F_T F_ПР > F_СОП , (7.1)

где F_Т - сила трения колеса о поверхность дороги;

F_ПР - приводное усилие, равное отношению вращающего момента к радиусу колеса;

F_СОП - сила сопротивления движению.

При качении колеса по дорожному покрытию, происходят микродеформации одного или обоих трибологических элементов (колесо, дорожное покрытие). В зонах деформации действует не сила трения F_T, а сила сцепления F_СЦ, величина которой всегда отличается от силы трения. Коэффициент сцепления является отношением силы трения покоя к нормальной силе, действующей на колесо.

Сила сцепления шины с дорожным покрытием, зависит от нормальной силы и коэффициента сцепления, предопределяет возможности движения транспортного средства. От её величины зависят маневренные свойства транспортного средства, в том числе его устойчивость и интенсивность торможения. Величина коэффициента сцепления между шиной и дорожным покрытием зависит прежде всего от фрикционных свойств шины и дорожного покрытия, а также от распределения напряжений в шине. В месте вхождения шины в контакт (рисунок 7.1) происходит "сжатие" шины, а в месте "выхода из контакта - отчётливое "растяжение".

Во время работы ведущего колеса, движущегося со скоростью V, действуют следующие силы и моменты: G_К - нормальная нагрузка; Р₀ - тяговое усилие, приложенное к оси колеса; Z - вертикальная реакция дороги; М_К - вращающий момент (приводной). В случае торможения колеса направление действия момента М_К меняется на противоположное. Деформация шины в результате нагружения колеса вызывает искажение формы части шины и создание поверхности контакта шины с дорожным

покрытием, имеющей макроразмеры. В этой зоне шины происходит, как деформация, вызванная действием приводного момента, так и деформация, вызванная действием нормальной нагрузки. Деформация шины во время движения является причиной её нагрева и связанных с этим энергетических потерь. Деформация шины в зоне контакта с дорожным покрытием зависит от следующих факторов: давления воздуха в шине Р_ВОЗ, жесткостной характеристики шины Р_Ж (как основной её части, так и протектора), температуры окружающёй среды и интенсивности деформации (влияющей на нагревание шины и изменение её жесткостной характеристики).

а - неподвижное колесо;

б - колесо катится свободно;

в - ведущее колесо;

г - тормозящее колесо

Рисунок 7.1 - Схема сил, действующих на колесо транспортного средства. Деформация шины

Распределение нормальных напряжений при деформации неравномерно; оно зависит от степени прогиба шины, разной для грузовых и легковых автомобилей. Если принять форму поля контакта шины с недеформируемым дорожным покрытием в виде эллипса, то в продольном сечении (а - а) распределение нормальных напряжений имеет форму трапеции; на некотором расстоянии от оси симметрии эллипса контакта (с - с) распределение напряжений имеет параболическую форму. В поперечном сечении эллипса вдоль поперечной оси симметрии (в - в) распределение нормальных напряжений имеет, как правило, два максимума, а вблизи фокусов эллипса (е - е) оно становится параболическим с одним максимумом. Это неравномерное распределение нормальных напряжений в разных зонах площади реального контакта шины с дорожным покрытием является следствием неодинаковой жесткости шины (как радиальной, так и осевой), а также следствием определённой формы протектора.

7.2 Сцепление шины с дорогой

Независимо от распределения нормальных напряжений в зоне контакта шины действуют касательные напряжения, оказывающие влияние прежде всего на интенсивность изнашивания шины. Касательные напряжения проявляются в результате деформации шины под действием радиальной нагрузки, передаваемых через шину приводных и тормозных моментов, боковой силы и силы сопротивления качению, а также под действием силы, вызванной разными значениями угловых скоростей при качении в зоне контакта и вне этой зоны. Касательные напряжения действуют на контурной поверхности контакта, то есть на поверхностях выступов протектора шины.

Конкретная величина этих напряжений и их распределение зависят от многих параметров движения и параметров шины: от конструктивных особенностей шины, давления воздуха в ней, радиальной нагрузки и удельных сил сцепления шины с дорожным покрытием. Пример распределения касательных напряжений показан на рисунке 7.3.

1 - зона скольжения;

2 - зона неподвижного контакта

Рисунок 7.3 - Распределение касательных напряжений в зоне контакта шины с недеформируемым дорожным покрытием

Характерно, что при большой величине приводного момента продольные касательные напряжения особенно велики в задней части зоны контакта, а иногда, особенно в радиальных шинах, - и в задней и в передней части зоны контакта. Когда касательное напряжение больше удельной силы сцепления шины с дорожным покрытием происходит проскальзывание шины в указанных зонах.

Скольжение существует всегда, независимо от того, является ли колесо ведущим, свободно катящимся или тормозящим, различаясь только величиной и направлением. Проскальзывание шины происходит в тех зонах, где силы сцепления в зоне действительного контакта имеет меньшую величину.

Сила сцепления складывается из двух составляющих: молекулярной составляющей F_{СЦ МОЛ}, определяемой молекулярным взаимодействием на границе фаз резина - материал поверхности дороги, и механической составляющей F_{СЦ МЕХ}, являющейся результатом гистерезисных потерь, возникающих при деформации верхнего слоя протектора в зоне контакта из - за углубления в его материал твёрдых и жестких вершин неровностей дороги. Величина коэффициента сцепления зависит от состояния поверхности дороги в зоне контакта с шиной, а также от свойств резины протектора. В значительно меньшей мере коэффициент сцепления зависит от геометрических параметров шины, давления воздуха, нагрузки на колесо и шероховатости поверхности дороги.

Величина силы сцепления является суммой двух составляющих:

F_СЦ = F_ТР + F_СРЕЗ, (7.2)

где F_ТР - сила трения покоя;

F_СРЕЗ - сила срезания грунта, находящегося в углублениях протектора.

В случае недеформируемого дорожного покрытия составляющая F_СРЕЗ равна нулю.

Превышение величины F_СЦ вызывает появление макропроскальзывания шины относительно поверхности дороги. В результате возникает нарушение движения и происходит занос транспортного средства. Экспериментальные исследования показывают, что при движении шины по деформируемому покрытию максимальное значение коэффициента сцепления достигается при макропроскальзывании шины относительно поверхности, равном 20 - 25 % (окружная скорость колеса больше скорости транспортного средства на эту величину).

Максимальная величина коэффициента сцепления шины с недеформируемым сухим дорожным покрытием существует тогда, когда проскальзывание шины во всей зоне контакта равно нулю.

7.3 Изнашивание автомобильных шин

В результате истирания материала шин и усталостных процессов в микронеровностях верхнего слоя резины протектора происходит его изнашивание. Интенсивность изнашивания резины протектора шины увеличивается при увеличении интенсивности её скольжений и проскальзываний. Особенно интенсивное изнашивание происходит в случае блокирования тормозного колеса, в результате чего имеет место юз колеса по поверхности дороги и возникает интенсивное изнашивание в течение длительного времени одного и того же деформированного участка поверхности шины.

Интенсивность изнашивания протектора шины меняется в течении срока службы. Так интенсивность изнашивания первых верхних слоёв (порядка десятых долей миллиметра) очень велика, так же, как и в случае когда высота протектора уменьшается до 1 - 2 мм. Причиной первого обычно является технологическая деструкция материала наружного слоя, который при производстве шины непосредственно контактирует с горячей стенкой формы, перегревается и значительно окисляется. Причина второго явления - потеря остаточным протектором первоначальной эластичности, что приводит к более частым скольжениям отдельных элементов протектора. Отсюда же вытекают рекомендации по эксплуатации шин, которые сводятся к соблюдению осторожности в первые сотни километров пробега шины и замене шины, если высота протектора меньше 1 мм для грузовых автомобилей, 2 мм для автобусов и 1,6 мм для легковых автомобилей.

На интенсивность изнашивания шины влияет много разных факторов, связанных не только с процессами трения и износа контакта, но и с рядом внешних факторов, зависящих от того, как эксплуатируется шина (таблица 7.1).

Таблица 7.1 - Причины повышенного изнашивания шин

Группа причин	Непосредственная причина
Плохое техническое состояние транспортного средства	Неверно отрегулированы углы развала колёс Неверно отрегулировано схождение колёс Непараллельность передней и задней осей Люфты в подшипниках колёс Разбалансировка колёс
Неправильная эксплуатация	Частое аварийное торможение Слишком высокая скорость движения Слишком высокая нагрузка Слишком высокая скорость на поворотах Слишком резкий разгон
Неправильный уход	Слишком высокое или слишком низкое давление в шинах Камеры не посыпаются тальком Несвоевременное устранение вмятин и коррозии на ободе Не производится перестановка колёс
Неправильное хранение	Постоянная статическая нагрузка при длительном хранении Хранение в помещении с доступом прямого солнечного света

7.4 Вопросы для самоподготовки

Какова роль трения в движении колеса?

Какие факторы влияют на коэффициент сцепления шины колеса с дорогой?

Каков механизм деформации шины при движении автотранспортного средства?

Что являются причинами изнашивания шин?

8. Триботехнический анализ условий работы электрических контактов

Электрическим контактом называется соприкосновение тел, обеспечивающее непрерывность электрической цепи. В подавляющем большинстве случаев соприкасающие тела являются твердыми. Классификация электрических контактов может быть выполнена по различным признакам: конструктивно-технологическим, кинематическим, геометрическим и др. Работа таких видов контактов, как скользящие контакты электрических машин, токосъемы транспортных и подъемно-транспортных устройств, скользящие, а также разъемные контакты радиоэлектронной аппаратуры, систем телемеханики и автоматики сопровождается процессами трения и тепловыделения.

В разъемных контактах усилие расчленения определяется силой трения в контакте, а долговечность - износостойкостью сопряжения. Поэтому в разработке таких устройств решается задача оптимального сочетания наименьшего контактного сопротивления с наименьшей силой трения и интенсивностью изнашивания. Трение и изнашивание играют наиболее важную роль в эксплуатации скользящих электрических контактов (СК), так как в них одновременно с электрофизическими процессами протекают механические и физико-химические процессы, сопровождающиеся изменениями состава и структуры контактирующих материалов. Изнашивание в СК имеет ряд особенностей, обусловленных действием электрического тока, и кроме традиционных видов механического изнашивания, характерных для обычных пар трения, в СК имеют место процессы электропереноса, микроискрения и дугообразования.

Возникновение электрического контакта твердых тел сводится к образованию на их поверхности участков, проводящих ток. Из-за волнистости и шероховатости поверхностей и присутствия непроводящих пленок реальная площадь контакта в сотни раз меньше, чем номинальная, и, кроме того, под действием нагрузки различные участки площади контакта деформируются по разному, макровыступы или волны - упруго, а микровыступы - пластически.

8.1 Взаимосвязь электрических и механических факторов в скользящем контакте металлов

Как известно, в отсутствие смазочного материала скользящий контакт металлических материалов работоспособен лишь при относительно невысоких контактных нагрузках, так как смазывающее действие обеспечивается лишь оксидными и адсорбированными пленками. Пропускание электрического тока через контакт даже при малой силе тока (0,1 - 100 мА) способствует повышению износа, интенсифицирует окисление поверхностей, образование пленок хемосорбционной природы и в конечном счете ухудшаем электромеханические характеристики скользящего контакта.

При увеличении плотности проходящего тока в результате выделения Джоулевой теплоты в окрестностях пятен контакта начинают проявляться термические эффекты. При этом под действием нагрева меняются физико-механические характеристики материала, а следовательно, площадь контакта, сопротивление сдвигу при скольжении и все фрикционные характеристики.

Хотя скольжение металла по металлу с трибологической точки зрения неэффективно, в практической электротехнике часто встречаются пары, элементы которых изготовляются из металлов и сплавов и работают без применения смазочных материалов. Металлические пятна контакта возникают не только при трении металлов без смазки, но и в условиях граничной смазки, а также в контакте металлосодержащих композитов с металлами, т. е. в большинстве практически применяемых контактных устройствах.

Эффекты влияния электрического тока на трение металлов без смазки не может быть объяснен только с точки зрения нагрева контакта, размягчения материала и облегчения его пластической деформации, так как расчетные приросты контактной температуры недостаточны для существенного размягчения металла. По-видимому, возможны и другие эффекты, в частности влияние тока на перемещение дефектов структуры и облегчение пластической деформации.

8.2 Роль смазки в электрическом скользящем контакте

Тенденция к расширению применения смазочных материалов в электрических контактах все более усиливается, причем если вначале такое применение имело место в основном в разъемных или слаботочных скользящих контактах, то в последние годы объектом использования смазочных материалов стали и сильноточные скользящие контакты, например электрических машин.

По своей природе вещества, применяемые в качестве смазочных материалов (минеральные и синтетические масла, сложные спирты и эфиры и т. д.), являются диэлектриками с удельным объемным сопротивлением в пределах 10⁵ - 10¹³ Ом_*м, т. е. на 12 - 20 порядков выше, чем удельное сопротивление технических металлов. В связи с этим образование сплошной смазочной пленки на контактах должно привести к полному нарушению его проводимости. В то же время опыт применения смазочных материалов свидетельствует о том, что проводимость смазанного контакта во многих случаях не только не ухудшается, но и возрастает по сравнению с проводимостью контакта без смазки. Противоречие может объяснено двумя причинами. Первая - смазочные материалы в тонких граничных слоях (10^-6 - 10^-7 м) ведут себя не как изоляторы, а как полупроводники. Вторая - смазочный материал не образует сплошных граничных пленок, и в контакте всегда существуют чисто металлические пятна или пятна, покрытые лишь тонким слоем молекул, которые обладают проводимостью туннельного типа.

Следует иметь в виду такой немаловажный фактор, как действие смазки на оксидные и адсорбированные пленки на контакте. Смазочные материалы, способствующие химическому или механическому удалению таких пленок могут резко увеличить проводимость контакта.

Смазка при малой скорости практически не ухудшает прохождение тока, в тоже время резко снижается коэффициент трения по сравнению с сухим контактом. Негативное влияние увеличения скорости скольжения на характеристики скользящего контакта, в котором использовались смазочные материалы, отмечалось многими исследователями. Это влияние обычно связывается с гидродинамическим расклиниванием поверхностей контакта и появлением сплошной смазочной пленки.

Пропускание тока через смазанный контакт ухудшает его фрикционные характеристики. Приводит к возникновению электрических разрядов и, в конечном итоге, к быстрому схватыванию в контакте. Пластичные смазочные материалы, несмотря на свою намного высокую по сравнению с маслами вязкость, обеспечивает лучшие характеристики скользящего контакта.

Поскольку электрические характеристики смазочной среды приобретают в высокоскоростном электрическом контакте важное значение, представляет интерес поведение смазочных материалов, наполненных электропроводными добавками, например, частицами металлов или графита. Такие среды обладают специфическим механизмом проводимости за счет контактов между отдельными частицами. Характеристика контакта, смазанного пластичным смазочным материалом с электропроводным наполнителем близка к аналогичной характеристике сухого контакта. В то же время, коэффициент трения и интенсивность изнашивания в таком смазанном контакте намного ниже, чем в сухом.

8.3 Особенности скользящего электрического контакта композиционных материалов

Во многих видах контактных устройств (электрические машины, токосъемы транспорта) из металла изготовляют только один из контактирующих элементов (коллектор, кольца, контактный провод и т. д.). В качестве основного элемента используют твердосмазочные электропроводные компоненты четырех основных типов - металлографитные, графитные, угольно-графитные и электрографитные. Для таких композиций характерно образование при трении перенесенных пленок на металлическом контртеле.

Толщина, состав и структура перенесенных пленок взаимосвязаны с внешними нагрузочно - скоростными параметрами скользящего контакта, составом композита и контртела, составом окружающей атмосферы. В то же время пленка определяет механизм токопрохождения, а следовательно, электрические характеристики контакта, характер и интенсивность тепловыделения. Толщина пленки и степень покрытия неровностей металлического контртела являются с этой точки зрения наиболее важными факторами ее влияния.

Электрический ток может рассматриваться как дополнительный внешний фактор трибосистемы, влияющий на все характеристики скользящего контакта. Это влияние во многих случаях столь велико, что ведены понятия "смазывающего действия" электрического тока (снижение силы трения при увеличении плотности тока), а также "электрического" износа (избыточного износа элементов скользящего контакта в сравнении с так называемым механическим износом в обесточенном контакте).

Рассматривая действие электрического тока на износостойкость композиционного контакта, следует отметить, что прогнозирование интенсивности изнашивания по величине плотности тока практически невозможно из - за многообразия факторов действия тока и сложного характера их взаимосвязи.

8.4 Пути повышения работоспособности электрических контактов

Учитывая большое разнообразие видов электрических контактов и условий их работы, невозможно предложить какой-либо единственный универсальный метод повышения их износостойкости, снижения потерь на трение, снижения переходного сопротивления и его нестабильности. Тем не менее возможна формулировка рекомендаций, позволяющих решить указанные выше проблемы в наиболее ответственных для современной техники типах контактов.

Для слаботочных разъемных и скользящих контактов метод повышения их служебных характеристик, по-видимому, может опираться на следующий комплекс мер: использование тонких покрытий благородных металлов и комбинаций со смазочными средами, обладающими свойствами ПАВ по отношению к металлам; разработка такой конструкции и макротопографии контактных поверхностей, которые могут обеспечить максимальное количество пятен контакта и слабое взаимовлияние этих пятен и их групп с точки зрения механических повреждений.

Для сильноточных скользящих контактов возможны два варианта повышения работоспособности - применение металлических контактов со смазочными материалами, наполненными дисперсными электропроводными наполнителями, или использование композиционных металлосодержащих материалов.

8.5 Вопросы для самоподготовки

Приведите примеры электрических контактов?

Какую роль играют процессы трения и изнашивания в электрическом контакте?

Каковы особенности изнашивания электрических контактов?

Какова роль смазки в скользящем электрическом контакте?

В чем особенности триботехнических процессов в скользящем электрическом контакте композиционных материалов?

Назовите мероприятия по повышению работоспособности электрических контактов?

9. Триботехнические методы повышения долговечности узлов трения автотранспортных средств

Долговечность практически любой механической системы и, в частности, автотранспортного средства определяется множеством факторов, которые условно можно разделить на три группы: конструктивные, технологические и эксплуатационные. В рамках триботехнического анализа рассматриваются факторы каждой из указанных групп. На основе такого анализа определены конструктивные, технологические и эксплуатационные методы повышения долговечности узлов трения автотранспортных средств.

9.1 Конструктивные методы повышения долговечности узлов трения

Развитие конструкций автотранспортных средств происходит при постоянном стремлении к увеличению их производительности, что почти всегда сопровождается повышением механической и тепловой нагрузок подвижных сопряжений деталей. Помимо этого необходимо достичь высокой надёжности машины, снизить её массу, сократить расход дефицитных материалов.

В конструктивную разработку узлов трения входят:

- оценка и выбор принципиальной схемы работы узлов трения с точки зрения их влияния на износостойкость и надёжность машины в целом;

- выбор материалов и сочетания их в парах трения;

- назначение размеров и конфигурации деталей с учётом местной и общей прочности;

- разработка мер по уменьшению общих и местных перегрузок;

- обеспечение нормального функционирования узлов трения в заданных условиях с помощью смазочной системы, защиты от загрязняющего действия среды, блуждающих токов и перегрева от посторонних источников тепла, воздействующих на узел в процессе работы;

- обеспечение эксплуатационной технологичности конструкции;

- защита трущихся поверхностей деталей и узлов от возможных аварийных повреждений при эксплуатации;

- разработка средств диагностирования узлов трения.

Конструктивными приёмами, позволяющими повысить долговечность узлов трения являются:

- замена в узлах машин трения скольжения трением качения;

- замена внешнего трения внутренним трением упругого элемента;

- увеличение податливости одной из деталей сопряжённого узла;

- повышение жёсткости детали либо узла в целом;

- коррекция формы рабочих поверхностей;

- применение плавающих деталей;

- учёт температурных деформаций деталей;

- применение способов установки узлов, уменьшающих дополнительные напряжения при монтаже и в эксплуатации;

- разгрузка рабочих поверхностей;

- защита рабочих поверхностей пар трения от загрязнения;

- защита деталей машин от паразитных токов.

Защита рабочих поверхностей пар трения от загрязнений является важным средством длительного сохранения деталей и узлов в рабочем состоянии. Способы защиты поверхностей трения от загрязнения определяются назначением механизма или машины, конструкцией узла, условиями эксплуатации, требованиям к кинематической точности и другим и факторами. Защиту от загрязнения можно подразделить на защиту открытых узлов трения; герметизацию закрытых корпусов в местах выхода валов и других подвижных деталей; очистку смазывающего материала; удаление загрязнений из топлива, смазочного материала, воздуха, поступающего во внутренние полости машин.

Создание конструкций с равностойкостью изнашивающихся деталей обусловлено тем, что неравномерность изнашивания рабочих поверхностей деталей (концентрация износа на каком - либо участке трущейся поверхности или опережающее изнашивание одной из деталей) приводит к преждевременной потере работоспособности всего изделия при неполном использовании ресурса отдельных деталей.

Оптимизация формы изнашивающихся деталей сводится к выявлению износа деталей в каждой точке их контакта, построению эпюр контактных давлений и созданию геометрических форм деталей, обеспечивающих минимальную интенсивность изнашивания.

Компенсация износа позволяет обеспечивать постоянство показателей работоспособности изнашивающихся деталей несмотря на их износ (пружинные поршневые кольца ДВС и компрессоров, самоподжимные уплотнения подшипников, контактные щетки электродвигателей и др.). Компенсация износа может осуществляться тремя способами: вручную, путем самокомпенсации и автоматической компенсации.

Резервирование износостойкости осуществляется путем создания на детали дополнительных (резервных) рабочих поверхностей, повышенного запаса на износ и легкосъемных элементов в местах износа. Широко применяется такой способ резервирования износостойкости, как создание возможности получения дополнительных рабочих поверхностей путем обработки деталей под ремонтные размеры (цилиндры и коленчатые валы двигателей, направляющие металлорежущих станков), а также поочередное использование конструктивных элементов деталей (пластины резцов, накладки на направляющих, сменные зубья ковшей экскаваторов, сменные зубчатые венцы шестерен и звездочек, гнезда клапанов). Во всех изнашивающихся деталях конструктор предусматривает запас на износ, т.е. глубина упрочненного слоя детали, подвергающейся изнашиванию, всегда должна быть больше предельного износа.

Выбор материала трущейся пары зависит от конструкции и назначения узла, технологии производства, условий эксплуатации, от требований к общей прочности деталей, срока службы и надежности при учете стоимости материала и его дефицитности; затрат на изготовление деталей из выбранного материала и эксплуатационных расходов.

Из конструкционных сталей делают детали, которые должны удовлетворять высокой прочности, жесткости или податливости, а также имеют поверхности трения. Это детали типа валов, пальцев, болтов шарниров, зубчатых колес, поршни, цилиндры.

Фрикционные материалы - это материалы, которые в контакте с металлической поверхностью имеют высокий, стабильный коэффициент трения. Материалы, применяемые в тормозах и фрикционных муфтах валов, разделяются на органические (дерево, кожа, пробка, войлок), металлические (чугун, стали У6, У7), асбесткаучуковые, пластмассовые (текстолит, асбестотекстолит).

Износостойкими называют материалы, которые при трении даже в тяжелых условиях нагружения сравнительно мало изнашиваются. В качестве износостойких материалов используют конструкционные стали. Упрочненные по всему объему или по рабочим поверхностям, специальные стали, чугуны, спеченные материалы, резину, пластмассы и др.

Антифрикционные материалы обладают низким коэффициентом трения при работе в паре со стальным валом. Антифрикционными материалами стали называть любой подшипниковый материал (металлический, так и неметаллический), твердость которого меньше твердости сопряженной детали. Понятие антифрикционность включает комплекс свойств, которым должен удовлетворять подшипниковый материал. Этими свойствами являются: достаточная статическая и динамическая прочность при повышенных температурах; способность образовывать прочный граничный слой смазочного материала и быстро восстанавливать его в местах, где он разрушения; низкий коэффициент трения при граничной смазке; отсутствие заедания на валу в случае перерыва в подаче смазочного материала; высокие теплопроводность, теплоемкость, прирабатываемость; хорошая износостойкость сопряжения; недефицитность материала и высокая технологичность.

Некоторые правила сочетания материалов:

- сочетать твердый материал с мягким (такая пара металлов хорошо противостоит заеданию и характеризуется высокой надежностью);

- сочетать твердый металл с твердым (закаленные стали), такие пары трения обладают высокой износостойкостью вследствие малого взаимного внедрения их поверхностей. Применение этих пар ограничивается скоростями скольжения, для таких пар трения требуется высокая точность изготовления и сборки, значительная жесткость конструкции, тщательная приработка, хорошие условия смазывания;

- избегать сочетаний мягкого материала по мягкому, а также пар из одноименных материалов (незакаленная сталь по незакаленной стали, пластмасса по пластмассе). Подобные пары имеют низкую износостойкость и ненадежны в работе. При незначительных перегрузках в парах образуются очаги схватывания и происходит глубинное вырывание материалов с взаимным их налипанием на поверхность трения;

- применять в качестве фрикционных и антифрикционных материалов пластические массы. Это ведет к повышению надежности и срока службы узла трения, снижению массы конструкции и расхода дефицитных металлов, уменьшению вибрации;

- применять материалы, трудно поддающиеся наводораживанию;

- стремиться путем выбора материалов пары трения, смазочных материалов или присадок к ним создавать при работе пары условия реализации режима избирательного переноса при трении.

Учет температурных деформаций деталей при конструировании деталей узлов трения и компоновке машины сводится к правильному назначению зазоров в сопряжениях, разработке мер для возможно меньшего искажения конфигурации трущихся поверхностей в рабочем состоянии и уменьшения отрицательно влияющих на функциональные свойства машины перемещений, вызываемых тепловой деформацией отдельных ее узлов.

Для обеспечения равномерного и постоянного температурного поля следует: исключить нагрев машины проникающими прямыми солнечными лучами; вынести за пределы машины или интенсивно охлаждать источники теплообразования или теплоотдачи (электродвигатели, баки с маслом); по возможности применять циркуляционное смазывание; использовать при необходимости подогрев отдельных частей и т.д.

9.2 Технологические методы повышения долговечности узлов трения

В задачу технологии входит получение материалов и заготовок заданных свойств, изготовление деталей требуемой формы и надлежащей точности, упрочнение рабочих поверхностей деталей, их сборка в агрегаты и испытание узлов и машин.

Проблема получения материалов для изготовления машин и оборудования слагается из: получения уже известных материалов, удовлетворяющих техническим условиям, с наименьшими затратами; создание новых материалов, удовлетворяющих тем или иным специфическим условиям службы. Изыскание новых материалов протекает непрерывно, как в силу повышения к ним требований в связи с разработкой новых конструкций машин и модернизации старых, так и ввиду необходимости замены дефицитных материалов и удешевления переработки сырья и изделия. Это подтверждается значительным расширением в последние годы номенклатуры антифрикционных сплавов и пластмасс и появлением новых фрикционных материалов.

Износостойкость деталей зависит от шероховатости и физико-механических свойств поверхностей трения, которые в свою очередь зависят от технологии изготовления детали.

Рассмотрим наиболее распространенные технологические методы повышения износостойкости деталей машин.

9.2.1 Обработка деталей резанием

Влияние шероховатости поверхности сопряженных деталей на износ начинает проявляться в процессе их приработки, в течение которой происходит изменение размеров и формы неровностей, а также их направления. Для сокращения срока приработки, а следовательно, и величины износа деталей в процессе приработки необходимо применять такой метод обработки детали в процессе ее изготовления, чтобы полученная при этом шероховатость была максимально близкой к оптимальной шероховатости, устанавливающейся при нормальной работе детали в узле трения.

Наряду с этим необходимо обеспечить соответствующее направление следов обработки (направление неровностей), так как от этого в значительной степени зависит износостойкость деталей. В том случае, если поверхности имеют относительно большие микронеровности, наиболее выгодным считается расположение неровностей, параллельное направлению движения. При малых микронеровностях во избежание схватывания рекомендуется направление неровностей, перпендикулярное направлению движения.

При обработке резанием на 20--30% увеличивается твердость обработанной поверхности в результате образования упрочненного слоя глубиной 0,05--0,5 мм. Кроме того, в поверхностном слое появляются остаточные напряжения сжатия величиной 3000-- 7000 кПа, положительно влияющие на износостойкость деталей.

Рассмотрим влияние основных технологических факторов обработки резанием на качество поверхности и износостойкость деталей машин.

С увеличением скорости резания до 25 м/мин (эта скорость способствует наростообразованию на режущей кромке резца) шероховатость поверхности возрастает, при дальнейшем ее увеличении -- снижается, что, в свою очередь, повышает износостойкость и коррозионную стойкость обработанных поверхностей. Одновременно увеличение скорости резания до определенных пределов приводит к увеличению толщины наклепанного слоя. При высоких скоростях (200--600 м/мин) возникает разупрочнение, которое уменьшает глубину наклепа, снижает предел выносливости.

С увеличением подачи увеличивается шероховатость поверхности, что отрицательно оказывается на износостойкости. С другой стороны, с увеличением подачи возрастают глубина наклепа и остаточные напряжения сжатия, что повышает усталостную прочность.

С уменьшением глубины резания шероховатость поверхности незначительно снижается, однако это не оказывает существенного влияния на износостойкость.

Смазочно-охлаждающая жидкость улучшает отвод тепла от зоны резания, уменьшает трение и налипаемость, что способствует снижению шероховатости и повышению износостойкости поверхности.

Вибрация системы СПИД ведет к появлению волнистости и повышению шероховатости, что может существенно снизить эксплуатационные свойства деталей.

9.2.2 Обработка деталей поверхностным пластическим деформированием

Поверхностное пластическое деформирование способствует, как правило, предварительному упрочнению (наклепу) металла поверхностного слоя, повышению его твердости и износостойкости. Особенно сильное влияние наклепа на износостойкость наблюдается у более пластичных и сравнительно мягких сталей, у которых даже при незначительном повышении микротвердости существенно повышается износостойкость. Кроме того, обработка давлением вызывает особую форму микронеровностей, остающихся на поверхности.

Алмазное выглаживание применяют для обработки сталей, цветных металлов и сплавов. Учитывая повышенную хрупкость алмаза, не следует обрабатывать выглаживанием прерывистые поверхности.

Обкатывание и раскатывание поверхности применяют для обработки цилиндрических поверхностей, галтелей, плоских и фасонных поверхностей. Изменение размера шероховатости поверхности при обкатывании и раскатывании, точность обработки зависят от конструкции детали, инструмента, режимов обработки.

Виброобкатыванием добиваются получения различных видов рельефа на поверхностях, с помощью которых можно как увеличивать маслоемкость контакта при работе со смазкой, так и уменьшать поверхность контакта при работе без смазки.

9.2.3 Повышение износостойкости термической и химико-термической обработкой поверхностей

Для образования твердого износостойкого слоя на определенных участках поверхности деталей, изготовленных из средне- и высокоуглеродистых сталей, ковкого, серого и высокоточного чугуна, применяют поверхностную закалку. Глубина закалки 1,5 - 2,0 мм. Поверхностная закалка может вестись с нагревом газовым пламенем и токами высокой частоты (ТВЧ).

Химико-термическая обработка применяется для улучшения антифрикционных свойств металлов и повышения их износостойкости путем диффузионного насыщения или модифицирования их соединениями химически активных элементов.

Химико-термическая обработка, производимая в твердых, жидких и газовых средах, делится на две основные группы:

1) химико-термические виды обработки, применяемые для увеличения износостойкости повышением поверхностной твердости деталей (цементация, азотирование, цианирование, борирование);

2) химико-термические виды обработки, предназначенные в основном для улучшения противозадирных свойств металлов путем создания тонких поверхностных слоев металлов, обогащенных химическими соединениями с активными элементами, которые предотвращают схватывание и задир при трении (сульфидирование, сулфоцианирование, селенирование, теллурирование, обработка в йодисто-кадмиевой соляной ванне). Действие этих видов обработки заключается в снижении коэффициента трения и локализации начинающегося задира (при этом твердость поверхности почти не меняется).

9.2.4 Нанесение износостойких покрытий

Для повышения износостойкости изделий применяют гальванические покрытия - хромирование, осталивание, никелирование.

Хромовое покрытие, наносимое на поверхность деталей гальваническим способом толщиной 0,1--0,2 мм имеет высокую твердость (НВ 1000--1100), низкий коэффициент трения, что значительно снижает тепловыделение при трении.

Точечная пористость обладает большой маслоемкостью, поэтому ее применяют для упрочнения деталей, работающих в особо тяжелых условиях (например, для верхних компрессионных колец двигателей). Канальчатым хромом часто покрывают гильзы цилиндров. Износ пористо-хромированных гильз и поршневых колец меньше нехромированных в 4 - 7 раз, причем износ сопряженных стальных деталей также уменьшается в 3 - 5 раз.

Осталивание широко используется для восстановления изношенных поверхностей стальных и чугунных деталей. Толщина покрытия достигает 3 мм; твердость гальванически осталенной поверхности HV 600--650. Осталивание может применяться также для создания подслоя перед хромированием.

Износостойкое покрытие после никелирования имеет меньшую твердость, чем хромовое, однако оно хорошо обрабатывается и имеет большую вязкость при толщине слоя до 2 мм.

Твердым никелированием упрочняют и восстанавливают такие детали, как шпиндели металлорежущих станков, поршневые пальцы, коленчатые валы, гильзы цилиндров и др.

Оксидирование - процесс получения оксидных пленок толщиной более 60 мкм с высокой микротвердостью (4000 -- 4500 МПа) и износостойкостью -- используется для повышения износостойкости зубчатых колес, деталей двигателей, текстильных машин и других деталей из алюминия и его сплавов. Износостойкость некоторых деталей после оксидирования при работе со смазкой возрастает в 5 и более раз.

9.2.5 Наплавка поверхностей

Наплавка применяется как для упрочнения поверхностей изготавливаемых деталей, так и для восстановления и увеличения срока службы изношенных деталей машин. При наплавке происходит сплавление нанесенного слоя с основным металлом, что обеспечивает их хорошее сцепление. Наплавлять можно слои любой толщины, производительность процесса высокая.

Существует несколько видов наплавки: газовая, электродуговая, электрошлаковая, вибродуговая и др., и металлизации - газовая, электрическая, плазменная.

9.3 Эксплуатационные методы повышения долговечности узлов трения

Конструктивное совершенство и высокое качество изготовления и установки машины не гарантируют длительной и безаварийной её работы. Дополнительным условием является грамотная техническая эксплуатация и целесообразная система ремонтов. Основной задачей технической эксплуатации машины является обеспечение её исправного состояния и безаварийной работы при надлежащей экономичности.

Важнейшую роль в обеспечении долговечности транспортных средств является смазывание подвижных сопряжений. Необходимым условием минимизации интенсивности изнашивания рабочих поверхностей является грамотный подбор смазочного материала с учётом конструктивных особенностей, условий эксплуатации и технического состояния смазываемого сопряжения. Помимо этого необходимо учитывать структурные изменения, происходящие со смазочным материалом в эксплуатации.

Смазочный материал при работе стареет, т.е. его первоначальные свойства изменяются в результате физических и химических процессов, которым он подвергается. При эксплуатации происходит испарение преимущественно лёгких фракций масла; оно засоряется продуктами окисления, полимеризации, конденсации и распада самого масла, загрязняется продуктами износа смазываемых поверхностей и пылью (минеральной, металлической или органической); в двигателях внутреннего сгорания масло, кроме того, загрязняется продуктами неполного сгорания топлива и жидким топливом. В результате старения масла на деталях и в смазочной системе двигателей внутреннего сгорания образуются отложения (нагары, лаки, шлам).

На основании изложенного материала можно сделать заключение, что качество смазочного материала в процессе эксплуатации, как правило, ухудшается, что является одной из причин повышения интенсивности изнашивания подвижных сопряжений. Кроме того, ухудшаются условия подвода смазки к парам трения в результате образования отложений в масляных каналах и на масляных фильтрах. Следовательно, одним из эксплуатационных методов повышения долговечности подвижных сопряжений является установление оптимальной периодичности замены смазочного материала и обслуживания системы смазки. Оптимальная периодичность замены смазочного материала устанавливается либо на основании статистических данных об изменении его свойств в заданных условиях эксплуатации, либо на основании данных о фактическом состоянии масла, полученных в результате периодического контроля.

Помимо смазывания, на долговечность транспортных средств большое влияние оказывают режимы на которых осуществлялась приработка (обкатка) новой или отремонтированной машины при вводе её в эксплуатацию.

Погрешности сопрягаемых поверхностей деталей и неточности во взаимном расположении рабочих поверхностей в сопряжениях обуславливают весьма малую фактическую площадь взаимного контакта деталей. Приложение эксплуатационных нагрузок к деталям при таком контактировании их поверхностей привело бы при работе машины к быстрому перегреву многих пар и заеданию. Обкатка машины или механизма подготавливает их к восприятию эксплуатационных нагрузок при соответствующих скоростных режимах.

Во время обкатки должны быть реализованы два процесса:

износ поверхностей на вершинах волн шероховатости и на участках, где исходные технологические неточности, дефекты монтажного происхождения, силовые и тепловые деформации препятствуют распространению пятна контакта до проектного;

2) ликвидация исходной шероховатости поверхности и формирование новой, с определёнными параметрами и направленностью, характерными для каждой поверхности трения при работе на эксплуатационном режиме наибольшей длительности.

Приработка протекает на отдельных участках в режимах трения при граничной и полужидкостной смазке при этом происходит повышенное накопление продуктов износа. Возможно отделение крупных частиц при выкрашивании и срабатывании наиболее выступающих неровностей поверхности. После приработки масло в картерах и остальных элементах системы загрязняется и его следует считать отработанным.

Критерии оценки окончания приработки: достижение минимума мощности, потребной на холостой ход машины; стабилизация момента трения и температуры; достижение наибольшей эффективной мощности двигателя при заданной скорости; достижение определённой степени прилегания контактирующих поверхностей.

Длительность обкатки определяется начальной шероховатостью поверхностей трения, точностью обработки деталей и их сборки, материалом деталей наиболее напряжённых пар трения и зависит от эксплуатационных режимов работы машины, режима обкатки и свойств смазочного материала.

Использование машин по назначению в надлежащих условиях и правильная загрузка имеют важное значение для долговечности подвижных сопряжений. Непредусмотренные большие силовые воздействия интенсифицируют изнашивание деталей. В двигателях внутреннего сгорания повышение нагрузки сверх оптимальной сопровождается ухудшением рабочего процесса, что ведёт к сокращению сроков их службы.

Пусковой период машины связан с повышенной интенсивностью изнашивания, зависящей от длительности бездействия машины перед запуском, от температуры деталей и свойств смазочного материала. Пусковым периодом следует считать промежуток времени от момента пуска до момента стабилизации теплового состояния машины. Пусковой период сопровождается изменениями величин и форм зазоров; в отдельных сечениях зазоры могут быть даже нулевыми.

Значительный износ при пуске двигателя обусловлен рядом причин. После остановки двигателя нагретое масло быстро стекает с горячих стенок цилиндров и остаётся в подшипниках в незначительном количестве. В момент страгивания поршня трение тем больше, чем больше перерыв между остановкой и последующим пуском. Температурный режим при пуске понижен, и температура стенок цилиндра ниже точки росы кислот, содержащихся в продуктах сгорания. Конденсируясь на стенках, кислоты производят корродирующее действие. Весьма существенно и абразивное воздействие сохранившихся и образовавшихся при пуске продуктов износа. В карбюраторных двигателях топливо, конденсируясь на стенках цилиндра, смывает с них масло. Нормальная подача масла в верхнюю рабочую зону цилиндра начинается только через 3 - 12 мин после начала пуска двигателя.

Пуск автомобильного двигателя с помощью буксирования всего автомобиля приводит к чрезвычайно большим износам всех трущихся деталей, так как двигатель некоторый промежуток времени работает без смазочного материала под нагрузкой. Для уменьшения износа полезно перед пуском двигателя провернуть коленчатый вал несколько раз вручную или с помощью стартера.

Работа двигателя характеризуется изменением в широких пределах нагрузочно - скоростного и теплового режимов. Однако, только некоторый диапазон сочетаний может оказаться наиболее выгодным с точки зрения износостойкости, удовлетворяя вместе с тем требованиям экономичности и экологичности.

9.4 Вопросы для самоподготовки

Приведите примеры конструктивных методов повышения долговечности узлов трения.

Какие конструктивные методы повышения долговечности узлов трения применяются в автомобильных двигателях?

Какие материалы применяются при изготовлении узлов трения?

Назовите правила сочетания материалов для узлов трения.

В чем сущность повышения износостойкости технологическими методами?

Какое влияние оказывает исходная шероховатость трущихся поверхностей на их износостойкость?

Какие технологические факторы обработки резанием способствуют повышению износостойкости?

Приведите примеры технологических методов повышения износостойкости?

Какова сущность повышения износостойкости в условиях эксплуатации?

Каким образом периодичность замены смазочного материала и обслуживания системы смазки влияет на долговечность узлов трения?

Назначение обкатки машин и критерии ее окончания?

Назовите мероприятия по повышению износостойкости узлов трения двигателя при его пуске.

Каким образом влияет грамотное вождение автомобилем на долговечность узлов трения?

Список использованных источников

А.С. 1312444 СССР, МКИ³ G 01 №3/56. Способ определения нарушения жидкостного режима трения подшипников скольжения /Абдрашитов Р.Т., Шевченко А.И., Якунин Н.Н., // Открытия. Изобретения. 1987. №19.

Гаркунов Д.Н. Триботехника. - М.: Машиностроение, 1985. - 424с.

Гаркунов Д.Н. Триботехника: Учебник для вузов. - 2е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1989. - 328 с.

Дрючин Д.А. Методика управления состоянием моторных масел в эксплуатации автомобильных двигателей: Диссертация … канд. техн. наук. - Оренбург : ОГУ, 2000. - 169 с.

Евдокимов Ю.А., Колесников В.И., Тетерин А.Н. Планирование и анализ экспериментов при решении задач трения и износа. - М.: Наука, 1980. - 230 с.

Коровчинский М.В. Теоретические основы работы подшипников скольжения. - М.: Машгиз, 1959 - 403 с.

Матвеевский Р.М. Температурная стойкость граничных смазочных слоев и твердых смазочных покрытий при трении металлов и сплавов. - М.: Наука, 1971.

Матвеевский Р.М., Лашхи В.Л. Буяновский И.А. и др. Смазочные материалы. Антифрикционные и противоизносные свойства. Методы испытаний. - М.: Машиностроение, 1989. - 224 с.

Основы трибологии (трение, износ, смазка) учебник для технических вузов / Э.Д. Браун, Н.А. Буше, И.Я. Буяновский и др. Под ред. А.В. Чичинадзе. - М.: Центр «Наука и техника», 1995. - 778 с.

Рещиков В.Ф. Трение и износ тяжелонагруженных передач. - М.: Машиностроение, 1975. - 216 с.

Розенберг Ю.А. Влияние смазочных масел на надёжность и долговечность машин. - М.: Машиностроение, 1970 - 315 с.

Повышение долговечности транспортных машин: Учебное пособие для вузов / В.А. Бондаренко, К.В. Щурин, Н.Н. Якунин и др.; Под ред. В.А. Бондаренко. - М.: Машиностроение, 1999. - 144 с., ил.

Слёзкин И.А. Динамика вязкой несжимаемой жидкости. - М.: Гостехиздат, 1955. - 519 с.

Справочник по триботехнике / Под ред. М. Хебды и А.В. Чичинадзе. - М.: Машиностроение. - Т.1. - 1989. - 400 с.; Т.2 - 1990. - 420 с.; Т.3. - 1992 - 730 с.

Справочник по триботехнике. Триботехника антифрикционных, фрикционных и сцепных устройств. Методы и средства триботехнических испытаний / под ред. М. Хебды и А.В.Чичинадзе. - М.: Машиностроение, Варшава ВКЛ, 1992. - 730 с. - Т.3.

Трение, изнашивание и смазка. Справочник. - в 2 кн.: / Под ред. И.В. Крагельского, В.В. Алисина. - М.: Машиностроение, 1978. Кн 2- 258 с.

Усков М.К., Максимов В.А. Гидродинамическая теория смазки. - М.: Наука, 1985 - 143 с.

Химики - автолюбителям: Справ. изд. /Б.Б. Бобович, Г.В. Бровак, Б.М.Бундаков и др. - 2-е. изд., испр. - Л.: Химия, 1991. - 320 с., ил.

Чичинадзе А.В., Браун Э.Д., Гинзбург А.Г. и др. Расчет, испытание и подбор фрикционных пар. - М.: Наука, 1979. - 268 с.

Шехтер Ю.Н., Крейн С.Э. Поверхностно-активные вещества из нефтяного сырья. - М.: Химия, 1971.

Якунин Н.Н. Разработка информационно - алгоритмической базы системы управления качеством ремонта коленчатых валов: Диссертация … канд. техн. наук. - Оренбург : ОГТУ, 1995. - 155 с.

Размещено на Allbest.ru