В процессе эксплуатации под воздействием совокупности дорожных, транспортных и климатических условий происходят изменения состояния деталей и агрегатов: накопление усталостных повреждений, поломки, изнашивание.

Среди основных факторов, вызывающих повреждения деталей автомобиля, выделяют следующие: кратковременные динамические нагрузки, вызывающие в деталях повышенные напряжения; длительные, циклически изменяющиеся нагрузки, создающие накопление в материале деталей усталостных повреждений; трение контактирующих поверхностей, обусловливающее их изнашивание; температурные и химические воздействия активных сред, вызывающие коррозию и старение материалов.

Обычно работоспособность деталей зависит от всех перечисленных факторов, однако некоторые из них в зависимости от типа деталей являются определяющими. Так, например, для деталей, у которых определяющими факторами являются циклически изменяющиеся напряжения в различных сечениях или напряжения при перегрузках, основными видами повреждений являются поломки по опасному сечению и остаточные деформации. Эти виды повреждения наблюдаются у полуосей, металлических упругих элементов подвески, зубьев шестерен, некоторых корпусных деталей.

Для деталей, у которых определяющими факторами являются напряжения на активной поверхности, основными видами повреждений являются: выкрашивание (питтинг), отслаивание, смятие, бринеллирование (следы вдавливания), фретинг. Выкрашивание и отслаивание характерны для беговых дорожек и тел качения подшипников, активных поверхностей зубьев шестерен. Смятие характерно для боковых поверхностей шлицевых соединений и зубчатых муфт. Наблюдается также на зубьях шестерен и на некоторых других деталях в случае недостаточно упрочненного поверхностного слоя. Бринеллирование является характерным видом повреждения поверхности шипов крестовин и внутренней поверхности стаканчиков карданных подшипников (следы вдавливания иголок подшипника с признаками перекоса этих иголок).

Фретинг — повреждение, при котором на некотором участке поверхности детали появляются мелкие чрезвычайно густо расположенные углубления. При разборке соединения эти углубления заполнены порошкообразными продуктами изнашивания, зачастую окисленными. Фретинг является характерным видом повреждения деталей, имеющих неподвижные соединения, в которых наблюдаются касательные микроперемещения, обусловленные, например, несовпадением упругих характеристик элементов соединения. К характерным деталям, подверженным фретингу, относятся: соединения шипов крестовины дифференциала с корпусом, неподвижные шлицевые соединения, гнезда под подшипники и др.

Для деталей, у которых определяющим фактором является трение контактирующих поверхностей, основными видами повреждения являются заедание и износ. Заедание на поверхностях трения наблюдается в тех случаях, когда используется не соответствующий условиям работы смазочный материал.

Износ является повреждением наиболее общим для большинства деталей автомобиля, так как процесс изнашивания всегда сопутствует относительным перемещениям деталей, поверхности которых находятся в контакте. Для тех сопряжений деталей, у которых трение не используется для выполнения рабочей функции данных деталей, силы трения и работу этих сил стремятся максимально уменьшить за счет обеспечения хорошего смазывания. Естественно, что и изнашивание в таких сопряжениях не является интенсивным. Интенсивность изнашивания стремятся ограничить настолько, чтобы не потребовалась замена детали до истечения планируемого срока службы агрегата (механизма). Имеется группа деталей, в сопряжении которых трение периодически используется как фактор, обеспечивающий выполнение механизмом определенной функции. В этом случае при контакте сопряженных поверхностей стремятся получить, возможно, большую силу трения. Соответственно оказывается велика работа трения и интенсивность изнашивания фрикционных элементов.

Агрессивные среды при повышенной температуре оказывают воздействие практически на любой из перечисленных видов повреждения деталей. При этом ухудшаются физические характеристики смазочных материалов и материалов деталей. Коррозия может создать условия для быстрого появления усталостных микротрещин.

Так как не всякое повреждение детали сразу приводит к ее отказу (выходу из строя), вводится понятие о предельной степени повреждения, или предельном состоянии детали. Предельным является такое состояние детали, по достижении которого дальнейшая ее работа или невозможна (например, поломка) или становится совершенно нецелесообразной, а часто и недопустимой, из-за существенного ухудшения показателей работы всего узла.

Характерные предельные состояния некоторых типовых деталей следующие:

1) для фрикционных накладок ведомых дисков сцепления — износ по толщине, при котором поверхность головок заклепок начинает совпадать с активной поверхностью накладок. Если накладка крепится с помощью клея, износ, при котором оказывается исчерпанным предел регулировки механизма, или износ, при котором прочность оставшегося слоя накладки достигла критического значения;

2) для зубчатых колес — поломка зубьев или трещины, повреждения, увеличивающие шум при работе передачи, такие как выкрашивание или смятие активной поверхности зубьев;


3) для зубчатых муфт — износ зубцов по толщине и длине, приводящий к самовыключению муфты под нагрузкой;

4) для подшипников качения — износ беговых дорожек и тел качения, вызывающий появление осевого и радиального люфтов, превышающих допустимые; выкрашивание на поверхности беговых дорожек и тел качения; трещины обойм; поломки сепараторов;


5) для валов — остаточные деформации, поломка, предельный износ шеек под подшипники;

6) для корпусных деталей — трещины, предельный износ гнезд под подшипники до значений, ограничиваемых техническими условиями.
Размеры и характеристики деталей необходимо подбирать так, чтобы они в течение заданного срока не достигли предельного состояния по характерному для них виду повреждения.

В зависимости от характера воздействия повреждающих факторов на отдельные детали автомобиля или рабочие пары производятся расчеты: на прочность; усталость; износостойкость рабочих поверхностей; жесткость; устойчивость.

Расчет на прочность выполняется для предупреждения поломок или повреждения рабочих поверхностей (смятие, растрескивание) при однократном приложении наибольшей из возможных нагрузок.

Для расчета необходимо выявить максимальные нагрузки, обусловленные особо тяжелыми условиями эксплуатации. Так как нагрузка при этом имеет динамический характер, расчет на прочность иногда называют расчетом на динамическую прочность. При этом возникающие кратковременные напряжения не должны превышать предела прочности материала детали.
Прочность детали оценивается коэффициентом запаса прочности.


В зависимости от вида напряженного состояния детали расчет на прочность выполняется по напряжениям изгиба, кручения. Коэффициент запаса прочности в зависимости от степени достоверности определения максимальной динамической нагрузки принимают близким 1,3 для деталей, поломка которых не вызывает серьезных последствий, и не менее 3...5 — для деталей, поломка которых может вызвать аварию. В ряде случаев для деталей, повреждение которых не приводит к серьезным последствиям и не требует больших затрат на замену, используют достаточно малое значение коэффициента запаса прочности, близкое к единице. Основанием для этого является то обстоятельство, что при динамическом приложении нагрузки прочность детали оказывается несколько выше, чем при статическом приложении такой же нагрузки.

Поскольку расчет на динамическую прочность проводится без учета динамического характера приложения нагрузки, такой вид расчета часто называют расчетом на статическую прочность. В последующем этот вид расчета будем называть просто расчетом на прочность.

При эксплуатации узлы и детали автомобиля подвергаются воздействию переменных по значению, направлению и частоте нагрузок. Под действием этих нагрузок в материале деталей накапливаются усталостные повреждения. Расчет на усталость выполняется для предупреждения предельных повреждений, носящих усталостный характер. Для расчета с использованием положений теории вероятностей необходимы статистические данные о плотности распределения амплитуд переменных напряжений и числа циклов нагружения рассчитываемой детали в заданных условиях эксплуатации.

Иногда для отдельных деталей применяют условный расчет на усталость, при котором статистические характеристики нагрузочного режима отсутствуют. Такой вид расчета называется расчетом по номинальным напряжениям. При этом сравниваются напряжения, возникающие в детали под действием расчетной нагрузки, с напряжениями, рассчитанными при соответствующей нагрузке в деталях автомобилей-аналогов, которые хорошо зарекомендовали себя:

Расчет на усталость по заданным статистическим характеристикам нагрузочного режима основан на использовании экспериментально установленной степенной зависимости между уровнем циклически изменяющегося напряжения в детали и числом циклов нагружения до ее усталостного предельного состояния

Имеется несколько технических приемов выполнения расчетов на усталость. В наиболее общем виде диапазон изменения уровня длительно действующей нагрузки разбивается на несколько интервалов и для каждого интервала определяется мера накопляемого в детали усталостного повреждения, оцениваемая произведением.


Таким образом, задача расчета на усталость сводится к определению расчетного режима нагружения и коэффициента пробега. Последний может находиться на базе анализа статистического материала, получаемого при пробеговых испытаниях автомобилей. В последнее время значения находятся на основе расчетов режимов движения автомобилей.

Оценка сопротивления усталости детали выполняется по одному из следующих показателей: допускаемому напряжению, рассчитанному с учетом требуемого срока службы детали; пробегу автомобиля, обеспечиваемому выносливостью детали; коэффициенту запаса прочности.

Расчеты на износостойкость рабочих поверхностей проводятся условно. При этом определяется непосредственно не износ, а ряд косвенных показателей напряженности работы пары трения: а) условное давление на рабочей поверхности при действии расчетной нагрузки; б) удельная работа трения за один рабочий цикл пары трения; в) повышение температуры теплопроводного элемента пары трения за один рабочий цикл.

Для пар трения типа подшипников скольжения ограничиваются обычно расчетом по допустимому давлению. Для фрикционных пар трения в механизме сцепления и тормозных механизмов рассчитывают также удельную работу трения и повышение температуры за расчетный цикл.

Оценка износостойкости пары трения производится на основе сопоставления полученных показателей напряженности работы со средними статистическими значениями соответствующих показателей для пар трения, успешно работающих на действующих автомобилях-аналогах.

Расчет на жесткость характерен для деталей, деформации которых от нагрузки нарушают нормальные условия работы соседних деталей. Например, деформация валов вызывает перекосы в подшипниковых узлах и зубчатых зацеплениях, что сокращает срок их службы. Расчет на жесткость проводится с целью предотвращения деформаций, превышающих допускаемые.

Чаще всего в расчете на жесткость используется максимальная динамическая нагрузка. В ряде случаев расчет выполняется по наибольшей из длительно действующих нагрузок, т. е. по расчетной нагрузке. Типичными расчетами на жесткость являются: расчет прогибов валов; расчет девиации (поворотов) сечений; расчет углов закручивания относительно длинных валов.

Проверку на устойчивость выполняют для относительно длинных стержней, подверженных действию осевой сжимающей силы. Оценивающим показателем устойчивости является коэффициент запаса устойчивости

К расчетам на устойчивость может быть отнесен также расчет карданного вала на виброустойчивость, при котором определяется коэффициент запаса по критической частоте вращения.