Карданная передача автомобиля мерседес должна обеспечивать необходимую равномерность вращения валов соединяемых агрегатов, отсутствие резонансов в диапазоне эксплуатационных скоростей, минимальные динамические нагрузки, высокий коэффициент полезного действия, обладать приемлемой долговечностью и надежностью.
Преобладающими видами отказов этого узла в эксплуатации являются разрушение поверхностей шипов, износ торцов и поломка шипов крестовины, задиры и заедание компенсатора линейных перемещений карданной передачи, а также нарушение сбалансированности вала, приводящее к вибрациям с последующим разрушением подшипников коробки передач, мостов и промежуточных опор.
Основным элементом передачи является карданный шарнир, состоящий из крестовины с подшипниками, уплотнительных элементов и деталей крепления. На его долю приходится от 67 до 91 % всех отказов карданной передачи для автомобилей семейства мерседес.
Анализируя причины выхода системы из строя, ее отказы можно разделить на внезапные и постепенно развивающиеся.
К внезапным отказам относится разрушение (поломка) шипа крестовины, чаще всего наблюдаемое у лесовозных автомобилей. Накопление усталостных микроразрушений обусловлено нагруженностью карданного вала при движении автомобиля на установившихся режимах и наложением высокочастотных крутильных колебаний трансмиссии и автоколебаний при буксовании ведущих колес.
Высокочастотные колебания вызваны, крутильными возмущениями от внешних воздействий, дисбалансом карданного вала, параметрическими колебаниями зубчатых колес, неравномерностью вращения валов вследствие их наклона.
Низкочастотные колебания нагрузок возникают при троганни автомобиля мерседес с места, переключении передач, а также вследствие неровности дороги. Внезапные отказы в виде поломок шипов крестовины происходят из-за резких перегрузок и чаще всего наблюдаются при сочетании значительного крутящего момента с максимальным углом излома шарнира. Обычно внезапные отказы объясняются ошибкой при выборе типоразмера, конфигурации и материала крестовины (в процессе проектирования), неправильным выбором средств и способов механической и упрочняющей обработки (в технологии), нарушением технологии изготовления, контроля и эксплуатации (в производстве и эксплуатации).
К постепенно развивающимся отказам относятся: «ложное» бринеллирование, абразивное изнашивание и усталостное выкрашивание рабочих поверхностей шипов крестовины.
«Ложное» бринеллирование — это появление канавок на шипах крестовины в зоне контакта ее с телами качения подшипника. Оно вызывается неравномерным распределением действующих нагрузок по длине игл при их сдвиге относительно оси рабочих поверхностей шипов крестовины и стаканов подшипников. Чаще всего «ложное» бринеллирование появляется при недостаточной жесткости вилок карданных шарниров, низкой твердости шипов крестовины, недостаточном количестве и качестве смазочного материала, плохой герметичности и нарушении правил технического обслуживания сборочной единицы.
Абразивный износ поверхностей шипов, торцов крестовины, стаканов и иголок подшипников, вызванный попаданием в соединение пыли, грязи и влаги, наблюдается при эксплуатации автомобиля на пыльных дорогах, особенно в случае выхода из строя уплотнительных устройств. При этом может произойти заклинивание карданного шарнира (из-за вытекания смазки), разрушение вилок, задир и заедание шлицевых компенсаторов (рис. 2).
Рис. 2. Внешний вид изношенных деталей карданной передачи:
а — шип крестовины на участке «ложного» бринеллирования и износа под манжетными уплотнениями игольчатых подшипников; б — шип крестовины на участке усталостного выкрашивания; в — шлицы конца
карданного вала на участке охватывания
Усталостное выкрашивание рабочих поверхностей шипов крестовины, или «питтинг», происходит при значительных контактных напряжениях, достигающих 4000 МПа и вызванных высокими нагрузками, которые неравномерно распределены по иглам и их длине. Оно заключается в образовании усталостных микротрещин, которые, развиваясь, приводят к выкрашиванию металла. «Питтинг» проявляется в виде ямок, осповин на поверхности детали и препятствует дальнейшей нормальной эксплуатации узла (рис. 2, а).
Выбраковочными признаками выхода из строя карданных шарниров являются: повышенный зазор в сочленении, стук в карданной передаче, перегрев деталей, выбрасывание смазки и т. д.
Основными видами повреждения шлицевых сочленений карданной передачи является износ и смятие контактирующих шлицев, скручивание шлицевого вала. Изнашивание трущихся поверхностей шлицев чаще всего проявляется в виде выработки в месте сопряжения вала со втулкой. Происходит это вследствие суммарного воздействия знакопеременной ударной нагрузки и относительных перемещений трущихся поверхностей, вызванных перекосом
или несоосностью деталей шлицевых соединений, погрешностями пространственного расположения элементов шлицевого профиля, смещений осей вала и втулки под действием радиальной силы.
Износ шлицевых сочленений некоторых узлов автомобиля может также вызываться фреттинг- коррозией. Износ происходит при микроперемещениях контактирующих поверхностей с большой частотой. Вследствие возникновения значительных давлений, отсутствия или недостаточного количества смазки, трения однородных материалов, низкой твердости поверхности в шлицевых соединениях могут наблюдаться схватывание или задиры на трущихся поверхностях (рис. 2, в).
Механизм изнашивания шлицевых сочленений можно представить следующим образом.
Воздействие знакопеременной ударной нагрузки приводит к достижению критических значений давления в местах единичных контактов рабочих поверхностей шлицев. При этом происходит выдавливание смазки или наступают неблагоприятные условия для смазывания, обнажаются чистые (без окислов) поверхности и возникает схватывание. Относительное их перемещение, вызванное реверсивным характером приложения нагрузки и колебаниями различной частоты, вызывает разрушение образовавшихся металлических связей с отделением частиц металла и возникновением новых связей. Продукты износа, состоящие из частиц наклепанного и окисленного металла, а также абразив, попавший в сочленение, способствуют ускоренному разрушению трущихся поверхностей шлицевых соединений автомобилей мерседес.