Компании в категории: Авто, спецтехника (28)

Условия работы автомобильных узлов и деталей

В подходе к проектированию сварных деталей грузовых и легковых автомобилей много общего. Отличием является то, что детали грузового автомобиля работают в более тяжелых условиях. Рассмотрим проектирование деталей грузовых автомобилей.

Масса сварных конструкций для различных типов грузовых автомобилей колеблется в пределах 19,6-24,5% общей массы грузового автомобиля.

Производство автомобилей является массовым. Конструктивные элементы сварных соединений и используемые материалы должны обеспечивать возможность применения самых прогрессивных технологических процессов, обеспечивающих минимальные затраты живого труда и материалов при максимальном выпуске. Назначение и условия работы сварных деталей и узлов автомобиля определяется тем, к какой части автомобиля они относятся: шасси - карданные валы, мосты, рулевое управление, тяги; двигателю - клапана, венец маховика, картер; тормозной системе - воздушный баллон, тормозные колодки; топливной системе - топливный бак, глушитель; несущей системе - рама.

Вместе с тем, для деталей и узлов автомобиля решающее значение имеет степень ответственности детали. Различают три степени ответственности, при которых поломка детали вызывает аварию автомобиля, остановку всей машины, замену детали новой в процессе эксплуатации без остановки всей машины.

Выход из строя карданного вала, вала руля, концевых цапф картера, тормозного фланца картера, реактивных рычагов или реактивных штанг - связано с аварией автомобиля. Разрушение отдельных элементов рамы автомобиля, топливного бака, воздушного баллона - вызывает остановку всей машины. Разрушение отдельных элементов кабины, бампера, решетки фар - не вызывает остановки машины.

Степень ответственности детали предопределяет обычно выбор технологического процесса и особенно степени его надежности.

Карданная передача связывает механизмы автомобиля, валы которых, передающие крутящий момент от двигателя к ведущему мосту, расположены под некоторым углом один к другому, изменяющимся при движении автомобиля. Карданная передача состоит из карданов-шарниров и карданных валов.

В грузовых автомобилях применяют жесткие карданы, характеризующиеся неравенством угловых скоростей ведомого и ведущего вала. При этом на карданный вал воздействует знакопеременный крутящий момент, частота колебаний которого примерно в 2 раза больше числа оборотов карданного вала, а амплитуда зависит от угла его наклона. Это может привести к нежелательным крутильным колебаниям.

Для увеличения крутильной жесткости карданного вала, без увеличения его массы, вал кардана изготовляют из сварной трубы.

Вследствие неуравновешенности карданный вал при вращении изгибается. Для увеличения устойчивости вала и уменьшения напряжения изгиба карданные валы проходят динамическую балансировку. Дисбаланс для грузовых автомобилей выдерживают в пределах 50-100 гс^.см и устраняют путем приварки пластинок на концах трубы вала.

Ведущий мост предназначен для передачи крутящего момента от карданного вала к ведущим колесам автомобиля, а также для восприятия вертикальных усилий (от массы автомобиля с грузом), продольных (толкающих или тормозных), поперечных (при заносе). Вертикальные усилия передаются через гибкие элементы подвески-рессоры.

При передаче к ведущему мосту крутящего момента на опорах его ведущего вала возникают реактивные усилия, создающие реактивный момент, стремящийся повернуть мост вокруг поперечной оси в направлении, противоположном вращению колес. Ведущий мост удерживается от поворотов реактивным или тормозным моментом при помощи специальных штанг, карданной трубы или рессор.

Механизмы ходовой части автомобиля (рама, оси, колеса) при движении автомобиля по неровной дороге подвергаются действию ударной нагрузки. Эта нагрузка учитывается динамическим коэффициентом, показывающим отношение динамической нагрузки к статической.

Динамический коэффициент R_дин зависит от скорости движения автомобиля, высоты единичной неровности и др. Обычно для грузовых автомобилей принимают R_днн = 2,5. Коэффициент динамичности вертикальных сил, действующих на задние мосты, для большинства грузовых автомобилей при скорости движения 20-60 км/ч принимают для различных дорог в пределах 1,2-2,8.

Рама автомобиля испытывает статические нагрузки от массы двигателя с коробкой передач, кабины с водителем, платформы с грузом и др., и динамические - в основном вертикальные при движении автомобиля по неровной дороге, или горизонтальные при разгоне, торможении или движении на повороте.

Продольные балки рамы - лонжероны представляют собой штампованный швеллер. Поперечные балки - поперечины применяют открытого или закрытого профиля, они служат для крепления радиатора, двигателя, кабины. Нагрузки, симметрично распределенные по лонжеронам, вызывают изгиб рамы. Кососимметричные нагрузки при движении по неровной дороге вызывают закручивание рамы. В последнем случае наиболее нагруженными являются поперечины рамы.

Сечение лонжеронов выбирают из расчета на изгиб статическими нагрузками. Эпюры моментов, построенных для лонжеронов рам грузовых автомобилей, обычно имеют две характерные точки: за кабиной у переднего конца платформы, где определяется максимальный положительный момент, и у заднего кронштейна задней рессоры, где достигается максимальный отрицательный момент. Размеры сечений лонжеронов должны также обеспечивать прочность на кручение. Как известно, тонкостенные стержни открытого профиля, которыми являются лонжероны и поперечины рам, плохо противостоят скручивающим нагрузкам.

При закручивании таких стержней напряжения распределяются весьма неравномерно по сечению. Особенно неблагоприятно распределение напряжений в местах соединения лонжеронов с поперечинами. Основной причиной выхода рамы из строя являются усталостные разрушения лонжеронов и поперечин в местах наибольшей концентрации напряжений, а именно, в местах крепления поперечин к лонжерону, при этом разрушения обычно начинаются от отверстий под заклепками. Этим объясняется стремление к созданию сварных конструкций рам, обладающих большей усталостной прочностью.

Угол закручивания рамы зависит от ее жесткости. С увеличением жесткости рамы угол закручивания снижается и снижается величина деформации, но растут напряжения. Понизить напряжения в местах крепления поперечин можно уменьшением жесткости узлов рамы, например, путем крепления поперечин не к полкам, а к стенкам лонжеронов. Однако снижение жeсткости возможно только в определенных, установленных практикой пределах, так как в противном случае резко возрастают нагрузки на платформу и кабину.

Как показали испытания клепаных и сварных рам на автомобильных заводах, жесткость в процессе эксплуатации не остается постоянной. После пробега 10-20 тыс. км. жесткость клепаной рамы снижается до 0,6-0,7 от первоначального значения. На сварных рамах жесткость также несколько снижается, главным образом потому, что прижатые после контактной сварки поверхности частично расходятся, снижая сопротивление трению. Однако в сварных рамах жесткость снижается незначительно - в пределах 5-15%. Поэтому при проектировании сварной рамы ее жесткость можно принимать на 25-30% ниже рассчитанной для клепаной рамы.

Кабина не является несущей конструкцией. Корпус кабины состоит из основания, передней стенки - щита мотора и ветрового проема, задней стенки - панели задка и крыши.

Кабину автомобиля ЗИЛ-130 крепят к раме в четырех точках. На кабину действуют силы, вызывающие изгиб от статической и динамической симметричной вертикальной нагрузки, - масса пассажиров и оборудования; кручение - от раскачивания массы кабины и от перекосов рамы в различных дорожных условиях; вибрации - от колебания подвески с частотой 7-10 Гц. Наибольшая масса (50%) приходится примерно на середину кабины, ближе к задней стенке и распределена поперек кабины.

Почти вся основная нагрузка, вызывающая изгиб (масса водителя, пассажиров, сидения), передается через продольные несущие элементы, которые работают как балка на двух опорах. Поэтому поперечная жесткая система должна быть надежно связана с продольными несущими элементами для равномерного восприятия нагрузок.

Момент, возникающий от раскачивания кабины и груза, попеременно нагружает продольные элементы с одной стороны, увеличивая их изгиб и уменьшая изгиб с другой стороны. Нагрузка от перекоса рам на участках между креплениями кабины воспринимается передней и задней стенками, которые обычно выполняют достаточно жесткими.

Вибрационные знакопеременные нагрузки более всего проявляются в местах крепления кабины, навески дверей, крепления сидений. Значительные деформации в этих узлах могут привести к усталостным разрушениям или остаточным деформациям.

В последних моделях все больше применяют кабины, расположенные над двигателем. Это позволяет значительно увеличить размеры платформы без увеличения общей длины автомобиля, а также улучшить обзорность.

Вместе с тем возможность доступа к двигателю обеспечивается наклоном кабины, что вызывает дополнительные сложности в изготовлении и предъявляет повышенные требования к жесткости кабины. Элементы кабин получают обычно методом штамповки. Для увеличения жесткости предусматривают различно направленные (в зависимости от положения деталей в кабине) выштамповки, а также отбортовки.

Выбор материалов на автомобильном заводе

При выборе низколегированной стали необходимо учитывать ее чувствительность к концентраторам напряжений и усталостную прочность сварного соединения этой стали.

Показано, что наилучшими свойствами обладает ниобиевая сталь типа 10Г2Б с содержанием 0,08-0,12 % С, 1,14-1,4% Мп; 0,3-0,5% Si, 0,035-0,045% Nb, 0,025-0,030% S, 0,015-0,03% Р. Сталь хорошо сваривается всеми способами сварки. Повышение твердости в околошовной зоне не превышает 4%, в то время, как для стали СтЗ - 7%, а для традиционных низколегированных сталей типа 15ХСНД-15-18%. В сварном соединении не наблюдается резко выраженных структур перегрева - видманштета или мартенсита. Зона перегрева представляет собой структуру бейнитного типа.

Ниобиевая сталь 10Г2Б при толщине 12 мм обладает высокими прочностными свойствами - σ_т > 40 кгс/мм² и σ_в > 54 кгс/мм², при удовлетворительной пластичности (δ₁₀>21%). При низких температурах до - 60 °С, несмотря на повышение прочностных свойств, она сохраняет высокие значения относительного удлинения б₅>36%; относительного сужения и ударной вязкости ψ>65%; a > 4 кгсм/см². Предел выносливости сварных соединений при испытании на изгиб и симметричном цикле нагружений на базе 5 - 10⁶ циклов для стали 10Г2Б имеет значение 12,5-14,0 кгс/мм², что примерно на 30-40% выше, чем для малочувствительной к концентраторам напряжений низкоуглеродистой стали СтЗ или равнопрочной низколегированной стали 15ХСНД. Высокие достоинства этой стали объясняются тем, что ниобий частично легирует твердый раствор и уменьшает действительное и аустенитное зерно стали.

Картеры мостов рациональнее изготовлять из низколегированных сталей 10Г2Б, 17ГС, 12Г2АФ вместо стали марки 40 или 35. После закалки т. в. ч. стали 10Г2Б, 17ГС, 12Г2АФ позволяют получить более высокие механические свойства, чем сталь 40 после объемной термообработки с закалкой в масло.

Вместе с тем низколегированные стали 10Г2Б, 17ГС, 12Г2АФ обладают хорошей свариваемостью. Вероятность возникновения горячих и холодных трещин при сварке этих сталей практически незначительна.

Применение легированной стали может быть оправдано только в случае, если требуемые свойства не могут быть получены термообработкой низколегированной стали. При выборе стали и процесса термообработки необходимо ориентироваться на процессы т. в. ч., так как оборудование для этих процессов хорошо встраивается в общую поточную или автоматическую линию.

Большинство элементов сварных конструкций автомобиля получают штамповкой. Поэтому при назначении металла сварной конструкции необходимо, в зависимости от изделия, учитывать хорошую штампуемость, т. е. возможность получения детали необходимой геометрической формы и размеров, без надрывов, гофр, трещин.

Для деталей, подвергающихся глубокой вытяжке (передок, половинки топливного бака), применяют тонколистовые стали марок 08кп, 08Ю по ГОСТ 9045-70. Эти марки прокатывают из кипящей стали, раскисленной кремнием, при содержании кремния не более 0,03%. Для этих сталей регламентируется зерно феррита № 6-9, так как при более крупном зерне обнаруживаются разрывы при глубокой вытяжке. При уменьшении зерна возрастают упругие свойства листа, что затрудняет придание постоянства форме. Углерод в этих сталях не превышает 0,08%.

Для глубокой вытяжки и облицовочных деталей листы для автомобильных заводов поставляют гладкими в дрессированном состоянии (прокатанные с малым обжатием).

При изготовлении некоторых узлов и деталей автомобиля необходимо предусматривать покрытие металла. При производстве топливных баков машин с бензиновыми двигателями широко применяют освинцованный лист с покрытием из сплава ПОС 12 по ТУ-909. Значительно экономичнее применять оцинкованный лист: стойкость освинцованного листа недостаточна высока, так как трудно достигается сплошность покрытия. Известно, что цинк обладает более высоким потенциалом, чем железо, т. е. в условиях атмосферной коррозии, когда образуется электрохимическая пара, корродирует цинк покрытия, предохраняя тем самым основной металл. Выносливость сварного соединения оцинкованной стали в коррозионных условиях оказывается выше выносливости сварного соединения низкоуглеродистой стали.

Оцинкованный металл широко применяют для изготовления пола кабины и брызговиков, деталей, особенно подверженных атмосферной коррозии. Детали автомобиля из оцинкованной стали служат в 2-2,5 раза больше, чем изготовленные из обычной стали. Этим объясняется все более растущий объем применения оцинкованной стали в автомобилестроении. Так, в автомобильной промышленности США за 10 лет (1955-1965 гг.) потребление оцинкованной стали возросло почти в 10 раз (с 80 до 750 тыс. т).

Наиболее благоприятны условия для сварки при использовании оцинкованного листа с односторонним покрытием. При этом осложняется процесс штамповки, так как можно перепутать покрытую и непокрытую стороны листа.

Хороших результатов достигают при сварке листов с электролитическим покрытием толщиной 5-8 мкм. Значительное удорожание электролитически покрытого цинкового листа ограничивает его применение.

Наиболее широко применяют горячеоцинкованный лист толщиной покрытия 20 ± 5 мкм, марки 08кп по ВТУ автомобильной промышленности.

Режимы и технология как шовной, так и точечной сварки оцинкованного листа, еще не достаточно хорошо отработаны. Как показывают исследования, проведенные на ЗИЛе, при точечной контактной сварке оцинкованного листа резко увеличивается сопротивление контакта электрод - деталь. Однако рекомендации в литературе увеличивать в связи с этим значения силы сварочного тока неправильны, так как ведут к резкому скачку тепла, выделяемого в контакте электрод - деталь, выплескам и некачественной сварке.

В начальный момент сварки, пока происходит плавление и выдавливание цинка, наблюдается неустановившийся режим сварки. Поэтому время сварки оцинкованного листа должно быть достаточным для получения стабильного режима сварки.

С увеличением толщины покрытия качество сварки стабилизируется при меньшей силе тока и большем времени сварки по сравнению со сваркой непокрытых листов. Давление на электродах следует несколько увеличивать. Стойкость электродов на мягких режимах снижается. Наилучшей стойкости достигают применением медно-циркониевых электродов типа МЦ-5А.

Наиболее эффективно осуществлять сварку оцинкованного листа на жестких режимах путем применения конденсаторной сварки. В этом случае покрытие практически не нарушается и сопротивление контакта электрод - деталь не меняется и не превышает сопротивления контакта деталь - деталь.

Широкое применение для наплавки клапанов получили жаропрочные стали. Наплавка должна осуществляться механизированными способами. Нанесение кобальтовых сплавов типа В3К дуговым или плазменным способом исключено, так как сплав обогащается железом из основного металла, что резко снижает его жаропрочность и антикоррозионные свойства. Поэтому наплавку кобальтового сплава осуществляют малопроизводительным процессом - ацетиленовой горелкой. Кобальтовые сплавы имеют высокую холодную твердость HRC 40-45 при высокой вязкости, что крайне затрудняет обработку лезвийным инструментом на автомобильном заводе.

Высокими достоинствами обладает хромоникелевый сплав Х25Н40В6, разработанный в ИЭС им. Патона. Даже при содержании железа до 28% сплав сохраняет высокие жаропрочные свойства. Горячая твердость сплава Х25Н40В6 при 800 °С составляет HV 140-150 и несколько выше чем у сплава ВЗК, не содержащего железа. Сплав обладает высокой коррозионной стойкостью, которая оценивалась по потере массы, отнесенной к поверхности образца, при температуре 910 °С в среде окиси свинца и составила 17 г/(дм^2.ч). Кобальтовый сплав при таком же содержании железа имеет примерно в 2 раза меньшую стойкость, а при содержании железа 2-3% (обычном для этого сплава) коррозионная стойкость такая же, как у сплава Х25Н40В6.

Плазменная наплавка сплава Х25Н40В6 в виде металлокерамических колец - высокопроизводительный процесс, хорошо поддающийся автоматизации на автомобильном заводе. Холодная твердость сплава относительно невысокая - HRC 38-42, что позволяет обрабатывать клапаны после наплавки лезвийным инструментом. Клапаны, наплавленные сплавом Х25Н40В6, обеспечивают пробег около 200 тыс. км на грузовых автомобилях ЗИЛ-130.