2084

Рис. 2.1.Факторы, влияющие на надежность технических изделий

21

Позиционная нагрузка влияет в основном на статические характеристики. Постоянная противодействующая или сопутствующая сила на выходном звене машины приводит соответственно к уменьшению или увеличению скорости выходного звена. Позиционная нагрузка на выходном звене деформирует амплитудно-частотную характеристику и увеличивает фазовые сдвиги, что изменяет запасы устойчивости и быстродействие привода машины.

Инерционная нагрузка влияет на динамические свойства машины. Она обусловливает появление резонансных режимов и колебательных процессов.

Вибрация – это механические колебания в элементах машины, не являющиеся неотъемлемым условием выполнения ими своих функций, а возникающие вследствие несовершенства конструкции, дефектов и особых условий эксплуатации. Основным источником вибраций всех машин является ротор. Его статическая и динамическая неуравновешенность приводит к возникновению сил и моментов, вызывающих вибрацию как самого ротора, так и машины в целом.

Неуравновешенность и несбалансированность вращающихся частей машин являются следствием неточности изготовления деталей и узлов, неоднородности материала, упругих и остаточных деформаций и т.д. В процессе эксплуатации неуравновешенность ротора увеличивается под действием силового возмущения, температурных деформаций и износа.

Таким образом, изменение технического состояния обусловлено работой узлов механизмов, случайными причинами, а также воздействием внешних условий работы и хранения технических изделий.

К субъективным факторам относятся конструктивные, технологические и эксплуатационные факторы, которые во многом зависят от конструктора, изготовителя и эксплуатационника, т.е. от человека.

Конструктивные факторы определяются схемой и режимом работы машины, формами и размерами деталей (от данных факторов зависит давление на поверхность детали, концентрация напряжений, ударная и усталостная прочность металла); качеством материалов, используемых для изготовления деталей; жесткостью конструкции, т.е. способностью деталей, особенно базовых и основных, незначительно деформироваться под воздействием воспринимаемых нагрузок; точностью взаимного расположения поверхностей и осей совместно работающих деталей; правильным выбором посадок, обеспечивающих надежную работу соединений.

Технологические факторы определяются технологией выполнения операций, применением соответствующей термической обработки и качеством сборочных работ: центровкой, обеспечением соосности, регулировкой зазоров, креплением.

Субъективные эксплуатационные факторы зависят от воздействия персонала предприятия на техническое изделие при его эксплуатации.

22

вследствие либо ошибок при расчетах, либо нарушений правил эксплуатации.

Иногда остаточным деформациям предшествует механическое изнашивание, приводящее к изменению геометрических размеров и сокращению запасов прочности детали.

Рис. 2.2. Удельный вес причин нарушения работоспособности автомобилей

Остаточные деформации наблюдаются в виде пластической деформации, пластического разрушения, хрупкого разрушения и коробления деталей.

Пластическое деформирование деталей проявляется в виде изгиба, скрученности, растяжения или смятия отдельных поверхностей. Происходит это под действием силовых (статических и динамических) нагрузок, вызывающих увеличение напряжений в материале, превышающих предел текучести.

Текучесть – это свойство металлов и их сплавов деформироваться в упругопластической зоне с нарастающей остаточной деформацией после достижения напряжения в материале свыше определенного значения.

На диаграммах растяжения (рис. 2.3) наступление текучести часто выражается в виде площадки, которая возникает при напряжениях, соответствующих пределу текучести (рис. 2.3, а). У металлов с большим количеством примесей, например малоуглеродистых сталей, из которых изготавливают большинство деталей машин, наступление текучести связано с образованием зуба текучести (рис. 2.3, б). В данном случае при повышении напряжений вплоть до верхнего предела текучести пластическая деформа-

24

ция очень мала, затем наступает срыв напряжения до нижнего предела текучести, и наблюдается последующее нарастание пластической дефор-

Рис. 2.3. Диаграммы растяжения металлов:

а – появление текучести в виде площадки; б – образование текучести в виде зуба; в – постепенное нарастание пластической деформации.

А – зона упругости; Б – упругопластическая зона

Большинство качественных поликристаллических металлов и сплавов не обнаруживает резко выраженного предела текучести: у них после достижения предела пропорциональности происходит постепенное нарастание пластической деформации (рис. 2.3, в). В этом случае определяют условный предел текучести по значению заданной пластической дефор-

мации (обычно 0,2..,0,3 %).

Пластическое разрушение сопровождается значительной предварительной деформацией, вызываемой касательными напряжениями (рис. 2.4, а). Этому виду разрушения подвергаются детали из вязких металлов (сталь), в

Рис. 2.4. Пластическое разрушение (разрыв) проушины штока поршня гидроцилиндра (а) и хрупкое разрушение поршня двигателя (б)

25

Хрупкое разрушение наступает без макроскопической деформации под действием нормальных напряжений, превышающих предел прочности. Хрупкое разрушение распространяется с большой скоростью, сопоставимой со скоростью распространения звука в данном материале. Оно характерно для деталей, изготовленных из хрупких материалов, например из чугуна, и проявляется в виде излома (рис. 2.4, б).

Прочность – это свойство материала сопротивляться разрушению под воздействием нагрузок, не превышающих предела прочности. Оно определяется значением напряжения, скоростью его изменения, видом деформации и характером напряженного состояния.

Прочность деталей во многом зависит от материала, а также от состояния тонкого, поверхностного слоя, в котором обычно образуются трещины.

В корпусных деталях (блоки, корпуса коробок передач и задних мостов, головки цилиндров, корпуса редукторов и др.) при воздействии на них внешних силовых нагрузок, вибрации, нагрева протекают процессы старения, внутренние напряжения в связи с этим перераспределяются, происходит релаксация напряжений, приводящая к короблению деталей.

2.2.2. Усталостные разрушения

Усталостные разрушения – это вид разрушений, возникающий при циклическом приложении нагрузок, превышающих предел выносливости металла детали. При этом происходят постепенное накопление и рост усталостных трещин, приводящие, при определенном числе циклов нагружения, к усталостному разрушению деталей. Многократное приложение нагрузки вызывает разрушение деталей при напряжениях, значительно меньших, чем в случае однократного их приложения.

Явление, при котором напряжения разрушения из-за большого числа повторных нагружений могут быть ниже не только предела прочности и предела текучести (σТ), но и предела упругости (σПУ), называется

усталостью металлов.

Детали, несущие статические и циклические силовые нагрузки (элементы рам машины, коленчатые и торсионные валы, листы рессор, пружины, шатуны и др.), разрушаются вследствие усталости.

Разрушение может происходить за счет нагружения растяжением, сдвигом. Оно всегда заканчивается образованием трещин вплоть до разрушения.

Характер повторно-переменных нагружений деталей может быть различным (рис. 2.5). Цикл напряжений характеризуется максимальным σmax, минимальным σmin напряжениями, амплитудой σа= (σmax– σmin)/2, средним напряжением σcp= (σmax+ σmin)/2 и коэффициентом асимметрии цикла KA= σmin/σmax. Используя эти основные параметры, можно описать каждый

26

из показанных на рисунке циклов напряжений, принимая, что напряжения растяжения положительны, а напряжения сжатия отрицательны.

Рис. 2.5. Характер повторно-переменных напряжений:

а – знакопеременный симметричный цикл; б – знакопеременный асимметричный цикл; в–пульсирующий цикл; г – знакопеременный цикл

Способность материала сопротивляться усталостному разрушению называется выносливостью, которая характеризуется двумя критериями. Основной ее критерий – это предел выносливости, представляющий собой наибольшее напряжение цикла, которое может выдержать материал образца без разрушения от усталости.

Вторым критерием выносливости является число циклов, при котором происходит усталостное разрушение в заданных условиях испытаний, назы-

ваемое долговечностью.

Усталостное разрушение происходит в три стадии: накопление локальных микродеформаций в опасном сечении, развитие трещины (подрастание), которую трудно установить в эксплуатационных условиях, и разрушение – хрупкий излом без признаков пластической деформации.

27

Усталостные разрушения имеют характерные признаки, позволяющие отличить их от других разрушений. На поверхности излома можно различить пять зон (рис. 2.6).

1.Фокус излома – малая локальная зона, близкая к точке возникновения начальной макроскопической трещины усталости. Обычно фокус излома располагается на поверхности детали в местах концентрации напряжений или поверхностных дефектов. Если в теле деталей были внутренние дефекты или детали подвергались поверхностному упрочнению, фокус излома может располагаться внутри детали.

2.Очаг разрушения – небольшая зона, прилегающая к фокусу излома. При больших напряжениях может быть несколько очагов разрушения. На поверхности излома эта зона имеет наибольшие блеск и гладкость. Усталостные линии на очаге разрушения обычно отсутствуют.

3.Участок избирательного развития соответствует зоне развившейся трещины усталости. В этой зоне видны характерные усталостные линии, волнообразно расходящиеся. Форма усталостных линий зависит от формы детали и характера нагружения. Направления развития трещины могут отклоняться от первоначального.

4.Участок ускоренного развития трещины является переходной зоной между участками усталостного развития трещины и зоной долома. Эта зона образуется в течение нескольких циклов, предшествующих окончательному разрушению.

5.Зона долома характеризуется признаками макрохрупкого разру-

шения.

Характерные признаки разрушения деталей от усталости – отсутствие заметных остаточных деформаций и наличие на поверхности излома зоны развития трещины с гладкой поверхностью и зоны поломки (долома) с шероховатой поверхностью.

На рис. 2.8 показана качественная картина влияния вида нагружения, величины нагрузки и концентрации напряжения на вид излома в стальных деталях.

Усталостные изломы при изгибе подразделяют на односторонние, двусторонние и изломы при круговом изгибе (см. рис. 2.8). Круговой усталостный излом возникает на вращающихся деталях, работающих на изгиб (см. рис. 2.7). В этом случае несколько

Рис. 2.7. Усталостное разрушение трещин, расположенных по диаметру,

коленчатого вала двигателя

28

объединяются, вследствие чего зона окончательного излома располагается близко к центру круглой детали.

Рис. 2.8. Виды изломов при усталостных разрушениях от изгиба (зоны мгновенного разрушения заштрихованы накрест, зоны развития трещины показаны продольными линиями)

Зона долома у деталей, работающих при высоких нагрузках, меньше, чем при более низких нагрузках.

Совершенствование методов расчета и технологии изготовления автомобилей, повышение качества металла и точности изготовления, исключение концентраторов напряжения привело к значительному сокращению случаев усталостного разрушения деталей.

2.2.3. Коррозия

Коррозия – это процесс разрушения металла, происходящий вследствие агрессивного химического или электрохимического взаимодействия среды с деталью, приводящего к окислению металла и, как следствие, к уменьшению прочности и ухудшению внешнего вида.

Основными активными агентами внешней среды, вызывающими коррозию, являются соль, которой посыпают дороги зимой, кислоты, содержащиеся в воде и почве, компоненты, входящие в состав отработавших газов автомобилей, и их химические соединения.

Коррозия главным образом поражает детали кузова, кабины, рамы. Для деталей кузова, расположенных снизу, коррозия сопровождается абразивным изнашиванием в результате воздействия на поверхность при движении автомобиля абразивных частиц: песка, гравия. Сильно способствует коррозии сохранение влаги на металлических поверхностях, в том числе

29

под слоем дорожной грязи, что особенно характерно для всякого рода скрытых полостей и ниш.

Коррозия приводит к усталостному изнашиванию и разрушению, так как создает на поверхности металла концентраторы напряжения в виде коррозионных язв. Такой вид разрушений наблюдается, например, в местах сварки, крепления кронштейнов рессор.

Коррозию подразделяют:

по геометрическому характеру разрушения – на сплошную

(общую) и местную (локальную);

по характеру взаимодействия металла со средой – на химическую

иэлектрохимическую;

по типу коррозионной среды – на газовую, атмосферную, жид-

костную, подземную;

по характеру дополнительных воздействий, которым подвергается металл одновременно с коррозией, – коррозия под напряжением, контактная коррозия.

Сплошная (общая) коррозия, охватывающая всю поверхность металла, бывает: равномерной, которая протекает с одинаковой скоростью по всей поверхности металла; неравномерной, когда скорость коррозии на разных участках поверхности неодинакова; избирательной, при которой разрушается одна структурная составляющая или один компонент сплава.

Общая коррозия возникает на больших незащищенных поверхностях кузова автомобиля под действием солевых растворов влаги. Коррозия происходит с максимальной интенсивностью при концентрации солевого раствора от 2 до 5 %. Интенсивность общей коррозии для стальных деталей может достигать 30–40 мкм, а цинковых – 8 мкм в год. Интенсивность коррозии в городах и на дорогах соответственно составляет 30 и 5 мкм в год. При увеличении влажности воздуха от 60 до 90 % интенсивность коррозии возрастает в три раза.

Локальная (местная) коррозия возникает на ограниченных участках и проявляется в виде щелевой, питтинговой, ножевой, подслойной и межкристаллитной коррозии.

Щелевая коррозия образуется в щелях и зазорах между двумя металлами, а также в местах неплотного контакта металла с неметаллическим коррозионно-инертным материалом. Зазором могут быть щели между листами, зазоры в сопряжениях и стыках, зоны трещин в металле, а также щели между осевшими или прилипшими к поверхности посторонними веществами. Особенно там, где долгое время сохраняется влага или грязь, например в местах точечной сварки кузова.

Щелевая коррозия может возникать и при погружении металла в электролит, а также в атмосферных условиях.

30