CC BY
27
УДК 629.33.027
Ю.В. Родионов, доктор технических наук, профессор, декан автомобильно-дорожного института, ФГБОУ ВО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства» e-mail: [email protected]
А.А. Войнов, магистрант кафедры эксплуатации автомобильного транспорта, ФГБОУ ВО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства» e-mail: [email protected]
АНАЛИЗ ПРИЧИН ОТКАЗОВ ШАРОВЫХ ОПОР ЛЕГКОВЫХ АВТОМОБИЛЕЙ
Цель: провести анализ причин появления дефектов шаровых опор легковых автомобилей для повышения прочности и долговечности сферического подшипника скольжения. Методы: сбор и анализ статистических данных по распределению основных отказов по системам автотранспортных средств, а также основных дефектов подвески легковых автомобилей по сведениям ОАО «СУРА-ЛАДА» города Пензы. Результаты: установлено, что основные дефекты в исследуемых шаровых опорах легковых автомобилей связаны с износом и разрушением полимерного элемента и являются эксплуатационными причинами. Главными непрерывно действующими причинами возникновения дефектов шаровых опор передней подвески при их технической эксплуатации являются: износ, пластические деформации, коррозионные и усталостные разрушения, физико-химические изменения материала элементов (старение). Научная новизна: доказано, что долговечность сферических подшипников скольжения в подавляющем большинстве случаев (более 90 %) определяется износостойкостью контактирующих поверхностей его деталей и зависит от ряда конструктивных, технологических и эксплуатационных факторов. Практическая значимость: основные положения и выводы статьи могут быть использованы при разработке технологий повышения долговечности шаровых опор, в частности, модификации структуры композиционной подложки вкладыша металлическими гранулами в процессе её изготовления.
Ключевые слова: автомобиль, шаровая опора, дефект, изнашивание, надежность.
К одним из наиболее значимых узлов транспортного средства возможно отнести подвеску легкового автомобиля. Шаровая опора (ШО) считается одной из небольших, но крайне необходимых элементов автотранспортного средства. Она состоит из пальца, выполненного из металлического материала, с шарообразным кольцом с одного края и резьбой с другого, конструкция также выполнена из корпуса, заполненного полимером, внутри находится шарообразное гнездо. Палец шарообразным концом без зазоров вставляется в корпус, а точнее в его гнездо, что ликвидирует даже небольшие люфты, при этом не теряется способность пальца перемещаться в различных плоскостях. Для исключения попадания пыли и грязи во внутреннее пространство этого узла соединение корпус-палец защищается резиновым пыльником. ШО резьбовым концом вводится в необходимое отверстие другой составляющей подвески-рычага, а также прикрепляется к нему гайкой. Их обоюдная подвижность поддерживается в результате перемещения шарообразного конца в гнезде корпуса.
ШО относятся к подшипникам скольжения, в свою очередь, которые в современном машиностроении играют особую роль. Они работоспособны в широком диапазоне температур, бесшумны, обладают стойкостью в химически активных средах, виброустойчивостью и сравнительно высокой долговечностью [1].
Подшипникам скольжения [4, 5, 7, 8, 9] уделя-
ется много внимания в научных исследованиях и в производственно-технологическом отношении. По конструктивному исполнению они делятся на цилиндрические и сферические, в том числе типа «яблоко-цапфа» (или «яблоко-кольцо») под тихоходные валы, которые широко применяют в транспортных, сельскохозяйственных, дорожных, строительных и других видах машин. Сферические подшипники скольжения (СПС) широко применяют в подвесках автомобилей [3].
Опыт работы автотранспортных предприятий показывает, что подвеска относится к одним из наименее надёжных и наименее долговечных агрегатов автотранспортного средства [13].
В процессе работы и эксплуатации рабочие поверхности большинства элементов автомобильных подвесок подвержены отказам вследствие изнашивания под влиянием множества различных условий: сил трения, воздействий коррозии, действия абразивных частиц, влияния температурных изменений, воздействий химически агрессивных жидкостей и газов и другое [11].
В процессе регистрации на станциях технического обслуживания установлено, что отказы по системам и агрегатам автомобилей ВАЗ 21213 [2] при среднем пробеге 45...50 тысяч километров составляют больше 80 %, большинство отказов выявлено у передних и задних подвесок, тормозных систем, двигателей и электрооборудовании. Расходы, необходимые на устранение этих неисправностей,
составляют порядка 75 % от всех затрат по легковому автомобилю.
Расходы, связанные с устранением отказов по системам и агрегатам автотранспортных
средств индивидуального пользования, а также их основные виды отказов по данным ОАО «СУРА-ЛАДА» города Пензы, рассмотрены в таблице 1.
Таблица 1. Распределение основных видов отказов по системам и агрегатам автотранспортных средств
№ п.п. Агрегаты и системы Удельный вес, %
отказов трудоёмкости устранения отказов стоимости запасных частей
1 Двигатель и его системы 5,7 11,6 7,4
2 Сцепление 1,3 4,4 2,7
3 Коробка передач 0,1 0,1 0,1
4 Валы карданные 0,7 1,7 1,1
5 Задний мост 2,4 6,5 11,7
6 Рулевое управление 1,1 1,1 0,8
7 Передняя подвеска 28,9 38,8 30,1
8 Задняя подвеска 17,7 17,9 17,3
9 Тормозная система 17,2 2,4 5,7
10 Колёса (без учёта шин) 4,0 2,4 3,8
11 Электрооборудование и приборы 12,7 5,4 13,6
12 Кузов и его детали 8,2 7,7 5,7
Итого: 100 100 100
Характерными дефектами подвесок, которые возникают во время эксплуатации, являются:
- трещины на элементах автомобиля;
- видимые следы задевания о преграды на дорогах;
- деформации рычагов;
- деструкции растяжек и прочее.
Деформация элементов подвески изменяет углы
установки колес, вследствие чего исключается возможность их регулирования. По экспертной оценке специалистов в области эксплуатации автотранспорта [10] использование подвески с различными неисправностями приводит к увеличению верти-
кальных и угловых ускорений, а также внезапные толчки, удары кузова о подвеску снижают долговечность автомобиля в 1,5 раза и более и уменьшают безопасность его движения.
Установлено, что количество текущих ремонтов подвесок составляет 10,5 % от общего количества текущих ремонтов (ТР) узлов и агрегатов автомобиля, причем на переднюю и заднюю подвески приходится примерно 3 % от общего числа времени простоя автотранспортных средств в текущем ремонте. На рисунке 1 и в таблице 2 показано распределение отказов в передней подвеске легкового автомобиля и затрат на их устранение.
Резинотехнические изделия Стабилизатор Амортизатор Шаровые опоры Рычаги подвески
0,3
1
2,5
30,4
45,0
0
10
40 50
20 30
%
Рисунок 1. Диаграмма распределения отказов в передней подвеске легкового автомобиля
Основными видами отказа для передней подвески, что составляет более 97 %, служат: изнашивание ШО (нижних и верхних), разрушение амортизаторов, сайлентблоков и рычагов подвески, течь жидкости из амортизаторов, причиной которой служит износ сальниковых узлов. Около 30 % от общего количества отказов в такой части легко-
Сроки службы ШО, а также амортизаторов, рычагов и других элементов передней подвески легкового автомобиля во многом зависят от качества дорожных покрытий. Требования к эксплуатационному состоянию, допустимому по условиям обеспечения безопасности дорожного движения, устанавливаются по ГОСТ Р 50579-93. Кроме опорной поверхности на долговечность СПС и его ресурс влияет конструкция и технология его изготовления.
За последнее десятилетие разработано и внедрено немало различных вариантов СПС, отличающихся конструктивным исполнением (безразборные и разборные или разъёмные), в том числе сертифицированных (производители: ОАО «Белебеевский завод «Автонормаль», город Белебей, Башкортостан; ЗАО «Научно - производственное объединение «БЕЛМАГ», город Магнитогорск; ЗАО «Кедр», город Миасс; ЗАО «Трек», ООО «Автореал», ООО «Хартрек», ООО «Полипроф», город Тольятти). В настоящее время наблюдается тенденция рас-
вого автомобиля, как передняя подвеска, относится к ШО. Из вышесказанного можно сделать вывод, что наиболее слабое звено этой части автомобиля принадлежит сферическому подшипнику скольжения. Если судить о затратах на все узлы и агрегаты, то более 28 % от общего числа приходится на устранение видов отказа ШО (таблица 2).
пространения самосмазывающихся подшипников скольжения.
Изменение в худшую сторону технического состояния подвески автотранспортного средства связано с условиями работы ее элементов и узлов и, в частности, другими случайными воздействиями. К случайным воздействиям возможно отнести перегрузки конструкции, скрытые дефекты деталей и прочее.
На изменение технического состояния СПС значительное влияние оказывают параметры автодороги и транспортные условия, а именно:
- дорожные;
- движения;
- климатические;
- сезонные;
- транспортные.
Основные дефекты элементов подвески и подшипников, а также подшипников скольжения рассмотрены в таблице 3.
Наименование элементов Характерные дефекты элементов подвесок Среднее количество отказов на один автомобиль
Пружина передней подвески и задние пружины Осадка в свободном ненагруженном состоянии 6,0
Искажение геометрических размеров 3,3
Трещины 1,6
Усталостное разрушение 1,3
Передние амортизаторы Ослабление соединений 4,70
Течь жидкости 15,3
Шаровые опоры Разрушение полимерного элемента 20,0
Усталостное разрушение в зоне крепления шарнира к рычагу 1,1
Сайлентблоки Усталостное разрушение 3,0
Трибосопряжения задней подвески - втулки резиновые и из композиционного материала Усталостное разрушение 1,6
Таблица 2. Распределение видов отказов и затрат передней подвески
№ п.п. Узлы и детали Удельный вес, %
отказов затрат на их устранение
1 Рычаги подвески 2,7 4,1
2 Шаровые опоры 29,3 28,4
3 Амортизатор 16,6 34,5
4 Стабилизатор 0,3 0,4
5 Резинотехнические изделия 51,1 32,6
Итого: 100,0 100,0
Таблица 3. Основные дефекты элементов подвесок автотранспортных средств по данным ОАО «СУРА-ЛАДА»
Из таблицы 3 видно, что основные дефекты в исследуемых СПС связаны с износом и разрушением полимерного элемента и являются эксплуатационными причинами. В таблице 4 выявлены признаки, характеризующие дефектность демонтированных
Из выше сказанного, можно констатировать, что главными непрерывно действующими причинами возникновения дефектов ШО передней подвески при их технической эксплуатации являются: износ, пластические деформации, коррозионные и усталостные разрушения, физико-химические изменения материала элементов (старение).
Таким образом, из признаков, характеризующих дефектность демонтированных ШО легковых автомобилей, по таблице 4 можно сделать вывод, что долговечность СПС в подавляющем большинстве случаев (более 90 %) определяется износостойкостью контактирующих поверхностей его деталей и зависит от ряда конструктивных, технологических и эксплуатационных факторов.
Основными причинами отказов узлов трения являются процессы контактных взаимодействий, приводящие к износу [12].
Изнашивание СПС передней подвески - это процесс изменения размеров или формы взаимодействующих деталей при трении вследствие отделения материала с поверхности контактирующих тел, накопления необратимых остаточных деформаций поверхностных слоёв трущихся тел [6].
ШО автотранспортных средств по данным ОАО «СУРА-ЛАДА». Из неё следует, что основными причинами (более 90 %) отказов ШО служит износ полимерного элемента, включающий пластическую деформацию полимера.
Отсюда следует, что повышение износостойкости возможно за счет:
1) уменьшения отделения материала с поверхности трения;
2) снижения пластических деформаций.
Пластические деформации сопряжения, зависящие также от интенсивности тепловыделения и те-плоотвода, составляют большую величину в износе полимерных материалов. Повышение износостойкости и долговечности возможно за счет антифрикционных покрытий [14].
Конструктивное решение СПС должно обеспечивать точность и жёсткость корпуса, соосность деталей и оптимальный зазор. Для КПВ и самого вкладыша большое значение имеют упругопла-стические деформации сопряжения, зависящие от нагрузки, интенсивности тепловыделения и тепло-отвода.
Технологией повышения долговечности СПС можно считать модификацию структуры композиционной подложки вкладыша металлическими гранулами в процессе её изготовления, так как в большинстве случаев СПС не обеспечивают требуемых показателей по долговечности.
Таблица 4. Признаки дефектности шаровых опор
№ п.п. Признаки Дефект Частость дефекта
1 Износ полимерного слоя, как следствие снижение управляемости автомобиля из-за несоосности пальца с корпусом - нарушение конструктивных параметров Преждевременный недопустимый зазор до выработки гарантированного ресурса. Д > 700 мкм 38
2 Износ полимерного слоя, как следствие снижение устойчивости автомобиля из-за несоосности пальца с корпусом - нарушение конструктивных параметров Недопустимый зазор. Д > 700 мкм 38
3 Вырыв пальца, полный или частичный Разрушение шаровой опоры 2
4 Пластические остаточные деформации корпуса по краю отверстия для пальца. Изменение геометрических размеров корпуса Разрушение шаровой опоры 14
5 Нарушена герметичность чехла Разрушение шаровой опоры 17
6 Полное отсутствие чехла для шарнира Разрушение шаровой опоры 11
ИТОГО 120
Литература
1. Артёмов, И.И. Повышение долговечности шаровых опор легковых автомобилей / И.И. Артёмов, А.А. Войнов // «Известия вузов. Машиностроение». - 2007. - № 9. - С. 43-51.
2. Войнов, А.А. Диагностика шаровых опор передней подвески легковых автомобилей с целью безразборного их восстановления / А.А. Войнов // Прогрессивные технологии в транспортных системах: Сборник докладов седьмой Российской научно-практической конференции - Оренбург: ИПК ГОУ 2005. - С. 86-91.
3. Железков, О.С. Усовершенствованный шаровый шарнир передней подвески легковых автомобилей / О.С. Железков, У.В. Михайлова // Автомобильная промышленность. - 2010. - № 3. - С. 14-15.
4. Катунин, А.А. Гидравлический привод стенда для испытания элементов передней подвески легковых автомобилей / А.А. Катунин, А.Н. Новиков, М.Д. Тебекин // Мир транспорта и технологических машин.
- 2011. - № 2. - С. 8-10.
5. Катунин, А.А. Ускоренные испытания шаровых опор передней подвески легковых автомобилей / А.А. Катунин, М.Д.Тебекин // Мир транспорта и технологических машин. - 2011. - № 1. - С. 43-46.
6. Машков, Ю.К. Трение и модифицирование материалов трибосистем / Ю.К. Машков, К.Н. Полещенко, С.Н. Поворознюк, П.В. Орлов - Москва: Наука, 2000. - 280 с.
7. Новиков, А.Н. Математическое моделирование технического состояния шарового шарнира в условиях стендовых испытаний / А.Н. Новиков, В.И. Чернышов, В.А. Гордон, А.А. Катунин, М.Д. Тебекин // Мир транспорта и технологических машин. - 2014. - № 4. - С. 39-46.
8. Новиков, А.Н. Вибродиагностика как способ определения технического состояния шаровых элементов подвески автомобиля / А.Н. Новиков, А.А. Катунин, М.Д. Тебекин // Мир транспорта и технологических машин. - 2014. - № 11. - С. 25-27.
9. Новиков, А.Н. Проблемы эксплуатации шаровых опор легковых автомобилей / Новиков А.Н., Катунин А.А., Тебекин М.Д. // Мир транспорта и технологических машин. - 2010. - № 3. - С. 42-45.
10. Савицкий, В.Я. Оценка эффективности замены традиционных узлов трения на полимерные // Новые промышленные технологии. - Вып. 4-5 (291-292). - Москва: Минатом, 1999. - С. 65-72.
11. Свириденок, А.И. Роль фрикционного переноса в механике самосмазывания композиционных материалов // Трение и износ. - 1987. - Т. 8. - № 5. - С. 773-778.
12. Хрущов, М.М. Исследование изнашивания металлов / М.М. Хрущов, М.А. Бабичев. - Москва: Изд-во АН СССР, 1970. - 315 с.
13. Шульц, В.В. Форма естественного износа деталей машин и инструмента. - Ленинград: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1990. - 208 с.
14. Archard, J.F. Wear in: Interdisciplinary Approach to Friction and Wear, Ku P.M. (Ed/) NASA SP-181. -Washington, 1968. - p. 267.
