Закономірності зношування деталей механізмів та систем АТЗ

Незважаючи на сучасні технології в інженерії поверхонь спряжень деталей машин, вони, однак, будуть зношуватися, хоча з меншою інтенсивністю й будуть довговічнішими. Тому задачі та проблеми ТЕА як існували, так існуватимуть й розв'язуватимуться з аналогічними до сучасних підходами та критеріями. Отже, для доброї підготовки інженера автомобільного транспорту важливим є вивчення основних закономірностей зношування деталей, механізмів та систем АТЗ. Зупинимося на основних з них, зокрема у двигунах та трансмісії автомобіля.

Закономірності зношування деталей двигунів. Деталі циліндро-поршневої групи (гільзи, і кільця та поршень) працюють в умовах значних змінних навантажень, температур, хімічно-активного середовища, високих швидкостей переміщень. Для їх взаємодії характерним є переважно граничне тертя у середовищі абразиву та корозійно активних речовин. Зношення дзеркала циліндрів є результатом механічного виду зношування з різновидами абразивним, молекулярно-механічним та корозійно-механічним.

Абразивне зношування є причиною попадання у камеру згоряння разом із повітрям дрібних часток пилу, не вловлених повітряним фільтром. Фрикційну основу його становить (60-80%) оксид кремнію (ЗіОг), твердість якого більша, ніж сталь чи чавун. Крім абразиву, між поверхні тертя потрапляють і продукти металів. Відомо, що абразивне зношування приводить до рівномірного зносу дзеркала циліндра по його довжині. Однак, якщо олива очищається неякісно, абразивний знос може спотворити геометрію циліндра у бочкоподібну форму.

Крім зношування за довжиною циліндра, дзеркало його зношується нерівномірно і у поперечнику, як правило, геометрія спотворюється до еліпсоїдної. Причому велика вісь еліпса перпендикулярна до осі поршневого пальця. Такий характер зумовлений дією бокової складової сили від реакції на силу тиску паливної суміші під час її займання. Підвищений тиск згоряння суміші, її температура сприяють видаленню оливної плівки, зменшенню її товщини. Останнє зумовлює підвищення інтенсивності зношування.

Щодо особливостей корозійно-механічного та молекулярно-механічного зношування дзеркала циліндрів. Перше виникає внаслідок утворення окислів під час згоряння паливної суміші. Серед них - високоактивний сірчаний ангідрид ЗіОг в результаті неповного згоряння сірки, яка міститься у паливі. Характер зносу за довжиною циліндра - конусоподібний з більшою основою у верхній частині і меншою - у нижній. Причиною цьому - активніші хіміко-механічні і термічні процеси поблизу верхньої мертвої токи. Там, як відомо, виділяється близько 75% теплової енергії у робочому циклі. Підвищена температура призводить до вигоряння на стінках оливи; вона розріджується неповністю згорілим паливом. Усе це разом призводить також до послаблення зв'язків між зернами металу, що зумовлює так звану міжкристалічну корозію. Остання є основним чинником молекулярномеханічного зношування. Як наслідок може спостерігатися виривання з поверхні дзеркала циліндра мікроскопічних часточок. Схематично особливості вищеописаних різновидів зносів мають такий вигляд (рис. 1.3).

Результати спеціальних досліджень зносостійкості дзеркала циліндрів та поршневих кілець показують, що дзеркало у різних перерізах зношується нерівномірно: найбільший знос є у зоні роботи першого компресійного кільця (рис. 1.4). Хоча професор Кугель Р.В. дослідив, що залежно від виду зношування форма зношування дзеркала може бути різною (рис. 1.4-ІІ). Епюра зносу І характерна для помірного абразивного зносу за умови нормативного теплового режиму роботи двигуна, очищеної оливи, доброго фільтрування повітря.

Рис. 1.3 Характерні зношування дзеркала циліндрів двигуна

Рис. 1.4 Епюри зношення робочих поверхонь гільз циліндрів

Епюра II - переважне абразивне зношування середньої частини циліндра (добрий тепловий режим роботи однак забруднена олива). Епюра III - різко виражений знос верхньої частини циліндра при ненормативному тепловому режимі роботи двигуна, недостатнього змащування дзеркала, попадання пилу через фільтр. Епюра ІУ - ерозійні процеси поширилися на більшу частину довжини циліндра за рахунок продовження експлуатації двигуна у режимах і умовах Ш-ї епюри. Еліпсоїдний характер зносу циліндра, зумовлений дією бокової складової сили тиску газів посилюється змиванням мастильного матеріалу з боку впорскування палива та неоднаковою інтенсивністю охолодження (рис. 1.4- Ш, ІУ ).

Особливості зношування поршнів характеризуються зношуванням канавок під кільця, отворів під поршневі пальці, зношування самих кілець. Поршневі канавки зношуються в основному по торцях. Найінтенсивніше цей процес проходить у верхніх канавках компресійних кілець. Там розвивається температура нагріву цих деталей у межах 225-275°С, а це сприяє молекулярно-механічному та корозійно-механічному зношуванню канавок поршня. Такого ж виду зношування піддаються поверхні у бобишках поршня, які спрягаються з пальцями, однак ці процеси інтенсифікуються не за рахунок температури, а значних знакоперемінних навантажень.

Поршневі кільця зношуються такими ж видами як і вищеаналізовані деталі. Однак найбільш інтенсивно два верхні компресійні як такі, що найбільш механічно і термічно навантажені. Вони зношуються як по торцевих, так і зовнішніх (робочих) поверхнях в результаті взаємодії відповідно з канавками поршня і дзеркалом циліндра. Крім цього, кільце втрачає первинну (номінальну) пружність і в результаті зростає зазор у замку кілець.

Серед деталей кривошипно-шатунного механізму, які визначають міжремонтне напрацювання ДВЗ, і робочі поверхні яких піддаються механічному (абразивному), молекулярно-механічному та корозійно-механічному зношуванню, належать колінчастий вал та підшипники його корінних і шатунних шийок, числові значення зносостійкості їх шийок наведено в табл. 1.1. Вони працюють у важких умовах та режимах динамічних навантажень, які призводять до поверхневих руйнувань внаслідок пластичних деформацій матеріалу підшипника. Шийки колінчастого валу зношуються нерівномірно, набуваючи з часом еліптичності у поперечнику ті конусності за їх довжиною. Такі відхилення від циліндричності шийок (шатунних зокрема) зумовлені характером їх силових навантажень - силами інерції та складової сил дії згоряння паливної суміші, яка передається через шатун.

Ця сила, у зв'язку з конструкцією шатуна, діє на шийку нерівномірно за довжиною її. Крім цього, продукти зношування, які відкладаються у порожнинах шатунних шийок, збільшують інерційні навантаження на їх вкладиші. Останні сприяють інтенсифікації знотування цього спряження. З метою встановлення, при якому технічному стані шатунної шийки вала заміна шатунних вкладишів недоцільна, необхідно знати стан шийок, залежно від пробігу автомобіля (знос, зміна геометричної форми шийки). Досліджено, що залежність конусності та еліптичності шийок, їх знос від пробігу автомобіля описується степеневою функцією.

Отже, під час зношування вкладишів і шийок спостерігається ріст зазору між ними. Крім цього, поступово втрачаються антифрикційні властивості матеріалу вкладишів через їх знос і накопичення у них (вони м'якіші від матеріалу шийок) абразивних частинок та продуктів зносу. Сукупна дія росту зазору та зміни фізико-механічних властивостей поверхонь підшипників призводить до прискореного (передаварійного) зносу останніх. Це стається в інтервалі пробігу АТЗ 1800250 км.

Наслідками значних зношувань цих спряжень КШМ є зростання динамічних навантажень, росту зазорів у них, посилення вібрацій вала, підвищення температури у зоні тертя, виникнення задирів, локальних оплавлень антифрикційного шару.

Якщо брати до уваги особливості зношування деталей ЦПГ та КШМ, то можна узагальнити негативний вплив його в цілому на роботу ДВЗ. Зокрема, за рахунок зношування деталей ЦПГ знижується потужність двигуна з причини падіння ефективного тиску через втрату герметичності; зростає токсичність відпрацьованих газів з причини порушення процесу згоряння; підвищується витрата палива та моторної оливи внаслідок вигоряння останньої через прорив газів у картер; з'являються перебої у роботі окремих циліндрів через закидання електродів свічок оливою і утворення нагару на їх поверхнях.

З метою зменшення ступеня описаного негативного впливу на робочі процеси у двигунах моторні оливи, крім змащувальних властивостей володіють й іншими. Серед них, в'язкісні, миючі та протикорозійні властивості. До них належать також чистота оливи, яка оцінюється відсутністю механічних домішок та води. Високим рівнем цих експлуатаційних властивостей володіють такі марки мінеральних олив: М-8Б, М-8В|, М21Гі, М-6₃/10Гі та інші. Зараз широко використовуються закордонні синтетичні моторні оливи, які мають значно вищі, ніж вітчизняні показники експлуатаційних властивостей. Наприклад, німецького виробництва фірми " ЛІкві-Молі", пробіг автомобілів з якими сягає до 60 тис. км. У їх основі антифрикційні присадки на основі молібдену, зокрема сірчистий молібден (Мо5), який додають до оливи марки 10Ж40, яку випускає фірма " Лікві-Молі".

Останнім часом з'явилися універсальні синтетичні оливи " Епегу Кеіеазе" - ЕК американського виробництва (переклад " Вивільнення енергії"), які можна застосовувати як для карбюраторних, так і дизельних двигунів. Переваги їх над іншими полягають в тому, що присадки, які є у їх складі уможливлюють експлуатацію двигунів без заміни оливи до 400 тис. км, підвищення їх компресії, зниження шумності роботи, полегшення запуску двигунів в холодну пору року). їх можна застосовувати й для змащування будь-яких пар тертя (коробки передач, ведучі мости, роздавальні коробки компресори тощо).

Важливим експлуатаційним показником оливи є її в'язкість. Вона у значній мірі залежить від температури. Підвищення робочої температури двигуна призводить до зниження в'язкості оливи і як результат рідинне тертя може перейти у граничне. Занадто низької температури в'язкість оливи зростає і в результаті збільшується опір рухові масляного потоку, зростають сили тертя, погіршується її прокачуваність і фільтрація. Щодо цих залежностей є такі результати спеціальних досліджень.

Від температури оливи залежить коефіцієнт тертя у спряженні. При температурі 20°С він мінімальний (0, 08); з ростом її до 150°С, коефіцієнт тертя повільно зростає до 0, 1 і при терті 160°С він різко збільшується (рис. 1.5).

Рис. 1.5 Вплив температури оливи на коефіцієнт тертя

Причиною цьому є втрата динамічної в'язкості оливи і як результат - погіршення умов тертя, різкий ріст коефіцієнта тертя за рахунок переходу його в режим граничного тертя. У загальному випадку для будь-яких марок мінеральних олив підвищення температури зумовлює зниження їх в'язкості. Ця властивість зображується так званою в'язкіснотемпературною характеристикою олив (рис. 1.6).

Із наведеної характеристики видно, що перший вид оливи найбільш стабільний, бо зміна в'язкості у допустимих межах відбувається у максимальному діапазоні змін температур. Такі оливи належать до всесезонних. Додавання до них спеціальних присадок зменшують інтенсивність зношування пар тертя у 1, 5-2, 5 рази в основному за рахунок підвищення миючих, проти корозійних властивостей, стабілізації в'язкості.

З урахуванням наведених якісних та числових характеристик моторних олив існують як державні, так і міжнародні стандарти їх класифікації, показники яких уведені в маркування. За маркою оливи можна " перечитати" її характеристику і грамотно підібрати до відповідного двигуна (бензинового, дизельного) автомобіля (легкового, вантажного), який використовується у відповідних категоріях умов експлуатації та природнокліматичних зонах. Так, за експлуатаційними властивостями вітчизняні моторні оливи поділені, згідно із чинним в Україні стандартом 17479.1-85, на 6 груп (табл.1.2).

Класифікацію олив закордонних виготівників наводять, як правило, за визначенням Американського інституту нафти (АРІ) та Асоціації європейських виготівників автомобілів (АСЕА) (рис. 1.7). Відповідність у класифікаціях вітчизняних та закордонних моторних олив ілюструє табл. 1.3.

У газорозподільних механізмах ДВЗ найбільшому зносу піддаються розподільчі вали, клапани, гнізда клапанів, пружини, коромисла, напрямні втулки. Зношення цих деталей викликає погіршення роботи двигуна, зниження ефективної потужності за рахунок втрати компресії через нещільності у парах " клапан-гніздо", появу додаткових шумів і стукотів.

Рис. 1.6 В'язкісно-температурна характеристика моторних олив: 1 – олива із стабільною характеристикою; 2 – середнє значення характеристики; 3 – із нестабільною характеристикою

Клапани циліндрів працюють в умовах високих силових навантажень, температур та корозійно активного середовища. Це призводить до зношування робочих фасок газовою ерозією, жолоблення тарілок, утворення на них шару нагару. Зношується (окислювальний та абразивний різновиди зношування) і стержень клапана, торець його від взаємодії з бойком коромисла чи штовхачем.

У розподільчого вала таким же різновидом зношування стираються опорні шийки та кулачки, ексцентрик приводу бензонасоса, шестерня приводу розподільника. Зношення кулачка по висоті викликає зміну і його профілю, а це призводить до виникнення додаткових прискорень у посадці клапана у гніздо. Посадка перетворюється фактично в удари, стукоти.

Зміна профілю кулачків вала у бік зменшення периметрів їх поверхонь та висоти Н впливає безпосередньо на такий технічний параметр як час відкриття клапана

На працездатність двигуна і технічний стан деталей системи живлення мають істотний вплив якісні показники палива, які оцінюються як хімічним, так і агрегатним складами паливної суміші. Наприклад, для бензинових двигунів встановлена прямолінійна прямопропорційна залежність смолянистих відкладень в карбюраторах і трубопроводах від вмісту смол у бензині (рис. 1.8).

Таблиця 1.2 Групи моторних олив за призначенням та експлуатаційними

Таблиця 1.3 Відповідність класифікацій моторних олив за експлуатаційними властивостями

Рис. 1.7 Класифікація моторних олив за визначенням API та ACEA

Рис. 1.8 Залежність кількості смолянистих відкладень (m) у впускній системі двигуна від вмісту смол (c) у бензині

Ці відкладення порушують нормативну подачу бензину чи суміші, сприяють нагароутворенню на стінках клапанів, днищах поршнів. Збільшений вміст смол знижує октанове число бензину, підвищує його кислотність, викликаючи ерозію металів, особливо під час зберігання бензину, утворенню смол у бензині сприяють вміст у ньому нестійких вуглеводів, які у сполуці з повітрям власне утворюють смоли. Чим триваліше зберігання бензину, тим інтенсивніше смолоутворення та окислотнення його. Ця інтенсивність посилюється, крім усього, підвищенням температури зберігання, освітленням його, наявністю в резервуарі води, міді та свинцю, сірчистих з'єднань.

З метою підвищення детонаційної стійкості до бензинів додають, як відомо, високооктанові компоненти або присадкові антидетонатори. Перші, склад яких бензол, ізооктан, ізопентан, продукти каталітичного крекінгу, реформінгу, гідрогенізації, добавляються у значних кількостях, а другі, які підвищують октанове число у більшій мірі - добавляють у частках відсотка. Серед антидетонаторів автомобільних бензинів найбільш поширені етилова рідина марки 3-9 та, так звана, автомобільна рідина. Рідина З-9 містить у своєму складі: антидетонатор - тетраетил свинець (ТЕС) - РЬ(С₂Н₅)₄ -54%; виносник - бромистий етил ВгС₂Н₅ - 33%; а - монохлор-нафталін С₁₀Н₁СІ - 6, 3-7, 3%; наповнювач (бензин Б-70) - 5, 7-6, 7%; антиокислювач - 0, 02-0, 03%; фарбник.

До речі, ТЕС відкритий у 1921 році і з 1923 р. застосовується як антидетонатор при виготовленні автомобільних бензинів. Сірка, яка є у бензині, знижує ефективність ТЕС. Вона утворює із свинцем сульфід, який не бере участі у реакції з перекисами. Крім цього, сірка сприяє зниженню концентрації ТЕС під час зберігання бензину за рахунок утворення сірчистих з'єднань свинцю, які випадають в осад у вигляді пластівців.

Етилований бензин під час згоряння виділяє свинець з його окису, який виводиться із камери згоряння.

Сірка у складі бензину, звичайно, небажана, оскільки сприяє інтенсифікації зношувань деталей ЦПГ і ГРМ, знижує антидетонаційну стійкість, сприяє осмоленню бензину, нагароутворенню і сприяє старінню оливи.

Відомо, що значне накопичення смол у паливі призводить до зменшення поперечників трубопроводів, жиклерів, а це знижує потужність і економічність двигуна. Крім цього, під впливом підвищених температур смоли поступово перетворюються на штоках клапанів і електродах свічок у густі важкорозчинні високомолекулярні сполуки, які зумовлюють зависання клапанів і розжарювальне запалювання суміші. Останньому сприяють утворення нагару на днищі поршня, у камері згоряння, зменшуючи її об'єм. В результаті виникає явище детонації, прискорюючи зношення деталей ЦПГ та КШМ. Розжарювальне запалення можна виявити, вимкнувши систему запалення. Якщо двигун продовжує працювати, загоряння суміші відбувається не за рахунок іскри, а від перегрітого нагару.

Крім впливу на зношення процентного співвідношення між паливом і повітрям у паливній суміші, істотний вплив має якість цього повітря, зокрема його запиленість. Чим більша запиленість тим більша швидкість зношування компресійних кілець, тим більша інтенсивність забруднення продуктами зносу картерної оливи.

Очевидно, що на запиленість повітря, яке потрапляє з паливною сумішшю у циліндр, впливає якість його очищення у фільтрах.

Зношування деталей і приладів системи охолодження ДВЗ проявляється через погіршення температурного режиму їх роботи, навіть за номінальних навантажень. Причинами цього можуть бути порушення герметичності сорочки охолодження, радіатора, патрубків через утворення тріщин у головці чи блоці циліндрів, нещільності з'єднань патрубків, прокладки головки блока, втрату герметичності бачків. Як результат зниження рівня охолоджувальної рідини. Причинами можуть бути кавітація стінок циліндрів, робочого колеса, утворення накипу у сорочці охолодження, а також гідроабразивне зношування через потрапляння в систему продуктів зношування та корозії деталей (підшипників насоса). Має місце також газоабразивне зношування деталей вентилятора (лопаток, шківів).

Технічний стан системи охолодження у найбільшій мірі зумовлюється втратою експлуатаційних властивостей робочого тіла, тобто охолоджувальної рідини. Різні види цієї рідини (вода, антифризи) самі по собі мають різні номінальні значення показників цих властивостей. Але спочатку про вплив температурного режиму на зношування деталей ДВЗ.

Найчастіше причинами виходу з ладу деталей ЦПГ двигунів є порушення теплового режиму. Встановлено, що окремі ділянки поршня та головки блока циліндрів можуть нагріватися до 300 °С і вище. Одночасно відомо, що межа міцності цих металів на розрив починає різко падати уже при 150°С. Крім цього, така температура призводить до швидкого пригоряння кілець до канавок, а також інтенсифікації окислювальних процесів в оливі та нагароутворенню, проходить закоксовування розпилювачів форсунок. Перегрівання двигуна понижує в'язкість оливи, викликає зрив масляної плівки, а це призводить до інтенсифікації зношування і деформування деталей. Встановлено, що температурний режим роботи двигуна, який оцінюють температурою охолоджувальної рідини, повинен бути у межах 70-90 °С. Такі межі забезпечують мінімум зносу (в %) деталей двигуна (рис. 1.9).

Відомо, що найбільш розповсюдженими антифризами для систем охолодження ДВЗ АТЗ вважаються етиленгліколеві марок 65 та 40, антифризи " Тосол-40, 60" (цифри вказують на температуру замерзання). При замерзанні антифризи перетворюються на пухку масу, яка збільшенням свого об'єму не може руйнувати деталей сорочки охолодження (це позитивна властивість рідини). Однак є й негативна - високий коефіцієнт об'ємного розширення під час нагрівання вище 100 °С (на 5-8 %), ціноутворення при попаданні у сорочку нафтопродуктів, токсичність.

Природна вода також вважається ефективним робочим тілом системи охолодження. Однак вона містить значну частку солей кальцію та магнію, які при високих температурах відкладаються на стінках сорочки яки накип. Уміст цих солей визначає так звану жорсткість води. Цю властивість оцінюють міліграм-еквівалентами Са або М§, які містять віл води: 1 мг-екв/л означає, що віл води є 20, 4 мг Са або 12, 16 мг М§. Якщо жорсткість води менша 3, 0 мг-екв/л, то її вважають м'якою, до 6, 0 мг-екв/л - середньої жорсткості, більшою 6, 0 мг-екв/л - жорсткою.

Рис. 1.9 Залежність зносу деталей двигуна від температури охолоджувальної рідини.

Власне жорстка вода спричинює швидке відкладання солей як накипу на стінках й погіршує їх теплопровідність. Накип відіграє роль теплоізолятора. В результаті спостерігається швидкий перегрів двигуна, прискорене зношування його деталей, зниження ефективної потужності. Спеціальні дослідження показують, що, якщо використовувати протягом року воду середньої жорсткості, то за цей період у системі охолодження відкладається до 400 г накипу. А це знижує потужність двигуна на 4 - 5%.

Усі наведені особливості експлуатації та зношування деталей ДВЗ беруться до уваги при обґрунтуванні технології профілактичних ТО і ремонту їх й передбачають з метою відновлення параметрів виконання відповідних операцій.

Закономірності зношування деталей кермового керування, трансмісії та ходової частини. У кермовому керуванні автомобіля зношуються деталі та спряження як механізму так приводу. Зокрема у механізмі зношуються поверхні деталей зачеплення черв'як-ролик. Вони піддаються окислювальному та корозійно-абразивному різновидові зношувань. Причиною цьому є вільний доступ в середину картера механізму повітря і окислювальної дії мастильного матеріалу, а також потрапляння туди через нещільності пороху з абразивними часточками, продуктів зношування цих поверхонь. У кермовому приводі усі шарнірні з'єднання зношуються абразивним різновидом, оскільки вони розміщені близько до поверхні дороги і не захищені особливо надійними герметиками від потрапляння порошкоподібного абразиву. Зношування деталей кермового механізму і його приводу призводить до погіршення важливої, з позиції безпеки руху, експлуатаційної властивості АТЗ - керованості. Це погіршення проявляється у збільшенні вільного ходу кермового колеса, вилянні передніх напрямних коліс, розре-гулювання сходження цих коліс. Останнє призводить до збільшення витрати палива, прикладання зусиль до кермового колеса, інтенсифікації зношування протектора напрямних коліс. Щодо порушень (за рахунок спрацювань деталей кермового приводу) сходження коліс і впливу його на інтенсивність зношування протектора шин, то встановлено наступне. Мінімальна інтенсивність зношування (І = 0, 16-0, 18 мм/1000 км) спостерігається за умови дотримання номінального значення сходження коліс (1, 5- 2, 5 мм) (рис. 1.10).

Рис. 1.10 Залежність інтенсивності зношування протектора шин напрямних коліс від їх сходження

Відхилення сходження у бік зменшення і у бік збільшення призводить до різкого прискорення інтенсивності зношування шин. Відомо, що зростання сходження коліс, наприклад, автомобілів АЗЛК, до 3-4 мм (норма 1, 5-2, 0 мм)" підвищує витрату палива на 11%.

Крім зношування поверхонь деталей кермового приводу і кермового механізму тертям, особливої уваги і розгляду заслуговують експлуатаційні руйнування поворотних кулаків. Ці деталі, як відомо, крім керованості АТЗ, забезпечують безпеку руху автомобілів. Очевидно, що йдеться про руйнування кулаків через втрату їх матеріалами втомної міцності. Технічний стан найбільш небезпечних (з позицій руйнування) місць кулаків (перехід від поверхні цапфи до важеля-галтель) можна визначити за методикою двохстадійного контролю за наявністю, місцем розташування і довжиною тріщин.

Крім поворотних кулаків, у передній осі зношуються підшипники та гнізда під зовнішні обойми в маточинах коліс. Зношуються втулки і робочі поверхні шворнів. Останні, оскільки зафіксовані від прокручування, мають односторонній знос. Може зношуватись через втрату натягу посадочний отвір балки передньої осі. Різновид зношування цих деталей - абразивне.

У незалежних підвісках автомобілів зношуються робочі поверхні пальців та втулок важелів, кульові опори. Останні, крім абразивного зношування, піддаються втомному руйнуванню, що призводить до раптової втрати працездатності АТЗ й, в окремих випадках, до серйозних ДТП. Втомному зношуванню і руйнуванню піддаються також і пружинні та листові ресори підвісок. У залежних ресорних підвісках, крім ресорних пальців зношуються і руйнуються самі ресорні листи. Очевидно, що різні листи ресор працюють у різних умовах і режимах навантаження і тому, найскоріше виходять з ладу найбільш навантажені, тобто корінні листи, які призводять до втрати працездатності цілої ресори і автомобіля. Встановлено тісний зв'язок (коефіцієнт кореляції 0, 926) між ростом площі втомного руйнування листів прямокутного перетину і тривалістю експлуатації ресор.

Оскільки робочі поверхні пар тертя зчеплення та гальм аналогічні, утворені різнорідними матеріалами, зокрема неметалічними фрикційними та сталевими деталями, розглянемо особливості зношування їх сукупно. Ці деталі працюють в умовах і режимах сухого тертя, на які діють високі зовнішні питомі навантаження, зумовлені передачею значних крутних моментів (ведені диски зчеплень) та гальмових сил (барабанні та дискові гальма). Крім цього, на поверхнях цих деталей розвиваються високі локальні температури від виконання роботи тертя. Вони можуть сягати 350-450°С. Отже, тут мають місце складні явища, які характеризують молекулярно-механічне та абразивне зношування. Перший різновид зумовлений дією високих питомих тисків та локальних температур, які можуть призвести до водневого зношування (поверхневого окрихчення) різнорідних матеріалів деталей.

Наявність порохоподібного абразиву між поверхнями зумовлює інтенсифікацію абразивного зношування в умовах сухого тертя.

Сукупна дія обох різновидів зношування прискорює інтенсивність зношування цих пар тертя. Цьому сприяє наростання температури деталей зчеплення (до 150°С), особливо ріст її до 350-400°С на поверхнях фрикційних дисків. Отримано залежності інтенсивностей зношування фрикційних елементів зчеплення від температури їх поверхонь. Стійкішою виявилася накладка металокерамічна на сталевій основі за рахунок підвищеної теплопровідності, що зумовлює швидку теплопередачу (відведення тепла) на інші деталі зчеплення.

На довговічність фрикційних накладок зчеплення мають вплив дотримання номінальних зазорів, вправність водія при користуванні ним.

Очевидно, що ступінь зношеності фрикційних накладок зумовлює ріст зазорів між відповідними поверхнями, а це є причиною втрати працездатності відповідних агрегатів (зчеплення, гальмового механізму) або погіршення експлуатаційних властивостей АТЗ відповідно тягової та гальмової динамічності його. Зокрема призводить до зниження якості перемикання передач, буксування зчеплення, зростання гальмового шляху АТЗ, який погіршує безпеку руху. Відомо, наприклад, що зростання зазору між робочою поверхнею барабана та накладками колодок гальмової системи вантажного АТЗ середньої вантажності з 0, 5 мм (мінімальне значення) до 1, 0 мм збільшує гальмовий шлях його на 20%.

Втраті працездатності гальмового механізму сприяє, подібно як і ведених дисків зчеплення, температура нагріву накладок в результаті гальмування. Часте користування гальмами чи зменшений зазор між барабаном і накладкою можуть призвести до її інтенсивного зношування і руйнування. Температуру накладок гальмового механізму можна розглядати як функцію тривалості і періодичності увімкнення його. При підвищенні температури накладок до 700°С знижується коефіцієнт тертя (гальмовий шлях в результаті зростає) і зростає швидкість їх зношування за рахунок послаблення сили молекулярних зв'язків у поверхневих шарах накладок.

Серед ресурсних деталей агрегатів трансмісії автомобіля (коробки передач, роздавальної коробки, головної та кінцевих передач, диференціалів) є циліндричні та конічні шестерні, гладкі та шліцьові вали, підшипники. Вони працюють в умовах високих питомих навантажень й у режимах граничного тертя. Навантаження часто досягають 4000 і більше МПа (вантажні АТЗ середньої вантажності). Вони можуть бути і знакоперемінними. Різновидом зношування цих деталей є одночасної дії абразивне та молекулярно-механічне. Для шліцьових з'єднань карданних валів та валів КП додається ще і фретинг-корозія. При постійній дії на поверхні зубів шестерень та на бігові доріжки підшипників високих питомих навантажень починають розвиватися паталогічні триботехнічні явища, які називають пітингом. Власне постійна дія високих питомих тисків на ці поверхні зумовлює виділення із структури металу атомарного водню, який, окрихчує поверхневі шари і з часом з'являються сітки мікротріщин. В останні проникає мастильний матеріал, який вважається нестискуваним тілом, і просочується поміж ці мікротріщини, відіграючи роль гідравлічного клина. А це призводить до інтенсифікації розколювання поверхневих шарів і відлущування мікроскопічних часток матеріалу. З часом на поверхнях згадуваних деталей з'являються віспоподібні поверхневі вириви металу як результат зношування їх пітингом.

Шліцьові з'єднання у карданних передачах та валах коробок передач зношуються частково фретинг-корозією, оскільки у цих зачепленнях також діють високі питомі навантаження з доступом окислювального повітряного середовища з порохоподібним абразивом й такий важливий чинник як відносні незначні поздовжні взаємні (карданні вали) переміщення деталі, яка охоплюється, і деталі, що охоплює. Це призводить до мікроскопічної пластичної деформації виступів шліцьових нарізок в обох деталях, які з часом, з додаванням абразивного зношування і корозії, проявляються спотворенням їх номінальної геометрії. А це означає порушення плавності передачі крутного моменту. Часті перевантаження цих з'єднань у карданних передачах можуть призвести до зминання виступів шліцьових нарізок, підвищення люфтів, поломок.

На інтенсивність зношування деталей коробок передач, ведучих мостів автомобіля мають істотний вплив режими роботи, контактні навантаження, а також чистота мастильного матеріалу. Існує експоненційного характеру залежність між ресурсом коробки передач і заднього моста від режимів роботи двигуна автомобіля, зокрема від частоти обертання колінчастого вала (рис. 1.40).

Важкі режими (при n > 2500 хв" ¹) істотно впливають на скорочення тривалості працездатності цих агрегатів автомобіля. Щодо окремих (зокрема ресурсних) деталей цих агрегатів, власне шестерень, то на їх довговічність мають істотний вплив (експоненційного характеру) контактні напруження.

Очевидно, що надмірна кількість продуктів зношування деталей коробок передач і ведучих мостів у мастильних матеріалах зумовлює прискорення абразивного зношування зубів шестерень, підшипників. Знайдена також залежність наростання вмісту цих продуктів у картерах головної передачі та коробок передач від напрацювання машини. Вона повинна регламентувати момент зміни мастильного матеріалу, якщо фактичний вміст продуктів зношування близький, рівний чи уже перевищує допустимі значення. Якщо заміни не виконані вчасно, то це сприяє наростанню зношування, зокрема зубів шестерень.

На перебіг процесів зношування деталей трансмісії, так само, як і деталей двигунів, мають безпосередній вплив фізико-хімічні властивості мастильних матеріалів. В даному разі трансмісійних олив. Серед найбільш поширених, такі марки як ТА_П-15В, ТАД-17и, ТС_П-14_ГІ„ та інші, які характеризуються відповідним в'язкісно-температурними показниками, антифрикційними властивостями. Неправильно підібрана марка оливи чи невчасна їх заміна зумовлюють інтенсифікацію зношування поверхонь спряжуваних деталей. Цьому ж сприяють підвищення в'язкості олив при пониженні температури довкілля нижче - 10°С. При цьому зростає опір тертю, відносному переміщенню деталей та їх поверхонь, порушується подача оливи до цих поверхонь, знижується к.к.д. передач трансмісії. Крім інтенсифікації зношувань через обмежену подачу олив до поверхонь та ризику поломок деталей (особливо при рушанні з місця АТЗ), зростає витрата палива.

Серед спряжень і деталей ходової частини автомобіля мають характерні закономірності зношування шин коліс. Існують три групи причин передчасного виходу з експлуатації автомобільних шин: експлуатаційні, виробничі та конструкторські (рис. 1.12).

базі автомобіля від частоти обертання колінчастого вала

Для прикладу розглянемо експлуатаційні причини. Вони залежать від впливу декількох чинників: технічного стану автомобіля, технічного стану колеса, кваліфікації водія та обслуговуючого персоналу, умов експлуатації, а також від природнокліматичних умов.

Незадовільним технічним станом автомобіля обумовлені наступні пошкодження шин:

1. Відхилення кутів розвалу коліс від норми призводить до однобічного зносу протектора, і у випадку відсутності корекції кутів установки, до подальшого його зносу до корду брекера

2. Відхилення кутів сходження коліс від норми спричинює однобічний пилоподібний знос протектора. При великих додатних значеннях сходження на передніх шинах виникає однобічний лилоподібний знос по зовнішнім доріжкам протектора; за малого сходження - по внутрішніх доріжках і, у разі відсутності корекції кутів сходження коліс, відбувається знос протектора до корда

3. Порушення співвідношення кутів повороту керованих коліс, коли автомобіль часто рухається по заокругленням, наприклад, в умовах великого міста або на гірських дорогах, призводить до однобічного пилоподібного зносу протектора.

4. Прогин осі автомобіля може обумовити однобічний знос протектора.

5. Знос підшипників маточини коліс, втулки кермових тяг, заклинювання гальм призводить до плямистого зносу рисунку протектора.

6. Перекіс мостів автомобіля обумовлює однобічний знос протектора

7. Зіткнення колеса з нерухомими перешкодами, які виступають, спричинює механічне ушкодження протектора та бічну поверхню шини.

8. Еліптичність гальмівних барабанів призводить до плямистого зносу рисунку протектора.

9. Нерівність кутів поздовжнього нахилу шворнів може обумовити однобічний знос протектора.

10. Люфт у шворнях (кульових опорах) призводить до плямистого зносу рисунку протектора.

11. Осьовий люфт маятникового важеля легкового автомобіля спричинює однобічний знос протектора.

12. Несправність амортизаторів може призвести до появи плямистого зносу рисунку протектора.

На ресурс шини впливають такі основні несправності автомобільного колеса та відхилення від норми його початкових параметрів:

1. Відхилення тиску повітря в шинах від норми -

а) підвищення тиску обумовлює перевантаження каркасу: напруга нитки корда перевищує допустимі значення, внаслідок чого прискорюється процес втомлення корда, який в подальшому призводить до розриву каркаса, а, отже, до зменшення пробігу шин; підвищений тиск призводить також до зменшення деформації шини і при цьому все навантаження передається на середину бігової доріжки, внаслідок чого інтенсивного зношування зазнає середня частина протектора, це спричинює знос по центру та тріщини протектора. На поганих дорогах різко зростає вірогідність ушкодження шини;

б) понижений тиск спричинює великі деформації шини, зростає напруга в каркасі, що призводить до його розшарування, посиленого зносу протектора по краях бігової доріжки, відшарування протектора та гуми боковини, розходження стику покривної гуми, перетирання гуми боковини (для здвоєних коліс), колового розриву каркасу, радіальних тріщин вздовж ниток корду каркаса внутрішнього шару, розриву ниток корду (особливо металокорду), а також відриву борта у радіальних шин

2. Дисбаланс колеса є одним з основних чинників, який впливає на ресурс шин. Статичний та динамічний дисбаланс призводить до плямистого зносу рисунку протектора, що обумовлено складним переміщенням колеса під дією динамічних навантажень вгорувниз, вліво-вправо, вперед-назад.

3. Деформація ободів дисків спричинює торцеве биття, яке обумовлює плямистий або ексцентричний знос рисунку протектора (нерівномірний знос бігової доріжки по колу за її рівномірного зносу за шириною). Скорочується до 75% ресурс шини, який визначається за глибиною протектора в місці найбільшого зносу. На задньому мості автомобіля биття через корпус передається на друге спарене колесо та також скорочує ресурс шини. Крім всього переліченого, деформація ободу може спричинити ушкодження борта шини.

4. Неякісне кріплення колеса до маточини (нерівномірне затягування гайок кріплення) також обумовлює торцеве биття, яке призводить до плямистого або ексцентричного зносу рисунка протектора.

5. Зміна властивостей матеріалів шини внаслідок їх старіння (великий термін зберігання, порушення правил зберігання) призводить до підвищеної інтенсивності зносу та спричинює тріщини по боковинах.

Кваліфікація водія, який керує автомобілем та обслуговуючого персоналу, також істотно впливають на ресурс шин. Основними порушеннями у керуванні автомобілем, які можуть спричинити ушкодження шин, є такі:

1. Різке рушання автомобіля з місця та різке гальмування спричинює плямистий знос рисунка протектора.

2. Рух з великою швидкістю на поворотах може обумовити однобічний знос протектора, сильне нагрівання шин та зменшення їх міцності, може спричинити розрив та розшарування каркаса.

3. Рух з великою швидкістю при переїздах через перешкоду спричинює сильне нагрівання шин та зменшення їх міцності, збільшення пробуксовування елементів бігової доріжки в місцях її контакту з дорогою, механічні ушкодження протектора та каркаса, хрестоподібний, діагональний, Г та V- подібні розриви каркаса.

4. Рух уздовж бордюрів та по глибоких вибоїнах може призвести до механічних ушкоджень шини по її боковині.

Основні порушення в обслуговуванні автомобіля та проведенні навантажувальних робіт, які спричинюють ушкодження шини, наступні:

1. Перевантаження автомобіля обумовлює інтенсивний знос рисунку протектора по краях бігової доріжки, його відшарування, відшарування гуми боковини, розходження стику покривної гуми, перетирання гуми боковини (для здвоєних коліс), коловий розрив каркасу, розшарування шарів каркаса, радіальні тріщини вздовж ниток корду каркасу внутрішнього шару, розриву ниток корду та відриву борта. В середньому перевантажена шина на 10% знижує її ресурс на 20%

2. Порушення правил монтажу та демонтажу шини призводить до ексцентричного зносу рисунку протектора, пошкодження борта та розриву бортового кільця.

3. Несвоєчасна заміна колеса спричинює відшарування протектора, знос протектора до корда брекера, руйнування брекера, а також розшарування між шарами брекера та шарами брекера і каркаса, коловий розрив каркаса.

Великий вплив на ресурс автомобільної шини справляють умови експлуатації:

1. Поганий стан дорожнього покриття призводить до викришування гуми рисунку протектора, механічного ушкодження боковини, а також тріщинам протектора. Порівняно з асфальтобетонними дорогами на гравійно-щебеневих ресурс шини знижується приблизно на 25%, на кам'янистих та розбитих дорогах - на 50%.

2. Наявність вибоїни, глибокої колії, нерівностей спричинює великі динамічні навантаження на каркас шини та її нагрівання, що спричинює механічні пошкодження боковини та протектора, хрестоподібний, діагональний, т та V -подібні розриви каркаса.

3. Складний рельєф місцевості (наявність великої кількості спусків та підйомів, звивистість шляху) збільшує знос шин внаслідок перерозподілу маси по осях та дії бічних сил при поворотах, а також через часті гальмування та розгони, що спричинює підвищену інтенсивність зношування протектора по всьому периметру шини, а також однобічний знос протектора.

4. Збільшення опуклості поперечного профілю дороги призводить до перерозподілу маси автомобіля у поперечному напрямку та збільшення навантаження на шини одного боку, що обумовлює однобічний знос протектора.

Ресурс автомобільної шини залежить від природнокліматичних умов експлуатації та агресивності довкілля:

1. Підвищення температури довкілля супроводжується більш інтенсивним зносом шин у зв'язку із зменшенням міцності шинних матеріалів від нагріву. При нагріві шини від нуля до 100°С міцність гуми знижується у 2-3 рази, а міцність зв'язку між гумою та кордом у 1, 5-2 рази.

2. Понижена температура довкілля (мінус 40°С та нижче) підвищує вірогідність того, що непрогріті шини із звичайної (неморозостійкої) гуми при русі можуть отримати хрестоподібний, діагональний, т та V -подібні розриви каркаса при різкому рушанні з місця та ударах у нерівності.

3. Вологість довкілля суттєво впливає на ресурс автомобільної шини. На вологих та засніжених дорогах інтенсивність зносу протектора знижується. Проте, проникнення вологи при експлуатації шин з не відремонтованими ушкодженнями обумовлює відшарування протектора, крім цього, попадання вологи через мікрстріщини на металокорд спричинює його корозію та розрив ниток металокорду.

4. Підвищена агресивність довкілля спричинює ріст інтенсивності зношування протектора та появу тріщин по боковинах.

Відомо, що із ростом площі фактичного контакту шини з поверхнею дороги зменшуються питомі тиски на поверхнях тертя. В даному разі на дорожнє полотно і поверхню протектора шини. Площа ж контакту залежно від пробігу АТЗ (із збільшенням його) зростає за рахунок зношення рисунку, який виконаний з ливарними ухилами (поперечник трапецієподібний). Основа виступів рисунку протектора площею більша, ніж їх вершин. В результаті у зношеного протектора більша його ширина, у колеса зменшений діаметр.

Встановлено, що ширина відбитку шин із зносом 75 і 100% відповідно на 7 та 10% більша, ніж у нової шини. У результаті росту площі контакту між поверхнею рисунка протектора і дорогою зменшується питомий тиск на поверхню останньої, уповільнюється інтенсивність зносу шин. Цьому сприяє ще підвищення жорсткості виступів рисунка, оскільки висота їх зменшилась.

ТЕМА