Закономірності зношування деталей механізмів та систем автотранспортного засобу

Відмови і несправності автомобіля можна класифікувати по різних ознаках залежно від поставленого завдання. По джерелу виникнення відмови автомобіля можна розділити на конструктивні, технологічні, експлуатаційні і знос.

Конструктивні відмови пов'язані з недосконалістю конструкції автомобіля — невдало вибрана конструктивна схема автомобіля і його агрегатів, невідомі умови експлуатації, погано захищені деталі від попадання абразивів вологи і так далі. Технологічні відмови виникають унаслідок неправильно призначеної технології виготовлення деталі, неякісного матеріалу, низької культури виробництва і так далі. Експлуатаційні відмови — наслідок неправильної експлуатації автомобіля або його елементів, порушення режимів ТО і інших чинників. Природне зношування і старіння металів або інших матеріалів викликають відмови зносу.

По характеру процесу відмови автомобіля ділять на поступові і раптові. Відмову, якій передує поступова зміна якого-небудь параметра або властивості, називають поступовим (поломка корінного листа ресори в результаті накопичення втомних пошкоджень), а відмова, виникнення якої практично можливо в будь-який період експлуатації (залежить тільки від випадкових чинників) — раптовим (наприклад, прокол шини).

Багато раптових відмов є такими лише за формою виникнення, і їх прогнозування залежить від рівня знань фахівця, контрольно-діагностичних засобів і економічної доцільності їх застосування.

Тому в групі раптових відмов доцільно виділити підгрупу умовно-раптових відмов, що виникають в результаті такої поступової зміни параметрів технічного стану, який в даний період вивчений недостатньо і не може бути зафіксовано існуючими приладами і методами. До цієї групи відносяться також несправності і відмови, які в процесі експлуатації фіксувати недоцільно по економічних причинах. Встановлено, що близько половини відмов відноситься до поступових, з яких 60—65 % безпосередньо залежать від регулярності і якості ТО. Кількість умовно-раптових відмов складає близько 20 %. Група умовно-раптових відмов — це резерв профілактичних дій, все ширше вживаних у міру вдосконалення конструкції автомобілів і використання ефективних контрольних діагностичних засобів.

Процес технічної підготовки автомобілів слід розглядати як єдину систему, що складається з технічної підсистеми (автомобіль), операторів (водії) і виконавців робіт (ремонтно-профілактичні робочі механіки, майстри). Це дозволить оволодіти методами підвищення якості ремонтно-профілактичних робіт, виконати аналіз трудових процесів профілактики і ремонтуавтомобілів, врахувати експлуатаційно-технічні характеристики техніки і психофізіологічні особливості виконавців робіт, поліпшити ефективність використання автомобілів і підвищити безпеку дорожнього руху.

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 молекулярно-механічного зношування. Як наслідок може спостерігатися виривання з поверхні дзеркала циліндра мікроскопічних часточок. Схематично особливості вищеописаних різновидів зносів мають такий вигляд.

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. Хоча професор Кугель Р.В. дослідив, що залежно від виду зношування форма зношування дзеркала може бути різною. Епюра зносу І характерна для помірного абразивного зносу за умови нормативного теплового режиму роботи двигуна, очищеної оливи, доброго фільтрування повітря.

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 ІV - ерозійні процесипоширилися на більшу частину довжини циліндра за рахунок продовження експлуатації двигуна у режимах і умовах ІІІ-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.

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. 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 володіютьтакі марки мінеральних олив:М-8Б, М-8В|, М-21Гі, 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".