Глава I. Надежность и долговечность автомобилей и мероприятия по их обеспечению

§ 1. Основная терминология надежности и долговечности машин

Согласно государственному стандарту "Надежность в технике" (ГОСТ 13377 - 67) под надежностью понимается свойство изделия выполнять заданные функции, сохраняя свои эксплуатационные показатели в заданных пределах в течение требуемого промежутка времени или требуемой наработки. Надежность изделия обуславливается его безотказностью, ремонтопригодностью, сохраняемостью, а также долговечностью его частей.

По мере износа деталей, а также в зависимости от условий эксплуатации надежность автомобиля снижается, причем нарушение его работоспособности принято называть отказом.

Под отказом понимается остановка автомобиля из-за возникших неисправностей (поломка, нарушение регулировок, предельный износ, ослабление креплений и пр.) или из-за отклонений показателей технической характеристики (снижение давления масла, предельная температура воды, большой тормозной путь, чрезмерный люфт и т. п.).

Отказ бывает внезапный и постепенный. Внезапный отказ возникает вследствие повреждения деталей, постепенный - в результате изнашивания и усталостного разрушения деталей, некачественного ремонта и плохого обслуживания, неправильного применения эксплуатационных материалов и нарушений правил эксплуатации.

Под безотказностью понимается свойство изделия сохранять работоспособность без вынужденных перерывов в течение определенной наработки, выраженной в километрах пробега автомобиля или мото-часах работы. Показателями безотказности являются средняя продолжительность работы изделия между вероятными отказами или среднее время безотказной работы.

Под ремонтопригодностью понимается приспособленность изделия к предупреждению, обнаружению и устранению отказов путем проведения технического обслуживания и ремонта.

Под сохраняемостью следует понимать свойство изделия сохранять эксплуатационные технические показатели в течение определенного времени хранения, транспортировки и после этого при эксплуатации.

Под долговечностью понимается свойство изделия сохранять работоспособность до предельного состояния с учетом перерывов для технического обслуживания и ремонта. Предельное состояние изделия определяется невозможностью его дальнейшей эксплуатации из-за снижения эффективности, нерентабельности, повышенных износов или по требованию техники безопасности. Показателем долговечности изделия является ресурс (межремонтный, назначенный средний) или срок службы.

В процессе длительной эксплуатации техническое состояние узлов и агрегатов автомобиля ухудшается, в результате чего их надежность и долговечность снижаются.

Изменение технического состояния автомобиля происходит в результате износа его деталей в процессе работы и коррозии при хранении.

Рис. 1. Взаимодействие смазочных поверхностей сопряженных деталей

После механической обработки деталей на их поверхностях остаются шероховатости 12 и 13 (рис. 1). При движении одной из сопряженных деталей относительно другой, например, коренной шейки 6 коленчатого вала относительно вкладыша 7 коренного подшипника шероховатости зацепляются и скалываются, при этом в результате давления подвижной детали 6 на неподвижную 7 происходит их нагревание и в точках контакта - сваривание частиц металла с последующим разрушением поверхности трущихся тел. В процессе работы сопряжения шероховатости скалываются, выкрашиваются и свариваются, в результате чего возникают новые шероховатости, которые в свою очередь тоже подвергаются разрушению. Так происходит изнашивание схватыванием 1-го рода (без нагрева) и 2-го рода (тепловой износ). С увеличением нагрузок и скорости движения, а также при сухом трении изнашивание усиливается. Вследствие разрушения деталей происходит диффузия кислорода в верхние слои металла, при этом на поверхностях образуется окислительная пленка, обладающая высокой твердостью и хрупкостью. Во время работы сопряжения эта пленка разрушается и процессы окисления повторяются, так происходит окислительный износ.

Многие детали автомобиля работают в активной газовой среде и при высоких температурах, в результате чего происходят изменения в строении металлов и сплавов, появляются трещины на поверхностях деталей и происходит последующее разрушение поверхностного слоя. Такой процесс износа называют газовой коррозией.

Металлы в жидкой среде (электролитах) образуют гальванические пары, и ионы металлов перемещаются с поверхности деталей в жидкость. Так происходит износ, называемый электрохимической коррозией.

Между сопряженными деталями, например между шатунной шейкой 4 и подшипником 5, попадают твердые частицы - абразивы 11, металлическая стружка, нагар, песок, которые поступают из внешней среды вместе с воздухом, топливом и маслом или образуются в результате износа, сгорания и загрязнения. Процесс разрушения деталей твердыми частицами 11 во время работы агрегата называется абразивным износом. Он может быть основным при отсутствии воздушных и масляных фильтров или их значительном загрязнении, а также при плохой герметизации агрегатов.

С целью уменьшения сил трения между деталями, защиты поверхности от коррозии, охлаждения деталей и удаления с их поверхностей продуктов износа и отложений к трущимся поверхностям деталей подводится смазка. Она заполняет зазор между деталями и разделяет их, образуя на поверхностях деталей масляные пленки 8 и 10, между которыми создается жидкостный слой масла 9.

В зависимости от толщины жидкостного слоя 9, высоты шероховатостей 12 и 13, относительной скорости перемещения трущихся поверхностей 4 и 5 и удельного давления трение между деталями может быть: жидкостным (полужидкостным, полусухим), граничным и сухим.

Таким образом, трение между металлами заменяется трением между слоями масла. Для сохранения масляной пленки между деталями нужна определенная шероховатость их поверхности, которая создается при первоначальной обработке и последующей приработке деталей.

Постоянство масляного слоя в сопряженных деталях обеспечивается системой подачи масла, его давлением и образованием клиновидного масляного слоя 3. В сопряжении вал-подшипник клиновидный масляный слой 3 создается над валом, когда он находится в покое. При вращении вала, по мере увеличения его скорости, промежуточные слои масла, увлекаемые валом, будут нагнетаться из пространства, находящегося над валом, в клиновидный зазор между валом и подшипником. При определенных условиях вал в подшипнике как бы всплывает и наступает жидкостное трение. Давление масла в клиновидном слое подшипника 7 коленчатого вала двигателя обычно бывает от 1 961 330 до 5883990 н/м²(от 20 до 60 кГ/см²) и в отдельных случаях может достигать 19 613 300 н/м²(200 кГ/см²)^*.

^* (Здесь и далее приводятся величины, выраженные в единицах СИ, в скобках указаны величины в прежних единицах измерения. )

По мере износа вал 6 и подшипник 7 становятся овальными, При этом клиновой эффект уменьшается и даже может исчезнуть.

Клиновой эффект также исчезает или уменьшается при появлении на трущихся поверхностях выступов и рисок и отсутствует в местах расположения масляных кольцевых канавок на подшипниках.

Клиновидный слой смазки 3 создается также между поршнем 2 и цилиндром 1 на середине хода поршня, когда скорость его достаточно велика и поршень, поворачиваясь вокруг пальца, самоустанавливается, создавая клиновидный зазор.

Трение между деталями, покрытыми тонкой адсорбированной пленкой масла, называется граничным. Адсорбированная пленка образуется в результате молекулярного притяжения, возникающего между маслом и металлом. Эта пленка подвижна и может выдерживать большие давления. В масло добавляются специальные присадки, которые помогают образовывать и восстанавливать поврежденную пленку.

При разрушении адсорбированной пленки масла и отсутствии смазки имеет место сухое трение, т. е. трение несмазанных тел.

Большие удельные давления и действие переменных нагрузок в деталях вызывают появление наружных и внутренних микротрещин, которые увеличиваются в результате расклинивающего действия попадающей в них смазки. При этом с поверхностей деталей откалываются мелкие чешуйки металла, поверхность покрывается так называемыми осповидными впадинами ("питингами"). В таких случаях имеет место усталостный износ. В результате усталостного износа происходят поломки коленчатых валов, зубьев шестерен, обойм подшипников, листов рессор и других деталей.

Таким образом, надежность и долговечность работы агрегатов автомобилей в значительной степени зависит от характера износа, применяемых смазочных материалов и степени их загрязнения.