Ведущие мосты автомобилей мерседес предназначены для изменения крутящего момента двигателя и передачи его к колесам. Наиболее характерными отказами заднего (ведущего) моста грузового автомобиля являются: преждевременный выход из строя сальников, разрушение рабочих поверхностей ведущих и ведомых шестерен, оси и сателлита колесной передачи, чашки и крестовины дифференциала и некоторых других деталей.
Сальники—это уплотнительные устройства, предназначенные для герметизации соединений. Процесс выхода уплотнения из строя заключается в постепенном изменении первоначальных свойств резины, ее износе и растрескивании вследствие накопления усталостных разрушений. В результате этого нарушается упругий контакт с валом и возникает утечка масла из агрегата. Кроме того, эксплуатация потерявшего эластичность («затвердевшего») сальника в контакте с закаленной токами высокой частоты поверхностью фланца (вала) в присутствии шаржирующих твердых абразивных частиц и продуктов износа приводит к преждевременному изнашиванию последнего. Обычно сальники подвергаются замене при утечке смазки более 5,0 г/ч, а фланцы — при износе трущейся поверхности 0,15—0,20 мм. Работоспособность пары зависит от частоты вращения вала, его биения, твердости и шероховатости опорной поверхности, температуры окружающей и уплотняемой среды, ее давления, фи- зико-механических свойств, а также материала уплотнения. Недостаточным ресурсом обладают также неподвижные соединения чашки дифференциала с крестовиной, чашки водила колесной передачи с осями сателлитов и аналогичные детали ведущих мостов.
Причиной износа является фреттинг-коррозия, возникающая вследствие микроперемещений, вызванных несоосностью, монтажной и технологической погрешностью, повышенными значениями допусков и вибрациями. Кроме того, причиной микроперемещений контактируемых поверхностей является неравномерность распределения нагрузки по ширине контакта, а также изменение ее во времени. В зависимости от амплитуды микроперемещений изменяются характер и интенсивность изнашивания трущихся поверхностей. При амплитуде смещений до 5 мкм износ практически отсутствует, от 25 до 70 мкм начинают развиваться процессы фреттинг- коррозии.
При этом вначале происходит упрочнение трущихся поверхностей вследствие взаимодействия их микровыступов. Возможно образование точек схватывания после разрушения оксидных пленок. Разрушающиеся вследствие усталостных процессов мостики схватывания образуют первичные продукты. Соприкасаемые поверхности гладкие, с небольшими раковинами в окисных пленках. При значении амплитуды более 70 мкм в подповерхностных слоях накапливается усталостная поврежденность. Одновременно интенсифицируются процессы окисления и вследствие адсорбции кислорода и влаги формируется коррозионно-активная среда. Изнашивание происходит за счет разрушения оксидных пленок. При дальнейшем увеличении амплитуды микро- перемещений образуются подповерхностные трещины, отслаиваются окисленные пластинки металла и предварительно разрыхленная усталостными и коррозионными процессами мягкая поверхность чашки дифференциала или водила колесной передачи разрушается (рис. 3, г). В зависимости от продолжительности работы, частоты смещений, окружающей среды, величины давлений, а также материалов и смазки в зоне контакта наблюдаются процессы схватывания, усталостно-окислительного и коррозионного разрушения, одновременно протекающие при фреттинг-коррозии. Уже при износе опорных поверхностей чашки дифференциала более 0,05 мм на сторону могут произойти перекос и заклинивание сателлитов, приводящие к ускоренному износу шин ведущих колес. Кроме этого, на чашках дифференциала наблюдается износ сферических поверхностей под сателлитами и торцевых поверхностей под шестернями.
Зубчатые колеса ведущих мостов грузовых автомобилей выходят из строя вследствие усталостного разрушения, поломок, абразивного изнашивания и заедания. Поломки обусловлены повышенной концентрацией напряжений, значительными дополнительными динамическими нагрузками, высокими значениями остаточных растягивающих напряжений, вызванных погрешностями неудовлетворительной механической и термической обработки или сборки. Кроме того, поломка может произойти из-за попадания в зацепление зубьев посторонних предметов, заедания валов колес в подшипниках скольжения, разрушения подшипников качения или других деталей, вызывающих значительную перегрузку шестерен. Иногда поломка может быть вызвана сильным износом поверхности упрочненного слоя материала или отслаиванием его вследствие кромочного контакта. Применяемые в ведущих мостах шестерни с высокой твердостью рабочих поверхностей зубьев прирабатываются незначительно и ломаются при погрешностях изготовления и сборки.
Усталостное выкрашивание, или «питтинг», является основным видом разрушения поверхностей зубьев закрытых зубчатых передач.
Выкрашивание — специфическая форма усталостного разрушения поверхностного слоя металла под воздействием контактного нагружения. Оно заключается в отделении частичек металла, в результате чего на его поверхности образуются округлые ямки, раковины с темным, без металлического блеска дном. Ямки образуются следующим образом: в первоначально возникшие усталостные трещины проникает смазочное масло, запирается там набегающей поверхностью парного зуба и создает высокое давление. Вследствие его расклинивающего действия отрывается поверхностная частица металла. Чаще всего ямки выкрашивания появляются на ножках зубьев и в зависимости от твердости поверхности могут достигать 5 мм.
Абразивное выкрашивание зубчатых колес вызывается как попаданием дорожной пыли, так и продуктами усталостного выкрашивания трущихся поверхностей. Исследования, проведенные в Ташкенте, установили зависимость вида преобладающего износа зубчатых колес от количества абразивных частиц в масле. Так, при содержании в масле более 2 % пыли процессы усталостного выкрашивания не успевают развиваться, и поверхностные слои головок зубьев удаляются абразивом за счет микрорезания. Абразивные частицы способствуют неравномерному изнашиванию профиля зубьев, ведущему к появлению циклических колебаний. Воздействие абразива ведет в первую очередь к износу поверхности ножки зуба, лежащей за пределами теоретически активного участка профиля. Это сопровождается дополнительным износом головки сопряженного зуба, что вызывает увеличение суммарного износа в зацеплении и постепенное уменьшение фактического коэффициента перекрытия. На 2—4 порядка возрастает скорость изнашиваний зубчатых передач, работающих средах с наличием абразива, по сравнению с аналогичными деталями, работающими в чистых маслах.
При значительных давлениях, возникающих на участках фактического контакта, может происходить разрыв масляной пленки, удаление окисных слоев, вторичных структур и т. д. Это приводит к появлению отдельных рисок, а при неблагоприятных условиях — к заеданию, задиру рабочих поверхностей зубьев.
Характерной особенностью разрушения зубчатых зацеплений ведущих мостов автомобиля мерседес является одновременное протекание усталостного, абразивного и окислительного изнашивания. Усталостному выкрашиванию зубьев в зоне их начальной окружности сопутствует абразивный износ, протекающий на ножке и головке зуба. Об этом свидетельствуют царапины на поверхностях трения зуба. Взаимодействие сильно деформированного поверхностного слоя с химически активными компонентами масла и кислородом воздуха приводит к образованию хрупких вторичных структур. Последние легко удаляются абразивными частицами. Вследствие этого на изношенной поверхности в результате многократного воздействия абразива хорошо заметны царапины различных размеров. Матовый цвет рабочих поверхностей шестерен ведущих мостов указывает на протекание сопутствующего окислительного изнашивания. Даже незначительный износ зубьев главной передачи автомобиля, мало изменяющий величину бокового зазора, существенно увеличивает динамические нагрузки в трансмиссии. Так, например, после пробега 20 тыс. км средние отклонения от номинальных значений крутящего момента возросли на 60—70 %.
Рис. 3. Внешний вид быстроизнашивающихся деталей ведущих мостов:
а — крестовина дифференциала; б — шип крестовины с износом на участке контакта под сателлитом и фреттинг-коррозией в месте сопряжения с чашкой дифференциала; в — разрушенный участок поверхности трения крестовины в зоне интенсивного износа под сателлитом; г — разрушенный участок поверхности чашки дифферент циала, пораженной фреттинг-коррозией в месте сопряжения с крестовиной
При появлении «питтинга» они могут увеличиться в 1,5 раза по сравнению с передачами без следов усталостного выкрашивания.
Выход из строя крестовин дифференциала ведущих мостов автомобиля Mercedes-Benz обусловлен чаще всего износом поверхностей шипов под сателлитами (рис. 3).
Основным видом износа крестовины следует считать процессы усталостного, абразивного и окислительного изнашивания. На некоторых автомобилях наблюдаются случаи интенсивного разрушения поверхностей шипов крестовины в контакте с бронзовыми втулками сателлитов (рис. 3, в).
При пробегах автомобилей, превышающих 150 тыс. км, наблюдаются случаи усталостного выкрашивания боковых поверхностей осей сателлитов, эксплуатирующихся в контакте с игольчатыми подшипниками. Поверхностное повреждение этих деталей происходит так же, как и зубчатых передач.