанием углерода 0,57-0,63 , при этом шестерни имеют поверхностно упрочненный слой по всему контуру детали твердостью 59-63 , а на глубине 1,0-1,5 мм твердость составляет не менее 50 , твердость сердцевины зуба на расстоянии 2/3 от вершины зуба имеет 32-45 , для ведомой шестерни применена конструкционная легированная сталь с содержанием углерода 0,36-0,44 , причем ведомая шестерня имеет поверхностно упрочненный слой глубиной 1,0-2,5 мм с твердостью поверхности не менее 55 , который расположен только по боковой поверхности и впадине зубчатой поверхности, находящейся в зоне контакта с зубчатой поверхностью сателлита, а твердость зубчатой поверхности, которая не находится в зацеплении с сателлитами, составляет 22-30 . Применение для ведомой шестерни углеродистой стали с пониженной прокаливаемостью с поверхностно упрочненным слоем только по боковой поверхности и впадине зубчатой поверхности и расположенным в месте контакта с зубчатой поверхностью сопрягаемой детали-сателлита на глубину 1,0-2,5 мм и с твердостью не менее 55 позволит избежать деформации и коробления детали при термообработке. Это позволит повысить ее точность, снизить шум при эксплуатации и повысить надежность и долговечность. При передаче крутящего момента в планетарном механизме ведомое зубчатое колесо является наименее нагруженным звеном. В зацеплении постоянно находится столько 3 37212007.08.30 зубьев на ведомом колесе, сколько сателлитов в механизме. Например, при количестве сателлитов 4 передающий крутящий момент распределяется на 4 зуба, и чем выше точность изготовления, тем равномернее распределяется нагрузка по этим зубьям. Поэтому снижение глубины упрочненного слоя до 1,0-2,5 мм, выполнение его только по боковой поверхности и впадине зуба и расположение в зоне контакта с сопрягаемой деталью позволяет при исключении коробления обеспечить необходимую надежность и долговечность. Применение для ведущей шестерни и сателлитов углеродистых сталей пониженной прокаливаемости, а для ведомой шестерни конструкционной легированной стали позволяет снизить стоимость планетарной колесной передачи. Глубина упрочненного слоя на вершине зуба и боковой зубчатой поверхности составляет 4,0-4,5 мм, а на впадине - 2,0-2,8 мм, это позволяет, после выполнения операции окончательной шлифовки, сохранить на поверхности шестерен достаточную толщину эффективного упрочненного слоя, необходимого для обеспечения высокой долговечности. Применение для изготовления шестерен планетарной колесной передачи ведущего моста транспортного средства заявляемых материалов и видов термообработки позволяет получить значительный эффект по точности изготовления и по снижению шума при эксплуатации и стоимости изготовления. Сущность полезной модели поясняется чертежами. На фиг. 1 показан общий вид планетарной колесной передачи ведущего моста транспортного средства. На фиг. 2 - поперечный макрошлиф сателлита, выполненного из стали 60 ПП с закалкой ТВЧ. На фиг. 3 - поперечный макрошлиф зубчатой поверхности ведомой шестерни из стали 40 Х с закалкой ТВЧ. На фиг. 4 - продольный макрошлиф на 1/2 высоты зуба ведомой шестерни по всей длине зубчатой поверхности. На фиг. 5 представлен график распределения твердости по глубине деталей для разных марок стали и способов обработки. Планетарная колесная передача ведущего моста транспортного средства содержит цилиндрическую зубчатую ведущую шестерню 1 с внешним зацеплением и имеющую внутреннюю шлицевую поверхность, сателлиты 2, количество которых четыре или пять, которые имеют наружную цилиндрическую зубчатую поверхность, ведомую шестерню 3, имеющую внутреннюю зубчатую поверхность, и ступицу 4, имеющую наружную зубчатую поверхность. Ведущая шестерня 1 находится в зацеплении с ведомой шестерней 3 (фиг. 1). Работа планетарной колесной передачи ведущего моста транспортного средства осуществляется следующим образом крутящий момент передается на сателлиты 2 от полуоси(на фиг. 1 не показана), находящейся в зацеплении с внутренней шлицевой поверхностью шестерни 1, сателлиты обкатываются вокруг ведомой шестерни 3, находящейся в статическом положении, обеспечиваемом зацеплением со ступицей 4. Для проведения сравнительных испытаний были изготовлены макрошлифы зубчатой поверхности сателлита и ведомой шестерни, на которых показана зона упрочнения и ее расположение. На макрошлифе сателлита колесной передачи (фиг. 2) предлагаемой конструкции, изготовленной из стали 60 ПП и упрочненной объемно-поверхностной закалкой, видна зона упрочнения по зубчатой поверхности и по внутреннему диаметру, глубина которой в 2-2,6 раза больше, чем при химико-термической обработке. Это позволяет сохранить достаточную глубину упрочненного слоя после операции окончательной шлифовки поверхностей А и Б. 4 37212007.08.30 На поперечном макрошлифе зубчатой поверхности ведомой шестерни, изготовленной из стали 40 Х (фиг. 3), упрочненной закалкой ТВЧ, видна зона закалки ТВЧ, расположенная только по боковой поверхности В и впадине зубчатой поверхности Г. Вершина зубчатой поверхности Д закалке не подвергается. На продольном макрошлифе (фиг. 4) зубчатой поверхности ведомой шестерни, изготовленном из стали 40 Х, видно, что по 1/2 высоты зуба ведомой шестерни по всей длине зубчатой поверхности видно, что зона закалки ТВЧ располагается по длинетолько в зоне контакта с сопрягаемой деталью - сателлитом. Это позволяет обеспечить надежность и долговечность детали, исключив коробление. На фиг. 5 представлен график распределения твердости по глубине упрочненного слоя для деталей планетарной колесной передачи предлагаемой полезной модели в сравнении с деталями планетарной колесной передачи, прошедшими химико-термическую обработку. При объемно-поверхностной закалке (кривая 1), по сравнению с цементацией (кривая 2),достигается большая твердость поверхности и более высокая твердость основного металла. Это обеспечивает для более нагруженных элементов планетарной передачи ведущего моста (ведущая шестерня и сателлит) более высокую долговечность. Для менее нагруженной детали планетарной передачи ведущего моста - ведомой шестерни (кривая 3) - достигнута высокая твердость поверхности при малой глубине и низкой твердости основного металла. Это обеспечивает высокую долговечность и исключает коробление. Для проведения сравнительных испытаний были изготовлены ведущие мосты автомобиля МАЗ, включающие планетарную колесную передачу предлагаемой полезной модели,содержащей ведущую шестерню и сателлиты, выполненные из стали с пониженной прокаливаемостью с содержанием углерода 0,4-0,85 , упрочненные объемно-поверхностной закалкой, ведомые шестерни колесной передачи, выполненные из конструкционной легированной стали с содержанием углерода 0,36-0,44 , упрочненные контурной закалкой с нагревом ТВЧ. Испытания на статическую прочность шестерен планетарной колесной передачи ведущего моста проводили на разрывной машине модели -100 усилием 100 т. Для испытаний были выбраны две шестерни сателлита автомобиля МАЗ из стали 60 ПП,упрочненных объемно-поверхностной закалкой. Статическую нагрузку прикладывали сверху до момента разрушения зубьев и фиксировали на приборе машины. В результате испытаний разрушение образцов из стали 60 ПП наступает при нагрузке 430-480 кН. На образцах, вырезанных из зубьев сателлитов, колесной передачи были проведены испытания на ударный изгиб на маятниковом копре КМ-30 с максимальной энергией удара 300 Дж. Испытания проводили при температурах 20 С, -20 С, -75 С. Установлено,что при всех температурах зубья сателлитов из стали 60 ПП, упрочненных объемноповерхностной закалкой, разрушаются при нагрузках на 15-20 больших, чем зубья из стали 20 ХН 3 А, прошедшие химико-термическую обработку. Сравнительные испытания образцов вышеперечисленных шестерен на износ в режиме сухого трения-скольжения на машине трения (трибометре) МТВП-9 показали, что износостойкость цементованной и закаленной стали 20 ХН 3 А и сталей 60 ПП после объемноповерхностной закалки не имеет различий. В таблице представлены результаты измерений ведомая шестерня автомобиля МАЗ,допуски на колебание измерительного межосевого расстояния от зуба к зубуи за оборотв зацеплении с точным эталонным колесом до и после упрочнения по традиционной технологии (цементация, сталь 18 ХГТ) и предлагаемой для стали 40 Х с закалкой ТВЧ. где- допуск на колебание измерительного межосевого расстояния от зуба к зубу в зацеплении с эталонным колесом- допуск на колебание измерительного межосевого расстояния за оборот в зацеплении с эталонным колесом. Таким образом, стендовые сравнительные испытания шестерен предложенной конструкции планетарной колесной передачи ведущего моста транспортного средства показали,что создана конструкция, обладающая повышенной статической прочностью и долговечностью на 10-15 и повышенной на 15-20 ударной вязкостью по сравнению с известной, а также уменьшен уровень шума автомобиля. В настоящее время пробег автомобилей с опытными мостами превышает 300 тыс. км, и они находятся в работоспособном состоянии, и их эксплуатация продолжается. Фиг. 5 Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.