Процессы изменения геометрии деталей

На эксплуатационные характеристики автомобиля могут.ока­зывать влияние любые изменения геометрии деталей: размеров, формы, взаимного расположения и шероховатости поверхностей. Рассмотрим наиболее характерные процессы изменения геомет­рии деталей.

Пластическая деформация деталей наблюдается при создании в материале детали напряжений, превышающих пределы текуче­сти — σ_т или временный предел прочности — σ _в (аналогично и по касательным напряжениям). При эксплуатации автомобилей объяс­нение причин пластических деформаций деталей обычно не вы­зывает затруднений (всем понятно, почему изогнулся бампер, если автомобиль наехал на столб).

На рис. 1.18 показан шатун, подвергшийся деформации после обрыва шатунного болта, крепящего крышку.

На рис. 1.19 показан поршень, разрушившийся при перегруз­ках, возникших вследствие попадания в цилиндр охлаждающей жидкости, которая в момент запуска двигателя оказалась «запер­той» клапанами в цилиндре. Удар поршня о несжимаемую жид­кость привел к разрушению поршневого пальца и поршня.

Релаксация напряжений — это процесс изменения геометрии детали за счет ползучести материала под действием внутренних напряжений, которые часто остаются в детали после ее изготов­ления (при гибке, штамповке, литье, механической обработке и т.д.).

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 дефек­там, которые обнаруживаются только спустя много времени уже при эксплуатации автомобиля.

Температурное расширение — это процесс увеличения линей­ных и объемных размеров конструкционных материалов при по­вышении 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 темпе­ратуры. Следует учитывать изменение зазоров в сопряжениях дета­лей автомобиля при их нагреве, так как при перегреве может про­исходить 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 про­пуска масла, снимаемого маслосъемным кольцом. Поверхность разрушения имеет характерные забоины, возникшие при ударах движущегося поршня о свою оторванную часть. При этом оторванная головка поршня ударами о поршень, головку блока ци­линдра и его стенки может быть

деформирована до формы комка (рис. 1.21).

Специфическим вариантом температурного расширения явля­ется фрикционное растрескивание. Это явление обычно наблюдает­ся 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 следую­щим 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, вслед­ствие этого металл расширяется и вдвигается в податливую плас­тичную зону, поскольку холодная зона оказывает большое сопро­тивление сдвигам. После завершения трения пластичные зоны застывают, а остывающий металл нагретых зон сжимается, но поскольку застывшая пластичная зона не позволяет ему свободно занять свое прошлое пространство, в поверхности детали образуются растягивающие напряжения. С течением времени напряжения достигают значительных величин и, если металл хрупкий (не обладает текучестью),

Рис. 1.22. Фрикционное растрескивание нажимного диска сцепления

то при напряже­ниях, превышающих предел прочности (т.е. при σ ≥ σ _в) на поверх­ности 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 мо­гут возникать большие растягивающие напряжения, которые впос­ледствии могут привести к раннему образованию усталостных тре­щин.

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», т.е. шлифовать с малой подачей или применять осо­бый технологический процесс — суперфиниширование.

Облитерация — это процесс наращивания на поверхность де­тали частиц среды, в которой находится деталь. При этом меня­ются размеры и форма контуров детали, что сказывается на про­цессах взаимодействия детали с окружающей средой.

На рис. 1.24 показаны клапаны газораспределительного меха­низма 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). Естествен­но, что такая форма клапана влияет на протекание потоков газа при впуске горючей смеси, при этом могут возникать особые тур­булентности, увеличиваться газодинамические сопротивления и ухудшаться наполняемость цилиндра горючей смесью.

Облитерации могут подвергаться топливные жиклеры, трубо­проводы, масляные и топливные каналы в деталях соответствую­щих систем двигателя, полости, через которые циркулирует жидкость в системе охлаждения, и т.п. При этом меняются режимы работы автомобиля и его эксплуатационные характеристики. В оп­ределенных условиях может происходить естественным образом самоочищение деталей, при этом отказы и неисправности будут самоустраняться, т.е. проявляться как сбои в работе.

Износ — это процесс изменения геометрии деталей вследствие трения. Трение и износ не являются до конца изученными явле­ниями, поэтому для их объяснения используют различные виды классификаций по внешним признакам. Различают трение каче­ния, скольжения, верчения, сухое, граничное, жидкостное, с контактом по плоскости, линии, точке. Для описания износов часто используют такую классификацию [30]:

износ первого рода — адгезионный (молекулярно-механиче-ский);

износ второго рода — тепловой, задир;

окислительный износ;

усталостный износ — питтинг;

абразивный износ;

фреттинг-коррозия;

эрозия.

Рассмотрим подробнее особенности этих видов износа.

Износ первого рода — это молекулярно-механическое взаимо­действие трущихся поверхностей, когда контакт происходит по вершинам микровыступов при очень больших удельных давлени­ях. Микровыступы слипаются (свариваются), и при смещении поверхностей «сваренные мостики» разрушаются, вновь образу­ются и т.д. Продукты разрушенных мостиков (по аналогии с кон­тактной сваркой — брызги из-под электродов) выносятся из зоны трения, что меняет геометрию детали. Интенсивность такого из­носа низкая (нормальная), поверхность получается гладкой, блестящей.

Рис. 1.25. Ось дифференциала, разрушенная задиром в сопряжении с сателлитом.

Следует отметить, что профиль поверхности трения не воспроизводится ни при каком виде механической обработки.

Износ второго рода {тепловой износ, задир) — это процесс сва­ривания больших участков трущихся поверхностей, сопровожда­ющийся наволакиванием металла, образованием рисок. Такой из­нос наблюдается при ненормальных условиях трения: больших давлениях и скоростях скольжения, повышенной температуре. Ин­тенсивность 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. 1.26 и 1.27 показаны коленчатый вал и вкладыш подшипника со следами за­дира 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 осе­вого зазора и заклинивание шариков при малом угле сферической поверхности наружной обоймы).

Окислительный износ — это процесс образования на поверхно­сти трения окисных пленок, более твердых и хрупких, чем основ­ной металл. Такая пленка на относительно мягкой подложке под действием нагрузок в зоне контакта трущихся тел то разрушается, то вновь образуется и т.д. Окислы выбрасываются из зоны трения, геометрия детали меняется по аналогии с тем, как колеса автомо­биля выбрасывают замерзающие на луже льдинки, и образуется колея. Интенсивность окислительного износа низкая (нормальная), поверхность трения гладкая, блестящая.

Усталостный износ (питтинг) — это процесс образования в поверхностном слое детали, испытывающей циклические нагруз­ки, усталостных трещин, которые, замыкаясь, приводят к отше­лушиванию поверхностного слоя. Питтинг обычно наблюдается в подшипниках качения (рис. 1.30, 1.31, 1.32, 1.33) и на поверхно­сти зубьев шестерен (рис. 1.34).

Низкая долговечность подшипников качения по выкрошива-нию поверхностей трения может быть обусловлена рядом причин. Первой причиной могут быть ошибки конструктора при выборе размера подшипника. Нарушение посадок обойм подшипника (вра­щающихся и стоящих) также может быть причиной ускоренного питтинга.

При работе подшипника только часть стоящей обоймы вос­принимает нагрузку, где и будет происходить накопление устало­стных повреждений. Поэтому стоящую обойму следует устанавли­вать по скользящей или переходной посадке, которая позволит ей эпизодически при возникающих перегрузках проворачиваться и вводить в работу те участки обоймы, в которых усталостные тре­щины еще не возникли. Вращающуюся обойму устанавливают по тугой посадке, поскольку при работе подшипника нагрузку вос­принимает вся рабочая поверхность обоймы.

Дополнительной причиной интенсивного питтинга может слу­жить неправильная сборка подшипникового узла. На рис. 1.31 по­казана обойма радиально-упорного подшипника, который при сборке был «перетянут», т.е. в подшипнике при отсутствии осево­го зазора действовала большая осевая сила, возникшая при не­правильной регулировке. В этих условиях конический подшипник работал как упорный. Вследствие этого выкрашивание наблюда­ется равномерно по всей поверхности обоймы в виде мелких то­чек.

Следует иметь в виду, что при длительной работе подшипника запиттингованная поверхность может подвергаться повторному износу, и при этом выравниваться, как это показано на рис. 1.32.

Выкрашивание может наблюдаться и на роликах или шари­ках подшипников — раньше на тех, которые в пределах допус­ка 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, т. е. усталостное отшелушивание поверхностного слоя, может провоцировать растрескивание обой­мы подшипника качения или тел качения. На рис. 1.35 показан шарик однорядного подшипника, расчлененный усталостной тре­щиной на две части. Трещина прошла через зону наиболее интен­сивного выкрашивания, которая при длительной работе подшип­ника подверглась вторичному износу, т.е. начала заглаживаться.

Абразивный износ — это процесс износа при попадании в зону трения посторонних частиц с размерами, превосходящими тол­щину масляного слоя между трущимися поверхностями. В зависи­мости от соотношения твердости металла Н_м и твердости абразива Н_а абразивный износ проявляется в виде микрорезания или в виде интенсивного питтинга (рис. 1.36).

Скорость абразивного износа τ_а пропорциональна концентра­ции абразива:

τ_а = τ₀ + τ_1ау,

где τ₀ — скорость износа на чистом масле; τ_1а — скорость абразив­ного износа при единичной концентрации; у — концентрация абразива в процентах.

Попадая в зону трения, абразивные зерна дробятся, что сни­жает их агрессивность, поэтому при разовом загрязнении масла в агрегате скорость износа деталей от времени работы уменьшается

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 аб­разива в масло, иначе заливаемое масло может оказаться для аг­регата хуже, чем заменяемое. То же самое можно отнести и к кон­систентным смазкам (если пресс-масленку не очищать тщательно от грязи, то лучше не шприцевать вообще).

Фреттинг-коррозия — это разновидность окислительного из­носа, наблюдающаяся в подшипниках и прессовых посадках, ког­да поверхности совершают колебательные движения с амплиту­дой до 0,025 мм. В этом случае под шариками или роликами обра­зуются лунки (ложное бринеллирование), а на поверхности валов и ступиц — язвы. Если зона контакта хорошо смазана, то поверх­ности 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 роли­ков игольчатого подшипника. При работе карданной передачи части карданного вала образуют угол не более 6°. Ролики покачиваются на месте и дробят окисные пленки,

которые образуются в зоне контакта с цапфой. Со временем в этом месте возникает лунка.

Фреттинг-коррозия наблюдается и на торцах цапф, контакти­рующих 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 рабо­тает как вал, запрессованный в отверстие.

Как видно из рис. 1.41, фреттинг-коррозия создает специфи­ческую поверхность деталей в прессовых посадках.

Наиболее эффективным методом борьбы с фреттинг-коррозией является исключение условий для возникновения колебаний в зоне контакта деталей. Это может быть достигнуто уменьшением из-гибных и крутильных колебаний деталей, созданием оптимально­го натяга в прессовых посадках. Следует учитывать, что продукты износа (окислы) имеют больший объем, чем объем окисленного металла. Поэтому может наблюдаться самоустраняющийся фреттинг в прессовых посадках за счет того, что по мере работы со­пряжения натяг будет увеличиваться, и раскачивания в сопряже­нии могут уменьшаться.

Сложная взаимосвязь физико-химических процессов при фреттинг-коррозии, а также влияние большого числа факторов, опре­деляющих активность этих процессов в каждом конкретном слу­чае, затрудняет разработку универсальных методов защиты от фреттинг- коррозии.

Эрозия — процесс изменения геометрии детали под действием струй жидкости или газа. Интенсивность эрозии зависит от агрес­сивности среды, характерным является наличие латентного (скры­того) 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 газораспре­делительного механизма (рис. 1.43), жиклеры карбюратора, дета­ли амортизаторов.

Следует подчеркнуть, что используемое на практике понятие «прогар клапана» не является обоснованным, поскольку горение происходит при температуре выше температуры плавления ме­талла, а на тарелке клапана обычно не наблюдается следов оплав­ленности. Эрозионное разрушение тарелки больше похоже на скол ее части.

Наиболее сложным во внешних проявлениях является эрозионно-механический износ, когда в износе одновременно участву­ют струи жидкости или газа и механическое истирание.

На рис. 1.44 показано кольцо торцового уплотнения коробки передач с гидроуправляемыми фрикционами. Конструкция торцового уплотнения выполнена таким образом, что стоящее кольцо с уплотнительной 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 не­плоскостность рабочей поверхности превышает 0,004 мм. Объяс­нением данного явления может служить эрозионный износ, воз­никающий при протекании масла (рабочее давление масла со­ставляет 1 МПа) 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 след­ствием механического истирания.

Рис. 1.43. Эрозия клапана двигателя внут­реннего сгорания

Эрозионно-механический износ в автомобиле наблюдается в плунжерных парах топливной системы дизелей, амортизаторах и других подобным образом работающих сопряжениях.

Износ электрических контактов — это результат процессов ме­ханического взаимодействия контактирующих тел при протека­нии электрического тока через зону их контакта. Электрические

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 особенно­стью, что рабочие нагрузки таких контактов обычно невелики. Механический износ разрывных контактов вполне естественно носит усталостный характер, поскольку они испытывают цикли­ческую нагрузку.

Электрическое изнашивание контактов проявляется в следую­щих видах: перенос ионов материала одного элемента на другой; электрический пробой окисных пленок на поверхностях, приво­дящий к увеличению сил молекулярного сцепления между чис­тыми металлами и глубинному вырыванию; искрение и дугообразование, приводящее к выделению большой энергии в зазоре между контактами и разбрызгиванию или испарению металла, что со­провождается 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 ге­нераторе щетки разной полярности скользят по разным кольцам. При прохождении тока от щетки к кольцу (анодно-поляризованная щетка) коэффициент трения в контакте меньше, чем для катодно-поляризованной щетки. Увеличение плотности тока в кон­такте (А/см²) всегда снижает коэффициент трения анодно-поляризованной щетки, для катодно-поляризованной щетки эта зави­симость более сложная и связана с материалом щетки и коллектора.

В общей величине износа скользящих контактов вклад элект­рического (эрозионного) износа составляет 30...50%, в зависи­мости от полярности щеток [30]. Скорость износа анодно-поляри-зованной щетки обычно больше скорости износа катодно-поля­ризованной щетки. Следует, однако, учитывать, что на скорость износа влияет не только полярность, но и режим разряда в кон­такте. При малом токе и тлеющем разряде износ катода больше износа анода; при увеличении тока и возникновении искрового разряда существенно возрастает износ анода; при дуговом разря­де опять становится больше износ катода. Часто электрический износ сопровождается переносом материала с одного контакта на другой, как это происходит на контактах автомобильного преры­вателя-распределителя (плоскостность контактов нарушается: на одном контакте образуется бугорок, а на другом впадина). Трение щеток по благородным металлам дает примерно одинаковый из­нос анода и катода.

На трение и износ электрических контактов существенное вли­яние оказывают примеси в материале контактов и окружающей 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 мате­риалов однозначной связи нет;

зависимость интенсивности изнашивания от режимов трения для разных материалов различна.

Последняя из указанных закономерностей имеет большое зна­чение 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 материа­лов может быть иным, чем при нормальных режимах трения дета­лей в условиях реальной эксплуатации автомобиля. Например, фторопласт-4 при малых нагрузках имеет лучшие противоизносные свойства, чем бронза. Однако при больших нагрузках противоизносные свойства бронзы лучше, чем фторопласта-4.

Возможные зависимости интенсивности износа деталей, вы­полненных из разных материалов или имеющие разные покры­тия, от режимов трения показаны на рис. 1.45.

По результатам ускоренных испытаний следует признать наи­более износостойким материал 3, а при условиях трения в режи­ме нормальной эксплуатации лучшим будет материал 2. В то же время некоторый материал 1 может оставаться худшим по изно­состойкости, как в условиях ускоренных испытаний, так и при нормальных режимах трения. Таким образом, переносить резуль­таты ускоренных испытаний износостойкости деталей на реаль­ные условия работы автомобилей весьма проблематично.

Особым этапом в процессе трения сопряженных поверхностей является период приработки, когда поверхности деталей, образо­ванные при их изготовлении, приобретают особую микрогеомет­рию, характерную для данных условий трения. В период приработ­ки (обкатки) режимы трения должны быть щадящими, что ис­ключает условия высокой интенсивности изнашивания и повы­шает общую долговечность деталей.

Следует иметь в виду, что обкатка имеет значение не только для трущихся деталей, но и деталей, подверженных усталостным разрушениям. Начиная работу с малыми амплитудами цикличес­ких нагрузок и перерывами «для отдыха» детали проходят этап «тренировки», что существенно повышает их долговечность при последующей работе.

В настоящее время существуют перспективы создания условий для безызносного трения материалов за счет эффекта избиратель­ного переноса активных атомов меди (открытие Д.Н. Гаркунова). Эффект достаточно хорошо проявляется при трении материалов в среде тяжелых спиртов и в хладонах. Ведутся разработки металло-плакирующих смазок и присадок в масла.

Перспективными являются разработки присадок с керамичес­кими составляющими, которые высаживаются на поверхностях трения и за счет своей высокой износостойкости и термостойко­сти хорошо защищают трущиеся поверхности даже в условиях недостатка масла.

Дата добавления: 2014-12-10