1 ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ РАЗДЕЛ
1.1 Особенности конструкции
Большинство грузов, различного назначения, перевозится при помощи автомобильного транспорта. На это влияет, в первую очередь, мобильность автомобильного транспорта, возможность его использования на дорогах с различным покрытием, а в некоторых случаях и при полном бездорожье. Несмотря на все это, себестоимость перевозимых грузов будет оставаться достаточно низкой, по сравнению с другими видами перевозок. Одними из наиболее распространенных автотранспортных средств для транспортировки грузов являются автомобили семейства КамАЗ. Представители данных марок автомобильного транспорта работают в карьерах, на строительных площадка, в сельскохозяйственном производстве, а также и во многих отраслях промышленности нашей страны. Они имеют достаточную грузоподъемность, обладают повышенной проходимостью, высокоманевренны.
Работоспособность автотранспорта на дорогах с различным типом покрытия при различном скоростном режиме в течение одного дня работы определяется надежностью автомобиля, то есть свойством, состоящим из безотказности, ремонтопригодности, долговечности и сохраняемости. Одной из важных систем автомобиля, обеспечивающих безотказность движения, надежность работы автомобиля является подвеска. По оценке ведущих специалистов, в области эксплуатации транспорта работа с неисправной подвеской снижает долговечность автомобиля более чем в 1,5 раза.
?
Неисправная подвеска вызывает также увеличение вертикальных и угловых ускорений, резкие толчки и удары кузова о подвеску. Работа с неисправными подвесками ухудшает управляемость, устойчивость автомобиля и снижает безопасность его движения. Вследствие вибрации рамы нарушается соосность двигателя и коробки передач автомобиля, ослабляются крепления корпусных деталей [1]. Неисправности подвески автомобиля, участвующего в дорожном движении, может привести к дорожно-транспортным происшествиям (ДТП), последствия которых характеризуются гибелью и ранением людей, материальным ущербом от повреждения транспортных средств, грузов, дорожных или иных сооружений, выплатой пособий по инвалидности и временной нетрудоспособности и т.д. Из всего сказанного следует, что диагностирование подвески имеет большое значение в повышении надежности автомобилей и особенно большой грузоподъемности типа КамАЗ [2, 3].
Одной из особенностей грузовой автомобильной техники является применение в конструкции их подвески подшипников скольжения, так как они обладают высокими антифрикционными свойствами, коррозионной стойкостью, выдерживают значительные удельные нагрузки и высокие скоростные режимы. Чаще всего это бронзовые подшипники скольжения типа «втулка». Задняя подвеска автомобиля КамАЗ, МАЗ, КрАЗ, имеет разное конструктивное решение балансирного устройства, в состав которого входят втулки (подшипники скольжения), изготовленные из антифрикционного материала. Эти подшипники скольжения лимитируют ресурс задней подвески грузовых автомобилей, и требуют замены новыми - ремонтного размера. Износ антифрикционных втулок (подшипников скольжения) является одним их основных дефектов балансирной подвески грузового автомобиля [4, 5]. В каждом балансирном устройстве установлены два подшипника скольжения, всего на грузовом автомобиле два балансирных устройства, по одному с каждой стороны. При разборке (рисунок 1.1 ) , в случае износа осей 1 и втулок 2 и 3 (подшипников скольжения) балансирного устройства 4 выше допустимого шлифуются оси до устранения следов износа и устанавливаются ремонтные (уменьшенные по внутреннему диаметру) втулки.
Рисунок 1.1 – Схема установки подшипников скольжения в балансирной подвеске
Существуют основные четыре типа втулок которые изготовлены из разных антифрикциооных материалов (рисунок 1.2): бронзовые втулки, алюминий с цинком, просто алюминиевые и пластиковые. Допустимый зазор между осью и втулками балансира по паспорту завода изготовителя составляет 1 мм [6]. На самом деле при таком зазоре, на втулку приходятся огромные нагрузки, особенно при разворотах грузового автомобиля. Не исправная подвеска вызывает также увеличение вертикальных и угловых ускорений, резкие толчки и удары кузова о подвеску.
БрОФ 10-1 AL AL + Zn Фторопласт
Рисунок 1.2 – Фото подшипников скольжения
Геометрические параметры и материал подшипника скольжения задней подвески автомобиля представлены в таблице 1.1
Таблица 1.1 – Геометрические параметры и материал подшипников скольжения задней подвески автомобилей
Тип и марка транспортного средства Основные размеры подшипников скольжения
D?d?L, мм Материал подшипников скольжения
КамАЗ 100?88?80 Бронза( Бр.ОФ 10-1)
Втулки работают в условиях абразивного изнашивания. Эти втулки лимитируют ресурс задней подвески автомобилей и требуют восстановления либо замены новыми ремонтного размера.
Одной из самых распространенных неисправностей балансирной подвески является износ подшипника скольжения (втулок) балансира (рисунок 1.3). Между втулками и осью балансира допускается зазор 0,5…0,8 мм. При таком зазоре на самом деле на втулку действуют большие нагрузки, в особенности при разворотах.
Рисунок 1.3 – Подшипники скольжения после эксплуатации
Перед нами стоит задача проведения анализа существующих способов и применяемых материалов для восстановления, упрочнения и изготовления подшипников скольжения с целью выбора наиболее рационального для ремонта задней подвески автомобиля КамАЗ.
1.2 Анализ технологий изготовления подшипников скольжения
Разработанный в Институте физики твердого тела РАН (п. Черноголовка) способ позволяет получать достаточно большие слитки Al-Pb-сплавов. что дает возможность проводить дальнейшие технологические операции - производство биметаллической полосы и подшипников скольжения двигателей внутреннего сгорания (ДВС) по принятой в промышленности технологии.
Из биметаллических полос толщиной 3,0 мм и 2,8 мм с антифрикционным слоем из экспериментальных сплавов А1-10%, Pb-10%, Sn-1 %, остальное - Сu и А1-10%, Pb-10%, Sn-3%, остальное – Сu были изготовлены шатунные вкладыши для моторных испытаний.
В целях определения противозадирных свойств и несущей способности экспериментальных сплавов в АО «Подшипники скольжения» (г. Тамбов) на дизелях СМД-72 и А41 были проведены стендовые испытания шатунных вкладышей из опытного биметалла сталь - экспериментальные алюминиево-свинцовые сплавы.
Приведенные стендовые испытания вкладышей (подшипников скольжения) показали, что работоспособность подшипников из экспериментальных сплавов выше, чем подшипников из промышленных сплавов АО6-1 (с приработочным покрытием) и АО20-1. Таким образом, предложенные сплавы на основе алюминия и свинца могут быть рекомендованы для производства подшипников скольжения в автотракторных двигателях [7].
Известно изобретение, где в качестве втулки верхней головки шатуна ДВС используют биметаллическую втулку, состоящую из внутреннего бронзового и наружного стального стаканов, жестко соединенных между собой (рисунок 1.4), причем на внутренней поверхности стального стакана предварительно наносится регулярный микрорельеф сетчатого типа [8].
Известен биметаллический материал для подшипников скольжения, содержащий металлическую основу с нанесенным антифрикционным слоем на основе меди, содержащим олово, свинец и графит [9].
Известен трехслойный композиционный вкладыш подшипника скольжения (рис. 1.5) и способ его изготовления, заключающийся в том, что на стальную подложку наносят тонкий технологический подслой чистого алюминия толщиной 0,01 мм, обеспечивающий прочное соединение несущего слоя из алюминиевого сплава с повышенными прочностными характеристиками со стальной основой, а также нанесение износостойкого слоя из алюминиевого сплава с повышенными антифрикционными свойствами с учетом припуска на механическую обработку [10].
Рисунок 1.4 - Многослойная втулка шатуна: 1 - внутренний бронзовый стакан; 2 - наружный стальной стакан; 3 - верхняя головка шатуна; 4 - канал для подвода масла; 5,6- канавки; 7,8- радиальные отверстия; 9 - наклонные канавки.
Рисунок 1.5 - Трехслойный композиционный вкладыш подшипника скольжения: 1 - стальное основание-подложка; 2 - технологический подслой;3 - несущий слой; 4 - поверхностный слой.
Известен способ изготовления и восстановления вкладышей подшипников скольжения дизельных двигателей. Сущность изобретения: на стальное основание наносят несущий антифрикционный слой из порошка бронзы методом плазменного напыления (рис. 1.3). К порошку бронзы в соотношении 2:1 добавляют графит, плакированный сплавом медь-никель, а напыление производят с помощью плазматрона с постоянно возобновляющимся катодом в плазмообразующей смеси углекислого газа и углеводородов, обогащенной углеводородами [11].
Рисунок 1.3 - Тонкостенный вкладыш подшипника скольжения высокофорсированного дизеля: 1 - металлический корпус; 2 - антифрикционное покрытие; 3 - приработочное покрытие; 4 - поверхностно-активное вещество; Е - рабочая сторона.
Известен моторно-осевой подшипник скольжения (рис. 1.4), состоящий из основы, на которой расположены канавки, и баббита, залитого на упомянутую основу. Отличительная особенность в том, что основа выполнена из конструкционной стали, а канавки в поперечном сечении имеют форму полукруга [12].
Рисунок 1.4 - Подшипник скольжения:
1 - стальная основа; 2 - специальные канавки; 3 - антифрикционный материал (баббит).
Известен подшипник скольжения, содержащий имеющую внутреннюю поверхность трения втулку, выполненную со сквозными отверстиями и антифрикционные полимерные вставки, образующие на внутренней поверхности трения выступы с высотой, соответствующей толщине антифрикционного слоя (рис. 1.5), отличающийся тем, что антифрикционные полимерные вставки закреплены в выполненных резьбовыми сквозных отверстиях цилиндрической формы [13].
Рисунок 1.5 - Подшипник скольжения: 1 - сквозные отверстия; 2 - втулка; 3 - антифрикционные полимерные вставки
Известен подшипник скольжения, содержащий гильзу, в которую запрессован вкладыш, на внутренней поверхности которого выполнена винтовая канавка (рис. 1.6), отличающийся тем, что винтовая канавка выполнена двухзаходной со специальными геометрическими параметрами. Вкладыш подшипника скольжения выполнен из графитофторопласта. Двухзаходная канавка выполнена с прямоугольным поперечным сечением [14].
Рисунок 1.6 - Подшипник скольжения:
1 - гильза; 2 - вкладыш; 3 - винтовая канавка
Известен подшипник скольжения цилиндрической формы, содержащий силовой корпус, выполненный, например, из стеклопластика, антифрикционный слой и упорный буртик. Упорный буртик приклеен к силовому корпусу и выполнен перпендикулярно продольной оси подшипника. Антифрикционный слой соединен с силовым корпусом через демпфирующий слой, выполненный, например, из клеевой пленки ВК-3. Упорный буртик находится с двух сторон по торцам силового корпуса. Упорный буртик выполнен из плоской плиты, изготовленной из углепластика или углестеклопластика. Технический результат: увеличение осевой прочности подшипника, исключение расслоений между антифрикционным и силовым слоями, что увеличивает срок службы и повышает надежность эксплуатации изделий.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежом, где изображен один из вариантов выполнения подшипника скольжения.
Подшипник скольжения содержит силовой корпус, который с одного торца снабжен упорным буртиком, приклеенным к корпусу перпендикулярно продольной оси подшипника. С внутренней стороны корпуса расположен антифрикционный слой, соединенный с корпусом через демпфирующий слой, например, из клеевой пленки ВК-3.
Антифрикционный слой выполнен из углепластика, содержащего углеродную ленту ЛУ-П 0,2, пропитанную фенольноформальдегидным связующим ФФЭ-70.
Упорный буртик может быть установлен с двух сторон по торцам силового корпуса, при этом буртик, например, выполнен в виде кольца, приклеенного к силовому корпусу.
Упорный буртик может быть изготовлен в виде кольца из плоской углепластиковой плиты или комбинированного материала, например из углестеклопластика.
Для выполнения условий самосмазывания антифрикционного слоя и снижения коэффициента трения по контртелу может быть применена вакуумная пропитка подшипника скольжения индустриальным маслом.
Подшипник надевается внутренним диаметром на вращающуюся ось с минимальным зазором, а силовой корпус подшипника с приклеенным буртиком устанавливается в силовой корпус механизма, в котором монтируется подшипник.
При вращении оси ее цилиндрическая поверхность взаимодействует с внутренней поверхностью антифрикционного слоя, на угольных волокнах которого под давлением оси образуется «раздавленный» слой углерода, что и обеспечивает минимальный коэффициент трения оси в подшипнике (рис. 1.7). Этому способствует и предварительная пропитка подшипника индустриальным маслом, которое, вытекая из микропор, способствует дополнительному снижению коэффициента трения [15].
Рисунок 1.7- Подшипник скольжения:
1 - антифрикционный слой; 2 - демпфирующий слой; 3 - силовой корпус; 4 - упорный буртик.
Металлофторопластовый (МФ) ленточный материал состоит из стальной основы, спеченного слоя пористой бронзы (0,3 мм), заполненного фторопластом с наполнителем (дисульфидом молибдена), и поверхностного слоя такого же состава. Подшипники, изготовляемые из МФ ленты, обладают уникальным комплексом триботехнических свойств. МФ материал первоначально разрабатывался для подшипников, работающих без смазки на воздухе, в вакууме и других газовых средах при температурах от 200 до 300°С в широком диапазоне нагрузок. Их можно применять в устройствах, при эксплуатации которых внешняя среда и температура изменяются весьма сильно. Это, в частности, предопределило широкое применение МФ подшипников в авиации.
Для изготовления антифрикционных узлов различного назначения широко применяется политетрафторэтилен (ПТФЭ), или фторопласт-4. Однако его использование в чистом виде ограничено из-за низких механических характеристик, теплопроводности, износостойкости. Эффективным способом устранения перечисленных недостатков является введение ПТФЭ в пористый металлический каркас, который обеспечивает высокую механическую прочность, жесткость и теплопроводность полученного композиционного материала. ПТФЭ, в свою очередь, придает материалу высокие антифрикционные свойства и позволяет работать без смазки [16].
Выводы:
На основании анализа литературных данных, нами было установлено:
1. анализ существующих материалов и технологий изготовления и восстановления подшипников скольжения позволяет остановить свой выбор на технологии изготовления биметаллического подшипника скольжения взамен подшипника из цельной бронзы;
2. одним из путей повышения качества детали, а соответственно и повышения износостойкости, является внедрение в производство технологии изготовления биметаллических подшипников скольжения с использованием порошков на основе бронзы способом газопламенного напыления;
3. анализ технологий подготовки поверхности под газопламенное напыление порошковых материалов позволяет установить, что существующие способы подготовки поверхности не обеспечивают необходимой прочности сцепления напыленного металла с основным металлом. Применение многих из них ограничивается, прежде всего, из-за снижения усталостной прочности.
4. применение предварительной механической обработки перед нанесением покрытий газопламенным напылением и наплавкой позволяет повысить прочность сцепления покрытий с основой;
