Физическое старение деталей. При работе и хранении автомобиля происходят процессы физического старения деталей, важнейшими из которых являются изнашивание, усталость и коррозия, долговечность большинства деталей автомобиля ограничивается износом, возникающим вследствие сложных процессов изнашивания при трении поверхностей. Усталость и коррозия являются как самостоятельными процессами старения, так и составляющими при изнашивании.
Прочностью детали называется ее способность сопротивляться действию нагрузок, т. е. сопротивляться разрушению или возникновению недопустимых деформаций. Сопротивление деформациям характеризует жесткость деталей, долговечность деталей автомобилей по условиям прочности в основном определяется сопротивлением статистическому или усталостному разрушению, а прочность картеров отдельных агрегатов зависит от сопротивления пластическим деформациям, вызывающим перекосы и смешение опор подшипников и валов. Статическое разрушение возникает практически при однократном действии нагрузки, величина которой превышает предел прочности материала детали. Такое разрушение является в основном следствием нарушения технологии изготовления или правил эксплуатации.
Усталость - это процесс разрушения детали под действием многократно повторяющихся знакопеременных нагрузок. Усталостное разрушение возникает в результате приложения определенного числа циклов переменных нагружений, превышающих предел выносливости материала детали. Разрушение связано с возникновением усталостных трещин, развитие которых пропорционально количеству циклов нагружения и является естественным процессом старения. Долговечность рам, рессор, картеров ведущих мостов, полуосей определяется в основном усталостной прочностью.
Коррозия - это процесс разрушения материалов вследствие физико-химического взаимодействия с внешней средой. Коррозионные поражения металлов и сплавов всегда начинаются с поверхности и являются следствием окислительно-восстановительных реакций, происходящих на границе металл - газовая или жидкая среда. Долговечность кузова автобуса и легкового автомобиля, например, во многом определяются его коррозионной стойкостью.
Изнашивание - процесс разрушения и отделения материала с поверхности твердого тела и накопление его остаточной деформации при трении, проявляющийся в постепенном изменении размеров и формы тела. Поверхности трения не являются абсолютно ровными; они обладают микронеровностями, величина которых зависит от точности обработки (точение - до 80 мкм, шлифование - 2...20 мкм, полирование - 0,8...1,3 мкм). При трении возникает взаимодействие микронеровностей трущихся поверхностей между собой и с абразивными частицами, попавшими в мазло. Разрушение нескольких слоев микронеровностей приводит к макроповреждениям - изменениям формы поверхности, размеров и форм деталей.
Изнашивание включает целый ряд физико-химических процессов. Происходит снятие тончайших слоев металла - микрорезание и смятие отдельных микронеровностей - пластическая и упругопластическая деформация. В результате многократного упругого деформирования микровыступов возникает усталость -образуются трещины, и происходит выкрашивание поверхности. Взаимодействие микронеровностей при больших давлениях и скоростях вызывает выделение тепла. Высокие локальные температуры могут достигать значений, вызывающих изменение структуры металла и повышение его хрупкости, а также приводить к термическим трещинам и даже расплавлению. Одновременно происходит молекулярное взаимодействие поверхностей, заключающееся в сращивание отдельных участков контакта микронеровностей и в перекосе частичек металла с одной поверхности на другую.
Химическая активность поверхностей вызывает коррозию. Скорость изнашивания резко меняется в зависимости от коррозионной агрессивности среды. Следует также отметить расклинивающее действие масла (эффект акад. П. Д. Ребиндера), заключающееся в разрушении поверхностных слоев высоким давлением масла при затекании его в микротрещины.
С целью управления процессом изнашивания деталей в зависимости от ведущих процессов разрушения поверхностей трения. Детали автомобилей подвержены практически всем видам изнашивания, которые делят на три группы: механическое, коррозионно-механическое и электроэрозионное.
Механическое изнашивание является результатом механических действий и включает резание, царапание, деформирование, отслаивание и выкрашивание микрообъемов материала. Основными элементами механического изнашивания деталей автомобилей являются: абразивное, гидро- и газообразное, эрозионное, кавитационное, усталостное, и изнашивание при заедании.
Абразивное изнашивание состоит в основном в режущем и царапающем действии на деталь твердых частиц, находящихся в свободном или закрепленном состоянии, царапание заключается в образовании углублений на поверхности в направлении скольжения под воздействием выступов сопряжений детали или свободных твердых частиц: при этом могут происходить многократная пластическая, деформация и цикличное образование хрупкого слоя, который затем разрушается. Изменение структуры материала происходит из-за высокого местного нагрева, ударов, неравномерного изнашивания отдельных зерен метала и т. д. В подшипниках с антифрикционным слоем, абразивные частицы вдавливаются и при трении увеличивают износ сопряженного вала. Абразивному изнашиванию в сочетании с другими видами повреждены практически все трущиеся детали автомобиля.
Гидроабразивному изнашиванию, происходящему под действием твердых частиц, взвешенных в жидкости и перемещающихся относительно изнашивающейся детали, подвержены водяные, топливные и масляные каналы, а также детали, смазываемые под давлением. При этом абразивными частицами являются не только частицы кварца и других соединений, попадающие на трущиеся поверхности снаружи, но и частицы нагара и продукты износа, образующиеся внутри агрегатов автомобиля.
Газоабразивное изнашивание возникает под воздействием частиц, взвешенных в газе. Этому виду изнашивания подвержены впускные и выпускные системы автомобильных двигателей, а также наружные лакокрасочные покрытия кузовов автомобилей особенно при работе в запыленных условиях. Наибольший износ трущихся поверхностей деталей автомобиля вызывают частицы кварца, поэтому обеспечение чистоты и эксплуатационных жидкостей, поступающих во внутренние полости агрегатов автомобиля, является важнейшим методом уменьшения интенсивности различных видов абразивного изнашивания.
Трение потоков жидкостей и газов о поверхности деталей вызывает их эрозионное и кавитационное изнашивание. Эрозионное изнашивание является механическим видом изнашивания в результате воздействия на поверхность детали потока жидкости - гидроэрозионное изнашивание - или газа - газоэрозионное изнашивание. Гидро- и газоэрозионное изнашивания представляют собой процесс вымывания и вырыва отдельных микрообъемов материала. Топливная аппаратура дизелей, жиклеры карбюратора, клапаны газораспределения двигателей подвержены эрозионному изнашиванию.
Кавитация представляет собой образование, а затем поглощение парогазовых пузырьков в движущейся по поверхности детали и образованием каверн, полостей. Иногда кавитационное изнашивание наблюдается на наружных поверхностях гильз цилиндров двигателя, на полостях водяных насосов.
Усталостное изнашивание является механическим изнашиванием в результате усталостного разрушения при повторном деформировании микрообъемов материала поверхностного слоя детали. Усталостное разрушение проявляется в виде выкрашивания - отделения частиц материала, приводящего к образованию ямок (питтинга) на поверхности трения. На развитие питтинга большее влияние оказывает расклинивающее действие масла. На поверхностях, где возможен выход масла из усталостных трещин, питтинги практически не наблюдаются. Усталостное разрушение имеет место на поверхностях кулачков и зубьев шестерен, в подшипниках качения трансмиссии, в антифрикционном слое вкладышей подшипников коленчатого вала двигателя.
На износ некоторых деталей, особенно выполненных из одинаковых материалов, большое влияние оказывает явление местного соединения в местах контакта, происходящее вследствие действия молекулярных сил - схватывание при трении. При этом происходит перенос материала, так как материал, одной детали, соединившись с другой, отрывается от первой и остается на поверхности второй детали. Процесс возникновения и развития повреждений поверхностей трения вследствие схватывания и переноса материала называют заеданием. Изнашиванием при заедании, таким образом, является изнашивание в результате схватывания, глубинного вырывания материала, переноса его с одной поверхности трения на другую и воздействия возникших неровностей на сопряженную поверхность.
Изнашивание при заедании определяется свойствами материалов трущихся деталей и зависит от скорости скольжения поверхностей, а также от температуры. Для деталей автомобиля, когда материал трущихся деталей подобран правильно, схватывание поверхностей может быть вызвано в основном повышением температуры при сухом трении и определяется налипанием и переносом частиц размягченного и даже расплавленного металла. Заедание может завершаться прекращением относительно движения деталей и вызывать их задир -повреждение поверхностей трения в виде широких и глубоких борозд в направлении скольжения. При аварийных отказах систем охлаждения и смазки автомобильных двигателей могут происходить заедание и, как следствие, наблюдаться задиры поршневых колец, поршней, гильз цилиндров, коренных и шатунных подшипников.
Коррозионно-механическое изнашивание является результатом механического воздействия, сопровождаемого химическим или электрическим взаимодействием материла со средой. Для деталей автомобиля коррозия при трении в основном связана с окислением поверхностей деталей, т. е. ведущее значение имеет окислительное изнашивание, при котором основное влияние на изнашивание имеет химическая реакции материала с кислородом или окисляющей окружающей средой. При окислительном изнашивании кислород воздуха или растворенный в масле образует на металле окисленную пленку, которая механически удаляется при трении. Затем процесс повторяется. Пластическая деформация поверхностных слоев усиливает окисление. Изнашивание в условиях агрессивного действия жидкой среды имеет аналогичный механизм, однако пленки, как правило, малостойкие при трении и скорость процесса резко возрастает. Следует отметить, что пленки окислов и других соединений из-за неметаллической природы не способны к схватыванию. Это используют при разработке противозадирных присадок к маслам - образующиеся достаточно стойкие к стиранию пленки исключают молекулярное схватывание поверхностей. Долговечность, например, основных деталей цилиндропоршневой группы двигателя ограничивается коррозионно-механическим износом, возникающим вследствие выделения в цилиндрах из продуктов сгорания сернистой, серной, угольной, азотной и других кислот.
Электроэрозионное изнашивание является видом эрозионного изнашивания поверхности в результате воздействия разрядов при прохождении электрического тока. Этому виду изнашивания подвержены контакты прерывателя и свечей системы зажигания автомобильного карбюраторного двигателя.
Интенсивность изнашивания, являющаяся отношением величины износа к объему выполненной работы или к наработке, на которой происходило изнашивание детали, зависит, как видно из описания процессов разрушения деталей, от различных факторов. Поэтому обеспечение износостойкости деталей требует различных мероприятий как на стадиях конструирования и изготовления автомобилей, так и при эксплуатации.
Рис. 1.1. Зависимость износа и интенсивности изнашивания детали от пробега автомобиля
Величина износа (И, мкм) повышается в течение всего пробега (L, км) автомобиля до предельного состояния детали, но интенсивность изнашивания (VИ, мкм/1000 км) различна на разных этапах работы (рис. 1.1). Детали после сборки сопрягаются по выступам микронеровностей, образовавшихся при изготовлении. Размеры деталей, хотя и в пределах заданных чертежом допусков, имеют отклонения, что приводит к макронеровностям деталей - овальности, конусности, неплоскости и т. д. Фактическая площадь контакта трущихся деталей в начальный период мала, поэтому происходит их приработка (см. рис. 1.1, I). Приработка - это процесс изменения геометрии поверхностей трения и физико-механических свойств поверхностных слоев материала в начальный период трения, обычно проявляющийся при постоянных внешних условиях в уменьшении работы трения, температуры и интенсивности изнашивания. Уменьшение приработочных износов достигается работой деталей в облегченных нагрузочных и скоростных режимах, применением специальных масел и усиленной очисткой их от продуктов износа. На период приработки деталей (в течение 1...5 тыс. км) назначают режим обкатки автомобиля.
Период установившегося изнашивания (см. рис. 1.1, II) характеризуется постоянной интенсивностью V = const и, следовательно, линейным возрастанием износа И при постоянном угле наклона а прямой на графике. В этот период, составляющий для различных деталей 50...500 тыс. км пробега автомобиля, происходят срабатывание и воссоздание примерно стабильных по величине микронеровностей и постепенное накопление макроповреждений - изменение размеров и формы детали.
Износ увеличивает зазоры в сопряжениях деталей, что приводит к ухудшению, условий смазывания и повышению динамических, ударных нагрузок; разрушаются специально обработанные износостойкие поверхностные слои. Интенсивность изнашивания повышается - наступает период аварийного изнашивания (см. рис. 1.1, III). Чтобы не допустить полного разрушения детали и всего сопряжения, предельный износ ИМАХ, соответствующий предельному состоянию детали, назначают на начало этого периода.
На работоспособность подвижных сопряжений решающее влияние оказывают зазоры между деталями, которые, как отмечалось выше, увеличиваются в процессе работы вследствие изнашивания деталей. Как правило, в сопряжение входят детали различной стоимости и сложности, с различной интенсивностью изнашивания. В автомобилях такими сопряжениями являются: коленчатый вал и подшипники; распределительный вал и подшипники; цилиндры и поршневые кольца двигателя; тормозные барабаны и накладки колодок и т. д.
Комментарии к этой статье