ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Результат выполнения НИР.

Шарниры равных угловых скоростей автомобилей (ШРУС) являются характерным, наиболее дорогостоящим и ответственным узлом автомобилей с передним приводом колес. В соответствии с действующими ГОСТ 23642-79 "Нормируемые показатели надежности", ГОСТ 27883-88" Средства измерения и управления технологическими процессами. Надежность" ШРУСы относятся к классу неремонтируемых изделий, первой группы надежности. Поэтому для оценки качества ШРУС, обеспечения требований безопасности дорожного движения необходимо нормировать и знать показатели надежности. Указанные ГОСТы устанавливают для данного класса изделий следующие показатели безотказности: вероятность безотказной работы для заданной наработки, среднюю наработку до отказа,
g- процентную наработку на отказ, параметры потока отказов, интенсивность отказов.

В сертификатах на ШРУСы, в инструкциях по эксплуатации автомобилей ни одного из перечисленных показателей нет. Ряд зарубежных фирм-производителей указывает средний ресурс ШРУС 150000 км. Однако нареканий от эксплуатационников к этим изделиям много. ШРУСы приходится менять при различных наработках: 20-30 тыс. км - НИВА, 40-70 тыс. км - ВАЗ-2108, 2109, 90-130 тыс. км - иномарки.

На основании изложенного были поставлены следующие задачи исследования:

- собрать статистические данные по наработке ШРУС до отказа;

- рассчитать показатели безотказности работы ШРУС по эксплуатационным данным.

Для расчета показателей надежности ШРУС по эксплуатационным данным была собрана статистика по наработке на отказ наружных ШРУС для автомобилей "НИВА", ВАЗ-2108, ВАЗ-2109, иномарок. В качестве первичных документов использованы журналы гарантийного обслуживания СТО "Брянск-Лада", наряды на выполненные работы СТО "Брянск-Лада" и автоцентра "Сенатор".

Расчеты выполнялись по методическим указаниям "Методы оценки, показателей надежности по экспериментальным данным", РД 50-690-89.

По плану испытаний на надежность (NUN) были приняты следующие исходные данные:

- доверительная вероятность q=0,95;

- предельная относительная ошибкаe=0,05;

- коэффициент вариацииn=0,15;

- регламентированная наработка на отказ L= 100 тыс. км;

- объем испытаний (минимальный) N=26 шарниров для каждой марки автомобилей.

Все автомобили моделей ВАЗ эксплуатировались в условиях г. Брянска и проходили гарантийное сервисное обслуживание на станции технического обслуживания "Брянск-Лада", иномарки обслуживались и ремонтировались в условиях автоцентров "Сенатор" и "Паритет". За период наработки на отказ у 77% автомобилей моделей ВАЗ заменялись защитные чехлы, для иномарок процент замены защитных чехлов - 20-40% (таблица).

Таблица

Показатели безотказности ШРУС

Необходимо отметить, что расчетные статистические характеристики соответствуют моменту снятия ШРУС с автомобиля. Внешние проявления предельного состояния ШРУС, повышенные вибро-акустические характеристики могли проявиться раньше. Это означает, что статистические характеристики ШРУС несколько завышены.

По результатам расчетов параметров эксплуатационной надежности ШРУС на базе статистических данных можно сделать следующие выводы:

- Распределение наработки ШРУС до отказа носит случайный характер. Для отдельных марок автомобилей, производителей шарниров проявляется специфика распределения случайной величины наработки до отказа. Можно предположить: где выше технический уровень автомобилей, шарниров, там наблюдается тяготение больших значений "слева" к среднему. Сумма частоты значений "справа" незначительна.

- Среднее значение наработки ШРУС до отказа недостаточно высокое, для "НИВЫ" - 5 наработки до капитального ремонта (L _кp), для ВАЗ-2109 - 0,3 L _кp, для иномарок - 0,3-0,35 L _кp. Это означает, что за период эксплуатации автомобиля до капитального ремонта наружные ШРУСы надо менять 2-3 раза.

- Разброс значений наработки до отказа относительно среднего арифметического высокий: для "НИВЫ" - 27,5 тыс.км, ВАЗ-2109 - 20 тыс км, иномарки - 15,7 тыс.км. Это сопоставимо с наработкой до ТО-2. Говорить о стабильности наработки ШРУС до отказа нельзя. Поэтому можно рекомендовать более тщательную проверку шарниров при выполнении работ ТО-1, ТО-2 после гарантированной средней наработки ШРУС до отказа.

- Необходимо при производстве ШРУС в сертификате соответствия по ГОСТ Р указывать гарантированную наработку до отказа. Для этого необходимо в методике расчета учитывать характерные особенности шарниров (конструкционные, производственные, эксплуатационные).

Основанием для замены ШРУС, как правило, являются повышенные виброакустические свойства или, редко, разрушение шарнира.

Для изучения причин отказа ШРУС были разобраны 50 шарниров, снятых с автомобилей при замене. Все шарниры одной конструкции (наружные шестишариковые шарниры типа "Бирфильд") и одного производителя (GKN Germany). Технический уровень ШРУС высокий, так как фирма GKN работает в этой области свыше 50 лет, постоянно совершенствует конструкцию и технологию производства. Рассматривались только шарниры, у которых были целы защитные чехлы, чтобы исключить абразивное изнашивание. Были изучены повреждения рабочих поверхностей деталей ШРУС.

Результаты анализа позволяют утверждать, что основными причинами отказов ШРУС являются:

- повреждение рабочей поверхности желоба для шарика в корпусе шарнира -
"А - повреждение";

- повреждение рабочей поверхности желоба для шарика в головке шарнира -
"В - повреждение";

- повреждение рабочей поверхности проточки для шарика в сепараторе -
"С - повреждение";

- трещина в перемычке сепаратора - "Д- повреждение".

Сопутствующими факторами, усугубляющими динамику развития перечисленных повреждений, могут являться:

-износ наружной поверхности головки, взаимодействующей с внутренней поверхностью сепаратора;

-износ внутренней поверхности сепаратора, взаимодействующей с наружной поверхностью головки;

-износ наружной поверхности сепаратора, взаимодействующей с внутренней поверхностью корпуса;

-износ внутренней поверхности корпуса, взаимодействующей с наружной поверхностью сепаратора.

Перечисленные повреждения рабочих поверхностей деталей ведут к увеличению зазоров между деталями, как следствие повышаются вибрации, изменяется система нагрузок между "главными" рабочими поверхностями, через которые передается крутящий момент в шарнире:

- шар - желоб корпуса шарнира;

- шар - желоб головки.

Особо следует отметить такой дефект на сепараторе, как развитие усталостной трещины на перемычке, с которой взаимодействует шар.

Этот дефект закономерен, так как на стенке перемычки сепаратора для лучшего взаимодействия с шаром выполнено углубление. Закономерны в этом месте наибольший контактный износ и деформация. Дополнительно на наружной и внутренней поверхностях сепаратора в местах взаимодействия с корпусом и головкой возникает износ. Место износа граничит с кромками углубления в перемычке сепаратора и утончает перемычку, тем самым со временем концентрируя здесь повышенные напряжения. Последние же носят пульсирующий случайный характер. Именно из-за развития усталостной микротрещины происходит отлом части перемычки сепаратора и аварийное разрушение шарнира.

Можно утверждать, что основные повреждения рабочих поверхностей деталей ШРУС (А, В, С, Д - повреждения) являются следствием контактной усталости поверхностного и приповерхностного слоев металла, а также износа.

Это связано с кинематическими особенностями работы шарнира и нагрузками между контактирующими рабочими поверхностями при передаче крутящего момента от КПП к колесам автомобиля, а также особенностями работы подвески. Именно контактная усталость возникает в результате повторного деформирования микрообъемов материала, вызывающего возникновение микротрещин и отделение частиц материала. Циклически изменяющиеся контактные напряжения ведут к поверхностным разрушениям в виде ямок выкрашивания (питтинг), трещин, осповидного выкрашивания, отслаивания. Образующиеся раковинки с диаметром от сотых долей миллиметра до нескольких миллиметров увеличиваются в процессе работы узла трения, возникает шелушение поверхности.

Появление контактной усталости и износа приводит к усилению вибрационно-акустических характеристик ШРУС, повышению уровня шума, увеличению концентрации нагрузки, контактных напряжений, уменьшению размера площади несущей поверхности трущихся поверхностей, возникновению интенсивного износа и заедания. Выполненные исследования позволяют сделать следующие выводы:

- Основные повреждения рабочих поверхностей деталей ШРУС (А, В, С, Д повреждения) являются следствием контактной усталости поверхностного и приповерхностного слоев металла, а также износа. Это связано с кинематическими особенностями работы шарнира и нагрузками между контактирующими рабочими поверхностями при передаче крутящего момента от КПП к колесам автомобиля, а также особенностями работы подвески.

- Учитывая конструкционные и эксплуатационные особенности работы ШРУС, процессы в "металлической системе" следует рассматривать для условий контактного пульсирующего взаимодействия, в условиях смазочного материала, сопровождающегося качением со скольжением, деформациями поверхностных и приповерхностных слоев и изменяющимися физико-механическими характеристиками.

В связи с вышеизложенными результатами исследований разработаны корректирующие зависимости (аналитические, эмпирические, алгоритмические), позволяющие создать современную математическую модель для прогнозирования и расчета характеристик надежности работы ШРУС, а также их оптимизации и повысить срок службы автомобилей.