Техническая эксплуатация автомобилей Основы обеспечения (стр. 2 из 31)

Основными терминами и понятиями надежности также являются:

отказ — изменение одного или нескольких показателей задан-

ных параметров объекта, приводящее его в неработоспособное состояние. Изменения могут быть внезапными (случайными) и систематическими с нарушением геометрии деталей или свойств материалов. Изменения, постепенные по развитию, могут быть внезапные по проявлению;

неисправность — состояние, когда объект не отвечает хотя бы

одному из требований нормативно-технической документации (например, отказ стеклоподъемника является неисправностью авто-. мобиля);

сбой — самоустраняющийся отказ (например, при образова-

нии паровых пробок в топливопроводе).

По происхождению или причинам появления отказы и неисправности делят на три вида:

конструкционные (по вине конструктора); производственные (следствие плохо организованного производ-

ственного процесса); эксплуатационные (следствие неправильной эксплуатации или

неблагоприятного сочетания режимов эксплуатации).

Следует иметь в виду, что производство высоконадежных автомобилей требует больших затрат изготовителя и малых затрат при эксплуатации автомобилей, т.е., в принципе, существует оптимальная надежность автомобиля, обеспечивающая минимум суммарных затрат. Практически определение оптимальной надежности затруднено, поскольку само понятие надежности многозначное и не может быть выражено единым показателем. Основной задачей ТЭА является поддержание заданных техническими условиями показателей качества автомобилей в эксплуатации, для чего необходимо иметь четкие представления о факторах и процессах, приводящих к изменению эксплуатационных характеристик автомобилей. Обобщенно все изменения технического состояния автомобиля могут быть сведены к двум причинам: изменение свойств конструкционных материалов; изменение геометрии деталей, включая размеры, форму, взаимное расположение поверхностей и их шероховатость.

1.2. Процессы, приводящие к неисправностям и отказам автомобилей

1.2.1. Процессы изменения свойств конструкционных материалов

В конструкции автомобиля используются весьма разнообразные материалы: различные металлы, пластмассы, резина, ткани, стекло и т.д. По мере эксплуатации автомобиля свойства конструкционных материалов меняются также весьма разнообразно. Поскольку автомобиль является машиной, наибольший интерес с позиции надежности представляет изменение механических свойств материалов. Рассмотрим наиболее существенные процессы.

Температурное разупрочнение — характерно для металлов и других материалов. При повышении температуры для разных металлов более или менее снижаются их прочностные характеристики: предел текучести о_т и предел прочности о„. Например, при перегреве двигателя у поршней могут выламываться перемычки между поршневыми кольцами (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Температурное разрушение Рис. 1.3. Последствия температурно- поршня го разупрочнения поршня при де-

тонации

На рис. 1.3 показан поршень, подвергшийся перегреву при детонационном горении горючей смеси, когда ударные волны сдувают граничный газовый слой с поверхности деталей камеры сгорания, что резко увеличивает теплопередачу (всем известен эффект от ударов веником в бане), повышает температуру поршня и приводит к его разупрочнению. Локальные взрывные волны, отраженные от стенок камеры сгорания, в точках их взаимного наложения имеют максимальное давление и «выплескивают» разупрочиенный металл с днища поршня.

На рис. 1.4 показан поршень дизеля с разрушенной поверхностью дниша в зоне вихревой камеры. Перегрев поршня привел к стойкому залеганию поршневых колец в канавках и задиру цилиндрической поверхности поршня.

Температурное разупрочнение характерно не только для алюминиевых сплавов, имеющих низкую температуру плавления, но и для стали. В качестве примера на рис. 1.5 показан шатун, подвергшийся деформации при перегреве нижней головки вследствие нарушения подачи масла в зону трения шейки коленчатого вала и вкладышей. На перегрев детали указывает спекание вкладыша с постелью шатуна и наличие обуглившейся пленки масла на поверхностях. Повышенный момент трения в заклиненном сопряжении привел к изгибу шатуна по направлению вращения шейки вала.

Весьма существенно повышение температуры влияет на ползучесть металлов — медленно протекающую деформацию при длительном воздействии нагрузок, когда о < о_т. Например, при перегреве двигателя часто наблюдается коробление алюминиевой го-

Рис. 1.4. Разрушение поршня дизеля при Рис. 1.5. Деформация шату- темпсратурном разупрочнении на при перегреве нижней го- ловки

ловки блока цилиндров и самого блока, особенно при неравномерной затяжке винтов или шпилек крепления головки (затянутая как натянутая струна шпилька постоянно воздействует на соединяемые детали).

При низкой температуре может наблюдаться хладноломкость металлов — разрушение деталей при нагрузках, совершенно безопасных при нормальной температуре. Как правило, это хрупкое разрушение деталей при ударных воздействиях, наблюдаемое обычно при температурах -40...-5СГС.

На рис. 1.6 показан поршневой палец двигателя после запуска автомобиля «ГАЗсль» с буксира при температуре -35 "С. Кроме поперечного излома на поверхности пальца имеются дугообразно расходящиеся продольные трешины, что указывает на хрупкое разрушение, которое может быть обусловлено хладноломкостью металла.

Усталость — разупрочнение металлов при циклических нагрузках, приводящее к разрушению деталей при напряжениях о<о_Т. Накопление усталости объясняют смещением дислокаций (микроскопических несплошностей) на гранях кристаллов при их раскачивании, объединением дислокаций и образованием за счет этого микротрещин. Постепенно микротрещины перерастают в макротрещины, которые уменьшают живое сечение детали, фактические напряжения за счет этого возрастают и достигают значений о_в, что приводит к разрушению детали.

Источниками циклических нагрузок могут быть условия естественного функционирования детали (например, при работе ше-

•

стерни зуб воспринимает нагрузку, потом «отдыхает», вновь воспринимает нагрузку и т.д.), вибрационные нагрузки и т.п.

Реальный спектр нагрузок, воспринимаемых деталями автомобиля, зависит от режимов его работы. Усталостную прочность обычно исследуют при синусоидальной нагрузке с симметричным циклом (амплитудные значения растяжения и сжатия одинаковы). Число циклов N, выдерживаемых образцом до разрушения, связано с амплитудным напряжением зависимостью Велера a^mN = const, где m — эмпирический коэффициент. Кривая Велера может быть представлена на графике с линейными шкалами, но чаще ее изображают на графике с логарифмическими шкалами (рис. 1.7).

Большинство металлов имеют характерную точку перегиба при o"_i — это наименьшая амплитуда напряжений, при которой происходит смещение дислокаций, т.е. наблюдается накопление усталостных повреждений. Величину о*_, называют пределом усталостной прочности, или пределом выносливости. Некоторые металлы, например медь, не имеют точки перегиба, т.е. могут быть разрушены даже при очень небольших циклических нагрузках.

Кривая Велера строится по результатам испытаний долговечности образцов, подверженных симметричной синусоидальной нагрузке (рис. 1.8, а). Постоянная составляющая напряжений а„ (рис. 1.8, б) оказывает существенное влияние на долговечность деталей снижая ее. Для большинства металлов напряжения растяжения снижают долговечность деталей сильнее, чем напряжения сжатия.

Igo

Рис. 1.7. Характер связи амплитуды напряжений и числа циклов до усталостного разрушения детали

Сжатие Сжатие

Растяжение ♦ о Растяжение а

Рис. 1.8.

Виды

синусоидальных нагружений

испытуемого образца: - симметричный цикл; б — цикл нагрузок при наличии постоянной составляющей

Спектр напряжений, которые испытывают детали автомобиля, движущегося по неровной дороге, часто носит случайный характер, как по амплитуде, так и по частоте. Для оценки повреждающего воздействия на деталь реальный спектр напряжений представляют набором синусоид, амплитуду и число которых рассчитывают по числу пересечений, наносимых на осциллограмму с некоторым шагом линий, параллельных оси пройденного пути. Проводя такую обработку осциллограммы, записываемой при прохождении автомобилем определенного пути (например, 100 м), можно построить график спектра, по оси абсцисс которого откладывается число амплитуд (циклов нагружения), а по оси ординат соответствующие амплитуды напряжений.

Накопление усталости в детали зависит от числа циклов нагружений и значений амплитуды напряжений, связанных между собой уравнением Велера. Усталостное разрушение происходит при выполнении условия

где л, — число циклов напряжений с амплитудой о, в анализируемом спектре; Л/, — число циклов, которое выдержит деталь до разрушения, если она испытывает синусоидальные нагружения с тем же напряжением.

На основании этого условия и известной кривой Велера для рассматриваемой детали можно провести сравнительный анализ повреждающего воздействия различных нагрузочных спектров. На рис. 1.9 иллюстрируется ход такого анализа.