—>Автозапчасти и СТО —>

Несвоевременная замена масла и масляного фильтра приводит к работе пар трения в неблагоприятных условиях.
Это связано с ухудшением эксплуатационных свойств моторного масла (меняется его вязкость, вырабатываются присадки, повышается склонность к образованию отложений на деталях и в каналах системы смазки и т.д.) и большим количеством продуктов износа в системе смазки (в предельно загрязненном масляном фильтре открывается перепускной клапан и масло проходит мимо фильтрующего элемента).
Использование некачественного масла вызывает ускоренный износ и быстрый выход двигателя из строя. Масло, не обладающее всем комплексом свойств, необходимым для нормальной смазки пар трения, не предотвращает образование задиров и разрушение рабочих поверхностей высоконагруженных деталей (детали газораспределительного механизма, поршневые кольца, юбки поршней, вкладыши коленвала, подшипники турбокомпрессора и т.д.).
Повышенная склонность некачественных масел к образованию смолистых отложений может привести к закупориванию масляных каналов и оставить пары трения без смазки, что вызовет их ускоренный износ, образование задиров и заклинивание. Подобные эффекты возможны в случае применения масла, не соответствующего данному двигателю по классу качества (классификации API, ACEA и т. д.). Например, когда вместо рекомендованного масла по API класса SH/CD используется более дешевое SF/CC.
Неудовлетворительное состояние воздушного или топливного фильтра (дефекты, механические повреждения), а также различные неплотности соединений впускной системы приводят к попаданию абразивных частиц (пыли) в двигатель и интенсивному износу, в первую очередь цилиндров и поршневых колец.
Несвоевременное устранение неисправностей в двигателе или неправильные регулировки ускоряют износ деталей. Например, «стучащий» распределительный вал является источником непрерывного загрязнения системы смазки металлическими частицами. Неверная установка угла опережения зажигания, неисправности карбюратора или системы управления двигателем, применение не соответствующих двигателю свечей зажигания вызывают детонацию и калильное зажигание, грозящие разрушением поршней и поверхностей камер сгорания.
Перегрев двигателя из-за неисправностей в системе охлаждения может привести к деформации головки блока цилиндров (ГБЦ) и образованию в ней трещин. Пленка масла в парах трения при недостаточном охлаждении становится менее прочной, что приводит к интенсивному износу трущихся деталей. У дизелей прогары поршней и другие серьезные дефекты возникают в результате неисправностей топливной аппаратуры.
Режимы эксплуатации автомобиля также влияют на скорость износа двигателя. Работа двигателя преимущественно на максимальных нагрузках и частотах вращения коленчатого вала может заметно снизить его ресурс (на 20-30% и более). Превышение допустимого числа оборотов приводит к разрушению деталей.
Около 70% износа двигателя приходится на режим пуска. Особенно способствует снижению ресурса холодный пуск, если в двигатель залито масло с несоответствующей вязкостно-температурной характеристикой. При температуре -30oС он эквивалентен (по износу) пробегу в несколько сотен километров. Связано это, прежде всего, с высокой вязкостью масла при низкой температуре — для его поступления (прокачки) к парам трения требуется больше времени.
Короткие поездки на непрогретом двигателе зимой способствуют появлению отложений в системе смазки и коррозионному износу поршней, их колец и цилиндров.

Двигатель каждого автомобиля представляет собою достаточно сложное устройство, от работы которого зависит комфорт Вашего передвижения. Поэтому очень важно своевременно производить обслуживание мотора и качественно выявлять возникающие неисправности, делать профилактику. Необходимо знать, что целесообразно регулярно, согласно регламенту, производить замену масла и топливного фильтра, это уже является залогом успеха долговечности мотора. Если же сделать это не вовремя, то происходит повышенный износ двигателя, что значительно быстрее приведет к его выходу из строя. Это возникает потому, что масло уже не способно в полной мере проявлять свои моющие способности и полноценно смазывать трущиеся части, а значит, в отдельный момент появляется сухое трение, а это приводит к задирам и разрушению тех деталей, которые имеют наивысшую нагрузку. Также сработанное масло должно проходить требуемую фильтрацию, чего не сможет обеспечивать не замененный фильтр. Так мелкие металлические частицы, включения, будут «налипать» на детали, что также быстрее приведет к сухому трению. Любому маслу, которое отработало свой срок службы, свойственно отлагать смолистые вещества, которые способны достаточно легко закупоривать каналы для прохождения масла в двигателе. По этой причине смазка не сможет в полном объеме поступить к парам трения, а значит, этот факт вызовет ускоренный износ деталей и даже к вероятному клину мотора. Аналогичные последствия могут быть и для мотора, в котором залито масло по своему типу и классу не соответствует конкретному двигателю.

Текущий ремонт, регулировка двигателя, должны производиться своевременно и квалифицированно. Если данные работы выполнены не правильно, ускоренного износа мотора не избежать. Можно привести яркий пример со «стучащим» распредвалом. В данной ситуации, вследствие возникшей проблемы, будет происходить значительное засорение масла металлическими частицами, продуктами стука. Другой пример – не правильная работа системы охлаждения, что может привести к раннему перегреву мотора. Запустив эту проблему, можно получить деформацию головки блока цилиндра по причине его перегрева, что, как правило, приводит к образованию в ней микротрещин.

Опытные автолюбители знают, что на долговечность мотора влияет стиль езды. Так более агрессивный, скоростной, спортивный стиль приведет к значительным оборотам вращающихся частей, а значит и скорому их выходу из строя вследствие износа. Указанные режимы уменьшат долговечность мотора до 30%. В холодное время суток, запуск мотора может быть серьезно осложнен. Данный факт вызван изменением вязкости мотора так, что провернуть коленвал становится очень и очень трудно. На помощь придет Вам теплый гаражный бокс, либо специальные устройства, рассчитанные на дистанционное включение и прогрев мотора, масляного картера. Сравнить износ мотора при запуске на холодную ниже 20 градусов можно сравнить с пробегом автомобиля более 500 км.

Не рекомендуется эксплуатировать автомобиль в зимнее время года, если он Вам необходим только на передвижение по короткому расстоянию. Причиной этому является появление отложений в смазке и появление конденсата, который привозит к «поражению» поршневой группы двигателя коррозией.

Если Вы чувствуете, что мотор работает не стабильно и, вероятнее всего, требуется ремонт, как же определить его объем, потребуется ли капиталка?

Здесь важно предварительно произвести диагностику по нескольким направлениям. Обнаружение низкого давления системы смазки двигателя, ярко выраженный стук в кривошипно-шатунной системе, скажет о повышенном износе вкладышей и шейки коленвала, возможный выход из строя подшипников скольжения. В этом случае проводят замеры биения шеек коленвала и величину износа цилиндровой группы, после чего уже принимаются соответствующие меры по ремонту.

Капитального ремонта Вам гарантированно не избежать, если после эксплуатации мотора произошло заклинивание двигателя, обрыв шатуна, разрушение поршневой группы, колец. Зачастую при таких симптомах большие повреждения получают цилиндры и коленвал.

Правила и рекомендации

Хотя это и очевидно, но при эксплуатации все-таки необходимо:

1. содержать в исправности системы питания, смазки и охлаждения двигателя, вовремя их обслуживать,

2. излишне не нагружать холодный двигатель,

3. избегать применения некачественного топлива, масла и несоответствующих фильтров и свечей зажигания.

При ремонте необходимо добавить и неукоснительно выполнять еще несколько правил.

Главное, на наш взгляд, — нельзя стремиться к обеспечению минимальных зазоров поршней в цилиндрах и в замках колец.

Эпидемия «болезни малых зазоров», когда-то поразившая многих механиков, все еще не прошла. Более того, практика показала, что попытки «поплотнее» установить поршень в цилиндре в надежде на уменьшение шума двигателя и увеличение его ресурса почти всегда заканчиваются обратным: задирами поршней, стуками, расходом масла и повторным ремонтом. Правило «лучше зазор на 0,03 мм больше, чем на 0,01 мм меньше» работает всегда и для любых двигателей. Остальные правила традиционны: качественные запасные части, правильная обработка изношенных деталей, тщательная мойка и аккуратная сборка с обязательным контролем на всех этапах.

Процесс износа деталей двигателя

В двигателях внутреннего сгорания изнашивание деталей, как и их трение, связано с взаимодействием системы металл-смазочное масло-металл. Успешная работа такой системы зависит в равной степени от свойств обеих трущихся поверхностей и масла.

Дадим определение нескольким терминам.

Изнашивание – процесс постепенного изменения размеров тела при трении, проявляющийся в отделении с поверхности трения материала и (или) его остаточной деформации.

Износ – результат изнашивания, проявляющийся в виде отделения или остаточной деформации материала.

Скорость изнашивания – отношение величин износа к обусловленному пути, на котором происходило изнашивание, или к объему выполненной работы.

Износостойкость – свойство материала оказывать сопротивление изнашиванию в определенных условиях трения, оцениваемое величиной, обратной скорости изнашивания или интенсивности изнашивания.

Любое кристаллическое тело содержит большое количество дефектов, состоящих из трещин микро- и субмикроскопических размеров, мозаичности структуры. Геометрия обработанной поверхности характеризуется волнистым рельефом с микронеровностями, поверхность которых образована беспорядочно расположенными кристаллами. При механической обработке происходит весьма интенсивная пластическая деформация металла, в результате чего поверхностные слои по глубине от долей до десятков микрон резко изменяют свои свойства.

В ряде случаев поверхностные слои деталей обрабатываются специальными методами для придания им определенных физико-химических свойств. К таким методам относятся закалка, цементация, накатка, газовое хромирование, азотирование, нанесение наноалмазных покрытий и т.п.

Можно сказать, что неровности есть и будут всегда, в процессе приработки одни неровности заменяются другими, шероховатость поверхности обычно уменьшается. В результате взаимодействия с жидкими и газовыми средами на металлических поверхностях образуются тонкие граничные пленки различных видов, в частности окислы. Скорость образования окисных пленок зависит от температуры металлической поверхности и интенсивности поступления к ней кислорода. В связи с этим имеет существенное значение способность смазочного масла обеспечить питание кислородом зоны трения.

Окисление, разложение масла

Высокие температуры, возникающие на поверхности трения, стимулируют образования окисных пленок, а разрушение их вызывается механическими причинами – действием сил трения результирующей пластической деформации подслоя. Как правило, температура плавления и твердость окислов значительно выше, чем у основного металла. Соответственно, пленка, имеющая высокую твердость при мягком подслое, быстро разрушается при трении из-за своей хрупкости, что может являться причиной повышенного износа деталей. Окисные пленки, с одной стороны, эффективно защищают металлические поверхности от схватывания. А с другой стороны, окисные пленки не только не защищают поверхности от износа при истирании, но и могут быть фактором большего износа, так как окислы большинства металлов, отличаясь высокой твердостью и хрупкостью, обычно легко отделяются от поверхности трения и могут стимулировать абразивный износ. Следует знать, что окисные пленки не могут сами обеспечивать смазку трущихся поверхностей, что вызывает необходимость применения смазочных масел, обладающими лучшими, чем окислы, смазочными свойствами, в том числе в условиях граничного трения.

Виды изнашивания деталей машин

1. Основные понятия, термины и показатели изнашивания

Проектирование машин, удовлетворяющих высоким требованиям надежности, долговечности и безопасности эксплуатации, невозможно без решения задач, связанных с созданием условий и обеспечением режимов оптимального взаимодействия поверхностей пар трения, т. е. задач, стоящих перед трибологией и триботехникой.

Трибология – наука о трении и процессах, сопровождающих трение. Триботехника – наука о контактном взаимодействии тел при их относительном движении, охватывающая весь комплекс вопросов трения, изнашивания и смазывания машин. Основополагающие законы триботехники нашли практическое применение в области разработки, создания, эксплуатации и ремонта разнообразных объектов и технических средств.

Технологу трибология и триботехника дают возможность выбрать наиболее эффективные методы обработки и упрочнения материалов, а специалисту, занимающемуся эксплуатацией, – обеспечить надлежащий режим эксплуатации и обслуживания машин.

Трение возникает при относительном перемещении рабочих поверхностей деталей и сопровождается их изнашиванием.

Изнашивание – это процессы разрушения, отделения частиц материала с поверхности твердого тела и накопления остаточной деформации при трении. Изнашивание проявляется в постепенном изменении размеров и формы тела, а также в изменении взаимного расположения поверхностей детали. Оно приводит к ухудшению функциональных показателей работы машины и определяет ее долговечность. В результате изнашивания нарушается кинематическая точность механизмов, изменяется характер нагружения, появляются дополнительные нагрузки, вибрации и шумы. В основе изнашивания лежат следующие процессы.

1. Многократное механическое и термическое воздействие на поверхность детали. Многократное механическое воздействие, при котором контактные напряжения превышают предел текучести, вызывает пластическую деформацию материала и приводит к накоплению остаточных деформаций. В результате этого может происходить разупрочнение и разрушение материала, а также коробление изделия. Нагрев поверхности детали при трении до высокой температуры приводит к тепловому изнашиванию, при котором происходит разрушение «сварившихся» неровностей поверхности. Возникновение высоких локальных температур на участках микроконтактов приводит к образованию «мостиков сварки», которые вызывают вырывание частиц материала при относительном перемещении деталей. Циклическое воздействие на металл детали механических и термических напряжений вызывает образование микротрещин в глубине поверхностного слоя с последующим выкрашиванием частиц металла.
2. Химико-термические воздействия среды на поверхность детали приводят к изменению физико-механических свойств материала, образованию адсорбированных и окисных пленок.
3. Наличие смазки в зоне контакта кроме положительного эффекта может оказывать расклинивающее действие в микротрещинах и способствовать разрушению поверхностного слоя. Так, при расклинивающем действии противоизносной присадки, попавшей при работе газораспределительного механизма в поверхностную трещину, может произойти излом распределительного вала (рис. 1). Вид излома распредвала носит явно однородный характер и не имеет двух зон, характерных для усталостного излома.

Рис. 1. Излом вала, возникший при расклинивающем действии присадки

4. Молекулярно-механическое взаимодействие контактирующих поверхностей сопровождается возникновением и разрушением фрикционных связей, в результате которых осуществляется перенос материала с одной поверхности на другую.

Износ – это некая величина, с помощью которой количественно оценивается изменение размеров, объема и массы деталей, произошедшее в результате изнашивания. Кроме этого, изнашивание характеризуется скоростью, т. е. отношением величины износа к интервалу времени, в течение которого он возник, или интенсивностью изнашивания – отношением величины износа к пути, на котором произошло изнашивание, или к величине выполненной работы.

Повреждаемость – это процесс резко выраженного, недопустимого изменения геометрических параметров и свойств материала деталей в процессе эксплуатации. К повреждениям относятся усталостные трещины и выкрашивание материала, пробоины, коррозия, остаточные деформации (коробление) и др.

Таким образом, все виды дефектов, возникающих в процессе эксплуатации деталей, подразделяются на допустимые (например, износ) и недопустимые (например, повреждения).

2. Характеристики основных видов изнашивания

Процессы, вызывающие изнашивание и повреждаемость деталей, работающих при различных условиях и режимах, протекают по-разному и зависят от многих факторов. Поэтому для снижения интенсивности изнашивания и повышения долговечности изделий большое значение приобретает классификация видов изнашивания, позволяющая выделить доминирующие процессы. Классификация (рис. 2) предусматривает три основных вида изнашивания: механическое, молекулярно-механическое и коррозионно-механическое.

Механическое изнашивание – утрата первоначальной геометрии и свойств материала детали в результате абразивного, циклического, кавитационного, деформационного и других воздействий на изделие. Оно возникает при контакте и взаимном перемещении сопряженных поверхностей, а также при перемещении твердых частиц (абразива), потоков жидкости и газа относительно поверхности детали.

Рис. 2. Классификация видов изнашивания

Молекулярно-механическое изнашивание проявляется в схватывании металлов, т. е. образовании металлической связи, которая при относительном перемещении деталей приводит к вырыванию частиц металла с одной из поверхностей и переносу их на другую, как правило, более твердую. При малой скорости скольжения деталей размягчение металла частицы не происходит и она, находясь в твердом состоянии, будет оказывать царапающее действие на сопряженную поверхность. При больших скоростях металл частицы легко пластифицируется и размазывается по поверхности.

Коррозионно-механическое изнашивание – результат механического воздействия сопряженных поверхностей, которое сопровождается химическим или электрохимическим взаимодействием материала детали с агрессивной средой.

Далее приводится краткая характеристика видов изнашивания.

Абразивное изнашивание – механическое изнашивание материала, которое происходит в основном в результате режущего или царапающего действия твердых частиц (абразива), находящихся в свободном или закрепленном состоянии. Этот вид изнашивания характерен для рабочих органов дорожных машин.

Изнашивание деталей машин при воздействии частиц абразива или иных твердых тел по своей природе является механическим и сводится к съему металла с рабочих поверхностей. При изнашивании поверхности под действием абразива постепенно изменяются геометрическая форма и размеры детали, но разрушение на макроуровне, например в виде изломов, не происходит. Эту категорию разрушения из-за малых объемов отделяющихся частиц выделяют в особый вид, называемый истиранием. Истирание происходит при различных условиях контактного взаимодействия сопряженных поверхностей. В этой связи различают трение без смазочного материала (трение ювенальных, т. е. обнаженных поверхностей), при котором коэффициент трения достигает 6…7, и трение со смазочным материалом, при котором коэффициент трения составляет 0,03…0,5. Трение со смазочным материалом в зависимости от вида смазки, условий трения, геометрии трущихся поверхностей бывает сухое, полусухое, жидкостное и граничное. Для сухого и полусухого трения характерны частичные зоны контакта поверхностей трения, на которые действует только смазка, адсорбируемая из окружающей среды, и окисные пленки, на остальной поверхности сосредоточена жидкая смазка; для жидкостного трения характерно полное разделение трущихся поверхностей.

Гидро и газоабразивное виды изнашивания возникают при действии твердых частиц, взвешенных в жидкости или газе, которые перемещаются относительно изнашиваемой поверхности.

Деформационное изнашивание – процесс образования остаточных деформаций, которые проявляются в отклонении оси от прямолинейности или какой-либо другой формы, а также в нарушении взаимного расположения поверхностей деталей. Деформационное изнашивание происходит в результате неравномерной релаксации напряжений в процессе эксплуатации под действием рабочих механических нагрузок и температур. Усталостное изнашивание – утрата механических свойств и разрушение металлических деталей под действием циклических нагрузок.

Оно происходит в результате зарождения, развития и распространения усталостных трещин в детали. Этот вид разрушения характерен для деталей, работающих в условиях трения качения и качения с проскальзыванием, таких как подшипники качения, опоры качения, катки, кулачки, зубчатые колеса и др. Трещины зарождаются либо на поверхности в местах концентраторов напряжений, либо в глубине поверхностного слоя в местах максимальных контактных напряжений. Развитие усталостных трещин приводит к выкрашиванию частиц металла, в результате чего поверхность покрывается осповидными впадинами. При знакопеременном нагружении развитие трещин приводит к усталостному излому, например, первичных валов коробки передач или коленчатых валов (рис. 3).

Кавитационное изнашивание – процесс механического разрушения материала детали от соприкосновения его с движущейся жидкостью, в которой нарушается сплошность ее объема из-за образования и исчезновения полостей, в зоне которых при повышенных давлениях, конденсации паров и растворении газов создаются условия для интенсивных гидравлических микроударов, разрушающих деталь. Этому виду изнашивания подвержены лопатки гидротурбинных установок, гребные винты и др.

Рис. 3. Вид усталостного излома коленчатого вала

Изнашивание при фреттинге (англ. fretting, от fret – разъедать, подтачивать) имеет место при малых многократных колебательных перемещениях одной сопряженной поверхности относительно другой (различают возвратно-поступательные и возвратно-вращательные перемещения).

Изнашивание при схватывании возникает при разрыве масляной пленки, обнажении и взаимодействии ювенальных поверхностей сопряженных деталей. Под действием молекулярных сил происходит твердофазная сварка локальных поверхностных контактов, которая при относительном перемещении деталей вызывает глубинное вырывание материала с одной поверхности, перенос его на другую поверхность и абразивное воздействие образовавшихся неровностей на сопряженные поверхности, т. е. задир (рис. 4).

Рис. 4. Шейка и вкладыш коленчатого вала со следами задира

Рис. 5. Шатун, деформированный при схватывании поршня

Схватывание также может вызывать заедание узла трения. При этом действующие движущие силы могут привести к значительным деформациям деталей механизма. Так, заклинивание поршня приводит к изгибу шатуна в направлении вращения шейки коленчатого вала (рис. 5).

Окислительное изнашивание представляет собой вид коррозионно-механического изнашивания, при котором основную роль играют химические реакции металлов пары трения с кислородом или окислительной средой. При трении в условиях смазки металлические поверхности вступают в реакцию c кислородом, растворенным в масле или кислородсодержащих элементах. В результате происходит образование окисных пленок. Тонкие окисные пленки (вторичные структуры) на поверхностях трения защищают материал от схватывания. С течением времени они утолщаются и становятся хрупкими, а под действием деформаций постепенно разрушаются и уносятся смазочным материалом. На их месте образуются новые окисные пленки. Скорость их образования зависит от режимов работы узла трения.

Изнашивание при фреттинг-коррозии представляет собой коррозионно-механическое изнашивание при вибрациях, т. е. в условиях малых относительных перемещений. При этом виде изнашивания одновременно развиваются два процесса: фреттинг-износ и усталостное разрушение. Первый связан с образованием продуктов окисления, которые при механическом срезании представляют собой абразив. Усталостное изнашивание обусловлено действием циклических нагрузок. Причем развитие усталостных трещин происходит неизменно перпендикулярно направлению фреттинга.

Эрозионное изнашивание – изменение размеров и шероховатости твердого тела в результате механического воздействия на него потока жидкости или газа в отсутствии абразивных частиц. Интенсивность эрозии во многом зависит от агрессивности и температуры среды. В автомобиле эрозии часто подвергаются клапаны газораспределительного механизма (рис. 6), жиклеры карбюратора, детали амортизаторов.

Электроэрозионное изнашивание возникает в результате воздействия на поверхность детали разрядов при прохождении электрического тока через контакт пары трения.

Рис. 6. Вид эрозионных повреждений клапана

В общем случае изнашивание деталей является следствием ряда причин: механическое разрушение зацепляющихся неровностей при взаимодействии контактирующих поверхностей; усталостное разрушение неровностей от многократно повторяющихся воздействий неровностей сопряженной поверхности или переменного давления смазки; отслаивание пленок окислов, образующихся при трении, и др. Так, кольцо торцового уплотнения коробки передач с гидроуправляемыми фрикционами подвергается эрозионно-механическому изнашиванию (рис. 7), когда в процессе разрушения детали одновременно участвуют струи масла и механическое истирание.

Рис. 7. Вид эрозионно-механического износа торцового уплотнения

В случае сложного во внешних проявлениях изнашивания целесообразно различать его ведущий и сопутствующий виды.

Интенсивность изнашивания зависит от многих факторов, основными из которых являются:

1. характер и периодичность действующих нагрузок, скорость перемещения, удельное давление и температура в зоне контакта, т. е. все то, что определяет вид изнашивания;
2. конструкция машин и узлов, определяющая условия нагружения, соответствие конструктивной прочности деталей приложенным нагрузкам, а также технологичность и ремонтопригодность конструкции в отношении технического обслуживания и ремонта;
3. физические параметры, такие как температура, твердость поверхностей деталей и др.;
4. технологические параметры, такие как точность изготовления размеров и формы детали, шероховатость и волнистость её поверхности;
5. промежуточная среда – качество и способ подвода смазки, наличие в зоне контакта вторичных структур и абразива (размеры, форма и твердость абразивных частиц);
6. условия технического обслуживания и ремонта: качество применяемых горюче-смазочных материалов, квалификация обслуживающего персонала, своевременность и качество выполнения технического обслуживания и ремонта;

рабочая (окружающая) среда – температура и скорость движения среды, химический состав, обусловливающий ее агрессивность.