Файл: Техническая эксплуатацияавтомобилейтеоретические и практические аспекты.pdf

Растяжение
Сжатие
Растяжение |
ст
Сжатие
Рис. 1.8. Виды синусоидальных испытуемого образца:
а — симметричный цикл, 6 — цикл нагрузок при наличии постоянной состав- ляющей
Спектр напряжений, которые испытывают детали автомоби- ля, движущегося по неровной дороге, часто носит случайный ха- рактер, как по амплитуде, так и по частоте. Для оценки повреж- дающего воздействия на деталь реальный спектр напряжений пред- ставляют набором синусоид, амплитуду и число которых рассчи- тывают по числу пересечений, наносимых на осциллограмму с некоторым шагом линий, параллельных оси пройденного пути.
Проводя такую обработку осциллограммы, записываемой при прохождении автомобилем определенного пути (например, 100 м),
можно построить график спектра, по оси абсцисс которого от- кладывается число амплитуд (циклов а по оси ор- динат соответствующие амплитуды напряжений.
Накопление усталости в детали зависит от числа циклов нагру- жений и значений амплитуды напряжений, связанных между со- бой уравнением Велера. Усталостное разрушение происходит при выполнении условия где я, — число циклов напряжений с амплитудой о, в анализиру- емом спектре;
— число циклов, которое выдержит деталь до разрушения, если она испытывает синусоидальные нагружения с тем же напряжением.
На основании этого условия и известной кривой Велера для рассматриваемой детали можно провести сравнительный анализ повреждающего воздействия различных нагрузочных спектров. На рис.
иллюстрируется ход такого анализа.
В правой части графика построены кривые двух спектров 1 и 2
(по результатам обработки двух осциллограмм напряжений в де- тали на оси абсцисс отложены числа циклов, а по оси ординат —
соответствующие им напряжения). Здесь же условно показана кри-
12
Велера (поскольку много больше кривая должна лагаться по оси гораздо
Просчитывая для различных литуд отношения =
и откладывая их в некотором масштабе в левой части графика, можно получить кривые повреждений,
1 составляющих спектры напряжений. Площадь П, ограничиваемая этими кривыми, характеризует общее повреждающее воздействие спектров. Повреждающее воздействие спектра 2 больше повреж- дающего воздействия спектра
На основании данных сравнительного анализа можно сделать вывод, что долговечность деталей автомобиля по усталостным раз- рушениям существенно зависит от условий эксплуатации. Режим работы, характеризующийся спектром больших редких нагрузок и большим числом циклов с малыми нагрузками, может оказать- ся менее опасным, чем режим работы с большим числом средних нагрузок.
Большое влияние на накопление усталости имеет величина среднего напряжения когда цикл нагрузок не симметричен,
т.е. циклические нагрузки накладываются на некоторое постоян- ное напряжение в детали. Это могут быть не только напряжения,
возникающие при функционировании автомобиля, но и напря- жения, образующиеся при изготовлении детали. Наличие оста- точных затрудняет не только прогнозирование дол- говечности деталей автомобиля, но и мест появления усталост- ных трещин. Например, трещины в стойке кузова появляются в том месте, где не возникают большие напряжения при работе автомобиля, но существуют большие остаточные напряжения после
Кривая Велера
П
П
Р2 Р\
Рис.
анализа накопления в детали усталостных повреждений для различных нагрузочных спектров:
—
характеризующая усталостные повреждения спектра 1,
— пло- щадь, характеризующая повреждения спектра 2 13

штамповки; перешлифованный под ремонтный размер вал ломается, а причиной тому являются внутренние пряжения, возникающие при нарушении режимов шлифования,
Следует иметь в виду, что спектры напряжений в деталях <и накопление усталости зависят не только от дорожного покрытия и скорости движения автомобиля, но и от вибрационных характе- ристик перевозимого груза. Может, например, оказаться, что рама грузового автомобиля, перевозящего 10 т влажного зерна, под- вергается усталостному разрушению меньше, чем при перевозке
5 т досок (вибрация груза может вызывать вибрацию деталей ав- томобиля, а влажное зерно играет роль амортизатора).
Появление усталостной трещины в элементе сложной простран- ственной конструкции может изменить жесткость этого элемента и перераспределить нагрузки в элементах конструкции. После это- го трещина может прекратить свое развитие. Известны случаи,
когда после появления видимой трещины деталь работала 90 % от общего срока ее службы
Признаком усталостного разрушения является «хрупкий» из- лом и наличие двух зон на изломе детали: часть сечения детали имеет блестящую поверхность, а часть — шероховатую («сахар- ную») поверхность. Шероховатая поверхность — это зона свежего излома, обнаруживающего кристаллическую структуру металла,
а блестящая — это зона трещины, которая развивалась медленно,
долго, и за счет упругой деформации детали вершины кристаллов терлись друг о друга и сглаживались. На рис.
показан вид сло- манной пружины подвески, а на рис.
— излом коленчатого вала двигателя.
Рис. 1.10. Пружина под- вески, разрушенная уста- лостной трещиной
14
Рис.
Усталостный излом шейки коленча- того вала
Т а б л и ц а 1.1

Рис 1 12 Поршень с деформирован- ной сломанным кольцом
Расклинивающим действием для автомобильных деталей обла- дают смазочные материалы, присадки к ним, этиленгликоли ох- лаждающих жидкостей и др рис 1 14 показан случай поломки чугунного распределительного вала газораспределительного ме- ханизма (ГРМ) после того, как владелец автомобиля добавил в масло купленную в магазине противоизносную присадку
Вид излома явно однородный и не имеет двух зон,
характерных для усталостного излома Заметный выступ на поверх- ности излома располагается в плоскости разъема литейных форм,
где при протекании чугуна образовался заусенец, который был снят при механической обработке (следы обработки видны сбоку распредвала, на рисунке не показаны) Можно предположить, что из-за разной скорости застывания участков вала в нем в этой зоне остались внутренние напряжения, из-за которых при сверлении отверстия для смазки образовалась трещина Попавшая в трещину
Молекулы активной среды,
смачивающие поверхность
Рис 1 13 Схема расклинивания тре- щины молекулами активной среды
Р — сила расклинивания трещины молекулами активной среды
Рис 1 14 Излом распределительно- го вала газораспределительного ме- ханизма двигателя
16
противоизносная присадка, активно смачивающая поверхность,
трещину и привела к разрушению вала при работе
Имеются данные, что смазочные масла в среднем снижают уста- прочность деталей машин на
[1]
\ Изменение свойств неметаллических материалов весьма разно- образно и должно рассматриваться отдельно в каждом конкрет- ном случае Например, смазочное масло значительно меняет вяз- кость при изменении температуры — это влияет на условия пода- чи масла в зону трения, на характеристики работы амортизаторов автомобиля,
в свою очередь, влияет на динамические на- грузки, испытываемые деталями автомобиля и т д
Понижение температуры приводит к выпадению в осадок па- рафиновых фракций дизельного топлива, и при этом форсунки будут подавать в цилиндры «другое» топливо и т п
В конструкции автомобиля используются различные по своей природе пластмассы, которые также по-разному будут менять свои свойства в процессе эксплуатации автомобиля
В качестве примера рассмотрим только изменение фрикцион- ных свойств резины Если для металлических коэффициент трения в сопряжении зависит, главным образом, от наличия или отсутствия в зоне трения смазки, то коэффициент трения резины о сталь существенно зависит от давления в контакте р (рис 1 15)
По опытным данным, при увеличении давления от до 24 МПа коэффициент в девять раз [30]
При изменении температуры коэффициент трения также су- щественно меняется (рис 1 16)
При увеличении скорости скольжения коэффициент трения резины о сталь сначала растет, а затем уменьшается Наиболее сильно это выражено для сухого трения (рис 1
Рис 1
Зависимость коэф- фициента / трения резины о сталь от удельного давле- ния в контакте
Рис 1 16 Зависимость коэффициента / тре- ния резины о сталь от температуры
17

При длительных остановках
Сухое трение
Трение в масле
О
0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
V,
М/С
Рис 1
Зависимость коэффициента/ трения резины от скорости сколь- жения
Из рассмотренных графиков можно понять насколько разно- образно могут вести себя резиновые детали автомобиля в процес- се его эксплуатации (уплотнители с утра могут скрипеть, а в се- редине дня скрип может исчезнуть и т.п.).
В качестве примера можно рассмотреть изменение свойств ис- пользуемого в двигателе автомобилей ВАЗ демпфера крутильных колебаний, содержащего резиновый гасящий элемент. По резуль- татам заводских испытаний при температуре
°С демпфер имеет резонансную частоту 357 Гц, а по мере увеличения температуры до частота плавно уменьшается и становится равной 293 Гц.
Интересно, что по мере работы автомобиля (после тыс км)
собственная частота демпфера крутильных колебаний практичес- ки не меняется, а такой же демпфер после восьми месяцев хране- ния (без использования) увеличил частоту собственных колеба- ний почти на 10
Естественно, что изменение резонансных час- тот демпфера будет менять вибрационные характеристики авто- мобиля в целом.
Воздействие биологических факторов имеет важное значение,
так как в состав многих материалов, используемых в конструкции автомобилей, входят органические вещества, которые в процессе эксплуатации автомобиля могут подвергаться воздействию мик- роорганизмов. К таким материалам относятся органические до- бавки к смазочным маслам и консистентным смазкам, гермети- зирующие прокладки, фильтрующие элементы, компоненты изо- ляции проводов, текстолитовые и панели электро- приборов и т.д.
Наиболее опасным среди биологических факторов является воздействие плесневых грибов на изоляционные материалы, при- водящее к уменьшению их прочностных свойств и диэлектриче- ских характеристик. Поражение плесенью часто начинается на хлоп- чатобумажной оплетке пучка проводов при попадании на оплетку
18
воды и отсутствии условий для ее быстрого высыхания. Затем пле- сень распространяется и на провода с лакошелковой изоляцией.
В пораженных плесенью электронных приборах, имеющих печат- ные платы, возможны нарушения электрических соединений. Воз- действие вьщеляемых плесенью и другими микроорганизмами орга- нических кислот ускоряет коррозию электрических контактов. Весь- ма существенными могут быть воздействия микроорганизмов на текстильные материалы обивки кузова, приводящие к изменению их внешнего вида и появлению неприятных запахов.
Процессы изменения геометрии деталей
На эксплуатационные характеристики автомобиля могут ока- зывать влияние любые изменения геометрии деталей: размеров,
формы, взаимного расположения и шероховатости поверхностей.
Рассмотрим наиболее характерные процессы изменения геомет- рии деталей.
Пластическая деформация деталей наблюдается при создании в материале детали напряжений, превышающих пределы текуче- сти —
или временный предел прочности —
(аналогично и по касательным напряжениям). При эксплуатации автомобилей объяс- нение причин пластических деформаций деталей обычно не вы- зывает затруднений (всем понятно, почему изогнулся бампер, если автомобиль наехал на столб).
На рис.
показан шатун, подвергшийся деформации после обрыва шатунного болта, крепящего крышку.
На рис.
показан поршень, разрушившийся при перегруз- ках, возникших вследствие попадания в цилиндр охлаждающей жидкости, которая в момент запуска двигателя оказалась «запер- той» клапанами в цилиндре. Удар поршня о несжимаемую жид- кость привел к разрушению поршневого пальца и поршня.
Рис. 1 18 Шатун, подвергшийся пластической деформации
19

Рис 1.19 Пример механического разрушения поршня при работе двига- теля
Релаксация напряжений — это процесс изменения геометрии детали за счет ползучести материала под действием внутренних напряжений, которые часто остаются в детали после ее изготов- ления (при гибке, штамповке, литье, механической обработке и
Правильно разработанный и исполненный технологический процесс изготовления детали исключает деформацию детали за счет релаксации напряжений, превышающую допуск на размеры.
Однако нарушение процесса может приводить к скрытым дефек- там, которые обнаруживаются только спустя много времени уже при эксплуатации автомобиля.
Температурное расширение — это процесс увеличения линей- ных и объемных размеров конструкционных материалов при по- вышении их температуры
С учетом этого явления, например, поршень при комнатной температуре должен иметь овальную форму днища и коническую боковую поверхность, что обеспечивает образование правильной цилиндрической формы, когда поршень нагрет до рабочей темпе- ратуры. Следует учитывать изменение зазоров в сопряжениях дета- лей автомобиля при их нагреве, так как при перегреве может про- исходить заклинивание деталей, а в некоторых случаях зазоры в сопряжениях увеличиваются. Все это влияет на эксплуатационные характеристики автомобиля.
На рис. 1.20 показан поршень, разрушившийся при перегреве двигателя и заклинивании поршневых колец с головкой поршня в цилиндре. Поршень оборвался по плоскости отверстий для про- пуска масла, снимаемого кольцом. Поверхность разрушения имеет характерные забоины, возникшие при ударах движущегося поршня о свою оторванную часть. При этом ото-
20
Рис. 1 20 Поршень после заклини- вания его головки в цилиндре и по- следующего разрушения
Рис. 1.21. Головка разрушенного поршня рванная головка поршня ударами о поршень, головку блока ци- линдра и его стенки может быть деформирована до формы комка
(рис. 1.21).
Специфическим вариантом температурного расширения явля- ется фрикционное растрескивание. Это явление обычно наблюдает- ся на чугунных трущихся деталях: нажимных дисках сцепления,
маховиках, тормозных барабанах и дисках (рис. 1.22).
Трещины возникают вследствие накопления в поверхностном слое растягивающих напряжений, которые образуются следую- щим образом. При трении шероховатой и волнистой поверхности контакт происходит по выступам (рис. 1.23), которые нагреваются до пластичного состояния (всем известен процесс сварки трением).
Прилегающие к точкам контакта зоны тоже нагреваются, вслед- ствие этого металл расширяется и вдвигается в податливую плас- тичную зону, поскольку холодная зона оказывает большое сопро- тивление сдвигам. После завершения трения пластичные зоны застывают,
а остывающий металл нагретых зон сжимается, но поскольку застывшая пластичная зона не позволяет ему сво- бодно занять свое прошлое простран- ство, в поверхности детали образуют- ся растягивающие напряжения. С тече-
Рис. 1.22 Фрикционное растрескивание нажимного диска сцепления
21