Надежность и долговечность автомобиля: факторы воздействия и методы обеспечения

В процессе эксплуатации на узлы и детали автомобиля воздействуют разнообразные нагрузки. Их величина и характер определяются взаимодействием колес с дорожным покрытием, действиями водителя через органы управления, а также режимами работы двигателя. Детали трансмиссии совместно с вращающимися массами силового агрегата, колесами и массой всего автомобиля формируют сложную многомассовую колебательную систему. При определенных условиях в этой системе могут возникать резонансные колебания, что существенно снижает общую долговечность трансмиссии и ее компонентов.

Согласно ГОСТ 13377—75, механизмы и узлы автомобиля в условиях эксплуатации должны демонстрировать высокую надежность и обладать заданной работоспособностью. Надежность определяется как свойство автомобиля выполнять требуемые функции, сохраняя значения установленных эксплуатационных показателей в заданных пределах на протяжении всего срока службы. Это свойство учитывает заданные режимы и условия использования, технического обслуживания, ремонтов, а также хранения и транспортирования транспортного средства.

Работоспособность представляет собой свойство автомобиля сохранять способность к выполнению заданных функций. При этом значения всех заданных параметров должны оставаться в пределах, регламентированных нормативно-технической документацией. Смежным понятием является безотказность — свойство автомобиля непрерывно сохранять свою работоспособность в течение некоторого интервала времени или определенного объема наработки без каких-либо вмешательств.

Долговечность — это свойство автомобиля сохранять работоспособность до наступления предельного состояния, но уже при установленной системе технического обслуживания и ремонтов. Таким образом, безотказность характеризует непрерывную работу автомобиля без внешних вмешательств, а долговечность охватывает весь период эксплуатации, учитывая необходимость ремонтных и профилактических мероприятий для восстановления его функциональности.

Надежность автомобиля напрямую зависит от фактических нагрузок, воздействующих на его конструкцию в процессе эксплуатации. Автомобиль является чрезвычайно сложным объектом для точного определения нагрузочного режима. Условия его эксплуатации отличаются большим разнообразием и непостоянством во времени. Множество переменных факторов сочетаются различным образом, что приводит к значительным колебаниям величин и характера распределения напряжений в деталях.

Нагрузки, вызывающие эти напряжения, подразделяются на постоянные и переменные. К постоянным относят усилия от веса узлов, а также усилия, возникающие при начальной затяжке деталей во время монтажа. Переменные нагрузки включают в себя усилия при трогании с места и торможении, силы, вызванные технологическими погрешностями изготовления, изменениями режимов работы, наличием сил сопротивления и динамических воздействий.

Долговечность механизмов, деталей и агрегатов автомобиля определяется величиной и временем действия часто повторяющихся нагрузок, характерных для конкретных условий эксплуатации. Часто повторяющимися нагрузками принято считать такие, которые за весь срок службы механизма повторяются не менее 1000 раз. На долговечность также существенно влияет жесткость конструкции, поскольку деформации картеров, валов и опор вызывают перекосы.

Эти перекосы нарушают точность взаимного расположения сопряженных деталей, что может привести к возникновению зон повышенной концентрации напряжений и, как следствие, к значительному сокращению срока их службы. Следовательно, обеспечение высокой жесткости несущих элементов является критически важным для достижения проектных показателей по надежности всего автомобиля.

Для достижения необходимой долговечности необходимо создавать рациональную форму деталей, которая исключает повышенную концентрацию напряжений, а также подбирать оптимальные размеры сечений. Эти меры позволяют равномерно распределить нагрузку по всему объему детали. Дополнительно применяются улучшенные методы обработки рабочих поверхностей, используются высококачественные материалы, такие как легированные стали и современные полимеры.

Широко используются различные упрочняющие способы обработки поверхностей, нанесение антикоррозионных покрытий, установка надежных уплотнений и применение высококачественных смазочных материалов. Выбор конкретных мероприятий и технологий определяется расчетной себестоимостью автомобиля и типом производства, чтобы найти оптимальный баланс между стоимостью и эксплуатационными характеристиками.

При проектировании различают статическую прочность и усталостную прочность. Статическая прочность — это способность детали сопротивляться разрушению под действием кратковременных максимальных нагрузок. Усталостная прочность характеризует способность детали противостоять разрушению под влиянием многократно повторяющихся переменных нагрузок. Усталостное разрушение может происходить при сжатии, растяжении, изгибе, кручении и их комбинированном воздействии.

Разновидностью усталостной прочности является контактная прочность. Это способность рабочей поверхности сопротивляться разрушению под действием контактных напряжений сжатия или сдвига, которые многократно возникают в процессе эксплуатации. Яркими примерами являются поверхности зуба зубчатого колеса в коробке передач, а также шарика и беговой дорожки подшипника качения.

Помимо прочности, детали и агрегаты автомобиля должны обладать высокой износостойкостью. Это свойство подразумевает способность сопротивляться необратимому изменению размеров и формы под действием эксплуатационных нагрузок. Износ напрямую влияет на точность работы сопряженных пар и общий ресурс механизмов. Классификация видов изнашивания учитывает характер протекающих физико-химических процессов.

В зависимости от природы происходящих процессов, изнашивание подразделяют на механическое (включающее усталостное изнашивание), молекулярно-механическое и коррозийно-механическое. К последнему виду также относят фреттинг-коррозию, которая возникает в местах неподвижных или малоподвижных контактов под воздействием вибраций. Каждый тип износа требует своих методов борьбы и профилактики.

Оценку прочности и износостойкости деталей автомобиля проводят двумя основными методами: экспериментальными испытаниями опытных образцов и расчетным путем. Оба подхода в обязательном порядке учитывают реальные условия эксплуатации автомобиля, чтобы максимально точно смоделировать будущие нагрузки. Испытания позволяют верифицировать расчетные модели и выявить слабые места конструкции.

Определение расчетных нагрузочных режимов для оценки прочности является сложной инженерной задачей. Это связано с тем, что в процессе эксплуатации изменяются не только дорожные условия, но и множество других параметров. К ним относятся скорости движения, интенсивность разгона и торможения, величина полезной нагрузки в кузове, усилие на буксировочном крюке и многие другие факторы. Учет этой изменчивости является ключом к созданию надежного автомобиля.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: П. П. Лукин; Г. А. Гаспарян; В. Ф. Родионов; К. Ю. Чириков.

Источник: Конструирование и расчет автомобиля. Необычные двигатели.

Данные публикации будут полезны студентам автомобилестроительных и транспортных специальностей, начинающим инженерам-конструкторам и технологам автопрома, а также всем, кто интересуется глубоким пониманием процессов проектирования и компоновки современных автомобилей.