Картер распределительных шестерен является корпусной деталью, с помощью которой смонтированы шестерни привода механизмов и агрегатов двигателя, поэтому он испытывает статические нагрузки при изменениях крутящего момента, передаваемого от двигателя.

Так как картер залит маслом, то среда, в которой находится картер распределительных шестерен, — не агрессивная. Температура при перегрузках может достигать значение до 100°С[5].

Длительная работоспособность трактора зависит от надежности и долговечности деталей и узлов. Надежность работы деталей во многом определяется сопротивлением материала распространению трещин, то есть его вязкостью разрушения. Это значит, что основное требование, предъявляемое к детали при эксплуатации — высокое сопротивление нагрузкам (статическим), чтобы не появились микротрещины, вырывы. Картер распределительных шестерен должен иметь статическую и усталостную прочность.

Прочность детали, и особенно усталостная, в значительной степени зависит от состояния поверхности и наличия в ней концентраторов напряжений. Надежность — свойство детали сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения.

Долговечность — свойство детали сохранять работоспособность до предельного состояния (невозможности ее дальнейшей эксплуатации). Долговечность зависит от усталости, износа, коррозии детали[2].

Следовательно, существует комплекс прочностных и других параметров, которые находятся в наибольшей зависимости с эксплуатационными свойствами картера распределительных шестерен. К таким свойствам, повышающим предел выносливости, сопротивление контактной усталости, сопротивление износу, коррозии. К наиболее важным технологическим свойствам чугунных картеров относятся герметичность картера, износостойкость, работоспособность. Они определяют поведение чугуна при работе картера под давлением валов и шестерен[2,6].

Сопряженные поверхности картера с другими деталями должны иметь высокую износостойкость, минимальный коэффициент трения. Кроме того, картер распределительных шестерен должен иметь низкую себестоимость, а это связано с технологическими свойствами — литейные свойства и обрабатываемость резанием[7].

Износ, который определяет долговечность детали, представляет собой процесс удаления материала в результате многократного нарушения фрикционных связей, и поэтому, как правило, носит усталостный характер, особенно для деталей, находящихся в соприкосновении друг с другом. Эти разрушения происходят, несмотря на статические давления[6].

Износостойкость является одной из важнейших характеристик чугуна. При трении наряду с упругими деформациями происходят пластические и разрушаемые деформации — смятие и срез, а иногда и вырывание частиц. При трении подшипников о поверхность вала соприкасающиеся точки проходят серийно повторяющийся цикл, что вызывает контактную усталость и соответствующий износ.

Картер распределительных шестерен имеет износ при трении со смазкой (нижняя часть картера). Большое значение для износостойкости при трении со смазкой имеют количество, форма и расположение графита в структуре. Наилучшими формами являются среднепластинчатая, компактная и шаровидная. С размельчением графита износ увеличивается. Очень мелкие шаровидные включения уступают по своему влиянию на износостойкость среднему по величине пластинчатому графиту в сером чугуне.

При статическом нагружении чугун испытывает упругие деформации матрицы и обратимые деформации полостей, занятых графитом, причем интенсивность этих деформаций возрастает с увеличением нагрузки. Кроме упругих деформаций происходят остаточные деформации, которые обязаны своим происхождением пластичной матрице и полости графита. Эта деформация особенно резко проявляется на поверхности образцов, где она приводит к образованию трещин. Серый чугун имеет вязкий излом, происходящий по зернам (темный излом) и хрупкий. Но чаще комбинированный (частично вязкий, частично хрупкий).

Характерным дефектом картера распределительных шестерен являются трещины, обломы, срывы резьб в резьбовых отверстиях и износ посадочных поверхностей в отверстиях под подшипники. Иногда наблюдаются случаи износа поверхности картера торцом блока шестерен заднего хода[6].

Очаг разрушений обычно возникает вблизи поверхности, которая как наиболее нагруженная часть детали претерпевает микродеформацию, я затем образуется микротрещина. В чугунах включения графита, сульфида, фосфата не разрушаются, а служат препятствием для дальнейшего распространения трещины, выполняя функцию ингибирования, и требуют дополнительной энергии для своего разрушения или вырывания. Форма графита и его распределение в чугуне определяют отличие в поведении чугуна от стали при разрушении[8].

Самый большой износ картера шестерен — это деформация поверхностей. Несоосность осей посадочных отверстий подшипников в картере можно объяснить деформацией картера, происходящей вследствие действия реакций в опорах, возникающих при передаче окружных усилий шестернями.

1.2 Обоснование выбора материала для изготовления детали

Отливка картера шестерен двигателя СМД-14Б получается методом литья в земляную форму. Для получения качественной отливки необходимо применять материал с высокими литейными свойствами. Кроме того, материал отливки должен необходимые эксплуатационные требования. Для картера шестерен, испытывающего при работе статические нагрузки, наиболее подходящим является серый чугун.

Серый ферритный чугун СЧ 15 применяется в двигателе СМД-14Б,

СЧ 18 в двигателе СМД-60 и СЧ 20 в двигателе трактора ТТ-4[9].

За рубежом в тракторостроении применяется серый чугун G 20 (США)[7].

При выборе оптимальной марки чугуна необходимо исходить из требований, которым должен удовлетворять серый чугун: достаточная механическая прочность, способная противостоять статическим нагрузкам; хорошие литейные свойства, позволяющие получить отливку сложной формы; хорошая обрабатываемость резанием, допускающая механическую обработку на автоматических линиях в массовом производстве; невысокая стоимость чугуна и входящих в него компонентов. В соответствии с перечисленными требованиями необходимо при выборе оптимального чугуна провести сравнительный анализ СЧ 15, СЧ 18, СЧ 20 и G 20 по химическому составу, механическим и технологическим свойствам.

В таблице 1.1 показан химический состав серых чугунов, применяемых для изготовления картера шестерен[10].

Серые чугуны являются сплавами сложного состава, содержащими Fe, C, Si, Mn и небольшие примеси серы и фосфора.

В небольших количествах в серые чугуны могут попасть из руды Cr, Ni, и Cu. Так в СЧ 15 на ХТЗ находится 0,058% Cr, в СЧ 15 отлитом на ЛТЗ – 0,17% Cr и 0,2% Ni[7].

Таблица 1 – Химический состав рекомендуемых серых чугунов для изготовления картера шестерен