Особенности трения и изнашивания деталей грузовых автомобилей мерседес — Mercedes-Benz

В зависимости от внешних воздействий, окружа­ющей среды и свойств трущихся поверхностей быст­роизнашивающихся деталейгрузовых автомобилей мерседес выде­ляют различные виды изнашивания. Они достаточно подробно рассмотрены в существующей литературе. Эксплуатация узлов трения автомобиля имеет ряд особенностей, без учета которых трудно выбрать оп­тимальное конструкторско-технологическое реше­ние, направленное на повышение их износостойко­сти. Этими особенностями являются: неустановив­шийся режим работы узла, реверсивность перемеще­ния, вибрации, воздействия окружающей среды.

Неустановившийся режим работы составляет от 95 до 98% при движении автомобиля в городе, от 50 до 81% — при движении по проселочной дороге и от 14 до 37% — на автомагистралях. Динамиче­ские нагрузки, сопутствующие неустановившимся режимам, вызывают в поверхностных слоях допол­нительные упругие деформации. Они приводят к постоянной переориентации структуры металла, до­полнительному генерированию дефектов и другим изменениям. Знакопеременный характер сдвиговых деформаций с интенсивным образованием дефектов в поверхностных слоях, усталостные процессы, раз­вивающиеся в трущихся материалах при неустано­вившихся режимах, более чем в 2 раза увеличивают износ деталей грузовых автомобилей мерседес.

При реверсивности движения происходит своеоб­разное изменение величины и направления сдвиго­вых деформаций, а также внутренних напряжений, повышение температуры в зоне трения и перестрой­ка дислокационных полей. Все это приводит к на­капливанию дефектов структуры металла, увеличе­нию свободной поверхностной энергии и интенсифи­кации электрофизических и химических процессов на поверхностях реверсивного трения.

Значительное влияние на интенсивность изнаши­вания деталей автомобиля оказывают вибрации, приводящие к качественному изменению процессов деформирования. При этом изменяется степень участия тангенциальных и нормальных сил, способст­вующих значительному распространению деформа­ций вглубь металла. В зависимости от их величины в зоне контакта могут наблюдаться процессы малоцикловой или многоцикловой усталости, схватыва­ния и т. д. Действие циклических нагрузок при тре­нии приводит к экстремальным изменениям исход­ной структуры поверхностных слоев металлов, про­являющимся в интенсивном окислении контактных поверхностей. Толщина образующихся в таких усло­виях нагружения окисных пленок в десятки раз вы­ше, чем при трении без колебаний. В то же время вибрации вызывают интенсивное разрушение окис­ных пленок, приводящее к схватыванию трущихся поверхностей. Разрушившиеся окислы подобно аб­разивным частицам являются источниками высоких локальных напряжений, вызывающих интенсивное деформирование и изнашивание. Наибольшая ин­тенсивность износа наблюдается при частотах виб­раций до 20 Гц, при дальнейшем возрастании часто­ты износ уменьшается.

Основной причиной повышенного изнашивания деталей в условиях виброударного нагружения счи­тается интенсивное развитие усталостных процес­сов. Происходящее при этом многократное дефор­мирование рабочих объемов приводит к зарождению и развитию усталостных микротрещин. Их источни­ки могут располагаться как на поверхности, так и внутри материала (параллельно трущейся поверх­ности). Чаще всего зарождение микротрещин про­исходит по границе структурных составляющих ме­талла, обладающих различными физико-механиче­скими свойствами. Совместное воздействие реверса и вибраций приводит к значительному возрастанию износа трущихся сопряжений. Например, при нало­жении реверсивного трения с вибрациями частотой 15—18 Гц наблюдалось девятикратное увеличение износа чугунных поверхностей.

Огромное воздействие на интенсивность изнаши­вания деталей грузового автомобиля мерседес,особенно узлов шасси, оказывают процессы абразивного разрушения тру­щихся поверхностей. Степень влияния абразива в них зависит от запыленности воздуха, на которую влияет множество факторов: вид покрытия дороги и ее состояние, направление и скорость ветра, тем­пература и влажность воздуха, движение автомоби­лей по дороге и т. д.

В зависимости от соотношения этих факторов за­пыленность воздуха при движении автомобиля Mercedes-Benz по дороге может меняться от 1 до 2000 мг/м³. Во вре­мя песчаных бурь в районах пустынь Средней Азии запыленность достигает 17 000мг/м³. Немало­важны фактором является минералогический со­став пыли, а также размер абразивных частиц, на­ходящихся в контакте с деталями автомобиля. Ре­зультаты анализа размеров частиц дорожной пыли в зависимости от их удаления от поверхности почвы показывают, что на расстоянии 65 см от поверхно­сти дороги 76 % частиц имеют размер от 5 до 50 мкм. Причем минералогический состав этих ча­стиц таков: 50—60 % двуокиси кремния и 40— 45 % окиси алюминия, кальция, железа и других элементов. Таким образом, основным компонентом дорожной пыли являются кварцевые частицы раз­мером от 10 до 60 мкм. Необходимо учитывать, что с уменьшением размера частиц содержание кварца во всех пылях уменьшается. Это связано со значи­тельно большей твердостью последнего по сравне­нию с другими минералами, входящими в состав пыли. В литературе, посвященной абразивному из­нашиванию, исследователи подменяют минералоги­ческий состав частиц химическим определением со­держания окислов кремния и алюминия, а затем отождествляют содержание кварца и корунда, име­ющих высокую твердость и ту же химическую фор­мулу с соответствующими окислами. В действитель­ности окислы кремния и алюминия входят в состав различных минералов, твердость которых значи­тельно уступает кварцу и корунду. Установлено, что собранная с поверхности капота и кабины грузового автомобиля мерседес дорожная пыль имеет значительно меньшую абразивную способность, чем искусственный квар­цевый загрязнитель, чаще всего применяемый при стендовых испытаниях. Абразивная способность ис­кусственной кварцевой (с содержанием кварца 98 %) и естественной дорожной пыли достигает максимума при размерах частиц около 70 и 55 мкм соответственно. Практическое отсутствие износа от пыли с размером частиц менее 4 мкм объясняется тем, что такие частицы по своим размерам меньше толщины масляной пленки между трущимися по­верхностями и в изнашивании не участвуют. Повы­шение размеров частиц до определенного значения приводит к возрастанию абразивной способности. Кварцевые частицы размером более 80 мкм и части­цы дорожной пыли более 60 мкм имеют меньшую абразивную способность. Это обусловлено, по-види­мому, уменьшением возможности попадания круп­ных частиц в зазор между трущимися поверхностя­ми и увеличением их разрушающего напряжения.

Высокая запыленность воздуха и низкое качест­во уплотнений обусловливают загрязнение смазоч­ной среды узлов трения грузовых автомобилей мерседес абразивными частицами, количество которых обычно прямо про­порционально пробегу автомобилей мерседес. Изучение со­става загрязнений, содержащихся в масле агрега­тов трансмиссии, после 6—8 тыс. километров про­бега показало, что 50—60 % из них общим количе­ством до 0,58 % от веса масла составляют частицы дорожной пыли. Безусловно, это приводит к частой замене масла. Для обеспечения нормальной работо­способности узлов шасси концентрация абразивных частиц к моменту смены масла в агрегатах транс­миссии не должна превышать 0,1 %. В действитель­ности же на автомобилях и тракторах, работающих в одинаковых условиях, концентрация загрязнений масла больше допустимого. Так, после 1050 часов работы пропашного трактора в картере коробки передач накапливалось 0,31 % почвенной пыли. Еще хуже обстоят дела с менее защищенными узлами ходовой части, подвески и рулевого управления. Абразивное изнашивание может вызываться также продуктами окислительного, коррозионно-механического или усталостного процессов разрушения трущихся поверхностей. При этом роль абразива выполняют частицы исходных металлов, их окислы, частицы выкрошившихся вторичных структур, от­слоившиеся продукты износа поверхностных покры­тий и т. д. Размер их колеблется от 0,01 до 100 мкм. Твердость продуктов износа зависит от химическо­го состава и условий возникновения. Твердость закислов-окислов железа типа FeO составляет 5500МПа, Fe₃O₄— 6400 МПа, Fe₂0₃ — 11 000 МПа. Для сравнения отметим, что твердость А₂О₃ — бо­лее 20 000 МПа, а SiO₂ —10500—11300 МПа. В ре­зультате сильного пластического деформирования образующиеся в зоне контакта продукты износа и частицы металла по твердости значительно превы­шают исходную твердость трущихся поверхностей. Естественно, что такие частицы приводят к повыше­нию интенсивности изнашивания.

Отличительной чертой трения и износа узлов транспортных машин мерседес является разнообразие внеш­них условий эксплуатации деталей, вызванное пере­меной нагрузок и скоростей, изменениями времен года, а также необходимостью работы автомобилей в различных климатических зонах. Так, установлено снижение нагруженности деталей двигателя, транс­миссии и ходовой части в зимний период. Это объ­ясняется снижением средней скорости движения ав­томобиля на 20 км/ч и уменьшением коэффициента сцепления шин с заснеженной дорогой. Существен­ным фактором, вызывающим протекание электрохи­мических процессов на поверхностях деталей авто­мобиля (особенно в период хранения), является влияние атмосферы. Это предъявляет к последним повышенные требования по коррозионностойкости.

Повышение износостойкости деталей, лимитиру­ющих надежность и долговечность отдельных уз­лов, систем и всего автомобиля в целом, может быть обеспечено конструкторскими, технологическими или эксплуатационными решениями. Выбор того или иного из них чаще всего осуществляется субъектив­но, в зависимости от конструкторских или техноло­гических служб, а также наличия оборудования, производственных площадей, сложившихся на пред­приятии и в отрасли традиций, активности разра­ботчиков технологических процессов и конструктор­ских решений, культуры технического обслужива­ния автомобилей и т. д.

Встречаются еще случаи, когда прогрессивными технологическими процессами пытаются исправить грубый просчет конструктора. Кроме того, сущест­вующая система экономических показателей в боль­шей степени ориентирует автомобилестроителей на снижение трудоемкости и себестоимости изготовле­ния машин, чем на повышение их долговечности. Все это усложняет выбор оптимального решения, направленного на обеспечение требуемой долговеч­ности грузовых автомобилей мерседес, и предопределяет необходимость комплексного системного подхода к проблеме повышения износостойкости его быстроизнашиваю­щихся деталей.