3. Техническое состояние автомобилей

3.1 Понятие о техническом состоянии

Автомобиль может участвовать в транспортном процессе и приносить опре­деленный доход, если он технически исправен и находится в работоспособном состоянии.

Техническое состояние автомобиля (агрегата, механизма, соединения) опреде­ляется совокупностью изменяющихся свойств его элементов, характеризуемых текущим значением конструктивных параметров Y, обычно текущие значения конструктивных параметров связывают с наработкой

Наработка – продолжительность работы изделия, измеряемая единицами про­бега (километры), времени (часы), числом циклов. Различают наработку с начала эксплуатации изделия, наработку до определенного состояния (например, пре­дельного), наработку интервальную и др. На автомобильном транспорте, как пра­вило, наработка автомобилей исчисляется в километрах пробега (l), реже (спе­циальные автомобили, внедорожные карьерные самосвалы) – в часах (t). Наработка сельскохозяйственной техники может исчисляться в моточасах, килограммах израсходованного топлива, количестве выработанных условных эталонных гектар.

Наработка технологического оборудования, устанавливаемого на автомобилях, исчисляется обычно в часах.

По мере увеличения наработки l, t (рис. 3.1) параметры технического состояния изменяются от номинальных Y_Н, свойственных новому изделию, до предельных Y_П, при которых дальнейшая эксплуатация изделия по техническим, конструктивным, экономическим, экологическим или другим причинам недопустима. На рис 3.2 приведены два характерных варианта изменения параметров технического состоя­ния по наработке I – увеличение; II – сокращение. Величины номинальных пре­дельных и предельно допустимых Y_П.Д. значений параметров технического состояния устанавливаются законами, государственными стандартами, постановлениями пра­вительства, нормативно-техническими и проектно-конструкторскими документами, систематизируются в справочных изданиях, в том числе и международных.

Рис. 3.1. Схема изменения параметров технического состояния: ЗР – зона работоспособности, ЗО – зона отказов; ЗУ – зона упреждения отказов; Y_Н – номинальное значение параметра; Y_П.Д. – предельно допустимое значение параметра; Y_П – предельное значение параметра; l_Р – ресурс изделия; l_У – ресурс упреждения.

Рис 3.2. Варианты изменения параметров технического состоя­ния по наработке: I – увеличение; II – сокращение.

3.2. Причины и последствия изменения технического состояния

Основные причины изменения конструктивных параметров и технического состояния следующие.

• нагружение элементов;

• взаимное перемещение элементов;

• воздействие тепловой и электрической энергии;

• воздействие химически активных компонентов;

• воздействие внешней среды (влага, ветер, температура, солнечная радиа­ция);

• воздействие оператора и др.

Последствия и формы изменения конструктивных параметров во времени могут принять следующий вид (рис. 3.3):

• изнашивание;

• коррозия;

• усталостные разрушения,

• пластические деформации;

• температурные разрушения и изменения;

• старение и др.

Рис. 3.3 Распределение последствий изменения конструктивных параметров на примере двигателя грузового автомобиля по результатам ряда исследований, %

Изнашивание. Процесс изнашивания возникает под действием трения, завися­щего от материала и качества обработки поверхностей, смазки, нагрузки, скорости относительного перемещения поверхностей и теплового режима работы сопря­жения. Изнашивание – это процесс разрушения и отделения материала с поверх­ности детали и (или) накопления ее остаточной деформации при трении, прояв­ляющийся в постепенном изменении размеров и формы деталей. Результат изна­шивания, определяемый в установленных единицах, называется износом, который может быть линейным, объемным, массовым. Интенсивность изнашивания (И) – это относительные величины износа (отношение износа к пути трения или показателю, связанному с работой изделия, например километру пробега или часу работы автомобиля, числу циклов и т.д.) Зависимость интенсивности изнашивания от наработки представлена на рис. 3.4.

Рис. 3.4. Схема изменения параметра технического состояния (Y) и величины интенсивности изнашивания (И): I – стадия приработки, II – стадия установившегося изнашивания (нормальной работы); III – стадия катастрофического изнашивания; Y_Н – номинальное значение параметра; Y_П – предельное значение параметра; l_Р - ресурс изделия.

В общем случае процесс изнашивания деталей машин при посто­янных условиях проходит три стадии (рис. 3.4). На стадии I осуществляется процесс приработки, т.е. процесс изменения гео­метрии поверхности трения и физико-химических свойств материала. Направление этих изменений определяется принципом Ле Шателье-Брауна, в соответствии с которым любая система под внешними воз­действиями эволюционирует с максимальным ослаблением указан­ных воздействий. В результате адаптации системы к условиям нагружения в поверхностных слоях трущихся тел образуются такие струк­туры, такой макро- и микрорельеф, которые, наряду с формировани­ем в процессе приработки на поверхностях трения вторичных струк­тур различного происхождения, обеспечивают минимизацию энергетических затрат на трение и локализацию зоны фрикционного разру­шения в тонком поверхностном слое. В процессе приработки, харак­теризуемом достаточно высокой интенсивностью изнашивания и сущест­венной величиной накопленного износа, устанавливается определен­ная для данной трибосистемы шероховатость, иногда называемая равновесной, не зависящая от вели­чины и характера первоначальной шероховатости, полученной в ре­зультате технологической обработки, а зависящая от трущихся и сма­зочного материалов, а также от условий изнашивания (нагрузки, ско­рости, температуры, условий смазывания и т.д.). Она может быть как больше, так и меньше исходной. Естественно, ее достижение приводит к снижению интенсивности изнаши­вания, а также коэффициента трения и тепловыделения при трении.

После завершения образования равновесной шероховатости и оптимальных для данного сопряжения структур поверхностных слоев трущихся тел начинается процесс установившегося изнашивания (рис. 3.4, стадия II). При этом интенсивность изнашивания посто­янна и достаточно невелика. Тем не менее, постепенное накопление износа через определенный период приводит к столь значительному изменению размеров и формы деталей, что условия работы узла трения значительно ухудшаются. Так, увеличение зазоров в сопряжениях вследствие износа составляющих их элементов приводит к росту ди­намических нагрузок. Наступает переход к третьей стадии изнашива­ния - катастрофическому изнашиванию (рис. 3.4, стадия III). Интенсивность изнашивания резко возрастает, существенно увели­чивается накопленный износ, и нежелательные явления в системе ужесточаются. На этой стадии резко увеличивается вероятность вы­хода из строя узла трения.

Обычно в практике ТЭА выделяют абразивное, усталостное, коррозионно-эрозионное, кавитационное, окислительное, электроэрозионное изнашивание, а также изнашивание при заедании, фреттинге и фреттинг-коррозии. Изнашивание при фреттинге, абра­зивное, эрозионное, кавитационное и усталостное относятся к механическому виду изнашивания, а окислительное и при фреттинг-коррозии – к коррозионно-механическому.

Абразивное изнашивание является следствием режущего или царапающего действия поверхностей трения и твердых частиц, находящихся между ними. Такие частицы, попадая извне в виде пыли и песка между трущимися деталями (например, тормозными накладками колодок и барабанами) или в смазочные материалы открытых узлов трения (шкворневое соединение, рессорные шарниры), резко уве­личивают их износ. В ряде механизмов, например кривошипно-шатунном, в ка­честве абразивных частиц выступают также сами продукты изнашивания, отделившиеся от трущихся деталей.

Эрозионное изнашивание происходит в результате воздействия на поверхность потока жидкости, газа или твердых частиц. Такому изнашиванию на автомобиле подвержены в первую очередь рабочие поверхности тарелок выпускных клапанов двигателя, элементы топливной аппаратуры двигателей, элементы гидропривода технологического оборудования, золотники гидравлических агрегатов.

Усталостное изнашивание состоит в том, что поверхностный слой материала в результате трения и циклической нагрузки становится хрупким и разрушается, обнажая лежащий под ним менее хрупкий материал, образуя трещины и ямки выкрашивания (питтинг). Такой вид изнашивания может наблюдаться на беговых дорожках шариковых и роликовых подшипников, шестерен, зубьях.

Кавитационное изнашивание возникает при движении твердого тела относи­тельно жидкости, при ко­тором пузырьки воздуха захлопываются вблизи поверхности, что создает местное высокое ударное давление. Такой вид изнашивания может наблюдаться на крыльчатке двигателя, корпусе водяного насоса, наружной поверхности гильз цилиндров, ло­пастях турбин, в под­шипниках скольжения.

Изнашивание при заедании происходит в результате схватывания, глубинного вырывания материала, переноса его с одной поверхности на другую и воздействия возникших неровностей на сопряженную поверхность. Оно приводит к образова­нию глубоких борозд, наростов, оплавлений, задирам, заклиниванию и разрушению механизмов. Такое изнашивание обуславливается наличием местных контактов между трущимися поверхностями, на которых вследствие больших нагрузок и скоростей происходят разрыв масляной пленки, сильный нагрев и «сваривание» частиц металла. При дальнейшем относительном перемещении поверхностей происходит разрыв связей. Типичный пример – заклинивание коленчатого вала при недостаточной смазке, заедания в зубчатых, гипоидных и винтовых передачах.

Окислительное изнашивание происходит в результате сочетания механичес­кого изнашивания и агрессивного воздействия среды, под действием которой на поверхности трения образуются непрочные пленки окислов, при механическом трении они снимаются, а обнажающиеся поверхности опять окисляются. Такое изнашивание наблюдается на деталях цилиндропоршневой группы, гидроусили­телей, тормозной системы с гидроприводом и др.

Изнашивание при фретинге – это механическое изнашивание соприкасаю­щихся деталей при возвратно-поступательных перемещениях с малыми амплитуда­ми. Если при этом агрессивно воздействует среда, то происходит изнашивание при фретинг-коррозии. Такое изнашивание может происходить в местах контакта вкладыша шеек коленчатого вала и постели в картере и крышке, в заклепочных, болтовых, шлицевых, шпоночных и штифтовых соединениях, рессорах.

Электроэрозионное изнашивание проявляется в эрозионном изнашивании по­верхности в результате воздействия разряда при прохождении электрического тока, например между электродами свечи зажигания или контактами реле, в скользящих контактах электрических машин.

Пластические деформации и разрушения. Такие повреждения связаны с достижением или превышением пределов текучести или прочности соответственно у вязких (сталь) или хрупких (чугун) материалов. Обычно этот вид разрушений является следствием либо ошибок при расчетах, либо нарушений правил эксплуатации (перегрузки, неправильное управление автомобилем, дорожно-транспортные происшествия и т.п.). Иногда пластическим деформациям или разрушениям пред­шествует механическое изнашивание, приводящее к изменению геометрических размеров и сокращению запасов прочности детали.

Усталостные разрушения. Этот вид разрушений возникает при циклическом приложении нагрузок, превышающих предел выносливости металла детали. При этом происходят постепенное накопление и рост усталостных трещин, приводящие при определенном числе циклов нагружения к усталостному разрушению деталей. Совершенствование методов расчета и технологии изготовления автомобилей (повышение качества металла и точности изготовления, исключение концент­раторов напряжения) привело к значительному сокращению случаев усталостного разрушения деталей. Как правило, оно наблюдается в экстремальных условиях эксплуатации (длительные перегрузки, низкие или высокие температуры) в рессорах, полуосях, рамах.

Коррозия. Это явление происходит вследствие агрессивного воздействия среды на детали (ржавление), приводящего к окислению металла и, как следствие, к уменьшению прочности и ухудшению внешнего вида (табл. 3.1). Основными активными аген­тами внешней среды, вызывающими коррозию, являются соль и другие химичес­кие вещества, которыми обрабатывают дороги зимой, кислоты, содержащиеся в воде и почве, а также компоненты, входящие в состав отработавших газов автомобилей, и их химические соединения. Коррозия главным образом поража­ет детали кузова, кабины, рамы. Коррозия деталей кузова, расположенных снизу, сопровождается абразивным изнашиванием в результате воздействия на поверх­ность при движении автомобиля абразивных частиц песка, гравия. Способству­ет коррозии сохранение влаги на металлических поверхностях, в том числе под слоем дорожной грязи, что особенно характерно для всякого рода скрытых полос­тей и ниш.

Коррозия способствует усталост­ному изнашиванию и разрушению, так как создает на поверхности металла концентраторы напряжения в виде кор­розионных язв. Такой вид разрушений наблюдается, например, в местах свар­ки, крепления кронштейнов рессор. Применительно к автомобилям различа­ют местную коррозию, поражающую в основном кузовные панели, и общую, результатом которой является, кроме того, разрушение несущих конструкций кузова или рамы.

Старение. Техническое состояние деталей и эксплуатационных материа­лов изменяется под действием внешней среды. Так, резинотехнические изделия теряют прочность и эластичность в ре­зультате окисления, термического воз­действия (разогрев или охлаждение), химического воздействия масла, топлива и жидкостей, а также солнечной радиа­ции и влажности. В процессе эксплуата­ции свойства смазочных материалов и эксплуатационных жидкостей ухудша­ются в результате накопления в них продуктов износа, воды, изменения вязкости и потери свойств присадок.

Таблица 3.1 – Виды коррозионных разрушений

Вид разрушения	Узел, деталь	Характер разрушения	Причина разрушения
1	2	3	4
Атмосферное разрушение	Рамы, обшивка, несущие конст­рукции и все ме­таллические дета­ли, не имеющие (с разрушенным) лакокрасочного или другого за­щитного покры­тия	Образование рыхлых пленок, окислов с после­дующим шелу­шением и воз­никновением очагов равно­мерной и точеч­ной коррозии	Действие атмо­сферных осадков и влажного воз­духа
Коррозионно-механический износ (коррозия при трении, фреттинг-коррозия)	Гильзы и поршни двигателей, звез­дочки, цепи, ручьи шкивов механиз­мов передач, кожухи транспортеров, днища и поверхности трения на обшив­ках машин и др.	Возникновение на поверхностях коррозионных повреждений в виде полос, ри­сок, отдельных пятен или равно­мерная коррозия	Наличие коррозионно-активной среды и непре­рывное разруше­ние окисленной пленки в точках подвижного кон­такта
Коррозионная усталость	Оси, валы, дета­ли механизмов газораспределе­ния, отдельные участки рам и тонколистовых обшивок, втулочно-роликовые цепи, шестерни, шлицевые соеди­нения, подшип­ники качения, пружины и др.	Коррозионные изломы, трещи­ны и разрывы металла	Наличие корро­зионной среды и действие знакопеременных напряжений
Коррозионное растрескивание	Болтовые крепежные и сварные соединения и другие детали, испытывающие монтажные напряжения	Коррозионные трещины по гра­ницам зерен со снижением проч­ности металла	Наличие коррозионно-активной среды и действие постоянных на­пряжений
Коррозионная кавитация	Поверхности гильз и блоков двигателей, по­верхности и ар­матура систем охлаждения, гид­росистем и др.	Направление мелких, глубоких питтингов с мес­тами сквозных разрушений	Вибрация и спе­цифическое воз­действие потока жидкости, гидро­удары при высо­ких скоростях движения жидко­сти и детали в условиях корро­зионной среды

Детали и материалы изменяются не только при их использовании, но и при хранении: снижаются прочность и элас­тичность, например, резинотехнических изделий; у топлива, смазочных материа­лов и жидкостей наблюдаются процессы окисления, сопровождаемые выпадением осадков, а также обводнения, сопровождаемые изменением свойств обводняемых материалов.