CC BY
68УДК 629.331
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИЧИН ВЫХОДА ИЗ СТРОЯ ДИФФЕРЕНЦИАЛА ТРАНСМИССИИ АВТОМОБИЛЯ
Александр Юрьевич Малахов, канд. техн. наук, malahov-alex@yandex.ru,
Мария Юрьевна Карелина, д-р техн. наук, д-р пед. наук, проф., karelinamu@mail.ru, Алексей Евгеньевич Перекрестов, вед. инж., alemadi@mail.ru, Валерия Александровна Перекрестова, ст. преп., lirika013@yandex.ru, Алексей Николаевич Пронников, ст. преп., эксперт, alekseipronnikov@yandex.ru,
МАДИ, Россия, 125319, Москва, Ленинградский проспект, 64
Аннотация. В статье показаны примеры проведения комплексного автотехнического и металловедческого исследования причины выхода из строя дифференциала современных автомобилей. Рассмотрены различные конструкции дифференциала автомобиля, описан принцип его работы, а также показаны материалы, виды термической обработки и способы поверхностного упрочнения его деталей. В статье также акцентируется внимание на возможные причины выхода из строя автомобильного дифференциала, которые обязательно должны учитываться экспертом при производстве автотехнической экспертизы.
Ключевые слова: автотехническая экспертиза, металловедческая экспертиза, дифференциал, главная передача, ось сателлитов.
RESEARCH OF THE CAUSES OF FAILURE OF THE DIFFERENTIAL TRANSMISSION OF
THE CAR
Аleksandr Yu. Malakhov, Ph.D., malahov-alex@yandex.ru, Maria Yu. Karelina, Dr.Sc., professor, karelinamu@mail.ru, Aleksey E. Perekrestov, lead engineer, alemadi@mail.ru, Valeriya A. Perekrestova, postgraduate, lirika013@yandex.ru, Aleksey N. Pronnikov, senior lecturer, expert, alekseipronnikov@yandex.ru, MADI, 64, Leningradsky Prosp., Moscow, 125319, Russia
Abstract. The article shows examples of conducting a comprehensive automotive research of the causes of failure of the differential of modern cars. Various car differential designs are considered, the principle of its operation is described, as well as materials, types of heat treatment and methods of surface hardening of its parts are shown. The article also focuses on the possible reasons for the failure of the automobile differential, which must be taken into account by an expert during the production of automotive technical expertise.
Keywords: automobile-technical expertise, metal science expertise, differential, main gear, satellite
axis.
Введение
Современный автомобиль не может обойтись в своей конструкции без такого узла в трансмиссии, как дифференциал. В процессе работы эксперты часто встречаются с необходимостью проведения исследования причин выхода из строя автомобильного дифференциала, но не знают, как правильно это сделать.
В настоящей статье рассмотрены конкретные примеры экспертиз отказов дифференциалов трансмиссии современных автомобилей. Показаны возможные причины, вызывающие данные отказы. Помимо этого, в статье показано из каких материалов изготавливаются детали дифференциалов современных автомобилей и как упрочняется их поверхность.
Данная статья может помочь экспертам и специалистам правильно подойти к решению вопроса объективного и всестороннего исследования причин выхода из строя автомобильного дифференциала.
Общие сведения об автомобильном дифференциале
Дифференциал является одним из основных конструктивных элементов трансмиссии автомобиля. Дифференциал предназначен для передачи, изменения и распределения крутящего момента между двумя потребителями (между колёсами или между осями (мостами)) и обеспечения, при необходимости, их вращения с разной угловой скоростью. В трансмиссии автомобиля дифференциал может располагаться:
- в заднеприводном автомобиле для привода ведущих колес - в картере заднего моста (редуктора);
- в переднеприводном автомобиле для привода ведущих колес - в коробке передач, будь то МКП (механическая коробка передач) или АКП (автоматическая коробка передач);
- в полноприводном автомобиле для привода ведущих колес - в картере переднего и заднего мостов (редукторов);
- в полноприводном автомобиле для привода ведущих мостов/осей - в раздаточной коробке (межосевой дифференциал).
Дифференциалы, используемые для привода ведущих колес, называются межколесными. Между ведущими мостами/осями полноприводного автомобиля может быть установлен также и межосевой дифференциал.
Конструктивно дифференциал построен на основе планетарного редуктора. В зависимости от вида зубчатой передачи, используемой в редукторе, различают следующие виды дифференциалов: конический, цилиндрический и червячный (рис. 1).
Конический
Цилиндрический
Червячный
Шестерня главной _ в передачи
Солнечные шестерни
Сателит
Солнечные шестерни
Солнечные шестерни
Рис. 1. Виды конструкций дифференциалов [2]
Конический дифференциал применяется в основном в качестве межколесного дифференциала. Цилиндрический дифференциал устанавливается чаще в качестве межосевого в полноприводных автомобилях. Червячный дифференциал, ввиду своей универсальности, может устанавливаться как между колесами, так и между осями.
Симметричный дифференциал распределяет крутящий момент по осям в равных соотношениях независимо от величины угловых скоростей ведущих колес. Благодаря этим свойствам, симметричный дифференциал используется в качестве межколесного дифференциала. Несимметричный дифференциал делит крутящий момент в определенном соотношении, поэтому устанавливается между ведущими осями автомобиля [1].
Устройство самого распространенного симметричного конического дифференциала показано на рис. 2. Составные части дифференциала являются характерными и для других видов дифференциалов.
Корпус (другое наименование - чашка дифференциала) воспринимает крутящий момент от главной передачи, жестко закреплённой на нём ведомой шестерней, и далее передает его через шестерни-сателлиты на полуосевые шестерни (шестерни полуосей). Внутри корпуса установлены оси, на которых вращаются сателлиты. На грузовых автомобилях применяется четыре сателлита и крестовина в качестве их осей.
Рис. 2. Устройство самого распространенного симметричного конического дифференциала [2]
ведомая шестерня ведущая шестерня
Рис. 3. Гипоидная главная передача
При этом в коническом дифференциала чаще всего применяют гипоидную главную передачу, в которой оси ведомой и ведущей шестерней не лежат на одном уровне и не пересекаются, а смещены друг относительно друга на гипоидное смещение (рис. 3).
В работе симметричного межколесного дифференциала можно выделить три характерных режима:
- прямолинейное движение;
- движение в повороте;
- движение по скользкой дороге (пробуксовка одного из ведущих колес).
При прямолинейном движении колеса встречают равное сопротивление дороги. Крутящий момент от главной передачи передаётся на корпус дифференциала и шестерни полуосей, а далее на ведущие колеса в равном соотношении. Сателлиты при прямолинейном движении неподвижны и не вращаются, а шестерни полуосей движутся с равной угловой скоростью. При этом частота вращения каждой из шестерен равна частоте вращения ведомой шестерни главной передачи (рис. 4).
Прямолинейное [вижение
Рис. 4. Схема работы дифференциала при прямолинейном движении
При движении в повороте внутреннее ведущее колесо (расположенное ближе к центру поворота) проходит меньшее расстояние чем наружное, а значит, чтобы не проскальзывать, должно вращаться с меньшей скоростью (рис. 5). Это обеспечивает дифференциал. Шестерня полуоси внутреннего колеса замедляется и заставляет сателлиты вращаться вокруг своей оси, которые в свою очередь увеличивают частоту вращения шестерни полуоси наружного колеса. Движение ведущих колес с разными угловыми скоростями позволяет проходить поворот без пробуксовки. Крутящий момент, независимо от разных угловых скоростей, распределяется на ведущие колеса в равном соотношении.
Рис. 5. Схема работы дифференциала при движении в повороте
При движении по скользкой дороге одно из колес встречает большее сопротивление, тогда как другое проскальзывает - буксует (пробуксовывает). Дифференциал, в силу своей конструкции, заставляет вращаться буксующее колесо с увеличивающейся скоростью. Другое колесо при этом останавливается. Сила тяги на буксующем колесе, по причине низкой силы сцепления, мала, поэтому и крутящий момент на этом колесе тоже мал. А так как дифференциал симметричный, то на другом колесе крутящий момент тоже будет небольшим (рис. 6) [1].
Рис. 6. Буксование правого колеса автомобиля на скользкой дороге
Исследование причин выхода из строя дифференциалов трансмиссий современных автомобилей
В статье показаны примеры разрушений дифференциалов трансмиссий современных автомобилей.
Пример № 1
Внешний осмотр
Часто разрушение внутренних деталей дифференциала трансмиссии автомобиля в эксплуатации приводит к разрушению корпуса картера коробки переключения передач, что потребует её полную замену. Поэтому отказ дифференциала может иметь очень серьёзные последствия. Это происходит в результате попадания фрагментов разрушенной оси сателлитов или фрагментов разрушенных сателлитов между стенками картера коробки переключения передач и корпусом дифференциала (его ведомой шестерни).
На рисунке 7 показан пример такого разрушения картера коробки переключения передач автомобиля в результате попадания между его стенкой и ведомой шестерни фрагмента разрушенной оси сателлитов дифференциала.
Сам фрагмент разрушенной оси сателитов диференциала показан на рис. 8. Ось сателлитов разрушена на два фрагмента, один из которых остался внутри корпуса дифференциала.
Рис. 7. Разрушение стенки картера коробки
переключения передач автомобиля фрагментами разрушенной оси сателлитов дифференциала
Рис. 8. Фрагмент разрушенной оси сателлитов дифференциала
На поверхности оси присутствуют следы интенсивного изнашивания, задиры и наволакивание металла в зоне сопряжения с сателлитами и корпусом дифференциала (рис. 9).
Рис. 9. Повреждения оси сателлитов исследуемого дифференциала
В корпусе дифференциала также присутствуют следы изнашивания, задиры и наволакивание металла, свидетельствующие о проворачивании оси в корпусе дифференциала при заклинивании на ней сателлитов (рис. 10).
Рис. 10. Повреждения в месте установки оси сателлитов в корпусе дифференциала
Рис. 11. Сателлит, потерявший подвижность на оси дифференциала (показан стрелкой)
Один из двух сателлитов потерял подвижность на оси сателлитов в осевом направлении в результате адгезионного приваривания к поверхности оси (рис. 11).
Одно из двух стопорных колец оси сателлитов разрушено (рис. 12). На боковой поверхности обоих колец присутствуют повреждения (износ, задиры), свидетельствующие о их проворачивании относительно корпуса дифференциала вместе с осью сателлитов.
Излом стопорного кольца оси сателлитов носит силовой характер. Разрушению кольца предшествовала его сильная пластическая деформация. Разрушение кольца является следствием повреждения оси сателлитов (заклинивания на неё сателлитов) и является вторичным (произошло уже после повреждения оси сателлитов дифференциала).
Рис. 12. Повреждения на боковой поверхности обоих стопорных колец оси сателлитов
Исследование характера разрушения стопорных колец оси сателлитов при разрушении дифференциала является обязательной и очень важной задачей. Причина выхода из строя дифференциала может быть напрямую связана с разрушением стопорного кольца оси. Стопорное кольцо оси сателлитов может разрушиться первично в результате наличия в нём каких-либо производственных дефектов (дефекты материала, дефекты установки кольца и т.п.). В результате данного разрушения стопорного кольца ось сателлитов начнёт смещаться в осевом направлении, что в свою очередь может привести к её разрушению.
Металловедческий комплекс исследований
В случае разрушения металловедческой детали автомобиля, с целью полноты (всесторонности) исследования, необходимо провести металловедческий комплекс исследований, определяющий качество материала детали и наличие (отсутствие) каких-либо его дефектов.
Комплекс металловедческих исследований [3, 4] состоит из:
- фрактографическое исследования поверхности разрушения с применением портативного цифрового микроскопа Levenhuk DTX 700 (Levenhuk, КНР);
- исследование химического состава материала с применением оптико-эмиссионного спектрометра OBLF QSN 750 (OBLF, Германия);
- металлографические исследования структуры выбранных участков детали на микрошлифах в оптическом микроскопе Neophot-21 (Karl Zeiss, Германия) при увеличениях х100...1000 до и после травления 4-х % раствором азотной кислоты в этиловом спирте;
- измерение твердости поверхности с применением стационарного твердомера ТК-2М (ЗИП, Россия), а также измерение распределения микротвердости по поверхности упрочнённого слоя до сердцевины с помощью микротвердомера ПМТ-3М (ЛОМО, Россия).
Фрактографическое исследования поверхности изломов оси сателлитов показал, что разрушение носит силовой характер. Направление рубцов излома свидетельствуют о разрушении оси вследствие воздействия крутящего момента (скручивающей нагрузки) (рис. 13). Признаки усталостного разрушения отсутствуют. Металлургических дефектов
на поверхности изломов в виде крупных пор, усадочных раковин и неметаллических включений не выявлено.
а б
Рис. 13. Поверхности изломов оси сателлитов дифференциала: а - фрагмента оси; б - ответной части, оставшейся внутри корпуса дифференциала. Увеличение с помощью портативного цифрового микроскопа Levenhuk DTX500
Химический состав материала корпуса и ступицы барабана фрикционов муфты, определённый с помощью спектрометра «OBLF QSN 750», представлен в табл. 1.
Таблица 1
Химический состав [%] материала оси сателлитов
_и сателлитов дифференциала_
Элемент C Si Mn P S ш As
Ось сателлитов 0,164 0,230 0,970 0,009 0,028 1.050 0,910 0,010
Сателлит 0,203 0,270 0,860 0,008 0,026 0,560 0,550 0,002
Элемент Mo ^ Al ^ V Pb № Fe
Ось сателлитов 0,029 0,220 0,022 0,004 0,005 - - основа
Сателлит 0,220 0,040 0,030 0,002 0,005 - - основа
По химическому составу материал оси сателлитов близок к отечественной стали марки 19ХГН (ГОСТ 4543-2016 [5]) - конструкционная, низкоуглеродистая, легированная, цементуемая сталь качественного класса по содержанию вредных примесей серы и фосфора (Р).
По химическому составу сателлит близок к отечественной стали марки 20ХГНМ (ГОСТ 4543-2016 [5]) - конструкционная, низкоуглеродистая, легированная, цементуемая сталь качественного класса по содержанию вредных примесей серы и фосфора (Р).
Данные стали применяются для изготовления деталей в машиностроении, которым необходимо обеспечить твердую износостойкую поверхность с высокой контактной прочностью и вязкую сердцевину. Типовая термическая обработка для данных деталей: цементация + закалка + низкий отпуск. Цементация - химико-термическая обработка, заключающаяся в диффузионном насыщении поверхности стали углеродом (С) до концентрации около 1 %.
При анализе химического состава обязательно следует обращать внимание на содержание вредних примесей в стали - S (серы) и Р (фосфора). Стали с содержанием S (серы) до 0,05 % и Р (фосфора) до 0,04 % относят к сталям обыкновенного качества; с содержанием S (серы) до 0,035% и Р (фосфора) до 0,035 % к качественным сталям; с содержанием S (серы) до 0,025 % и Р (фосфора) до 0,025 % к высококачественным, а с
содержанием S (серы) до 0,015 % и Р (фосфора) до 0,025 % к особо высококачественным [5, 6]. Большое содержание S (серы) и Р (фосфора) значительно ухудшает качество стали и может явиться причиной разрушения детали.
Из фрагмента одного из сателлитов и оси были приготовлены микрошлифы, залитые в специальный быстроотвердевающий компаунд (рис. 14). На сателлите, в зоне сопряжения с осью, имеются множественные трещины (показаны стрелками на рис. 14), которые распространяются с поверхности сателлита вглубь к его сердцевине. Данные трещины являются следствием перегрева поверхности сателлита, вследствие его адгезионного заклинивания на оси. На рис. 14 хорошо видна упрочнённая зона поверхности сателлита (толщиной около 0,7 мм) и оси (толщиной около 1,2 мм) в виде окантовки.
Окантовка вдоль поверхности - упрочненный слой, толщина слоя ~ 0.7 мм
Ч
\\/ /
Окантовка вдоль поверхности - упрочненный слой, толщина слоя ~ 0.7 мм
Темная окантовка -упрочненный слой, толщина слоя 1,2 мм
Рис. 14. Изготовленные микрошлифы из фрагментов одного из сателлитов (слева) и оси (справа)
Микроструктура микрошлифов была исследована с помощью оптического микроскопа Neophot-21 (Karl Zeiss, Германия) при увеличениях х100...1000 до и после травления 4- процентном раствором азотной кислоты в этиловом спирте.
До травления микрошлифа в 4- процентном растворе азотной кислоты в этиловом спирте металлургические дефекты в виде пор, раковин, неметаллических включений (оксидов, сульфидов, фосфидов и т.п. (ГОСТ 1778-70 [7])) в структуре материала исследуемых деталей не обнаружены.
а б
Рис. 15. Микроструктура сердцевины (а) и поверхности (б) оси сателлитов. Оптический микроскоп
Neophot-21. Увеличение х 250 раз
После травления микрошлифа микроструктура материала сердцевины оси сателлитов представляет собой продукты распада мартенсита (рис. 15, а). Микроструктура поверхностного упрочненного слоя оси представляет собой мартенсит + аустенит остаточный (рис. 15, б), полученный после цементации + закалки + низкого отпуска. Микроструктура мелкодисперсная.
Микроструктура сателлита после травления аналогичная: в сердцевине -продукты распада мартенсита, на поверхности - мартенсит + аустенит остаточный.
Определение твердости материала исследуемых деталей проводилось с использованием твердомера ТК-2М по методу Роквелла (ГОСТ 9013-59 [8]). Результаты приведены в табл. 2.
Таблица 2
Измерение твёрдости материалла сателлита и оси
Место измерения Твердость, НRC
Поверхность оси сателлитов 60...62 HRC
Сердцевины оси сателлитов 36...38 HRC
Поверхность сателлита 60.62 HRC
Сердцевины сателлита 36.38HRC
Полученная твёрдость поверхности и сердцевины исследуемых деталей, является типичной твёрдостью для деталей машиностроения, работающих в условиях повышенного износа и высоких контактных нагрузок [6].
Проверка распределения микротвердости по поверхности упрочнённого слоя с помощью микротвердомера ПМТ-3М (по ГОСТ 9013-59 [9]) показало её плавное уменьшения до сердцевины (без скачкообразных, резких переходов).
Заключение
Металлургические дефекты в материале сателлитов и их оси не установлены. Исследуемые детали изготовлены из цементуемых марок стали и подвергались поверхностному упрочнению. Выход из строя дифференциала не связан с качеством обработки и качеством материала, применяемого для изготовления его деталей. По результатам проведенного металловедческого исследования можно сделать вывод о качественном изготовлении деталей дифференциала.
При осмотре исследуемого автомобиля, дефектов деталей МКП, связанных с использованием некачественного масла и/или с его недостаточным количеством также установлено не было. Нет явных признаков работы деталей дифференциала в условиях масляного голодания (недостатка трансмиссионного масла), таких как выкрашивание, задиры, перегрев поверхности зубьев шестерней (ведущей, ведомой, шестерней полуосей, самих сателлитов) и подшипников.
Рис. 16. Кольцевое механические повреждение на внутренней боковине шины переднего левого колеса
В процессе осмотра исследуемого автомобиля на подъемнике на внутренней и внешней боковинах шины переднего левого колеса имеются кольцевые механические повреждения, которые косвенно свидетельствуют о длительном буксовании колеса, увязнувшего в мягком грунте, наполненном твердыми включениями (камни, щебень и др.) (рис. 16).
Тажке при осмотре автомобиля необходимо обращать внимание на признаки буксования автомобиля в грязи в виде наличия грязевых отложений на колесе, элементах подвески и днища автомобиля (см. рис. 17).
Наличие вышеуказанных факторов свидетельствует об эксплуатации исследуемого автомобиля по бездорожью или по дорогам не соответствующим требованиям ГОСТ Р 50597-2017 «Дороги автомобильные и улицы. Требования к эксплуатационному состоянию, допустимому по условиям обеспечения безопасности дорожного движения. Методы контроля» [10], как того требует руководство по эксплуатации к автомобилю.
Таким образом, в результате проведённого комплексного исследования можно заключить, что причиной выхода из строя дифференциала исследуемого автомобиля является длительная эксплуатация автомобиля при буксовании одного из ведущих колес с повышенной частотой вращения коленчатого вала двигателя.
Рис. 17. Признаки буксования автомобиля в грязи в виде наличия грязевых отложений на колесе и элементах подвески автомобиля
В подобной ситуации дифференциал работает в нештатных для него условиях. Сателлиты на оси дифференциала начинают активно вращаться только при разнице угловых скоростей ведущих колёс. При пробуксовке ведущих колёс (когда одно колесо не вращается, а другое активно вращается) сателлиты начинают активно вращаться на оси. Чем интенсивнее вращение пробуксовывающего колеса и больше по времени происходит эта пробуксовка, тем интенсивнее нагружается поверхность сателлитов и их оси. Указанная длительная повышенная нагрузка на дифференциал приводит к нарушению смазки между поверхностью оси и сателлитов. Смазка данных трущихся поверхностей осуществляется разбрызгиванием трансмиссионного масла внутри картера дифференциала. При длительном буксовании смазка начинает интенсивно испаряться на поверхностях трения деталей (оси и сателлитов) вследствие их нагрева, её становится локально недостаточно для нормального гидродинамического режима смазки и начинается процесс полусухого (или граничного) трения. Поверхности оси и сателлита получают повреждения в виде задира (межмолекулярный адгезионный прихват поверхностей). Даже если автомобиль перестал пробуксовывать и угловые скорости ведущих колёс выровнялись, дальнейшая штатная эксплуатация автомобиля будет приводить к подклиниванию повреждённых в результате задира поверхностей сателлита на оси. Повреждения будут постоянно увеличиваться, пока сателлит не заклинит ударно на оси, и не произойдёт разрушение оси или же самого сателлита.
Рис. 18. Специальные боковые насечки на поверхности оси сателлитов дифференциала для улучшения подвода к трущейся поверхности сателлитов смазки
В данном случае не поможет даже специально нанесённые производителем на оси сателлитов боковые насечки для улучшения подвода к трущейся поверхности сателлитов смазки (рис. 18).
Пример № 2
Внешний осмотр
В примере № 2, так же как и в примере № 1, в результате выхода из строя дифференциала, произошло также и разрушение корпуса картера коробки переключения передач (рис. 19), что требует её полной замены. Однако в отличие от примера № 1 разрушение корпуса картера коробки произошло в результате попадания между его стенкой и ведомой шестерни фрагмента разрушенного сателлита дифференциала.
Внешний вид данного фрагмента разрушенного сателлита дифференциала показан на рис. 20.
Сама ось сателлитов не разрушилась и осталась на своём штатном месте внутри корпуса дифференциала (рис. 21). Однако в месте установки на ось разрушенного сателлита имеется повреждение поверхности в виде задира, износа (рис. 22, а). Место установки на ось оставшегося на ней сателлита также имеет аналогичные повреждения в виде задиров и износа поверхности (рис. 22, б).
переключения передач автомобиля фрагментом разрушенного сателлита Рис 20 Разрушение одного из сателлитов ис-
дифференциала следуемого дифференциала
Рис. 21. Ось сателлитов на своём штатном месте внутри корпуса дифференциала (стрелкой показано место установки на оси разрушенного сателлита)
Рис. 22. Повреждение поверхности оси в месте установки на ней сателлитов: а - место установки разрушенного сателлита;б - место установки оставшегося на оси сателлита
Стопорные кольца оси сателлитов, хоть и повреждены «летающими» внутри корпуса дифференциала фрагментами разрушенного сателлита, остались на своём штатном месте (рис. 23).
Рис. 23. Стопорные кольца оси сателлитов дифференциала
Внутренняя поверхность разрушенного сателлита дифференциала имеет повреждения в виде задиров, износа, наволакивания материала оси (рис. 24).
Рис. 24. Повреждение внутренней поверхности оси сателлита дифференциала
Металловедческий комплекс исследований
Металловедческий комплекс исследований не выявил наличия каких-либо металлургических дефектов ни в изломе, ни в структуре и химическом составе сателлита и его оси.
Ось сателлитов изготовлена из стали близкой по химическому составу к отечественной стали марки 19ХГН (ГОСТ 4543-2016), а сам сателлит из стали марки 20ХГНМ (ГОСТ 4543-2016) - конструкционная, низкоуглеродистая, легированная, цементуемая сталь высококачественного класса по содержанию вредных примесей серы Р) и фосфора (Р).
Микроструктура сердцевины разрушенного сателлита и его оси представляет из себя продукты распада мартенсита, а поверхности - упрочнённый слой из мартенсита + аустенит остаточного, толщиной около 0,7 мм (рис. 25). Данная структура свидетельствует о проведении стандартной термической обработки для данных сталей: цементация + закалка + низкий отпуск.
Рис. 25. Микроструктура поверхности оси сателлитов. Оптический микроскоп Neophot-21.
Увеличение х 100 раз
Твёрдость материала разрушенного сателлита и его оси также являются типичной для данных деталей машиностроения: в сердцевине - 36.38 HRC, на поверхности -60.62 НRC.
Заключение
В результате проведённого исследования, можно заключить, что причина разрушения сателлита дифференциала, так же, как и в примере № 1, является эксплуатационной и связана с длительным буксованием ведущих колёс автомобиля, в результате чего дифференциал испытывает нештатные чрезмерные нагрузки.
Пример № 3
Внешний осмотр
В следующем примере показано разрушение дифференциала первого ведущего моста грузового автомобиля (рис. 26).
Рис. 26. Внешний вид разрушенного дифференциала первого ведущего моста грузового автомобиля В исследуемом дифференциале произошло разрушение всех осей крестовины сателлитов (рис. 27). Разрушение осей произошло в результате их силового скручивания из-за адгезионного приваривания к их поверхности сателлитов (рис. 28).
Рис. 27. Разрушение всех осей крестовины сателлитов дифференциала первого ведущего моста
Рис. 28. Сателлит с фрагментом оси крестовины исследуемого дифференциала
Металловедческий комплекс исследований
Металловедческий комплекс исследований не выявил наличия каких-либо металлургических дефектов ни в изломе, ни в структуре и химическом составе разрушенных осей крестовины дифференциала.
В отличие от предыдущих примеров исследуемые оси крестовины сателлитов изготовлены из стали близкой по химическому составу к отечественной стали марки 40Х (ГОСТ 4543-2016) - конструкционная, среднеуглеродистая, легированная, улучшаемая сталь качественного класса по содержанию вредных примесей серы и фосфора (Р).
Материал осей крестовины подвергался также и другой (в отличие от осей предыдущих примеров) термической обработке: улучшение (закалка + высокий отпуск) + последующее азотирование поверхности. Азотирование - химико-термическая обработка, заключающаяся в диффузионном насыщении поверхности стали азотом (№). В результате на поверхности осей крестовины сателлитов дифференциала сформировался тонкий высокопрочный, износостойкий азотированный слой нитридов толщиной не более 0,1 мм (рис. 29). Сердцевина же материала оси после травления представляет собой структуру сорбита отпуска зернистого, обладающего высоким комплексом механических свойств.
Рис. 29. Микроструктура поверхности фрагмента разрушенной оси крестовины сателлитов дифференциала после травления 4 -процентным раствором азотной кислоты в спирте. Микроскоп Neophot-21. Увеличение х 250 раз
Измеренная с помощью твердомера типа ТК-2М по методу Роквелла ГОСТ 9013-59 твердость сердцевины оси показала значение - 36...38 НRC (стандартная твёрдость стали после улучшения).
С помощью микротвердомера ПМТ-3 с нагрузкой 0,03 Н (30г) измерена микротвёрдость поверхностного азотированного слоя оси крестовины. Твёрдость слоя составила - 620-642 HVзo (HRC 55-56), что является нормальной высокой твёрдостью для азотированных деталей.
Заключение
В результате проведённого комплексного исследования, можно заключить, что причина разрушения крестовины блока сателлитов дифференциала первого ведущего моста связана с длительным буксованием ведущих колёс первого ведущего моста грузового автомобиля при выключенной водителем функции противобуксовочной системы и носит эксплуатационный характер.
Пример № 4
Внешний осмотр
В данном примере произошло повреждение зубьев шестерней главной передачи редуктора ведущего моста грузового автомобиля (рис. 30).
Рис. 29. Внешний вид вышедшей из строя главной передачи редуктора ведущего моста грузового
автомобиля
Внешний вид повреждённых зубьев шестерней главной передачи редуктора показан на рис. 30.
а б
Рис. 30. Внешний вид повреждённых зубьев шестерней главной передачи редуктора:
а - ведомой; б - ведущей
Признаки нарушения регулировки зацепления шестерней и отклонения формы зубьев отсутствуют. Пятно контакта зубьев на ведущей и ведомой шестернях главной передачи редуктора располагается по центру (рис. 31).
а б
Рис. 31. Пятно контакта шестерней главной передачи редуктора: а - на зубьях ведомой; б - на зубьях ведущей
Правильное пятно контакта является одним из основных критериев качества сборки зубчатой пары (рис. 32). Отклонения в расположении пятна контакта зубчатого зацепления (см. пример на рис. 33) приведёт к нарушению равномерности воздействия прилагаемых сил и разрушению (к ускоренному износу, выкрашиванию, задирам, сколам) зубьев шестерней. К отклонению пятна контакта может привести износ посадочных мест подшипников валов, их износ и деформация, неправильная регулировка зубчатого зацепления.
Признаков эксплуатации редуктора с недостаточным уровнем масла или с использованием масла ненадлежащего качества (термическое повреждение зубьев шестерней, повреждений подшипников) также выявлено не было.
Правильное расположение пятна контакта
Пятно контакта расположено на вершине &уба - подвинуть ведущую шестерню к ведомой
Пятно контакта у основания зуба - отодвинуть ведущую шестерню от ведомой
Пятно контакта на узком конце зуба - отодвинуть ведомую шестерню от ведущей
Пятно контакта на широком конце зуба - подвинуть ведомую шестерню к ведущей
Передний ход
Задний ход
Рис. 32. Схема регулировки правильного расположения пятна контакта зубчатого зацепления
главной передачи [11]
Рис. 33. Пример неправильного расположения пятна контакта на зубьях ведомой шестерни главной
передачи
Металловедческий комплекс исследований
Излом зубьев ведущей шестерни главной передачи исследуемого редуктора носит усталостный характер разрушения и является первичным (рис. 34).
На поверхности излома зубьев отчетливо видны основные три зоны, характерные для усталостного разрушения: очаг зарождения усталостных трещин, который располагается в основании зубьев со стороны зацепления прямого хода; зоны развития усталостных трещины в виде дугообразных линий на поверхности излома; зона хрупкого силового долома в виде рубцов, расходящихся от усталостных трещин.
Рис. 34. Поверхность излома зубьев ведущей шестерни главной передачи редуктора
Излом зубьев ведомой шестерни носит силовой характер. Разрушению предшествовала сильная пластическая деформация. Разрушение и деформация зубьев ведомой шестерни являются следствием разрушения зубьев ведущей шестерни главной передачи редуктора и является вторичным.
Материал шестерней (ведомой и ведущей) близок по химическому составу к отечественной марке стали типа 20ХГНМ (ГОСТ 4543-2016) - конструкционная, низкоуглеродистая, легированная сталь качественного класса по содержанию вредных примесей серы и фосфора (Р). Данная сталь подвергается типовой термической обработке: цементация + закалка + низкий отпуск, что придает изделию твердую износостойкую поверхность и вязкую сердцевину. Сочетание таких свойств позволяет изделию работать в условиях знакопеременных и ударных нагрузок, повышенного износа и высоких контактных нагрузок.
Рис. 35. Микрошлифы, изготовленные из фрагментов исследуемых шестерней главной передачи
(ведомой и ведущей)
Из фрагментов исследуемых шестерней главной передачи были изготовлены микрошлифы (рис. 35). На поверхности зубьев шестерней имеется окантовка упрочнённого слоя толщиной 1,1 мм.
До травления в 4-процентном растворе азотной кислоты в этиловом спирте металлургические дефекты в виде пор, раковин, крупных неметаллических включений, оксидов и других в структуре материала исследуемых деталей не обнаружены. После травления микрошлифов микроструктура материала сердцевины шестерней (ведущей и ведомой) идентична и представляет собой продукты распада мартенсита. Микроструктура упрочненного слоя также идентична и представляет собой мартенсит + аустенит остаточный.
Твердость упрочненного слоя исследуемых шестерней составляет 59...61 HRC. Твердость сердцевины - 34.36 HRC.
Заключение
В заключении проведённого комплексного исследования можно сделать вывод, что причиной выхода из строя главной передачи редуктора ведущего моста является усталостное разрушение зубьев ведущей шестерни, произошедшее из-за воздействия на них многократных циклических нагрузок, превышающих их предел выносливости.
Подобные нагрузки возникают в процессе эксплуатации автомобилей в тяжелых дорожных условиях. К тяжелым дорожным условиям также относится эксплуатация автомобилей по твердому покрытию (в условиях хорошего сцепления колес с покрытием) с включенными блокировками дифференциалов (межколесных и/или межосевых), а именно при непрямолинейном движении автомобиля, когда колеса (левое/правое) и оси (передняя/задняя) преодолевают различное расстояние (например, при повороте/развороте), а заблокированный дифференциал при этом не обеспечивает разную угловую скорость колес/осей, что приводит к воздействию повышенных нагрузок на элементы трансмиссии автомобиля.
В руководстве по эксплуатации к автомобилю, на котором произошёл выход из строя редуктора, указано:
«Блокировкой дифференциала следует пользоваться только при движении по грязи или скользкому грунту.
Внимание! Если дорога грязная и скользкая, не буксовать колесами, если не включено блокировочное устройство дифференциала, поскольку это может привести к повреждениям (достаточно всего несколько секунд). Не включать блокировку дифференциала, если одно колесо крутится свободно, не ездить по дорогам с асфальтовым или булыжным покрытием с подключенной блокировкой дифференциала; это приведет к серьезному повреждению зубчатых колес».
Общие выводы
Как показали приведённые примеры самая частая причина выхода из строя дифференциалов современных автомобилей носит характер эксплуатационного отказа. Однако при производстве экспертиз дифференциалов автомобилей нельзя исключать возможные причины их отказов, которые могут быть связаны с: производственным дефектом материала деталей (оси, шестерней, стопорных колец оси) дифференциала (наличие металлургических дефектов, отклонения химического состава, дефекты упрочнённого поверхностного слоя и т.п.); недостатком трансмиссионного масла в картере трансмиссии, или его низким качеством; нарушением регулировки зубчатого зацепления главной передачи трансмиссии.
Как показали приведённые примеры материалами для изготовления осей сателлитов дифференциалов современных автомобилей являются конструкционные, низкоуглеродистые, цементуемые стали (типа 19ХГН, 18ХГ и т.п.) с типовой термической обработкой: цементация + закалка + низкий отпуск; или же конструкционные, среднеуглеро-дистые, улучшаемые стали (типа 40Х, 40ХГМ и т.п.) с термической обработкой: улучше-
ние (закалка + высокий отпуск) + последующее азотирование поверхности. Материал шестерней дифференциала - конструкционные, низкоуглеродистые, цементуемые стали (типа 20ХГНМ, 20ХН и т.п.) с типовой термической обработкой: цементация + закалка + низкий отпуск.
Список литературы
1. Макаров, Е.С. Межосевые дифференциалы и блокировки мостов / Е.С. Макаров, Е.Ф. Чубенко // Интеллектуальный потенциал вузов - на развитие дальневосточного региона России и стран АТР: материалы XIII международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. 15-28 апреля 2011 г. - Владивосток: Изд-во ВГУЭС, 2011. - С. 50-52.
2. Дифференциал: распределяем крутящий момент [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://autoleek.ru/transmissija/differencialy-i-mufty/differencial-raspredelyaem-krutyashhij-moment.html (дата обращения 05.09.2021).
3. Петрова, Л.Г. Исследовательский комплекс для мониторинга структурного состояния конструкционных материалов и его применение при анализе разрушений стальных деталей автомобилей / Л.Г. Петрова, Т.Е. Лихачёва, А.Ю. Малахов // Вестник мАдИ. -2013. -№ 2 (33). - С. 11-17.
4. Шестопалова, Л.П. Методы исследования материалов и деталей машин при проведении автотехнической экспертизы (учебное пособие) / Л.П. Шестопалова, Т.Е. Лихачева. - М.: МАДИ, 2017. - 180 с.
5. ГОСТ 4543-2016. Металлопродукция из конструкционной легированной стали. Технические условия. - М.: ФГУП «Стандартинформ», 2019. - 50 с.
6. Лахтин, Ю.М. Металловедение и термическая обработка металлов: учебник для вузов / Ю.М. Лахтин. - 5-е изд. - М.: ООО «ТИД «Аз-book», 2009. - 448 с.
7. ГОСТ 1778-70 (ИСО 4967-79). Сталь. Металлографические методы определения неметаллических включений. - М.: ФГУП «Стандартинформ», 2011. - 25 с.
8. ГОСТ 9013-59 (ИСО 6508-86). Металлы. Метод измерения твердости по Роквеллу. - М.: ИПК Издательство стандартов, 2001. - 9 с.
9. ГОСТ 9450-76. Измерение микротвердости вдавливанием алмазных наконечников. - М.: ИПК Издательство стандартов, 1993. - 35 с.
10. ГОСТ Р 50597-2017. Дороги автомобильные и улицы. Требования к эксплуатационному состоянию, допустимому по условиям обеспечения безопасности дорожного движения. Методы контроля. - М.: ФГУП «Стандартинформ», 2017. - 27 с.
11. Особенности повреждений, диагностики, ремонта редукторов грузовика УРАЛ 4320 [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://az-ural.ru/use/articles/osobennosti-povrezhdeniy-diagnostiki-remonta-reduktorov-gruzovika-ural-4320 (дата обращения 05.09.2021).
References
1. Makarov E.S., Chubenko E.F. Materialy XIII mezhdunarodnoi konferentsii "Vladivostokskij gosudar-stvennyj universitet ekonomiki iservisa (USUES)", Vladivostok, VGUES, 2011, pp. 50-52.
2. Differencial: raspredelyaem krutyashchij moment, available at: http://autoleek.ru/ transmissi-ja/differencialy-i-mufty/differencial-raspredelyaem-krutyashhij-moment.html (05.09.2021).
3. Petrova L.G., Lihacheva T.E., Malakhov A.Yu. Vestnik MADI, 2013, no. 2 (33), pp. 11-17.
4. Shestopalova L.P., Lihacheva T.E. Metody issledovaniya materialov i detalej mashin pri provedenii avtotekhnicheskoj ehkspertizy (Methods of research of materials and parts of machines in the conduct autotechnical expertise: study guide), Moscow, MADI, 2017, 180 p.
5. Metalloprodukciya iz konstrukcionnoi legirovannoi stali. Tehnicheskie usloviya, GOST 4543-2016 (Metal products made of structural alloy steel. Technical conditions, State Standart 4543-2016), Moscow, FGUP Standartinfo, 2019, 50 p.
6. Lakhtin Yu.M. Metallovedenie i termicheskaya obrabotka metallov (Metal Science and Heat Treatment of Metals), Moscow, OOO «TID «Az-book», 2009, 448 p.
7. Metallograficheskie metody opredeleniya nemetallicheskih vklyuchenij, GOST 1778-70 (ISO 4967-79) (Metallographic methods for determining nonmetallic inclusions, State Standart 1778-70), Moscow, FGUP Standartinfo, 2011, 25 p.
8. Metally. Metod izmereniya tverdosti po Rokvellu, GOST 9013-59 (ISO 6508-86) (Metals. Method for measuring Rockwell hardness, State standard 9013-59), Moscow, IPK IZDATEL'STVO STANDARTOV, 2001, 9 p.
9. Izmerenie mikrotverdosti vdavlivaniem almaznih nakonechnikov, GOST 9450-76 (Measurement of mi-crohardness by indentation of diamond tips, State standard 9450-76), Moscow, IPK IZDATEL'STVO STANDARTOV, 1993, 35 p.
10. Dorogi avtomobil'nye i ulicy. Trebovaniya k ekspluatacionnomu sostoyaniyu, dopustimomu po usloviyam obespecheniya bezopasnosti dorozhnogo dvizheniya. Metody kontrolya, GOST R 50597-2017 (Automobile roads and streets. The requirements to the level of maintenance satisfied the traffic safety. Methods of testing, State standard R 50597-2017), Moscow, FGUP Standartinfo, 2017, 27 p.
11. Osobennosti povrezhdenij, diagnostiki, remonta reduktorov gruzovika URAL 4320, available at: https://az-ural.ru/use/articles/osobennosti-povrezhdeniy-diagnostiki-remonta-reduktorov-gruzovika-ural-4320 (05.09.2021).
Рецензент: Б.Ф. Еникеев, канд. техн наук МАДИ
Статья поступила 08.11.2021
УДК 629.331
К ЧЕМУ ПРИВОДИТ НЕКАЧЕСТВЕННОЕ ТОПЛИВО В СОВРЕМЕННОМ АВТОМОБИЛЕ. ЦИКЛ СТАТЕЙ. ЧАСТЬ 1. ОТКАЗЫ ТОПЛИВНОЙ АППАРАТУРЫ
Александр Юрьевич Малахов, канд. техн. наук, malahov-alex@yandex.ru;
Алексей Николаевич Ливанский, канд. техн. наук, alex.lefmo@yandex.ru;
Максим Анатольевич Карпов, канд. техн. наук, makarpov@hotmail.com;
Булат Фаридович Еникеев, канд. техн. наук, b708@mail.ru; Анвар Асхатович Хазиев, канд. техн. наук, madi-chim@mail.ru;
МАДИ, Россия, 125319, Москва, Ленинградский проспект, 64
Аннотация. Цикл статей, посвященных теме «К чему приводит некачественное топливо в современном автомобиле» разделён на три части: отказы топливной аппаратуры, отказы двигателя внутреннего сгорания и отказы каталитического нейтрализатора отработавших газов. Данная статья является первой из цикла и описывает повреждения деталей топливной аппаратуры из-за использования некачественного топлива. В статье приводятся актуальные в Российской Федерации нормативные документы, регламентирующие качество автомобильного топлива. Представлены примеры повреждений деталей топливной аппаратуры автомобиля, которые эксперты исследуют в ходе проведения автотехнических экспертиз, и которые непосредственно связаны с отклонениями конкретных параметров качества используемого топлива.
Ключевые слова: автотехническая экспертиза, некачественное топливо, топливная аппаратура, форсунка, топливный насос высокого давления.
WHAT DOES LOW-QUALITY FUEL IN A MODERN CAR LEAD TO? A SERIES OF ARTICLES. PART 1. FUEL EQUIPMENT MALFUNCTIONS
Аleksandr Yu. Malakhov, Ph.D., malahov-alex@yandex.ru;
Aleksey N. Livanskiy, Ph.D., alex.lefmo@yandex.ru;
Maksim A. Karpov, Ph.D., makarpov@hotmail.com;
Bulat F. Enikeev, Ph.D., b708@mail.ru;
Anvar А. Khaziev, Ph.D., madi-chim@mail.ru;
MADI, 64, Leningradsky Prosp., Moscow, 125319, Russia
Abstract. A series of articles on the topic: "What low-quality fuel leads to in a modern car" is divided into three parts: fuel equipment failures, internal combustion engine failures and failures of the catalytic converter of exhaust gases. This article is the first of the series and describes the consequences for fuel equipment parts due to the use of low-quality fuel. The article presents current regulatory documents in the Russian Federation regulating the quality of automobile fuel. Examples of damage to parts of the fuel equip-
