Файл: Техническая эксплуатацияавтомобилейтеоретические и практические аспекты.pdf

Зоны пластичного зона зона
Рис. 1.23. Схема образования растягивающих напряжений на поверх- ности трения нием времени напряжения достигают значительных величин и,
если металл хрупкий (не обладает текучестью), то при напряже- ниях, превышающих предел прочности при на поверх- ности детали появляются трещины.
Следует иметь в виду, что механическая обработка металлов (в частности шлифование) сопровождается такими же явлениями.
При нарушении режимов шлифования в поверхностном слое мо- гут возникать большие растягивающие напряжения, которые впос- ледствии могут привести к раннему образованию усталостных тре- щин.
Наличие растягивающих напряжений в поверхностном слое часто наблюдается при шлифовании тонкого листового металла.
При снятии с магнитного стола шлифовального станка тонкий лист выгибается и принимает «тарельчатую» форму. Для снятия напряженных слоев при шлифовании, деталь приходится долго
«выхаживать»,
шлифовать с малой подачей или применять осо- бый технологический процесс — суперфиниширование.
Облитерация — это процесс наращивания на поверхность де- тали частиц среды, в которой находится деталь. При этом меня- ются размеры и форма контуров детали, что сказывается на про- цессах взаимодействия детали с окружающей средой.
На рис. 1.24 показаны клапаны газораспределительного меха- низма двигателя, покрытые слоем нагара. Нагар является, главным образом, закоксовавшимися углеводородами, из которых состоит топливо и моторное масло, попадающее на тарелку клапана через зазор между стержнем и направляющей клапана (наиболее толстые слои нагара чаще наблюдаются на впускных клапанах). Естествен- но, что такая форма клапана влияет на протекание потоков газа при впуске горючей смеси, при этом могут возникать особые тур- булентности, увеличиваться газодинамические сопротивления и ухудшаться наполняемость цилиндра горючей смесью.
Облитерации могут подвергаться топливные жиклеры, трубо- проводы, масляные и топливные каналы в деталях соответствую- щих систем двигателя, полости, через которые циркулирует
22
кость в системе охлаждения, и
При этом меняются режимы работы автомобиля и его эксплуатационные
В оп- ределенных условиях может происходить естественным образом самоочищение деталей, при этом отказы и неисправности будут самоустраняться,
проявляться как сбои в работе.
Износ — это процесс изменения геометрии деталей вследствие трения. Трение и износ не являются до конца изученными явле- ниями, поэтому для их объяснения используют различные виды классификаций по внешним признакам. Различают трение каче- ния, скольжения, верчения, сухое, граничное, жидкостное, с контактом по плоскости, линии, точке. Для описания износов часто используют такую классификацию износ первого рода — адгезионный (молекулярно-механиче- износ второго рода — тепловой, задир;
окислительный износ;
усталостный износ —
абразивный износ;
эрозия.
Рассмотрим подробнее особенности этих видов износа.
Износ первого рода — это взаимо- действие трущихся поверхностей, когда контакт происходит по вершинам микровыступов при очень больших удельных давлени- ях. Микровыступы слипаются (свариваются), и при смещении поверхностей «сваренные мостики» разрушаются, вновь образу- ются и т.д. Продукты разрушенных мостиков (по аналогии с кон- тактной сваркой — брызги из-под электродов) выносятся из зоны трения, что меняет геометрию детали. Интенсивность такого из- носа низкая (нормальная), поверхность получается гладкой, бле-
Рис. 1.24. Изменение формы клапанов при их облитерации нагаром
23

Рис
Ось дифференциала, раз- рушенная задиром в сопряжении с сателлитами стящей. Следует отметить, что профиль поверхности трения не воспроизводится ни при каком виде механической обработки.
Износ второго рода (тепловой износ,
— это процесс сва- ривания больших участков трущихся поверхностей, сопровожда- ющийся наволакиванием металла, образованием рисок. Такой из- нос наблюдается при ненормальных условиях трения: больших давлениях и скоростях скольжения, повышенной температуре. Ин- тенсивность износа очень большая, износ может наблюдаться как при скольжении, так и при качении.
На рис. 1.25 показана ось дифференциала переднеприводного автомобиля ВАЗ, имеющая задир в сопряжении с сателлитами,
возникший при интенсивном буксовании автомобиля вперед и назад, что привело к полному разрушению оси. На рис.
и показаны коленчатый вал и вкладыш подшипника со следами за- дира трущихся поверхностей.
На рис. 1 28 и 1.29 показаны наружная и внутренняя обоймы двухрядного самоустанавливающегося подшипника с задиром,
причиной которого явилась неправильная сборка (отсутствие осе- вого зазора и заклинивание шариков при малом угле сферической поверхности наружной обоймы).
Рис 1.26 Задир шейки коленчатого Рис 1 27. Задир рабочей поверхности вала двигателя вкладыша
24
Рис. 1.28. Задир наружной обоймы двухрядного подшипника качения
Окислительный износ — это процесс образования на поверхно- сти трения пленок, более твердых и хрупких, чем основ- ной металл. Такая пленка на относительно мягкой подложке под действием нагрузок в зоне контакта трущихся тел то разрушается,
то вновь образуется и
Окислы выбрасываются из зоны трения,
геометрия детали меняется по аналогии с тем, как колеса автомо- биля выбрасывают замерзающие на луже льдинки, и образуется колея. Интенсивность окислительного износа низкая (нормальная),
поверхность трения гладкая, блестящая.
Усталостный износ
— это процесс образования в поверхностном слое детали, испытывающей циклические нагруз- ки, усталостных трещин, которые, замыкаясь, приводят к отше- лушиванию поверхностного слоя. Питтинг обычно наблюдается в подшипниках качения (рис. 1.30,
1.32, 1.33) и на поверхно- сти зубьев шестерен (рис. 1.34).
Низкая долговечность подшипников качения по нию поверхностей трения может быть обусловлена рядом причин.
Первой причиной могут быть ошибки конструктора при выборе размера подшипника. Нарушение посадок обойм подшипника (вра- щающихся и стоящих) также может быть причиной ускоренного
Рис 1 29. Задир внутренней обоймы подшипника качения
25

Рис 1 30 Локальное усталостное обоймы подшипника
Рис
Питтинг обоймы кони- ческого подшипника как след- ствие его неправильной регули- ровки
При работе подшипника только часть стоящей обоймы вос- принимает нагрузку, где и будет происходить накопление устало- стных повреждений. Поэтому стоящую обойму следует устанавли- вать по скользящей или переходной посадке, которая позволит ей эпизодически при возникающих перегрузках проворачиваться и вводить в работу те участки обоймы, в которых усталостные тре- щины еще не возникли Вращающуюся обойму устанавливают по тугой посадке, поскольку при работе подшипника нагрузку вос- принимает вся рабочая поверхность обоймы.
Дополнительной причиной интенсивного может слу- жить неправильная сборка подшипникового узла На рис 1 31 по- казана обойма подшипника, который при сборке был «перетянут»,
в подшипнике при отсутствии осево- го зазора действовала большая осевая сила, возникшая при не- правильной регулировке. В этих условиях конический подшипник работал как упорный. Вследствие этого ется равномерно по всей поверхности обоймы в виде мелких то- чек.
Рис 1.32. Обойма подшипника после усталостного износа и последую- щего задира
26
Следует иметь в виду, что при длительной работе подшипника поверхность может подвергаться повторному износу, и при этом выравниваться, как это показано на рис 1.32.
Выкрошивание может наблюдаться и на роликах или шари- ках подшипников — раньше на тех, которые в пределах допус- ка имеют больший диаметр и воспринимают большую нагрузку
(см. рис. 1.33).
Аналогичные процессы протекают и на зубьях шестерен (см.
рис. 1.34)
В некоторых случаях питтинг, г е усталостное отшелушивание поверхностного слоя, может провоцировать растрескивание обой- мы подшипника качения или тел качения. На рис. 1 35 показан шарик однорядного подшипника, расчлененный усталостной тре- щиной на две части. Трещина прошла через зону наиболее интен- сивного которая при длительной работе подшип- ника подверглась вторичному износу, т е. начала заглаживаться
Абразивный износ — это процесс износа при попадании в зону трения посторонних частиц с размерами, превосходящими тол- щину масляного слоя между трущимися поверхностями. В зависи- мости от соотношения твердости металла и твердости абразива абразивный износ проявляется в виде микрорезания или в виде интенсивного питтинга (рис. 1.36)
Скорость абразивного износа пропорциональна концентра- ции абразива.
где — скорость износа на чистом масле;
— скорость абразив- ного износа при единичной концентрации; у — концентрация абразива в процентах
Попадая в зону трения, абразивные зерна дробятся, что сни- жает их агрессивность, поэтому при разовом загрязнении масла в агрегате скорость износа деталей от времени работы уменьшается
Рис
Питтинг на ролике под- Рис
Питтинг рабочей поверхности шипника зубьев шестерни
27

Рис 1 35 Усталостное разрушение шарика подшипника в соответствии с рис 1 37 Если масло загрязняется с постоянной скоростью, то скорость износа будет нарастать в соответствии с рис 1 38
Отсюда следует очень важное замечание Проводя замену масла в агрегате автомобиля, нужно исключить попадание свежего аб- разива в масло, иначе заливаемое масло может оказаться для аг- регата хуже, чем заменяемое То же самое можно отнести и к кон- систентным смазкам (если пресс-масленку не очищать тщательно от грязи, то лучше не шприцевать вообще)
Фреттинг-коррозия — это разновидность окислительного из- носа, наблюдающаяся в подшипниках и прессовых посадках, ког- да поверхности совершают колебательные движения с амплиту- дой до 0,025 мм В этом случае под шариками или роликами обра- зуются лунки (ложное бринеллирование), а на поверхности валов и ступиц — язвы Если зона контакта хорошо смазана, то поверх- ности могут оставаться блестящими, а если поверхности сухие,
то язвы могут быть заполнены ржавчиной
На рис 1 39 показана крестовина карданного вала, на цапфах которой при работе возникли лунки в местах расположения роли- ков игольчатого подшипника При работе карданной передачи части карданного вала образуют угол не более 6° Ролики покачиваются
О 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
Рис 1 36 Зависимость износостой- кости детали от соотношения твер- достей ее материала и абразивных зерен
При разовом загрязнении
На чистом масле
Время работы
Рис 1 37 Изменение скорости из- носа деталей при разовом внесении абразива в масло по мере работы агрегата
28
Время работы
Рис 1 38 Характер изменения ско- рости износа деталей при посте- пенном загрязнении смазочного масла абразивом
Рис 1 39 Цапфы крестовины, под- верженные на месте и дробят пленки, которые образуются в зоне контакта с цапфой Со временем в этом месте возникает лунка
Фреттинг-коррозия наблюдается и на торцах цапф, контакти- рующих с донышком корпуса игольчатого подшипника, образуя специфическую поверхность (рис 1 40)
На рис 1 41 показана поверхность крестовины дифференциала в том месте, где она зажимается между чашками корпуса и рабо- тает как вал, запрессованный в отверстие
Как видно из рис 1 41,
создает специфи- ческую поверхность деталей в прессовых посадках
Рис 1 40 Следы фреттинг-коррозии на торце цапфы крестовины
Рис 1 41 Следы коррозии в сопряжениях с прессовой посад- кой
29

Наиболее эффективным методом борьбы с является исключение условий для возникновения колебаний в зоне контакта деталей. Это может быть достигнуто уменьшением из- и крутильных колебаний деталей, созданием оптимально- го натяга в прессовых посадках. Следует учитывать, что продукты износа (окислы) имеют больший объем, чем объем окисленного металла. Поэтому может наблюдаться самоустраняющийся тинг в прессовых посадках за счет того, что по мере работы со- пряжения натяг будет увеличиваться, и раскачивания в сопряже- нии могут уменьшаться.
Сложная взаимосвязь физико-химических процессов при фрет- тинг-коррозии, а также влияние большого числа факторов, опре- деляющих активность этих процессов в каждом конкретном слу- чае, затрудняет разработку универсальных методов защиты от
Эрозия — процесс изменения геометрии детали под действием струй жидкости или газа. Интенсивность эрозии зависит от агрес- сивности среды, характерным является наличие латентного (скры- того) периода в начале износа, когда износ не обнаруживается.
График изменения износа образца под действием струи воды при разной ее температуре показан на рис. 1.42
В автомобиле эрозии часто подвергаются клапаны газораспре- делительного механизма (рис. 1.43), жиклеры карбюратора, дета- ли амортизаторов.
Следует подчеркнуть, что используемое на практике понятие
«прогар клапана» не является обоснованным, поскольку горение происходит при температуре выше температуры плавления ме- талла, а на тарелке клапана обычно не наблюдается следов оплав- ленности. Эрозионное тарелки больше похоже на скол ее части.
Наиболее сложным во внешних проявлениях является эрози- онно-механический износ, когда в износе одновременно участву- ют струи жидкости или газа и механическое истирание.
Время испытаний
Рис 1 42 Нарастание эрозии образца во времени
30
Рис. 1.43. Эрозия клапана двигателя внут- реннего сгорания
На рис. 1.44 показано кольцо торцово- го уплотнения коробки передач с гидро- фрикционами. Конструк- ция торцового уплотнения выполнена та- ким образом, что стоящее кольцо с уп- лотнительной манжетой прижимается к вращающемуся диску давлением масла.
При этом на рабочей поверхности кольца по всей его периферии создается равное давление, однако кольцо часто изнашивается неравномерно (косо).
Экспериментально установлено, что чаще всего косой износ наблюдается при плохом качестве притирки кольца, когда не- плоскостность рабочей поверхности превышает 0,004 мм. Объяс- нением данного явления может служить эрозионный износ, воз- никающий при протекании масла (рабочее давление масла со- ставляет 1
через щель между кольцом и сопряженным с ним диском. В этом случае идет эрозия локального участка кольца,
что в конечном счете приводит к его косому износу. Круговые следы натертостей на рабочей поверхности кольца являются след- ствием механического истирания.
Эрозионно-механический износ в автомобиле наблюдается в плунжерных парах топливной системы дизелей, амортизаторах и других подобным образом работающих сопряжениях

контакты, имеющие место в конструкции электрооборудования автомобилей, можно различать по кинематическим признакам на скользящие, разрывные и неподвижные.
Механическое изнашивание скользящих контактов проявляется в той же форме, что и в обычных парах трения, с той особенно- стью, что рабочие нагрузки таких контактов обычно невелики.
Механический износ разрывных контактов вполне естественно носит усталостный характер, поскольку они испытывают цикли- ческую нагрузку.
Электрическое изнашивание контактов проявляется в следую- щих видах: перенос ионов материала одного элемента на другой;
электрический пробой пленок на поверхностях, приво- дящий к увеличению сил молекулярного сцепления между чис- тыми металлами и глубинному вырыванию; искрение и дугообра- зование, приводящее к выделению большой энергии в зазоре между контактами и разбрызгиванию или испарению металла, что со- провождается резким ухудшением качества поверхности, а это, в свою очередь, увеличивает механический износ.
Условия трения скользящих контактов (щетка — коллектор) в конструкции автомобильного стартера характеризуются тем, что щетки разной полярности скользят по одной дорожке трения. В ге- нераторе щетки разной полярности скользят по разным кольцам.
При прохождении тока от щетки к кольцу (анодно-поляризован- ная щетка) коэффициент трения в контакте меньше, чем для ка- тодно-поляризованной
Увеличение плотности тока в кон- такте всегда снижает коэффициент трения анодно-поля- ризованной для катодно-поляризованной щетки эта зави- симость более сложная и связана с материалом щетки и коллектора.
В общей величине износа скользящих контактов вклад элект- рического (эрозионного) износа составляет в зависи- мости от полярности щеток [30]. Скорость износа анодно-поляри- зованной щетки обычно больше скорости износа катодно-поля- ризованной щетки. Следует, однако, учитывать, что на скорость износа влияет не только полярность, но и режим разряда в кон- такте. При малом токе и тлеющем разряде износ катода больше износа анода; при увеличении тока и возникновении искрового разряда существенно возрастает износ анода; при дуговом разря- де опять становится больше износ катода. Часто электрический износ сопровождается переносом материала с одного контакта на другой, как это происходит на контактах автомобильного преры- вателя-распределителя (плоскостность контактов нарушается: на одном контакте образуется бугорок, а на другом впадина). Трение щеток по благородным металлам дает примерно одинаковый из- нос анода и катода.
На трение и износ электрических контактов существенное вли- яние оказывают примеси в материале контактов и окружающей
32
атмосфере. Например, дым от горящей изоляции может увеличить коэффициент трения контактов в три раза [30].
Завершая анализ видов износа, следует отметить некоторые общие закономерности:
повышение прочностных свойств поверхностей трения обычно снижает интенсивность их износа;
шероховатость поверхностей трения имеет значение только на периоде приработки;
между коэффициентом трения и интенсивностью износа мате- риалов однозначной связи нет;
зависимость интенсивности изнашивания от режимов трения для разных материалов различна.
Последняя из указанных закономерностей имеет большое зна- чение для понимания проблем ускоренных испытаний. Ускорение испытаний, обычно, достигается за счет ужесточения режимов трения (увеличения нагрузок, скоростей скольжения и т.п.). В этом случае соотношение интенсивности износа для разных материа-
' лов может быть иным, чем при нормальных режимах трения дета- лей в условиях реальной эксплуатации автомобиля. Например,
фторопласт-4 при малых нагрузках имеет лучшие свойства, чем бронза. Однако при больших нагрузках проти- свойства бронзы лучше, чем фторопласта-4.
Возможные зависимости интенсивности износа деталей, вы- полненных из разных материалов или имеющие разные покры- тия, от режимов трения показаны на рис. 1.45.
Режимы нормальной эксплуатации
Режимы трения
Рис. 1.45. Изменение интенсивности износа разных материалов в зависи- мости от режимов трения:
/ — материал с низкой износостойкостью при любых режимах трения; 2, 3 —
материалы, износостойкость которых относительно друг друга различна при разных режимах трения
33