CC BY
10УДК 621.833.61:620.111.1:620.22
ПОЛОМКИ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ И ПРИЧИНЫ ИХ
ВОЗНИКНОВЕНИЯ
Лариса Павловна Шестопалова, канд. техн. наук, доц., ntibr@ mail.ru, Татьяна Евгеньевна Лихачева, канд. техн. наук, 15329022@ yandex.ru, МАДИ, Россия, 125319, Москва, Ленинградский проспект, 64
Аннотация. В статье приведены примеры поломок транспортных средств (в большей степени легковых автомобилей), которые возникают в процессе эксплуатации автомобиля. Показано, что поломки происходят чаще всего в результате полного или частичного разрушения отдельных деталей узлов автомобиля. Проведена автотехническая экспертиза с использованием различных методов для установления причин возникновения этих разрушений и сделаны выводы.
Ключевые слова: транспортное средство, поломка, дефект, разрушение, повреждение поверхности, автотехническая экспертиза.
BREAKDOWNS OF VEHICLES AND THEIR CAUSES
Larisa P. Shestopalova, Ph.D., associate professor, ntibr@mail.ru, Tatyana E. Lihacheva, Ph.D., t5329022@yandex.ru, MADI, 64, Leningradsky Prosp., Moscow, 125319, Russia
Abstract. The article gives examples of breakdowns of vehicles (to a greater extent cars) that are observed during the operation of the car. It is shown that breakdowns occur most often as a result of complete or partial destruction of individual parts, components of the car. An auto technical examination was carried out using various methods to establish the causes of these destructions and conclusions are drawn.
Keywords: vehicle, breakdown, defect, destruction, surface damage, autotechnical expertise.
Введение
Транспортные средства (ТС), в большей степени легковые автомобили, входят в число технически сложных товаров, перечень которых утверждён постановлением Правительства Российской Федерации от «10» ноября 2011 г. № 924 "Об утверждении перечня технически сложных товаров".
Существенным недостатком технически сложного товара является его поломка или дефект, характер которого не позволяет использовать товар по его назначению, обусловлен невозможностью его ремонта или неоднократность повторения поломки после её устранения, а также при несоразмерной стоимости ремонта товара. Отнесение недостатка к существенному является прерогативой суда. Эксперт существенность недостатка не определяет.
При возникновении спорных ситуаций, связанных с эксплуатацией ТС, повреждением, ремонтом или противоправными действиями, где требуются специальные познания в области автотехники, судом назначается производство независимой судебной экспертизы.
Исследование начинается с постановки перед экспертом вопросов, которые требуют специальных познаний в области автотехники и материаловедения. В про-
цессе независимого исследования экспертом делаются выводы и даются ответы на поставленные вопросы, подкрепленные научными выводами и обоснованиями.
Разрушение деталей ТС при эксплуатации возникает как следствие ряда фактов, и практически всегда можно определить точную причину и условия их возникновения.
Объемы, порядок и содержание работ в каждом конкретном случае зависят от условий эксплуатации, типа и конструкции детали и машины, характера поломки. Исследование начинается с изучения обстоятельств, при которых произошло нарушение нормальной работы автомобиля, режима работы, общей продолжительности и характера отклонения от нормального режима. Часто без учета условий работы и внешних признаков повреждения бывает трудно дать правильную оценку излому.
Анализ условий работы необходим для оценки конструктивных, производственно-технологических и эксплуатационных факторов. Разрушение деталей может быть обусловлено недостаточной прочностью, которая может проявиться при изменении условий работы: замене среды, колебаниях температуры, уменьшении сечения из-за износа и т.п.
Недостатками могут быть концентраторы напряжений, неправильные зазоры, неудовлетворительная смазка и неправильный подбор материалов трущихся пар. Местом зарождения трещин могут быть выточки и сварные швы в наиболее нагруженных зонах детали. Дополнительные дефекты могут возникнуть во время ремонтных работ: наплавка материалом, не соответствующим условиям работы, трещины, вмятины, изменение размеров. При разрушении детали по конструктивному концентратору напряжений снимаются слепки, на которых измеряется радиус галтельных переходов. Необходимо определить класс чистоты обработки поверхности, особенно в том случае, если разрушение детали произошло по рискам от механической обработки, вмятинам, раковинам.
К дефектам механической обработки относятся: искажения геометрических размеров, формы деталей, повреждения при ремонте, подрезы галтельных переходов, следы грубой механической обработки, задиры и трещины, шлифовочные трещины, ожоги и др. (рис. 1).
Рис. 1. Усталостный излом коленчатого вала автомобиля. Причина - отсутствие шлифования масляных каналов и следы грубой механической обработки, которые явились очагами зарождения
усталостных трещин
Разрушение деталей может произойти и при неправильной сборке. К группе монтажных дефектов относятся перекосы, неправильная посадка, перетяжка, ослабление затяжки резьбовых соединений.
При исследовании причин разрушения деталей наиболее сложным является оценка эксплуатационных факторов вследствие того, что допущенные при эксплуатации или обслуживании нарушения и изменения ритма работы механизма выявляются с большим трудом, а часто остаются не выявленными.
Если ремонтные и производственные факторы в большинстве случаев можно установить прямым путем (обмер, дефектоскопия и т.п.), то эксплуатационные нарушения (удары, перегрузки, перегревы, «масляное голодание» и т.п.) чаще устанавливаются косвенно по следам и признакам их проявления (рис. 2). Поэтому при анализе эксплуатационных факторов важно изучить документацию по эксплуатации и техническому обслуживанию. Необходимо учитывать срок службы машины, режимы работы, характер поломки, причины замены деталей и узлов, а также оценивать основные свойства по данным технической литературы и сопоставлять их с требованиями чертежа и уровнем свойств по сертификату. Перечень факторов для анализа должен уточняться и дополняться с учетом конкретных условий службы детали.
Рис. 2. Дифференциал коробки переключения передач. Сломана ось сателлитов. Первичным по отношению к поломке оси сателлитов явился ее аномальный износ. Чтобы такой износ мог возникнуть, шестерни сателлитов должны перестать свободно вращаться на оси в режиме жидкого трения и начать «прихватываться» к оси. При длительном вращении сателлитов на оси постепенно произошел разогрев. Зазор за счет теплового расширения уменьшился, масло стало вытесняться и началось граничное трение, а затем и локально сухое трение, которое привело к
разрушению
Окончательное заключение о причинах поломки может быть сделано на различных этапах исследования на основании анализа внешнего состояния условий работы и излома детали, оценки качества материала. В нем должно быть обоснование последовательности и картины разрушения, установление его причины.
В настоящей статье рассмотрены конкретные примеры экспертиз поломок современных автомобилей. Показаны возможные причины, вызывающие данные
поломки с применением фрактографии и других методов исследования, дана интерпретация фрактографической информации.
Причиной полного или частичного разрушения деталей, узлов автомобиля являются металлургические, конструктивные, производственные (технологические) дефекты, механические повреждения поверхности и нарушения режима эксплуатации. Это могут быть:
а) неправильная конструкция, например, неверный шаг резьбы или слишком маленькое сечение; недостаточный зазор;
б) повреждения при изготовлении, а именно: закаты, волосовины, сварные трещины;
в) активная вредная среда, например, коррозионная атмосфера;
г) неправильный монтаж, например, слабый крепеж;
д) работа под нагрузкой, превышающей допустимую прочность детали;
е) ударные нештатные нагрузки единовременного характера и т.п.
Производственные (технологические) дефекты
Пример № 1
В приведенных ниже примерах рассмотрены дефекты металлургического характера [1]. Металлургические дефекты относятся к производственным (технологическим) дефектам, связанным с нарушением металлургического процесса изготовления детали или же с нарушением процесса её термической обработки.
На рисунке 3 показан усталостный излом пружины, который произошел из-за подповерхностного дефекта в виде волосовины или заката. Разрушение стального вала (рис. 4) произошло из-за включений сульфидов марганца, которые хорошо видны при съемке на электронном микроскопе (рис. 5).
а б
Рис. 3. Усталостный излом пружины, который произошел после года эксплуатации: а - зона усталостного развития трещины - на внутреннем (правом) крае поверхности излома (показано стрелкой). Это обычное место зарождения усталостной трещины в спиральной пружине; излом можно считать типичным. Усталостная трещина распространилась внутрь пружины примерно на 13 мм, после чего начался долом; б - микроструктура пружины вблизи очага разрушения. Виден
трещинообразный дефект, который, вероятно, был зародышем усталостной трещины. Обезуглероживание (светлая зона) вокруг дефекта указывает на то, что дефект представляет собой волосовину или закат, который был до начала эксплуатации,увеличение 100 раз
Рис. 4. Поверхность излома стального вала. Эта часть вала отломилась в процессе эксплуатации.
Трещина распространилась на большое расстояние в продольном направлении из-за дефектов, связанных с присутствием вытянутых в продольном направлении включений сульфидов марганца
(увеличены на рис. 5)
Рис. 5. Строчечные включения и две дорожки от них на поверхности излома стального вала (см. рис. 4).
На верхней стереопаре видны дорожки, в которых раньше лежали включения. На нижней стереопаре в дорожке еще сохранились два обломка включений. РЭМ: вверху - увеличение 1000 раз;
внизу - увеличение 3000 раз
Пример № 2
Производственные (технологические) дефекты часто встречаются в коленчатых валах ДВС. Представленный на исследование коленчатый вал автомобиля, установленный при ремонте, разрушился в 2-х местах: по галтели первой и второй шатунных шеек (рис. 6, 7).
Коленчатые валы изготовляют из углеродистых, хромомарганцевых, хро-моникельмолибденовых, и других сталей, а также из специальных высокопрочных чугунов [1, 2].
Коленчатый вал дизеля работает в очень сложных и тяжелых условиях. Он испытывает значительные усилия давления газов, передающиеся шатунно-поршневым механизмом, от сил инерции поступательно и вращательно движущихся масс, а также усилия, возникающие вследствие крутильных колебаний. Учитывая сложность изготовления большую трудоемкость при замене коленчатых валов, к материалу и качеству их изготовления предъявляют высокие требо-
вания. Коленчатые валы дизелей изготовляют из стали ковкой или штамповкой, либо из высокопрочного чугуна путем отливки.
Рис. 6. Разрушение коленчатого вала, представленого на исследование, по первой шатунной шейке
Рис. 7. Разрушение коленчатого вала, представленного на исследование, по второй шатунной шейке
Литые заготовки коленчатых валов изготовляют обычно из высокопрочного чугуна, модифицированного магнием. Припуск на обработку шеек чугунных валов составляет не более 2,5 мм на сторону при отклонениях по 5-7-му классам точности. Меньшее колебание припуска и меньшая начальная неуравновешенность благоприятно сказываются на эксплуатации инструмента и "оборудования" особенно в автоматизированном производстве.
Сопряжение щёк коленчатого вала должны быть выполнены с плавными переходами - галтелями. Это позволяет уменьшить местные напряжения в зоне сопряжения поверхностей, что обеспечивает необходимую прочность вала. Если галтели выполнены с образованием острых кромок или в виде острых фасок это приводит к образованию концентраторов напряжения в этом месте и дальнейшей потере прочности, и разрушению вала.
При измерении радиуса галтелей шеек коленчатого вала набором щупов, установлено, что галтели не выполнены. Вместо галтелей сделаны фаски (рис. 8), что привело к напряженному состоянию коленчатого вала.
Рис. 8. Галтели шеек исследуемого коленчатого вала выполнены в виде фасок
На рисунке 9 видно, что излом носит усталостный характер и сломан в результате работы при знакопеременных нагрузках.
Рис. 9. Поверхность разрушения коленчатого вала, представленного на исследование, по первой
шатунной шейке
При помощи переносного твёрдомера ТЕМП-4 была замерена твёрдость шеек коленчатого вала. Твёрдость поверхности шеек коленчатого вала составила 190...194 НВ. Твердость соответствует «сырому» неупрочненному состоянию материала. Отсюда можно сделать вывод, что шейки исследуемого коленчатого вала не подверглись закалке ТВЧ (токами высокой частоты).
Помимо этого, был сделан микроанализ материала, из которого изготовлен коленчатый вал, до и после травления раствором азотной кислоты в этиловом спирте (рис. 10).
Рис. 10. Структура коленчатого вала до травления (а) и после травления (б),увеличение 100 раз
До травления структура металла коленчатого вала представляла собой высокопрочный чугун с шаровидной формой графита. После травления образца установлено, что микроструктура чугуна по металлической основе представляет собой высокопрочный чугун с ферритной основой и небольшим количеством перлита (не более 10 %). На практике для коленчатых валов, как для ответственных деталей, используют высокопрочный чугун с перлитной металлической основой, что и было предусмотрено в нашем случае заводом-производителем автомобиля. Ферритная структура высокопрочного чугуна не обладает требуемым комплексом механических свойств, характеризуется низкой твердостью и прочностью.
Представленный на исследование коленчатый вал автомобиля, установленный при ремонте, имеет комплекс производственных (технологических) дефектов, приведших к его разрушению:
1. Коленчатый вал не имеет необходимых радиусов закруглений галтелей, что является производственным дефектом.
2. Коленчатый вал изготовлен методом литья из высокопрочного чугуна с ферритной металлической основой, что не соответствует требованиям, предъявляемым к материалам коленчатых валов дизельных двигателей. Это также относится к производственному (технологическому) дефекту.
3. Шейки коленчатого вала не прошли упрочнение токами высокой частоты (ТВЧ) - «сырые» - производственный (технологический) дефект.
Пример № 3
Производственные (технологические) дефекты также часто наблюдаются и в сварных швах, разрушение которых происходит в результате некачественного сваривания деталей друг с другом из-за нарушения технологии сварки [4, 5].
Для надежного соединения деталей между собой необходимо, чтобы в процессе сваривания происходило расплавление металла обеих свариваемых деталей, в результате чего происходит надежное сваривание металла сварного шва и свариваемых деталей. При нарушении технологии сварки происходит расплавление металла только на одной из деталей, в результате чего сваривание металла сварного шва с металлом второй детали не происходит, либо при недостаточном количестве металла, подаваемого в сварной шов, не происходит надежного связывания свариваемых деталей друг с другом (рис. 11-13).
На приведенных фотографиях зафиксированы такие дефекты, как нарушение формы сварного шва и неполный провар. При сварке длинной дугой происходит интенсивное разбрызгивание металла и шов неодинаков по форме. Нарушение формы шва является дефектом в соответствии с ГОСТ 30242-97 [6].
Рис. 11. Разрушение сварного шва в результате непровара. На поверхности видны брызги металла
Рис. 13. Из-за нарушения технологии сварки внутренние напряжения в металле превысили допустимые значения, наблюдается разрыв основного металла
В изломе непровар всегда заметен, так как проходит темной полосой на границе между наплавленным и основным металлом. Непровар резко снижает прочность шва, и соединение становится ненадежным. В местах непровара сварных швов концентрируются напряжения, которые еще более понижают сопротивляемость шва внешним нагрузкам, особенно ударным. При вибрационных нагрузках даже мелкие непровары могут снижать прочность соединения до 40 %. Большие непровары корня шва могут снизить прочность до 70 %. Непровар подпадает под классификацию дефектов межгосударственного стандарта ГОСТ 30242-97.
В данном случае дефекты вызваны нарушением режимов сварки и низкой квалификацией сварщика. Некачественное сваривание деталей друг с другом относят к производственному дефекту.
Рис. 14. Разрушенное из-за плохого качества сварного соединения звено цепи: а - общий вид; б -поверхность излома, видны тусклые недеформированныеучастки, в которых при сварке не произошло полного расплавления металла, что привело к дальнейшему разрушению, увеличение 10 раз
Другой пример производственного (технологического) дефекта сварного шва - излом звена цепи по месту сварки (рис. 14, а). На металлографическом снимке разрушенного сварного шва цепи можно наблюдать зоны не сплавления металла (рис. 14, б).
Пример № 4
Определение причины выхода из строя двигателя автомобиля, у которого были разрушены шатун и шатунный болт. Поломка ДВС автомобиля произошла через 500 км пробега автомобиля после его ремонта, в рамках которого производилась замена всех вкладышей коленчатого вала.
В нижней головке шатуна были найдены два фрагмента разрушенных шатунных болтов (маленький и большой). При исследовании фрагментов шатунных болтов под бинокулярным микроскопом МБС-10 в витках их резьбы были обнаружены многочисленные трещины (рис. 15).
Рис. 15. Трещины на сломанных фрагментах шатунного болта: а - маленький фрагмент (трещина показана стрелкой); б - трещины между витками резьбы на большем фрагменте (в овалах)
Наличие трещин на фрагментах шатунного болта свидетельствует об усталостном разрушении болта.
Процесс разрушения двигателя можно представить следующим образом. Возникновение усталостных трещин привело к уменьшению момента затяжки шатунного болта, что привело к его самопроизвольному отворачиванию примерно на 1,5-2 оборота. Появление зазора между шатунным болтом и шатунной крышкой привело к возникновению ударных нагрузок, которые разрушили шатунный болт полностью. Разрушение шатунного болта и раскрытие шатунной крышки стало причиной возникновения изгибающих нагрузок на втором шатунном болте (рис. 16), в результате которых второй шатунный болт изогнулся, а затем также разрушился.
Отсоединение шатуна от шатунной шейки перестало ограничивать ход поршня, в результате чего произошло соударение поршня с головкой блока цилиндра и его разрушение. В дальнейшем попадание фрагментов шатуна и фрагментов разрушенного поршня между вращающимся коленчатым валом и верхним поддоном картера стало причиной разрушения последнего. Как видно, разрушение всего одного шатунного болта привело к катастрофическому повреждению большого количества деталей ДВС.
Рис. 16. Изогнутый шатунный болт (показан стрелкой)
Из вышесказанного следует, что причиной выхода из строя двигателя автомобиля является усталостное разрушение шатунного болта, развивающееся от многочисленных трещин витков его резьбы.
Как показало исследование, возникновение трещин в витках резьбы исследуемого шатуна возникло по причине того, что во время ремонта ДВС при замене всех вкладышей коленчатого вала не были заменены шатунные болты на новые, как того требует ремонтная документация завода-производителя. Заводом-производителем категорически запрещается повторно использовать шатунные болты при ремонте, так как технология их затяжки приводит к возникновению в их материале пластической деформации, которая, в случае повторного их использования и затяжке, станет причиной возникновения трещин в витках резьбы. Выявленную причину поломки ДВС автомобиля также необходимо отнести к производственному (технологическому) дефекту, так как ремонтной организацией была нарушена технология ремонта ДВС (повторно использованы шатунные болты), предусмотренная заводом-производителем.
Пример № 5
Нарушение сборки узлов может также привести к разрушению узла, что хорошо показано на примере поломки заднего редуктора автомобиля.
На редукторе произошло разрушение первичного подшипника ведущего вала (рис. 17).
Ролики вторичного подшипника ведущего вала повреждены
Первичный подшипник ведущего вала разрушен
N N N N
° «г.::
Рис. 17. Вал с ведущей шестерней исследуемого редуктора
Повреждение поверхности внутренней обоймы подшипника главным образом сосредоточено в его верхней части (рис. 18).
Внешняя обойма первичного подшипника ведущего вала также имеет соответствующие повреждения поверхности.
Выкрашивание и
повреждение верхней части поверхности внутренней обоймы подшипника
Разрушение сепаратора первичного подшипника
Рис. 18. Разрушение первичного подшипника ведущего вала редуктора
На внешней и внутренней обойме вторичного подшипника ведущего вала редуктора установлены многочисленные повреждения в виде выкрашивания поверхности (рис. 19).
а б
Рис. 19. Повреждения поверхности обоймы вторичного подшипника ведущего вала редуктора:
а - внешняя; б - внутренняя
Все ролики вторичного подшипника ведущего вала редуктора имеют повреждение поверхности в виде выкрашивания (рис. 20, а).
а б
Рис. 20. Выкрашивание поверхности: а - ролик вторичного подшипника ведущего вала редуктора; б -
пример критического выкрашивания
Выкрашивание поверхности - усталостное выкрашивание рабочих поверхностей тел качения и дорожек качения колец в виде раковин или отслаивания (шелушения) вследствие циклического контактного нагружения (рис. 20, б).
Преждевременное выкрашивание поверхности часто вызывается плохой посадкой вала, деформацией корпуса и неправильной установкой (перетяжкой узла), т.е. условиями, вызывающими слишком высокие кромочные напряжения.
Ведущая шестерня редуктора имеет повреждения зубьев (рис. 21). Критические повреждения зубьев главным образом сосредоточены в торцевой части шестерни.
Установлены также повреждения внешней поверхности корпуса дифференциала вследствие контакта с зубьями ведущей шестерни. На поверхности корпуса дифференциала «отпечатался» профиль зубьев ведущей шестерни.
Рис. 21. Повреждение зубьев ведущей шестерни редуктора
Установлены также повреждения внешней поверхности корпуса дифференциала вследствие контакта с зубьями ведущей шестерни. На поверхности корпуса дифференциала «отпечатался» профиль зубьев ведущей шестерни.
Механизм разрушения редуктора следующий: в результате разрушения первичного подшипника ведущего вала редуктора произошло осевое смещение и контакт зубьев ведущей шестерни с корпусом дифференциала. Данный контакт зубьев ведущей шестерни вызвал радиальное смещение ведущего вала и разрушение корпуса редуктора.
Ось и шестерни дифференциала не имеют следов перегрева, которые могли бы свидетельствовать о нарушении правил эксплуатации автомобиля водителем (длительной пробуксовки).
Установленные повреждения деталей первичного и вторичного подшипника ведущего вала редуктора и их роликов в виде выкрашивания поверхности свидетельствуют о слишком высоких кромочных напряжениях, возникших на поверхности данных деталей. Также установлено отсутствие следов перегрева на исследуемых деталях редуктора. Всё это может свидетельствовать о нарушении сборки редуктора (не обеспечен достаточный осевой зазор), которое привело к возникновению чрезмерного усилия на первичный и вторичный подшипники ведущего вала.
Причины разрушения редуктора автомобиля - разрушения первичного подшипника ведущего вала редуктора, осевое смещение и контакт зубьев ведущей шестерни с корпусом дифференциала. Контакт зубьев ведущей шестерни вызвал радиальное смещение ведущего вала и разрушение корпуса редуктора. Данная причина носит производственный (технологический) характер и связана с нарушением сборки редуктора.
Пример № 6
Грубая механическая обработка детали инструментом, а также плохая шлифовка поверхности образуют на поверхности риски, задиры, глубокие царапины (подрезы), которые создают локальные концентраторы напряжений, приводящие к образованию усталостных трещин и в результате - к разрушению детали (рис. 22).
а б
Рис. 22. Разрушение коленчатого вала - производственный (технологический) брак механической обработки: а - коленчатый вал после перешлифовки на ремонтный размер с подрезанной галтелью; б - коленчатый вал с грубым сверлением масляного канала (видны следы инструмента и цвета побежалости в масляном канале. Масляные каналы должны иметь полированную поверхность плюс накатку шариком для создания сжимающих напряжений)
Эксплуатационные разрушения (отказы)
Пример № 1
Эксплуатационные разрушения транспортных средств зависят от многих факторов. Так, при установлении причин разрушения двух тормозных дисков из чугуна (рис. 23) можно отметить, что одной из них стал сильный перегрев тормозного диска автомобиля (цвета побежалости на всей рабочей поверхности барабана), а второй - ударное воздействие при дорожно-транспортном происшествии (ДТП) (рис. 23, а). Перегрев вызван трением колодок о рабочую поверхность тормозного диска. Это возможно при длительном торможении при спуске или нарушении работоспособности тормозной системы. Перегрев поверхности привёл к образованию трещин и дальнейшему разрушению. Данное разрушение носит эксплуатационный характер (относится к эксплуатационному отказу).
б
Рис. 23. Разрушение тормозных дисков: а - цвета побежалости на рабочей поверхности тормозного диска (видны трещины на поверхности); б - трещины в тормозном диске от удара при ДТП
а
Пример № 2
Следующий пример эксплуатационного отказа связан с разрушением звеньев цепи раздаточной коробки автомобиля.
На всех звеньях цепи обнаружены сколы, износ и трещины на внутренних звеньях по всей длине цепи (рис. 24).
Рис. 24. Сколы, износ и трещины на внутренних звеньях цепи
Фрактографический анализ изломов разрушенных звеньев и штифтов цепи (рис. 25, 26) показал, что изломы не имеют признаков усталостного разрушения, материал соответствует требованиям, предъявляемым к данному типу цепей [9].
а б
Рис. 25. Разрушенные звенья цепи: а - наружное звено имеет сильную пластическую деформацию; б -внутреннее звено разрушено без явных следов пластической деформации
Трещины и дальнейшее разрушение вызваны ударными нештатными нагрузками, превышающими допустимую прочность элементов цепи. Это возможно при нарушении правил включения передачи, особенно включение полного привода в момент буксования колёс автомобиля, что приводит к созданию динамических нагрузок в раздаточной коробке, превышающих допустимую прочность деталей цепи.
Поскольку разрушение цепи произошло от приложения ударных нагрузок, превышающих допустимую прочность элементов цепи и признаков дефекта её материала исследованием не установлено, причиной выхода из строя раздаточной коробки явилось нарушение правил эксплуатации автомобиля (эксплуатационный отказ).
Рис. 26. Фактуры изломов цепи: а - излом штифта силовой, одномоментный (блестящиеучастки в верхней части излома - деформированные (забитые) участки. Следы усталостного разрушения отсутствуют); б - фактура излома раскрытой трещины звена цепи (излом храповый (елочкой), одномоментный). Следы усталостного разрушения отсутствуют)
Пример № 3
Разрушение дифференциала и шестерней саттелитов автомобиля. Дифференциал автомобиля имеет механические повреждения в виде разрушения корпуса, шестерён сателлитов, овализации отверстия оси сателлитов.
На оси сателлитов в местах их работы в зоне фиксации в корпусе дифференциала имеются следы схватывания (задиры) металла и износ (рис. 27). Фиксирующий штифт сателлитов в корпусе дифференциала срезан (рис. 27, б). На поверхности оси сателлитов имеются следы перегрева в виде цветов побежалости металла коричневого и черного цвета, свидетельствующие о нагреве поверхности до 300 °С и более (рис. 27, б).
а б
Рис. 27. Следы схватывания металла и износ: а - на оси сателлита в месте работы сателлита и в зоне фиксации в корпусе дифференциала; б - на оси сателлита (вверху); фиксирующий ось сателлитов в корпусе дифференциала штифт срезан (внизу), на поверхности оси сателлита
имеются следы перегрева
На корпусе дифференциала в отверстии под ось сателлитов со стороны фиксирующего штифта имеются следы схватывания металла (рис. 28, а). Корпус дифференциала имеет трещину, а отверстие под ось сателлитов с противоположной стороны, относительно фиксирующего штифта, имеет катастрофический износ,
отверстие овализировано (рис. 28, б). Овализация - отклонение периметра от окружности, когда поперечное сечение отверстия имеет форму эллипса.
а б
Рис. 28. Корпус дифференциала: а - в отверстии под ось сателлитов имеется повреждение (указано стрелкой); б - отверстие под ось сателлитов овализировано и имеет катастрофический износ
(трещинауказана стрелкой)
Разрушенный сателлит на рабочей поверхности с осью сателлитов также имеет следы схватывания (задиры) металла и износ, излом имеет волокнистое строение, волокна повторяют контуры детали, что указывает на изготовление сателлита методом горячей пластической деформации (рис. 29, а). Сателлиты имеют повреждения в виде пластической деформации и сколов зубьев (рис. 29, б). Такие разрушения имеют силовой характер от приложения нагрузки, превышающей допустимую прочность детали. Полуосевые шестерни также имеют повреждения в виде пластической деформации и сколов зубьев.
Поверхности излома
Следы схватывания и износ а
б
Рис. 29. Разрушенный сателлит: а - на рабочей поверхности видны следы схватывания (задиры) металла и износ (излом хрупкий, одномоментный); б - сателлит имеет повреждения в виде
пластической деформации и сколов зубьев
Химическим анализом установлено, что оси сателлитов и сателлит изготовлены из легированных цементуемых сталей, близких по химическому составу к отечественным сталям марок 18ХГ и 20ХН3А, ГОСТ 4543 [3], подвергнуты типовой химико-термической обработке (ХТО): цементация + закалка + низкий отпуск -для получения твердого износостойкого слоя при сохранении вязкой сердцевины, работающей на ударные нагрузки. Твердость упрочненного слоя оси сателлитов
50...60 HRC. Большой разброс в твёрдости поверхностного упрочнённого слоя оси по сечению объясняется тем, что вследствие перегрева оси произошёл частичный локальный отпуск упрочненного слоя. Твёрдость сердцевины оси - 36.38 HRС. Упрочненный слой сателлита - 59.62 HRC, а его сердцевины - 38...42 HRC.
Металлографический анализ показал, что структуры материалов сердцевины оси сателлитов и сателлита представляют собой сорбит, а структура поверхностных упрочненных слоев: мартенсит + аустенит остаточный, что соответствует упрочненным деталям данного типа в машиностроении [7, 8].
Исходя из вышеизложенного, можно предположить, что разрушение деталей дифференциала редуктора произошло при нештатной работе дифференциала (при длительной пробуксовке одного из колёс автомобиля). Произошло повышение температуры в паре трения «сателлит - ось сателлитов». При условии достаточного количества масла в картере коробки переключения передач и дифференциале масло не смогло обеспечить необходимый гидродинамический режим смазки из-за его перегрева и утраты смазывающих свойств, вследствие чего детали стали работать в режиме граничной смазки. При работе в режиме граничной смазки произошел износ рабочей поверхности в паре трения, схватывание и заедание сателлита с осью сателлитов. Усилием образовавшегося момента на оси сателлитов при схватывании с сателлитом произошло разрушение фиксирующего штифта и дальнейшее вращение оси сателлитов совместно с сателлитом. При работе дифференциала с вращающейся осью сателлитов произошло разрушение и овализация отверстия в корпусе дифференциала.
Вследствие возникших нештатных нагрузок в дифференциале при работе оси сателлитов с перекосом произошло разрушение сателлита и пластическая деформация зубьев сателлитов и полуосевых шестерен.
Причины разрушения деталей дифференциала носят эксплуатационный характер, обусловлены его нештатной работой в условиях длительной пробуксовки одного из ведущих колёс автомобиля.
Пример № 4
Разрушение редуктора автомобиля.
На подшипниках и шестернях редуктора нет следов его работы с недостаточным количеством смазки или с использованием несоответствующей смазки в виде цветов побежалости металла или катастрофического износа. На магнитной сливной пробке была обнаружена металлическая стружка, а после снятия крышки корпуса редуктора было обнаружено, что на одной из шестерней главной передачи часть зубьев разрушена (рис. 30, а), на роликах и сепараторе конического подшипника имеются следы разрушения и деформации от попадания частиц металла в зону трения (рис. 30, б). Обнаружены следы заедания и катастрофического износа на распорной втулке вследствие взаимодействия втулки с фрагментами разрушенных зубьев (рис. 31).
В ходе исследования поверхности излома зубьев шестерни главной передачи был установлен усталостный характер разрушения отдельных зубьев (рис. 32). Остальные зубья имеют силовой характер разрушения, вследствие попадания твердых фрагментов зубьев, разрушенных по усталостному механизму.
Разрушение зубьев
а б
Рис. 30. Следы разрушения главной передачи: а - на зубьях шестерни (указано стрелкой); б - на роликах и сепараторе конического подшипника (показано в овале)
Рис. 31. Следы деформации, задиров, наволакивания, заедания и катастрофического износа на
распорной втулке
Рис. 32. Поверхность излома зубьев шестерни главной передачи. Излом имеет усталостный характер: 1 - начало разрушения; 2 - линии усталости; 3 - зона долома
На рисунке 33, а показана макрофотография усталостного излома зубьев шестерни главной передачи (различимы линии усталости). Съемка в растровом электронном микроскопе (РЭМ) с разрешением до трех нанометров подтвердили усталостный характер разрушения (рис. 33, б).
Так как дефектов в материале шестерни и, в частности, в зоне излома не установлено, то усталостное разрушение зубьев шестерни главной передачи заднего моста могло произойти вследствие влияния на них многократных циклических ударных нагрузок при эксплуатации автомобиля по асфальтированной дороге в режиме блокировки полного привода. Силовое разрушение зубьев шестерни главной передачи заднего моста произошло вследствие попадания фрагментов разрушенных зубьев в зону зацепления. Разрушение и деформация роликов и сепараторов подшипников, распорной втулки также произошло вследствие попадания фрагментов разрушенных зубьев и образовавшейся металлической стружки.
Надо отметить, что эксплуатация автомобиля с постоянной блокировкой полного привода возможна как при принудительном включении блокировки полного привода водителем, так и при неисправности системы блокировки полного привода.
а б
Рис. 33. Усталостный излом зубьев шестерни главной передачи: а - макрофрактография (начало разрушения - по стрелке 1, линии усталости - по стрелке 2), увеличение х24 раза; б - РЭМ,
увеличение 16 раз
Причиной разрушения редуктора автомобиля является усталостное разрушение зубьев вследствие влияния на них многократных циклических ударных нагрузок. Разрушение может носить как эксплуатационный, так и производственный характер. Для окончательного ответа на поставленный вопрос необходимо исследовать работоспособность муфты включения полного привода и исключить её возможное влияние на редуктор в виде его резкого (динамического) включения.
Заключение
Как показали приведенные вышеперечисленные примеры поломки транспортных средств, которые наблюдаются в процессе их эксплуатации, происходят чаще всего в результате полного или частичного разрушения отдельных деталей, узлов автомобиля, причиной которых являются металлургические, производственные (технологические) дефекты и эксплуатационные отказы.
Список литературы
1. Шестопалова, Л. П. Методы исследования микро- и наноструктуры материалов: учеб. пособие / Л. П. Шестопалова, Л. Г. Петрова, В. А. Александров. - М.: МАДИ, 2012. - 183 с.
2. 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. Лихачева, А. Ю. Малахов // Вестник Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ).
- 2013. - № 2(33). - С. 11-17. - EDN QBAZBV.
3. ГОСТ 4543-2016. Металлопродукция из конструкционной легированной стали. Технические условия. - М.: Стандартинформ, 2017. - 50 с
4. Грабин, В. Ф. Металловедение сварки низко- и среднелегированных сталей / В. Ф. Гра-бин, А. В. Денисенко. - Киев: Наук. думка, 1978. - 276 с.
5. Лившиц, Л.С. Металловедение для сварщиков / Л.С. Лившиц. - М.: Машиностроение, 1979. - 264 с
6. ГОСТ 30242-97. Дефекты соединений при сварке металлов плавлением. Классификация, обозначения и определения. - Москва: Издательство стандартов, 2001. - 11 с.
7. 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. - ISBN 978-5-904034-04-7.
8. ГОСТ 10243-75 (СТ СЭВ 2837-81). Сталь. Методы испытаний и оценка макроструктуры.
- М.: Издательство стандартов, 1985. -40 с.
9. Фрактография. Металлы и сплавы: справ. изд. / под ред. Ю.П. Солнцева. - СПб.: НПО Профессионал, 2002. - 352 с.
References
1. Shestopalova L.P., Petrova L.G., Aleksandrov V.A. Metody issledovaniya mikro- i nanostruktury materialov (Methods of research of micro- and nanostructures of materials), Moscow, MADI, 2012, 183 p.
2. Petrova L.G., Likhacheva T.E., Malakhov A.Y. VestnikMADI, 2013, no. 2(33), pp. 11-17.
3. Metalloprodukciya iz konstrukcionnoj legirovannoj stali. Tekhnicheskie usloviya, GOST 45432016 (Metal products made of structural alloy steel. Specifications, State Standart 45432016), Moscow, Standartinform, 2017, 50 p.
4. Grabin V.F., Denisenko A.V. Metallovedenie svarki nizko- i srednelegirovannyh stalej (Metal studies of welding of low- and medium-alloy steels), Kiev, Naukova dumka, 1978, 276 p.
5. Livshits L.S. Metallovedenie dlya svarshchikov (Metal science for welders), Moscow, Mashi-nostroenie, 1979, 264 p
6. Defekty soedinenij pri svarke metallov plavleniem. Klassifikaciya, oboznacheniya i opredeleniya, GOST30242-97 (Defects in joints during welding of metals by melting. Classification, designations and definitions, State Standart 30242-97), Moscow, Izdatelstvo standartov, 2001, 11 p.
7. Lakhtin Yu.M. Metallovedenie i termicheskaya obrabotka metallov (Metal studies and thermal treatment of metals), Moscow, OOO «TID «Az-book», 2009, 448 p.
8. Stal'. Metody ispytanij i ocenka makrostruktury, GOST 10243-75 (Steel. Methods of test and estimation of macrostructure, State Standart 10243-75), Moscow, Izdatklstvo standartov, 1985, 40 p.
9. Solntsev Yu.P. Fraktograflya. Metally i splavy (Fractography. Metals and alloys), St. Petersburg, NPO Professional, 2002, 352 p.
Рецензент: А.Ю. Малахов, канд. техн. наук, доц., начальник отдела инжиниринга и
аддитивных технологий ЦАДИ МАДИ
Статья поступила 16.08.2022
