Разработка технологического процесса восстановления вилки включения заднего хода 24-1702092-10 КПП автомобилей ГАЗ: Расчетно-экономическое обоснование

Введение: Цель, задачи и объект исследования

Актуальность проблемы поддержания работоспособности автотранспортных средств в условиях интенсивной эксплуатации напрямую связана с надежностью и долговечностью их агрегатов, в частности, коробки переключения передач (КПП). В процессе эксплуатации КПП одной из наиболее подверженных износу деталей является вилка включения передачи, отвечающая за кинематическое перемещение муфты. Ремонт и восстановление таких деталей, в отличие от их замены на новые, представляют собой экономически целесообразный и ресурсосберегающий подход в технологии технического обслуживания и ремонта (ТОиР), что критически важно для снижения операционных расходов автопарков.

Целью данного проекта является разработка исчерпывающего, технологически обоснованного и экономически эффективного процесса восстановления вилки включения заднего хода 24-1702092-10, применяемой в КПП автомобилей семейства ГАЗ-24/2410.

Для достижения поставленной цели необходимо решить ряд задач, включая:

1. Проведение технического анализа детали и установление критических критериев ее дефектации.
2. Выбор оптимального маршрута восстановления изношенных поверхностей.
3. Подбор и обоснование необходимого технологического оборудования и оснащения.
4. Выполнение точных инженерных расчетов режимов механической обработки и нормативов времени.
5. Экономическое обоснование внедрения разработанного технологического процесса.

Объектом исследования выступает вилка включения заднего хода с каталожным номером 24-1702092-10, а предметом — технологический процесс ее восстановления.

Технический анализ детали и классификация дефектов

Назначение, материал и рабочие поверхности детали

Вилка включения заднего хода 24-1702092-10 является ключевым элементом механизма переключения передач и предназначена для осевого перемещения синхронизатора (или непосредственно муфты включения) по шлицам вторичного вала, обеспечивая ввод заднего хода. Ее исправность критически важна для четкости и надежности работы трансмиссии, а малейшее нарушение геометрии приводит к сложностям в эксплуатации.

Материал и термообработка. Согласно технической документации для КПП автомобилей ГАЗ, вилки переключения изготавливаются из конструкционных среднеуглеродистых сталей, чаще всего Стали 45 или 40Х. Для придания высокой износостойкости рабочие поверхности детали подвергаются улучшению (закалка с высоким отпуском), а наиболее нагруженные участки (торцевые поверхности паза) могут быть дополнительно упрочнены методом ТВЧ (термообработка токами высокой частоты). Требуемая твердость рабочих зон находится в диапазоне 40–50 HRC. Этот уровень твердости обеспечивает необходимую стойкость к абразивному износу и контактным нагрузкам, возникающим при переключении передач.

Дефектация и критические критерии износа

В процессе эксплуатации вилка подвергается интенсивному износу в двух основных зонах:

1. Износ торцевых поверхностей паза вилки, которые контактируют с муфтой включения. Этот износ является следствием трения и ударных нагрузок при несинхронном включении передачи.
2. Износ отверстия под шток (ось), который приводит к увеличению зазора между вилкой и штоком, нарушая точность центровки вилки и кинематику переключения.

Критические критерии дефектации (согласно ТУ):

Характеристика	Номинальный размер	Предельно допустимый размер	Критерий списания/ремонта	Метод контроля
Ширина паза вилки	14,5 мм	15,5 мм	Износ 1,0 мм (0,5 мм на сторону)	Штангенциркуль, концевые меры
Диаметр отверстия под шток	18,0 мм	18,30 мм	Износ 0,3 мм (увеличение зазора)	Нутромер, калибр-пробка

Превышение предельно допустимой ширины паза (15,5 мм) приводит к тому, что муфта не доходит до конечного положения, вызывая неполное включение передачи или, что еще опаснее, ее самопроизвольное выбивание под нагрузкой. Предельный износ отверстия (18,30 мм) нарушает соосность вилки, вызывая перекос и заклинивание. Именно поэтому восстановление номинальных размеров гарантирует безопасность эксплуатации транспортного средства и продлевает срок службы КПП.

Контроль дефектов осуществляется с применением высокоточных измерительных инструментов. Ширина паза проверяется микрометром или штангенциркулем с точностью 0,05 мм, а диаметр отверстия — с помощью нутромера или специального калибра-пробки «проход-непроход».

Разработка оптимального маршрута технологического процесса ремонта

Выбор метода восстановления детали должен быть обусловлен двумя ключевыми факторами: обеспечением требуемой долговечности и минимизацией затрат. Для детали, изготовленной из Стали 45/40Х, с учетом характера износа (поверхностный износ трением), наиболее оптимальным является метод восстановления металла с последующей механической обработкой.

Выбор метода восстановления изношенных поверхностей

Для восстановления изношенных торцевых поверхностей паза вилки, где требуются высокие показатели твердости и износостойкости, наиболее целесообразно применение полуавтоматической наплавки (сварки) в среде защитных газов (СГ), например, углекислого газа (CO₂).

Обоснование выбора: Наплавка обеспечивает высокую скорость осаждения металла и низкую себестоимость процесса по сравнению с гальваническими методами (хромирование). Кроме того, при использовании подходящих наплавочных материалов можно добиться твердости, превышающей исходную твердость основного металла, что повышает ресурс детали.

В качестве наплавочного материала рекомендуется использовать проволоку Св-08Г2С (стандартный, высокоэффективный материал для наплавки конструкционных сталей) или, для повышения износостойкости, легированную проволоку (например, аналоги SG 2606), способную обеспечить твердость наплавленного слоя в диапазоне 40–55 HRC после финишной механической обработки.

Для восстановления отверстия под шток (при износе до 0,3 мм) экономически выгодным является развертывание отверстия до ближайшего ремонтного размера (например, 18,5 мм или 19,0 мм) с последующей установкой ремонтного штока или изготовлением втулки. Однако, если износ превышает установленный ремонтный размер, отверстие полностью заваривают (наплавляют) с последующим растачиванием и развертыванием до номинального или первого ремонтного размера.

Оптимальный маршрут технологического процесса:

1. Дефектация и очистка: Проверка размеров, определение годности к ремонту. Пескоструйная или химическая очистка от загрязнений.
2. Подготовительные работы: Зачистка и подготовка зоны наплавки (снятие фасок, обезжиривание).
3. Восстановление изношенных поверхностей: Полуавтоматическая наплавка торцевых поверхностей паза.
4. Термическая обработка (по необходимости): Локальная нормализация или отпуск для снятия внутренних напряжений после сварки.
5. Финишная механическая обработка: Фрезерование паза, расточка/развертывание отверстия.
6. Контроль: Финальный контроль геометрических параметров и твердости.

Технологические операции восстановления и черновая обработка

Ключевой операцией является наплавка паза.

Операция 3: Наплавка паза

• Сущность: Нанесение слоя металла на изношенные торцевые поверхности паза вилки с целью получения припуска для последующей механической обработки.
• Параметры: Наплавка производится с обеих сторон паза. Толщина наплавленного слоя должна составлять $\approx 2,0 \text{–} 3,0$ мм на каждую сторону, чтобы гарантировать полное удаление дефектного слоя и получение номинального размера после фрезерования.
• Режим наплавки (примерный): Сварочный ток $I \approx 120 \text{–} 180 \text{ А}$, напряжение $U \approx 18 \text{–} 22 \text{ В}$, скорость подачи проволоки (в зависимости от диаметра, обычно $\text{0,8–1,2 мм}$).

Операция 5.1: Черновое и чистовое фрезерование паза

После наплавки деталь передается на вертикально-фрезерный станок для восстановления точной геометрии паза.

• Цель: Восстановление номинальной ширины паза 14,5 мм с требуемыми допусками.
• Процесс: Сначала производится черновой проход для удаления основного припуска (например, до размера 14,3 мм), а затем чистовой проход для доведения размера до требуемого (14,5 мм). Припуск на чистовую обработку составляет $0,1 \text{–} 0,2$ мм на сторону.

Технологическое оснащение и планировка участка

Эффективность технологического процесса ремонта напрямую зависит от правильно подобранного оборудования и специализированного оснащения, обеспечивающего точность обработки и безопасность работы. Какие инвестиции требуются для того, чтобы гарантировать качество восстановленной детали?

Выбор и обоснование оборудования для ремонта

Для реализации разработанного техпроцесса необходим следующий минимальный комплект оборудования:

Тип операции	Оборудование (Модель)	Обоснование применения
Наплавка	Полуавтомат сварочный ПДГ-315 (или ВДУ-506)	Обеспечивает стабильное горение дуги и высокую производительность при работе с проволокой Св-08Г2С в среде CO₂.
Фрезерование паза	Вертикально-фрезерный станок 6Т12 (или ВМ127М)	Универсальный станок с высокой жесткостью, необходимый для точного фрезерования наплавленного высокотвердого металла.
Расточка/Развертывание	Токарно-винторезный станок 1К62 (или 16К20)	Используется для точной расточки или развертывания отверстия под шток, обеспечивая необходимую соосность и цилиндричность.
Контроль	Поверочные плиты, измерительный инструмент	Обеспечение контроля геометрических параметров детали.

Разработка технологического оснащения

Для фрезерования паза на вилке критически важно обеспечить точное базирование детали относительно оси вращения шпинделя станка. Поскольку вилка имеет сложную форму и отверстие под шток, необходимо использовать специальное приспособление.

Приспособление (кондуктор) для фрезерования:
Кондуктор представляет собой быстросменный, установочный корпус, монтируемый на рабочем столе фрезерного станка (например, 6Т12). Базирование вилки осуществляется по двум основным базам:

1. Отверстие под шток (основная установочная база) — фиксация происходит с помощью точной оправки или пальца.
2. Плоскость прилегания к штоку (вспомогательная опорная база) — обеспечивает угловую ориентацию и жесткость.

Такое приспособление значительно сокращает вспомогательное время, повышает точность установки и обеспечивает многократную повторяемость размеров, что критически важно при серийном ремонте. Чертеж приспособления должен включать зажимное устройство (например, винтовой прижим) и установочные элементы с высокой точностью изготовления (H7/h6).

Расчет режимов резания и техническое нормирование операций

Для точного планирования технологического процесса и определения его себестоимости необходимо провести расчет оптимальных режимов резания для ключевых операций и нормировать штучное время. В качестве примера рассмотрим расчет режимов чистового фрезерования паза вилки.

Расчет режимов чистового фрезерования паза

Фрезерование наплавленного слоя (с твердостью $40 \text{–} 55 \text{ HRC}$) выполняется концевой фрезой из быстрорежущей стали (HSS) или твердосплавной фрезой. Для расчета используем данные из Базы Знаний, приняв за основу HSS-фрезу.

Исходные данные для расчета (принятые):

• Материал обработки: Сталь 45 (наплавленный слой).
• Диаметр фрезы ($D$): $12$ мм.
• Число зубьев фрезы ($z$): $4$.
• Рекомендуемая скорость резания ($V$) для HSS по стали: $30$ м/мин.
• Рекомендуемая подача на зуб ($S_{\text{z}}$): $0,04$ мм/зуб.

1. Расчет частоты вращения шпинделя ($n$):

Частота вращения шпинделя определяется по формуле, исходя из выбранной скорости резания:

n = (1000 * V) / (π * D) (об/мин)

Подставляем значения:

n = (1000 * 30) / (π * 12) ≈ 795,77 (об/мин)

На основании паспортных данных станка 6Т12 (или 6Р12), принимаем ближайшую стандартную частоту вращения шпинделя: $n = 750 \text{ об/мин}$.

2. Расчет минутной подачи ($S_{\text{м}}$):

Минутная подача определяется произведением подачи на зуб, числа зубьев и частоты вращения шпинделя:

Sм = Sz * z * n (мм/мин)

Подставляем значения:

Sм = 0,04 * 4 * 750 = 120 (мм/мин)

Принимаем минутную подачу: $S_{\text{м}} = 120 \text{ мм/мин}$.

Структура и расчет нормативов времени

Техническое нормирование позволяет определить трудоемкость операции, которая необходима для экономического расчета.

1. Расчет основного (машинного) времени ($t_{\text{о}}$):

Основное время — это время, в течение которого происходит непосредственный процесс резания. Для фрезерования паза:

tо = (L / Sм) * i (мин)

Где:

• $L$ — общая длина хода фрезы (длина паза + подходы/перебеги), например, $L \approx 40 \text{ мм}$.
• $S_{\text{м}}$ — минутная подача (120 мм/мин).
• $i$ — число проходов (например, $i=2$ — черновой и чистовой).

Пример расчета (для $L=40 \text{ мм}$ и $i=2$):

tо = (40 / 120) * 2 = 0,333 * 2 ≈ 0,67 (мин)

2. Расчет штучного времени ($t_{\text{шт}}$):

Штучное время включает основное время, а также вспомогательное время и время на обслуживание:

tшт = tо + tв + tорг + tотл (мин)

Где:

• $t_{\text{в}}$ (вспомогательное время): Время на установку/снятие детали, замеры, холостые ходы (принимается по нормативам, например, $t_{\text{в}} \approx 1,5$ мин).
• $t_{\text{орг}}$ (время обслуживания рабочего места): Время на смену инструмента, регулировку (принимается в % от $t_{\text{о}}$ и $t_{\text{в}}$, например, $5\%$).
• $t_{\text{отл}}$ (время на отдых и личные нужды): Принимается в % от оперативного времени ($t_{\text{о}} + t_{\text{в}}$), например, $4\%$.

Пример расчета штучного времени (только для фрезерования):

Оперативное время ($t_{\text{оп}}$): $t_{\text{оп}} = 0,67 + 1,5 = 2,17 \text{ мин}$.

$t_{\text{орг}} = 2,17 \cdot 0,05 \approx 0,11 \text{ мин}$.

$t_{\text{отл}} = 2,17 \cdot 0,04 \approx 0,09 \text{ мин}$.

tшт = 2,17 + 0,11 + 0,09 = 2,37 (мин)

Аналогичные расчеты проводятся для всех операций технологического процесса (наплавка, развертывание, контроль), и суммарное штучное время по всем операциям составит итоговую трудоемкость ремонта одной детали.

Экономическое обоснование внедрения технологического процесса

Экономическое обоснование демонстрирует целесообразность ремонта детали в сравнении с покупкой новой, исходя из годового объема работ и требуемой трудоемкости.

Расчет годового объема работ и трудоемкости

Расчет годового объема ремонта вилок включения заднего хода ($N_{\text{г.д}}$) производится на основании нормативов отказа детали и среднегодового пробега парка автомобилей.

Формула расчета годового объема ремонта:

Nг.д = (Lг * NА * δ) / (1000 * Lсц) * Kд * η (шт.)

Нормативные исходные данные (для парка ГАЗ-24/2410):

• Среднегодовой пробег автомобиля ($L_{\text{г}}$): $30 000 \text{ км}$.
• Количество автомобилей в группе ($N_{\text{А}}$): Принимаем $N_{\text{А}} = 100 \text{ ед.}$.
• Пробег до капитального ремонта КПП ($L_{\text{сц}}$): $150 000 \text{ км}$.
• Норма отказа вилки ($\delta$): $0,3$ случаев на $1000 \text{ км}$ пробега.
• Коэффициент корректирования условий эксплуатации ($K_{\text{д}}$): Принимаем $K_{\text{д}} = 1,1$ (умеренные условия).
• Коэффициент годности детали к ремонту ($\eta$): $0,85$ (85% дефектных вилок подлежат ремонту).

Расчет $N_{\text{г.д}}$:

Годовой объем ремонта КПП в данном парке: $N_{\text{КПП}} = (L_{\text{г}} \cdot N_{\text{А}})/L_{\text{сц}} = (30000 \cdot 100) / 150000 = 20$ КПП в год.

Nг.д = 100 (автомобилей) * (30000 / 150000) * 0,3 * 1,1 * 0,85 ≈ 47 шт./год.

Принимаем годовой объем ремонта: $N_{\text{г.д}} = 50 \text{ шт.}$

Расчет годовой трудоемкости ремонта детали ($T_{\text{г.д}}$):

Трудоемкость рассчитывается исходя из общего штучного времени ремонта одной вилки ($t_{\text{шт}}$). Пусть суммарное штучное время ремонта вилки по всем операциям составляет **$t_{\text{шт}} = 12 \text{ мин}$**.

Tг.д = (Nг.д * tшт) / 60 (чел.-ч)

Tг.д = (50 * 12) / 60 = 600 / 60 = 10 (чел.-ч)

Годовая трудоемкость ремонта вилок составляет 10 человеко-часов.

Расчет потребности в персонале и экономическая эффективность

Расчет необходимого количества рабочих ($Ч_{\text{р}}$):

Потребность в рабочих определяется соотношением годовой трудоемкости и годового эффективного фонда рабочего времени одного рабочего ($\Phi_{\text{г.р}}$). При стандартном пятидневном графике $\Phi_{\text{г.р}} \approx 1860 \text{ ч}$. Коэффициент в��полнения норм ($K_{\text{вн}}$) принимаем $K_{\text{вн}} = 1,05$.

Чр = Tг.д / (Фг.р * Kвн)

Чр = 10 / (1860 * 1,05) ≈ 0,0051 (чел.)

Поскольку расчетное количество рабочих значительно меньше единицы, это означает, что ремонт вилок не требует выделения отдельного постоянного рабочего места, а выполняется силами основного ремонтного персонала в рамках его общего фонда рабочего времени.

Экономическая эффективность:

Экономическая целесообразность подтверждается сравнением себестоимости восстановленной детали ($С_{\text{восст}}$) с ценой новой детали ($Ц_{\text{нов}}$).

Предположим:

• Стоимость новой вилки $Ц_{\text{нов}} \approx 800 \text{ руб.}$
• Себестоимость ремонта $С_{\text{восст}}$ (включает материалы для наплавки, электроэнергию, амортизацию оборудования и оплату труда): $С_{\text{восст}} \approx 300 \text{ руб.}$

Годовая экономия ($Э_{\text{г}}$) за счет ремонта:

Эг = Nг.д * (Цнов - Свосст)

Эг = 50 * (800 - 300) = 50 * 500 = 25 000 руб.

Таким образом, внедрение разработанного технологического процесса ремонта вилки 24-1702092-10 является экономически целесообразным и позволяет получить годовую экономию в размере 25 000 рублей, подтверждая рациональность использования ремонтного фонда вместо полной замены детали.

Заключение

В рамках выполнения проекта был разработан полный, технологически детальный и экономически обоснованный процесс восстановления вилки включения заднего хода 24-1702092-10, полностью соответствующий требованиям технической дисциплины.

Были успешно решены все поставленные задачи:

1. Установлены критические критерии дефектации: предельный износ паза 15,5 мм и отверстия под шток 18,30 мм.
2. Обоснован оптимальный маршрут ремонта, включающий полуавтоматическую наплавку изношенного паза с использованием проволоки Св-08Г2С и последующую финишную механическую обработку на станках 6Т12 и 1К62.
3. Разработан расчет режимов резания для операции чистового фрезерования паза ($n \approx 750 \text{ об/мин}$, $S_{\text{м}} = 120 \text{ мм/мин}$), а также определены нормативы штучного времени.
4. Проведено экономическое обоснование, показавшее, что при годовом объеме ремонта 50 штук годовая трудоемкость составляет 10 чел.-ч, а внедрение техпроцесса обеспечивает существенную экономию средств по сравнению с покупкой новых деталей.

Разработанный технологический процесс обеспечивает требуемую долговечность восстановленной детали, полностью соответствует инженерным стандартам и является эффективным инструментом ресурсосбережения в сфере технического обслуживания и ремонта автомобильного транспорта, обеспечивая при этом снижение экологического следа и повышение операционной устойчивости автопарка.

Список использованной литературы

1. Технологическое проектирование автотранспортных предприятий и станций технического обслуживания: Учебник для вузов. – 2-е изд.
2. Модель расчёта трудоёмкости работ по техническому обслуживанию и ремонту автомобилей [Электронный ресурс]. URL: http://naukovedenie.ru/PDF/60TVN316.pdf.
3. Технология восстановления и ремонта машин : учеб. пособие / С. Б. Скобелев, В. В. Деркач, В. Г. Чуранкин ; Минобрнауки России, Ом. гос. техн. ун-т. – Омск : Изд-во ОмГТУ, 2022.
4. Справочник технолога-машиностроителя (общая методология расчета режимов резания).