CC BY
42УДК 621.822.1
А.Н. Михайлов, С.А. Матвиенко, Ю.Н. Стрельник, А.В. Лукичев
Донецкий национальный технический университет, Донецк, 283003 e-mail: [email protected]
ФУНКЦИОНАЛЬНО-ОРИЕНТИРОВАННЫЙ АНАЛИЗ УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ И ТЕХНОЛОГИЙ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СФЕРИЧЕСКИХ ШАРНИРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
ТРАНСПОРТНЫХ МАШИН
В статье рассмотрены условия эксплуатации шаровых шарниров, непосредственно влияющих на качество поверхностного слоя, и технологии изготовления шарового пальца, и определена мера полезности сферических подшипников скольжения, которую необходимо обеспечить при технологических воздействиях.
Ключевые слова: шаровой шарнир, поверхностный слой, технология, мера полезности.
A.N. Mikhailov, S.A. Matvienko, Yu.N. Strelnik, A.V. Lukichev
Donetsk National Technical University, Donetsk, 283003 e-mail: [email protected]
FUNCTIONALLY-ORIENTED ANALYSIS OF THE OPERATING CONDITIONS
AND PRODUCTION TECHNOLOGIES OF TRANSPORT VEHICLES SPHERICAL
SWIVEL CONNECTIONS
Operating conditions of ball and socket joints directly influencing on the quality of surface layer and ball pin production technology are considered in the article. The utility measure of spherical bush bearings that must be provided at technological influences is determined.
Key words: ball and socket joint, surface layer, technology, utility measure.
Введение
Функциональность и срок службы транспортных машин значительно зависит от надежности деталей пар трения. Сферические шарнирные соединения повышают функциональность машины и устойчивость к деформациям. К сферическим шарнирным соединениям относятся подшипники скольжения, широко применяемые в транспортных машинах [1-3]. По характеру трения шаровый шарнир представляет собой подшипник скольжения, и применяются для соединения элементов, подвижных относительно друг друга. Сферические подшипники скольжения широко применяются в машиностроении, в ядерно-энергетическом машиностроении, в приборостроении, автомобилестроении, в глубоководном транспорте и в других отраслях техники. Шаровые шарниры являются одними из наиболее ответственных узлов передней подвески легковых автомобилей и оказывают непосредственное влияние на их безопасность.
В результате исследований определено, что долговечность шаровых шарниров в основном определяется износостойкостью контактирующих поверхностей его деталей и зависит от конструктивных, технологических и эксплуатационных факторов [4].
Общая тенденция развития шаровых шарниров идет по пути совершенствования конструкций, изменения материала и конструкции вкладышей. Обеспечение заданного ресурса сферических шарнирных соединений за счет конструкторско-технологических решений является актуальной задачей.
Цель статьи рассмотреть условия эксплуатации шаровых шарниров, непосредственно влияющих на качество поверхностного слоя (ПС) и технологии изготовления шарового пальца. Определить меру полезности сферических подшипников скольжения, которую необходимо обеспечить при функционально-ориентированных технологических воздействиях.
Основная часть
Функция шарового шарнира, конструктивные части которого имеют возможность совершать угловое перемещение, заключается в передаче вращательного движения. При этом через шарнир не происходит передачи изгибающего момента от одного элемента к другому.
Шарниры являются элементами, которые подвержены механическому воздействию и претерпевают нагрузки в виде трения. В процессе выработки смазочного материала увеличивается износ, который ведет к увеличению зазора между шаровым пальцем и антифрикционной обоймой, который ограничивает срок эксплуатации шарнира [5, 6]. Шарнирные сферические подшипники могут работать со смазкой и без нее.
Анализ основных возможных причин выхода из строя шаровых шарниров
Основным элементом сферического шарнира является шаровой палец [7-9]. Шаровые пальцы испытывают при эксплуатации многоцикловые знакопеременные радиальные и двухсторонние осевые нагрузки, что приводит к исчерпыванию ресурса детали по двум направлениям: абразивному износу сферической части шарового пальца и усталостному износу металла в опасном сечении перехода сферической части шарового пальца в коническую часть. Для шарового пальца также характерны деформация и коррозия [10]. Основной причиной потери работоспособности является изнашивание сферической части шарового пальца. Изнашивание зависит от условий трения (величина и характер нагружения, характер трения, вид и характер смазки, скорость скольжения, угол относительного перемещения, температурный режим работы, влажность воздуха, абра-зивность окружающей среды) и от конструктивно-технологических характеристик [10, 11].
В шарнирных соединениях под действием эксплуатационных факторов, могут проявляться следующие виды изнашивания: водородное, абразивное, окислительное, усталостное, фреттинг-коррозия, вследствие пластической деформации. Возникновению пластических деформаций способствует реверсивный характер трения [12].
Эксплуатационное состояние шарнирных соединений характеризуется критериями: осевое усилие при перемещении шарового пальца, момент сопротивления шарового пальца повороту, коэффициент стабильности момента сопротивления шарового пальца повороту, обратимое и необратимое относительное смещение шарового пальца в осевом и радиальном направлении.
Характер трения в сферических шарнирах зависит от нагрузки, скорости скольжения и рабочей температуры. Коэффициент трения является функцией от нагрузки, прямо зависит от скорости скольжения и является обратной функцией рабочей температуры.
Наиболее распространенной причиной перехода шаровых шарниров подвески и рулевых наконечников в неисправное состояние является износ деталей узла [13].
Условия эксплуатации
В процессе эксплуатации сферических шаровых подшипников осуществляются качательные движения относительно оси подшипника и в виде перекоса оси. Шарнирные подшипники скольжения воспринимают постоянную, однонаправленную центральную нагрузку ^ и эквивалентную однонаправленную или меняющуюся нагрузку, состоящую из одновременно действующих радиальной (^г) и осевой (^а). Удельная нагрузка на подшипник определяет контактное давление в подшипнике. Движения при работе сферических подшипников в динамических условиях определяются: импульсом, частотой и скоростью движения. На величину импульса влияют углы поворота и наклона, а частота оказывает непосредственное влияние на срок службы подшипника.
Шаровые шарниры работают под воздействием внешних (обусловленных режимом работы) и внутренних (определяемых физико-механическими характеристиками) эксплуатационных факторов, которые определяют их эксплуатационные характеристики (контактное давление, смещение и угол контакта, тепловой режим, коэффициент трения и интенсивность изнашивания).
Показатели квалиметрической оценки качества шарнирных сферических соединений представлены на рисунке.
Долговечность узлов трения определяется: несущей способностью, износостойкостью контактирующих поверхностей и фрикционной термостойкостью и зависит от ряда конструктивных, технологических и эксплуатационных факторов [14].
Технологической задачей является повышения износостойкости шарнирных сферических соединений. С целью избежать преждевременного износа антифрикционной обоймы шарового шарнира применяются современные материалы с особыми физико-механическими, антифрикционными, упругими и антикоррозионными свойствами [15]. Повысить износостойкость шарниров можно, исключив реверс при трении, но при этом усложняется конструкция шарнирного соединения.
Показатели квалиметрической оценки качества шарнирных сферических соединений
Одним из традиционных путей повышения износостойкости пар трения является применение смазок. Большое значение в вопросе износостойкости шарниров имеет подбор материалов сопрягаемых поверхностей. Повышение износостойкости возможно за счет уменьшения отделения материала с поверхности трения и снижения пластических деформаций.
Технология изготовления
Наиболее важной и трудоемкой частью технологического цикла при изготовлении шарового пальца являются черновая и чистовая обработка неполной сферической головки. Заготовки шаровых пальцев, применяемых в шаровых шарнирах передней подвески, изготавливаются, главным образом, холодной высадкой, либо поперечно-клиновой прокаткой, фрезерованием, холодной листовой штамповкой корпусов шаровых пальцев [16, 17]. В качестве операции чистовой размерно-упрочняющей обработки неполной сферы шарового пальца получили распространение ротационная (планетарная) обкатка шариками, отделочно-упрочняющая бессепараторная обкатка, отделочно-упрочняющее обкатывание [16, 18, 19]. Основные критерии работоспособности сферических подшипников скольжения выражаются, исходя из ограничений по температурам М < t < средним (условным) давлениям (контактным напряжениям) р < [р], интенсивностям изнашивания Д < [Д], моментам сопротивления Ттр < [Ттр], что эквивалентно ограничению по коэффициенту трения скольжения / < [/] [4].
Выводы
Технологические воздействия должны обеспечить качество рабочей поверхности шарового пальца, обеспечивающее определяемые гарантийным сроком службы износостойкость, усталостную прочность, коррозионную стойкость.
Литература
1. Железков О.С., Михайлова У.В. Усовершенствованный шаровой шарнир передней подвески легковых автомобилей // Автомобильная промышленность. - 2010. - № 3. - С. 14-15.
2. Математическое моделирование технического состояния шарового шарнира в условиях стендовых испытаний / А.Н. Новиков, В.И. Чернышов, В.А. Гордон, А.А. Катунин, М.Д. Тебекин // Мир транспорта и технологических машин. - 2014. - № 4. - С. 39-46.
3. Новиков А.Н., Катунин А.А., Тебекин М.Д. Проблемы эксплуатации шаровых опор легковых автомобилей // Мир транспорта и технологических машин. - 2010. - № 3. - С. 42-45.
4. Родионов Ю.В., Войнов А.А., Шмелев А.А. Повышение износостойкости и долговечности шаровых опор автомобилей // Успехи современной науки и образования. - 2017. - Том 4, № 4. - С. 84-86.
5. Руководящий документ РД 37.001.613-9. Шарниры шаровые автотранспортных средств. Общие технические требования и методы испытаний. - М.: 1997 - 230 с.
6. Точка опоры // За рулем. - 2000. - № 5. - С. 59-65.
7. Корпус шарового шарнира: Патент 2270378 Российская Федерация, МПК, F16C 11/06 /
B.П. Недиков; заявитель и патентообладатель В.П. Недиков. - № 2004104043/11; заявл. 11.02.2004; опубл. 20.02.2006. - 3 с.
8. Палец шарового шарнира: Свидетельство на полезную модель 38863 Российская Федерация, МПК7, F16C 11/08 / В.П. Недиков. - № 2004102494/20; заявл. 30.01.2004; опубл. 10.07.2004. - 2 с.
9. Вкладыш шарового шарнира: Свидетельство на полезную модель 28520 Российская Федерация, МПК7, F16C 11/06. / В.А. Гаас. - № 2001112378/20, заявл. 11.05.2001; опубл. 27.03.2003. - 3 с.
10. Анализ видов повреждений шаровых шарниров / С.Ю. Радченко, А.Н. Новиков, А.А. Катунин, М.Д. Тебекин // Мир транспорта и технологических машин. - 2012. - № 1(36). -
C.8-14.
11. Фролов А.М. Совершенствование системы проектирования элементов сферических шарниров с учетом реновационных мероприятий в их полном жизненном цикле / ГОУ ВПО «Камский государственный политехнический институт». - Набережные Челны, 2004.- С. 6.
12. Серебрянский А.И., Абрамов В.В., Канищев Д.А. Обоснование выбора антифрикционных материалов для узлов трения технологического оборудования лесозаготовительных машин // Лесотехнический журнал. - 2014. - Том 4, № 1 (13). - С. 194-200.
13. Расчетное определение показателей прочности шаровых шарниров элементов шасси автомобиля путем моделирования процесса статических испытаний / И.А. Михайловский, И.Г. Гун, В. В. Сальников, Д.С. Вдовин, В.И. Куцепедник, Е.И. Гун // Журнал автомобильных инженеров. - 2014. - № 2 (85). - С. 20-24.
14. Колесников, В.И. Теплофизические процессы в металлополимерных трибосистемах. -М.: Наука, 2003. - 279 с.
15. Раймпель Й. Шасси автомобиля: Конструкции подвесок / Пер. с нем. В.П. Агапова. -М.: Машиностроение, 1989. - 328 с.
16. Совершенствование технологии изготовления шаровых пальцев автомобилей / И.Г. Гун, О.С. Железков, И.А Михайловский и др. // Бюл. ин-та «Черметинформация». - 2000. - № 11-12 (1211-1212). - С. 60-62.
17. Катунин А.А., Катунин А.В., Самойлов Н.Н. Комбинированный способ отделочно-упрочняющей обработки головок шаровых пальцев // Мир транспорта и технологических машин. - 2010. - № 1(28). - С. 22-26.
18. Катунин А.А. Формирование шероховатости поверхности неполной сферы при обкатке бессепараторным инструментом // Известия ОрелГТУ. - 2009. - № 3/275(561). - С. 70-75.
19. Исследование кинематических параметров процесса обкатки неполной сферической головки шарового пальца / Ю.С. Степанов, А.М. Гаврилин, А.В. Катунин, А.А. Катунин // Известия ОрелГТУ. - 2009. - № 2/274(560). - С. 52-56.
