Válcované díly z práškové metalurgie mohou zvýšit komfort elektromobilů

Přes stále v průmyslu dominující výrobky z tavné metalurgie je v budoucnu očekáván stále větší význam právě práškové metalurgie. Jedním z důvodů je potenciál ve výrobě evolventních ozubení se šikmými zuby pomocí speciálních slinovacích lisů, které umožňují eliminovat nákladné měkké obrábění. V současnosti se tato technologie používá spíše v oblastech ozubených kol pro řízení nebo pro řetězové převody. Tedy v oblastech s obecně nižším zatížením a nižšími krouticími momenty.

Výrobky práškové metalurgie mají po slinutí (sintrování) zásadní nevýhodu – zbytkovou pórovitost, která omezuje únosnost na povrchu a další užitné vlastnosti. Výsledky studie vlivu pórovitosti na mechanické vlastnosti materiálu znázorňuje obrázek 2.

Obr. 2: Vliv porozity materiálu na mechanické vlastnosti, zdroj: Höganas Handbook for sintered components

 

Komponenty převodovek z práškové metalurgie 

Mechanické vlastnosti ozubených kol a zejména odolnost vůči opotřebení mohou být významně zlepšeny zhutňovacím válcováním. To obnáší stlačení povrchové vrstvy obrobku pomocí dvou protichůdných tvářecích válců po přesně definované křivce.  Z výchozí hustoty přibližně 6,9–7,4 g/cm³ po slinutí lze pomocí válcování povrchovou vrstvu zhutnit až na hustotu 7,985 g/cm, tedy na hodnotu srovnatelnou s ocelí tavné metalurgie. V praxi je válcováním možné dosáhnout tloušťky takto zhutněné vrstvy až 0,5 mm v závislosti na geometrii ozubení, jak ilustruje obrázek 4. Takto zhutnit lze nejen profil zubu, ale dle potřeby také prostor v patě a hlavě zubu.

Obr. 3: Ozubené kolo z práškové metalurgie po zhutnění válcováním, zdroj: Profiroll Technologies

 

V rámci řady projektů ve spolupráci s výzkumnými odděleními jak univerzit, tak výrobců komponent pro automobilový průmysl, proběhly a probíhají testy a vyhodnocení životnosti, které ukazují srovnatelnou nebo jen mírně sníženou životnost ve srovnání s konvenční ocelí. Zcela zásadní rozdíly ale ukazují NVH analýzy (noise-vibration-harshness) v tlumicích schopnostech slinutých kol. Ty jsou způsobeny póry, které zůstaly zachované v jádru takto vyrobených komponent.

Obr. 4: Relativní hustota v závislosti na hloubce vrstvy ve srovnání s konvenční ocelí, zdroj: Werner, M.: Kontaktzoneneinflüsse beim Verdichten von Sinterwerkstoffen durch Querwalzen und deren Umsetzung in der FEM-Simulation; Diplomarbeit; Chemnitz; 2012

 

Průlom díky elektromobilitě

Absence hluku spalovacího motoru v dopravním prostředku zásadně mění vnímání hluku posádkou. Pokud je motor vypnutý (hybrid) nebo zcela vynechán, je za nízkých rychlostí převodovka společně s odvalujícími se pneumatikami nejhlučnější část automobilu. Navzdory použití elektromotoru pro pohon dopravního prostředku, není možné převodovku v automobilu zcela vynechat. Tyto převodovky mají ale zpravidla pouze jeden nebo dva stupně pro jízdu vpřed.

Tyto nové požadavky na tlumicí schopnost komponentů převodovek a celkovou hlučnost při provozu mohou být splněny právě použitím ozubených kol z práškové metalurgie, které budou před tepelným zpracováním zhutněny. Toto zhutnění zajistí požadovanou únavovou pevnost a odolnost proti opotřebení, srovnatelnou s konvenční ocelí.

Obr. 5: Póry v práškové oceli, porozita přibližně 94 %, zdroj: Abschlusskolloquium BMBF-Projekt: PM-Zahnräder; Aachen; 2010

 

Cílem dalšího vývoje je nalezení optima mezi tlumicí schopností při zachování dostatečných mechanických vlastností materiálu. K tomu lze pro praktické aplikace již v současnosti použít vyvinutý simulační program. Vzhledem k úsporám, které přináší použití prášková metalurgie, tak rozšíření této technologie i na klíčové komponenty převodovek již nic nebrání.

Obr. 6: Simulace procesu zhutňovacího válcování, zdroj: Werner, M.: Kontaktzoneneinflüsse beim Verdichten von Sinterwerkstoffen durch Querwalzen und deren Umsetzung in der FEM-Simulation; Diplomarbeit; Chemnitz; 2012