Триботехника, ее основные цели и задачи

 

Влияние вязкости смазочного материала

 

С увеличением вязкости силы трения до некоторого предела  возрастают. Потери на трение в поршневой  группе пропорциональны корню квадратному от вязкости масла. В подшипниках коленчатого вала эта зависимость носит линейный характер. Повышение температуры масла приводит к снижению его вязкости, уменьшению коэффициента трения, а следовательно, и энергетических потерь.

 

Влияние отношения  хода поршня к диаметру цилиндра

 

Для современных автомобильных  двигателей отношение хода поршня к  его диаметру обычно не превышает  единицы, что связано с необходимостью уменьшения потерь на трение. В результате сравнения характеристик двигателей различной конструкции выявлено, что при одинаковой частоте вращения вала чем длиннее ход поршня, тем выше потери на трение. Поэтому уменьшение отношения хода поршня к его диаметру приводит к уменьшению потерь на трение. Однако, следует отметить, что если с увеличением диаметра цилиндра, возникает необходимость увеличивать ширину коренных и шатунных подшипников, то эффект снижения трения за счет снижения отношения хода к его диаметру будет ослаблен возрастанием трения в подшипниках.

При увеличении удельной нагрузки на подшипник за счет уменьшения его ширины масляная пленка становится тоньше, а коэффициент трения уменьшается. И наоборот, при увеличении зазора, коэффициент трения уменьшается, снижая силы трения. Однако, в автомобильных двигателях нельзя слишком увеличивать диаметральный зазор в подшипниках из-за снижения несущей способности смазочного слоя и повышения шума.

 

4. 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.

 

4.1 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.

 

4.2 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.

 

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.