Закономерности изменения ресурса агрегатов трансмиссии

Ресурс автомобильных коробок передач, раздаточных коробок, ведущих мостов в основном определяется износом зубчатых шестерен агрегатов трансмиссии , что в общем виде интенсивность износа и пропорциональна нагрузке q в степени т, большей единицы, причем т при данном виде фрикционного воздействия от нагрузки не зависит.

Влияние скоростного режима на интенсивность изнашивания шестерен объясняется следующим. С увеличением скорости вращения зубчатых колес во всех точках линии зацепления одновременно растут суммарная скорость качения vs и скорость скольжения профилей зубьев уск, по-разному влияющие на несущую способность масляной пленки в зоне контакта, следовательно, и на интенсивность изнашивания поверхностей зубьев.

Согласно контактно-гидродинамической теории смазки положительное влияние увеличения суммарной скорости качения на уменьшение износа объясняется увеличением толщины масляной пленки. Чем больше и2, тем больше кинетическая энергия масла, нагнетаемого в межзубное пространство, следовательно, сильнее его гидравлическое расклинивающее действие. Улучшаются условия для возникновения жидкостного трения.

Скорость скольжения непосредственно не входит в уравнения контактно-гидродинамической теории смазки. Влияние ее на несущую способность масляной пленки определяется ростом тепловыделения в зоне контакта, уменьшающего вязкость масла, следовательно, и толщину масляной пленки.

Скорость скольжения взаимосвязана с коэффициентом трения, причем коэффициент трения обратно пропорционален скорости скольжения в степени 0,2. При увеличении скорости скольжения контактирующих тел коэффициент трения сначала резко возрастает, достигает некоторого максимума, а затем несколько снижается и при дальнейшем увеличении скорости остается практически постоянным. Падение коэффициента трения объясняется сокращением времени продолжительности фрикционной связи и соответственно уменьшением площадки касания, которая не успевает увеличиваться, пока относительная скорость скольжения равна нулю.

Установлено также , что интенсивность изнашивания пропорциональна коэффициенту трения и носит степенной характер, поэтому можно предположить, что интенсивность изнашивания при увеличении скорости скольжения будет сначала возрастать до определенной величины, затем снижаться. Совместное влияние скоростей скольжения и качения при увеличении скорости вращения зубчатых колес определяет сложный характер зависимости интенсивности изнашивания от скорости вращения.

Результаты экспериментальных исследований, проведенных на агрегатах трансмиссии автомобилей, свидетельствуют, что в пределах изменения частоты вращения, наблюдаемых в различных условиях, интенсивность изнашивания зубьев снижается пропорционально увеличению скорости в степени 0,5.

Значительно влияет на интенсивность изнашивания температурный режим. Низкие температуры окружающего воздуха вызывают понижение температурного режима агрегатов трансмиссии, что ведет к повышению интенсивности их изнашивания. Например, при понижении температуры трансмиссионного масла с 80 до 0 °С шестерни коробок передач автомобилей ГАЗ-66 и ЗИЛ-130 изнашиваются быстрее почти в 8.10 раз.

В общем случае значительное понижение температуры может влиять на увеличение интенсивности изнашивания зубчатых передач вследствие изменения механических свойств материала шестерен при особо низких температурах, нарушения зацепления шестерен, ухудшения свойств трансмиссионных масел. Но так как в реальных условиях эксплуатации автомобилей при изменениях температуры в агрегатах трансмиссии от+ 100 до —50 °С механические свойства сталей, а также процессы упрочнения и структурообра-зования в поверхностных слоях зубьев шестерен почти не изменяются , то увеличение интенсивности изнашивания вызывается преимущественно изменением свойств трансмиссионного масла, что проявляется в основном в изменении его вязкости — одной из важнейших характеристик смазки.

Применяемые в настоящее время для смазки агрегатов трансмиссии современных автомобилей трансмиссионные масла обеспечивают максимум износостойкости шестерен в том случае, если их рабочая вязкость находится в пределах 16.22 сСт, что соответствует температуре масла от 70 до 85 °С. Наличие оптимального диапазона вязкости масла, а следовательно, и его температуры, объясняется двойственным влиянием изменения величины вязкости масел на износостойкость шестерен. С одной стороны, повышение вязкости вызывает увеличение толщины и несущей способности масляной пленки, разделяющей трущиеся поверхности, снижает коэффициент трения между зубьями, уменьшает теплонапряженность в зоне контакта, т. е. увеличивает долю жидкостной смазки.

С другой стороны, увеличение вязкости масла ухудшает теплоотвод от зубчатых колес к стенкам картера, снижая тем самым толщину гидродинамической масляной пленки, и ускоряя достижение в зоне контакта критической температуры, при которой разрушается граничная масляная пленка, стимулируя в целом развитие интенсивного износа. Чем меньше вязкость масла (до определенного предела), т. е. чем лучше его подвижность, тем более эффективно оно охлаждает шестерни.

Для каждого конкретного типа редуктора и режима работы вязкость масла должна быть оптимальной. При отклонении значений вязкости (и температуры) масла в ту или другую сторону выделяемое в зоне контакта тепло вызывает перегрев рабочей поверхности шестерен и, как следствие, повышенную скорость изнашивания.

Температура масла для данного агрегата зависит от нагрузочного и скоростного режимов работы, а также от температуры окружающего воздуха. Для конкретного автомобиля, работающего в конкретных условиях, понижение температуры воздуха практически линейно влияет на понижение температуры трансмиссионного масла. Поэтому можно сказать, что существует оптимальная температура воздуха, при которой интенсивность изнашивания будет минимальной.

Кроме того, вязкость смазки влияет на усталостное выкрашивание. Методом растровой и просвечивающей микроскопии установлено, что при работе на поверхности зубьев появляются сначала малозаметные полости, которые начинают при дальнейшей работе шестерен увеличиваться в размерах, образуя мелкие трещины. Чем меньше вязкость масла, тем лучше его свойства заполнять микротрещины, тем самым лучше происходит гашение гидравлического удара, что уменьшает амплитуду колебаний поверхности чешуйки металла и увеличивает сопротивляемость выкрашиванию поверхностных слоев.

Согласно контактно-гидродинамической теории смазки сопротивляемость зубчатых колес изнашиванию определяется не только вязкостью подаваемого в зацепление масла, а непосредственно вязкостью масляной пленки в зоне контакта, где под воздействием высоких давлений и температур вязкость масла значительно отличается от объемной. Однако определение истинной вязкости в зоне контакта является задачей сложной, поскольку отсутствуют строгие сведения по абсолютным значениям коэффициентов зависимости вязкости от температуры и давления .

В специфических условиях работы зубчатых передач, когда одновременно с гидродинамическим режимом смазки имеет место и граничный режим, трение и износ уже не определяются однозначно вязкостью масла [91. В этих условиях большое значение в уменьшении износа имеют противоизносные и противозадирные присадки, содержащие серу, хлор, фосфор и другие элементы, которые образуют на поверхности металла соответственно сульфидные, хлоридные и тому подобные пленки пониженного сопротивления сдвигу и тем самым препятствуют повышенному изнашиванию материала шестерен.

Процентное содержание того или иного элемента в присадках зависит от особенностей зубчатой передачи, нагрузочного, скоростного и температурного режимов ее работы, что в конечном итоге и обусловливает температуру трущихся поверхностей в зоне контак-

та. Химическая активность присадок должна быть согласована с температурой, при которой происходят задир и заедание. Эффективность противозадирных присадок при сравнительно низких температурах (от +50 до—20 °С) снижается, что может вызвать увеличение интенсивности изнашивания. Комбинации названных выше химических элементов обладают более эффективными противоза-дирными свойствами, чем каждый в отдельности, так как при изменении режимов трения действие одного элемента дополняется действием других. Считается, что сера и хлор придают маслу высокие противозадирные свойства, а фосфор улучшает противоизносные качества.

На основании проведенных лабораторных и стендовых экспериментальных исследований, исследований на ходовых лабораториях и на контрольных автомобилях в рядовой эксплуатации установлено, что для агрегатов трансмиссии так же, как и для двигателей, изменение интенсивности изнашивания под влиянием изменения температурного режима окружающего воздуха подчиняется общей закономерности (1.13) и выражается уравнением (4.1).

Значения показателей адаптивности для агрегатов трансмиссии автомобилей некоторых марок и моделей приведены в табл. 4.3.

Как видно из табл. 4.3, изменение характеристики режима работы автомобиля к, т. е. отношения времени простоя тост к времени движения тдвиж, сказывается на изменении оптимального значения температуры воздуха. Объясняется это следующим. Чем меньше соотношение тост/тдвиж, тем выше в агрегатах трансмиссии температура масла, которая достигает оптимального значения при меньших значениях температуры воздуха.

Следует отметить, что изменение марки трансмиссионного масла также влечет за собой изменение показателей адаптивности. Так, если вместо ТС- 10-ОТП применять масло ТАп-15В, то минимум интенсивности изнашивания смещается в сторону более высоких температур воздуха, при которых температура масла сможет достичь оптимального значения.

Параметр чувствительности также увеличивается вследствие того, что при одинаковом понижении температуры вязкость масла ТАп-15В возрастает быстрее, чем масла ТС-10-ОТП, а интенсивность изнашивания увеличивается пропорционально вязкости в степени 0,55.

Результаты исследований свидетельствуют о различной приспособленности различных агрегатов трансмиссии как одной марки автомобиля, так и одноименных агрегатов автомобилей разных марок. Полученные данные можно использовать для дифференцированного корректирования нормативов технической эксплуатации (см. разд. 6.2).

Для решения других задач, в частности задачи прогнозирования технического состояния агрегатов автомобилей, с целью повышения точности прогноза целесообразно иметь модели, учитывающие закономерности изменения износа как от величины, пробега автомобиля, так и от условий эксплуатации, в которых осуществляется этот пробег.

Рассмотрим реальную задачу прогнозирования технического состояния автомобиля, работающего в переменных по температуре воздуха условиях эксплуатации.

В качестве объекта прогнозирования примем процесс изменения технического состояния агрегата с учетом влияния температуры окружающего воздуха t и длительности эксплуатации (наработки).

Математическая модель (4.7) учитывает индивидуальное техническое состояние агрегата и зависимость интенсивности его изменения от факторов условий эксплуатации.

Ее можно использовать для прогнозирования технического состояния любых агрегатов трансмиссии. При этом структура модели не меняется, а изменяются значения ее параметров, характеризующих приспособленность конкретных конструкций к исследуемым факторам.