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        車輛機(jī)械零件的磨損與預(yù)防策略研究

        2017-04-04 16:18:30
        時(shí)代農(nóng)機(jī) 2017年10期

        張 軍

        (江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院,江蘇 江陰 214005)

        車輛機(jī)械零件的磨損與預(yù)防策略研究

        張 軍

        (江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院,江蘇 江陰 214005)

        車輛機(jī)械零件的磨損對(duì)汽車的行車安全、使用壽命等有著重大的影響,文章從零件磨損的各種形式出發(fā),了解各種磨損形式產(chǎn)生原因,對(duì)其磨損機(jī)理進(jìn)行分析,結(jié)合車輛機(jī)械零件磨損的具體情況,進(jìn)行論證并采取合理的預(yù)防措施,以期能夠預(yù)防和減少零件的磨損。

        車輛機(jī)械零件;磨損;危害;預(yù)防策略

        車輛的機(jī)械零件是車輛行駛安全和使用壽命的重要保障,通常而言,車輛機(jī)械零件失靈主要是機(jī)械零件磨損、變形、腐蝕、疲勞四類。其中,磨損是車輛的機(jī)械零件失靈的主要形式,據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì),機(jī)械零件失靈近80%是由磨損引起的。在車輛的所有部件中,發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸、活塞、閥門、傳動(dòng)軸、傳動(dòng)齒輪等在高溫高壓的環(huán)境下長(zhǎng)期工作,其表面磨損極其嚴(yán)重,從而導(dǎo)致車輛零件的失效,影響車輛的性能,為了確保車輛行駛安全和使用壽命,及時(shí)對(duì)車輛零部件進(jìn)行維修和保養(yǎng)是必不可少的工作。

        為更好地保障車輛行駛安全,延長(zhǎng)其使用壽命,同時(shí)減少車輛的日常維修成本,對(duì)車輛零部件的磨損預(yù)防就顯得極為重要。磨損,是兩個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的材料、物質(zhì)表面,在相互摩擦、作用的情況下,出現(xiàn)物質(zhì)和材料表面不斷損耗的現(xiàn)象,它是一種物理作用力的體現(xiàn)和表現(xiàn)形式。當(dāng)前,我們對(duì)磨損的區(qū)分和定義主要是基于磨損機(jī)理層面而言,通??梢苑譃橐韵铝N形式,即:粘著磨損、磨料磨損、疲勞磨損、腐蝕磨損、氣蝕和微動(dòng)磨損。

        1 粘著磨損

        粘著磨損又稱咬合磨損,它是指機(jī)械零件相互摩擦部位因高溫導(dǎo)致局部金屬發(fā)生粘著,而使運(yùn)動(dòng)的金屬摩擦表面發(fā)生位移,從而導(dǎo)致粘著處摩擦表面被破壞,產(chǎn)生機(jī)械磨損。當(dāng)零部件發(fā)生粘著磨損時(shí),會(huì)導(dǎo)致機(jī)械的摩擦表面潤(rùn)滑油層被破壞,影響零部件摩擦部位的散熱,有些甚至破壞零件摩擦表面,影響零件性能,釀造機(jī)械事故,因此,該磨損要予以特別的重視和關(guān)注。

        根據(jù)粘著點(diǎn)的破壞位置和強(qiáng)度不同,粘著磨損可分為五個(gè)形式:一是輕微磨損,這種磨損的粘著點(diǎn)和強(qiáng)度都較小,剪切發(fā)生在粘著點(diǎn)處,對(duì)機(jī)械零件造成的影響較?。欢峭磕?,這種磨損是由于兩個(gè)摩擦面的硬度存在差異,硬度小的摩擦面材料在發(fā)生接觸時(shí)粘著到了硬度大的摩擦面上,這種常見于渦輪蝸桿摩擦;三是擦傷,這是在摩擦兩面的切合粘著點(diǎn)處,由于摩擦面材料的強(qiáng)度低于剪切的強(qiáng)度,導(dǎo)致摩擦面產(chǎn)生諸如劃痕、擦傷等現(xiàn)象;四是膠合,這是擦傷導(dǎo)致局部摩擦面產(chǎn)生變形和融化現(xiàn)象,是擦傷的惡化體現(xiàn);五是咬死,這是最為嚴(yán)重的粘著磨損,因摩擦表面的膠合現(xiàn)象惡化,導(dǎo)致粘著面不斷擴(kuò)大,摩擦面損傷嚴(yán)重,導(dǎo)致零件無(wú)法工作,嚴(yán)重的甚至威脅機(jī)械的正常運(yùn)轉(zhuǎn),導(dǎo)致事故。

        粘著磨損對(duì)于汽車機(jī)械零件而言,容易在干摩擦、潤(rùn)滑不良和油膜破裂時(shí)發(fā)生,容易導(dǎo)致機(jī)械零件出現(xiàn)擦傷和膠合的現(xiàn)象,同時(shí),因不同的位置產(chǎn)生的影響也不盡相同,如活塞與氣缸裝配或使用不當(dāng)就容易導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)拉缸。因此,為減少和避免這一摩擦現(xiàn)象,關(guān)鍵在于選擇合適的材料和潤(rùn)滑物質(zhì)。

        (1)確保兩個(gè)摩擦表面存在易剪切薄膜,如油膜、邊界膜和固體潤(rùn)滑劑膜,這些剪切薄膜的存在能夠讓車輛機(jī)械零件之間摩擦更為順暢,更為柔性,減輕兩個(gè)摩擦面間的剛性接觸,使得機(jī)械零件的磨損更小。油膜是潤(rùn)滑油在摩擦表面作用下形成的保護(hù)措施之一,以車輛后橋的主減速器為例,采用雙曲線齒輪油能夠使其準(zhǔn)雙曲線齒輪的摩擦壓力得到有效的釋放和緩解,及時(shí)更換潤(rùn)滑油能夠確保這一零件的長(zhǎng)期使用;同樣,固體潤(rùn)滑劑膜與邊界膜也是如此,主要是起到減小摩擦面摩擦,降低磨損的作用,給機(jī)械零部件相互磨損增加了一個(gè)緩沖劑。需要注意的是,形成的易剪切薄膜需要定時(shí)的檢查,及時(shí)更換。

        (2)選擇合適的摩擦副配對(duì)材料。通常而言,合適的摩擦副配對(duì)材料是不易發(fā)生粘著磨損的,因此互溶性小的材料因其粘著傾向較小,故配對(duì)較為合適;當(dāng)然還可以采取另一思路,在兩種摩擦表面材料中,其中一種選擇表層較弱的金屬,這樣即使發(fā)生粘著磨損,其磨損也是極其有限的。因此,在實(shí)際的運(yùn)用中,可以根據(jù)相關(guān)的車輛零部件需求,靈活使用。

        (3)通過(guò)電鍍、表面處理技術(shù)對(duì)零件表面進(jìn)行保護(hù)層處理,這樣可以減小摩擦面的材料互溶性,能夠較為有效地防止粘著磨損現(xiàn)象發(fā)生。

        2 磨料磨損

        磨料磨損較為復(fù)雜,它是摩擦面表面與硬質(zhì)顆粒或凸出物相互作用而導(dǎo)致材料表面損失的現(xiàn)象,這些硬質(zhì)顆粒或凸出物就是磨料的體現(xiàn),因此磨料磨損很大程度上與磨料的性質(zhì)、形狀、尺寸、位置、固定程度、負(fù)荷強(qiáng)度、被磨材料表面屬性甚至外部環(huán)境都存在一定的關(guān)聯(lián)。

        當(dāng)前,關(guān)于磨料磨損的機(jī)理假說(shuō),有以下四種:一是以微量切削為主的假說(shuō),它認(rèn)為,磨損是從材料表面微量的切屑引起和造成的,這一假說(shuō)認(rèn)為,機(jī)械零件在摩擦?xí)r,會(huì)發(fā)生兩個(gè)過(guò)程,即材料摩擦擠壓,形成擦痕;擦痕在摩擦過(guò)程中變成切削材料,從而產(chǎn)生磨屑,最終形成磨料磨損。二是以疲勞破壞為主的假說(shuō),這一觀點(diǎn)認(rèn)為,摩擦面在與剪切面磨料進(jìn)行摩擦?xí)r,摩擦面會(huì)經(jīng)多次塑性變形,從而會(huì)導(dǎo)致磨料疲勞磨損,相應(yīng)的顆粒物質(zhì)從其表層脫落,這一觀點(diǎn)也提出并認(rèn)可存在磨料直接切下摩擦材料這一情形的存在。三是以壓痕為主的假說(shuō),該假說(shuō)在塑性較大的零件中體現(xiàn)較為明顯,該觀點(diǎn)認(rèn)為,磨料通過(guò)壓力將摩擦材料表面壓入剪切點(diǎn),這容易使材料表面形成溝槽,也使材料產(chǎn)生較為嚴(yán)重的擠壓變形,相應(yīng)的,壓痕溝槽的兩側(cè)就被完全破壞,導(dǎo)致磨料磨損。四是認(rèn)為斷裂是導(dǎo)致磨料磨損的主要作用力,這一觀點(diǎn)針對(duì)的就是脆性易斷裂材料,與壓痕假說(shuō)的觀點(diǎn)一致,在材料與磨料摩擦超過(guò)一定強(qiáng)度時(shí),對(duì)于脆性材料而言很容易形成裂紋甚至斷裂,在壓力的作用下,都會(huì)使材料產(chǎn)生微粒脫落,形成磨屑。

        對(duì)于車輛零件而言,磨料磨損危害較大,零件因此受損嚴(yán)重,磨料在車輛的零件中,來(lái)源多樣。以發(fā)動(dòng)機(jī)為例,空氣中的塵埃沙礫、燃油中的雜質(zhì)、油底殼的鐵屑等等,都能通過(guò)各種不同的途徑進(jìn)入到發(fā)動(dòng)機(jī)中成為磨料,這些磨料會(huì)破壞潤(rùn)滑油的油膜,損壞零件表面,使零件的磨損更加嚴(yán)重,嚴(yán)重的可能會(huì)引起零件卡滯,影響發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命,加劇氣缸等主要部件的磨損程度,從而影響車輛的安全,增加維修成本。

        針對(duì)磨料磨損,現(xiàn)階段的重要做法還是采取各種方式阻止或減少磨料進(jìn)入車輛零件中。具體的做法有:首先,在車輛零件裝配時(shí),要注意保持零件的干凈整潔;其次在日常的使用和保養(yǎng)中,要及時(shí)對(duì)濾清設(shè)備進(jìn)行清潔和更換,對(duì)各個(gè)接口和結(jié)合面進(jìn)行檢查,看是否松動(dòng)和損壞;第三,在車輛維修保養(yǎng)時(shí),避免揚(yáng)塵、空氣環(huán)境較差的地方,盡量選擇清潔的地方;最后,通過(guò)諸如鍍鉻、激光淬火等各種方式增加零件表面硬度,提高零件的耐磨性。

        3 疲勞磨損

        疲勞磨損是指摩擦表面部件的相對(duì)運(yùn)動(dòng),因?yàn)榻佑|應(yīng)力的作用,摩擦表面材料的疲勞損傷是由顆粒剝落和凹陷現(xiàn)象引起的。疲勞磨損的主要原因還是循環(huán)接觸應(yīng)力的作用,這一作用力周而復(fù)始,持續(xù)不斷,這就使摩擦副工作表面會(huì)形成裂紋,隨著裂紋的不斷擴(kuò)大,就會(huì)引起材料剝落,因此,疲勞磨損的程度取決于接觸運(yùn)動(dòng)的形式和強(qiáng)度;疲勞磨損主要會(huì)經(jīng)歷兩個(gè)過(guò)程,一是疲勞裂紋的產(chǎn)生,二是裂紋的擴(kuò)大直至表層微粒的脫落。

        汽車機(jī)械零件的疲勞磨損相對(duì)較小,多集中于傳動(dòng)、滾動(dòng)零件上,如傳動(dòng)齒輪副嚙合面、滾動(dòng)軸承中的滾珠等零件。疲勞磨損在零件上的表現(xiàn)形式是磨損表面出現(xiàn)裂紋和腐蝕點(diǎn),麻點(diǎn)和顆粒凹坑增多,嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生表層脫落,對(duì)于汽車機(jī)械零件而言,一旦出現(xiàn)疲勞磨損現(xiàn)象,零件的振動(dòng)和噪聲會(huì)加大,摩擦加劇,使零件失去工作能力,影響到汽車的安全和壽命。

        針對(duì)汽車零件的疲勞磨損,可以采取以下方式來(lái)避免和預(yù)防:一是提升零件表層材料的質(zhì)量,減少材料中的各類雜質(zhì),提升材料的純潔度,這主要是由于大部分的雜質(zhì)既硬且脆,沒(méi)有規(guī)律,容易在應(yīng)力作用下形成裂紋;二是提升零件表層的品質(zhì),這主要體現(xiàn)在零件表面的粗糙度上,零件表面越精密,無(wú)糙點(diǎn),其抗疲勞能力越強(qiáng),因此,通過(guò)真空冶煉等方式生產(chǎn),減少零件表面的擦痕、雜物、凹凸坑等易導(dǎo)致零件磨損的情形出現(xiàn),使材料表面更加光潔明亮;三是改進(jìn)材料表層工藝,通過(guò)噴丸、激光表面沖擊等方式,使零件的表面獲得殘余壓應(yīng)力,提升零件的疲勞磨損能力。

        4 腐蝕磨損

        腐蝕磨損與其他磨損有一定的區(qū)別,它是腐蝕與摩擦共同作用的結(jié)果,它指的是腐蝕性氣體和液體環(huán)境的部分,由于摩擦的相對(duì)運(yùn)動(dòng),與周圍介質(zhì)化學(xué)和電化學(xué)反應(yīng)的摩擦表面材料發(fā)生,并伴隨著機(jī)械作用和引起材料磨損現(xiàn)象。因此,腐蝕磨損的程度不僅僅基于摩擦的強(qiáng)度,也與所處的介質(zhì)環(huán)境有著密切的關(guān)系,在高溫或潮濕的環(huán)境中,其腐蝕磨損必然是更為嚴(yán)重的,因?yàn)楦g環(huán)境的化學(xué)反應(yīng)會(huì)加劇因機(jī)械摩擦帶來(lái)的物質(zhì)脫落情形。

        氧化磨損和特殊介質(zhì)腐蝕磨損是腐蝕磨損的常見形式。氧化磨損較為常見,也是一種較為緩慢的磨損形式,它是零件在摩擦過(guò)程中,金屬與周圍環(huán)境中的氧分子發(fā)生反應(yīng),形成新的金屬氧化物,而這些金屬氧化物又在摩擦過(guò)程中,除了脫落外,還會(huì)進(jìn)一步向零件內(nèi)部進(jìn)行氧化,最終使零件表層形成一層氧化物,而這些氧化物在摩擦力的作用下,分離脫落,形成氧化磨損。相對(duì)于氧化磨損,特殊介質(zhì)腐蝕磨損較為少見,但是其作用劇烈,危害極大,通常而言,摩擦表面的金屬材料與特殊腐蝕介質(zhì)(酸、堿、鹽等)發(fā)生化學(xué)反應(yīng),形成腐蝕物,導(dǎo)致摩擦表面材料不斷腐蝕磨損,其基本原理與氧化磨損一致,所不同的是,特殊介質(zhì)的化學(xué)和電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生了腐蝕產(chǎn)物,對(duì)零件帶來(lái)較大的危害。

        對(duì)于汽車機(jī)械的零件而言,氣缸的低溫腐蝕磨損是較為常見和典型的一種腐蝕磨損形式,這是因?yàn)闅飧子邢鄳?yīng)的腐蝕介質(zhì)和環(huán)境。氣缸因?yàn)槿加腿紵年P(guān)系,存在著大量的碳、硫等氧化物,包括水蒸氣和有機(jī)酸等腐蝕性物質(zhì),會(huì)與氣缸壁發(fā)生化學(xué)反應(yīng),當(dāng)其氣溫低于60℃時(shí),水蒸氣變成水依附在汽缸壁上,就能夠較為容易的形成腐蝕介質(zhì),形成腐蝕磨損,破壞氣缸,使其磨損速度大大加快。

        預(yù)防和減輕汽車機(jī)械零件的腐蝕磨損,首先需要養(yǎng)成良好的用車習(xí)慣,減少車輛啟動(dòng)頻率,平穩(wěn)行駛,不突然加減速,避免發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間在低溫下運(yùn)行工作,這樣能夠減少腐蝕介質(zhì)的產(chǎn)生,就能較好地避免和減少腐蝕磨損;其次,對(duì)易受腐蝕威脅的零件進(jìn)行表面改進(jìn)處理,通過(guò)鍍鉻、錫等防腐蝕保護(hù)層,加強(qiáng)對(duì)材料的表層防腐處理,減緩零件的腐蝕磨損。

        5 氣蝕與微動(dòng)磨損

        氣蝕與微動(dòng)磨損都與腐蝕磨損有一定的關(guān)聯(lián),只是兩者的表現(xiàn)形式略有區(qū)別而已。氣蝕并不是在空氣中產(chǎn)生,而是在液體環(huán)境中產(chǎn)生的氣泡導(dǎo)致的磨損;微動(dòng)磨損則是在零部件輕微摩擦磨損下,兩個(gè)摩擦面因介質(zhì)環(huán)境而產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng),進(jìn)而形成腐蝕磨損,但因其在微動(dòng)磨損環(huán)境下,故稱為微動(dòng)磨損。

        氣蝕與微動(dòng)磨損均在機(jī)械運(yùn)動(dòng)磨損產(chǎn)生之后,因氣泡和氧化物質(zhì)的存在,使其表現(xiàn)形式有所不同。氣蝕是在液體環(huán)境中,因壓力的變化導(dǎo)致溶于水中的氣體變成氣泡被釋放出來(lái),而在氣體釋放的瞬間,會(huì)產(chǎn)生一定的沖擊力,這樣的作用力長(zhǎng)期積累下來(lái),就會(huì)使材料表層形成腐蝕穴,最終導(dǎo)致材料被腐蝕磨損。在汽車零件中,氣蝕也多見于氣缸中,而且其對(duì)氣缸造成的影響會(huì)遠(yuǎn)大于腐蝕磨損,因此,除了防止和減少氣泡形成外,還需要讓形成的氣泡盡可能遠(yuǎn)離零件表面的地方破裂,這就可以通過(guò)增加氣缸的剛度,降低其振動(dòng)幅度,增加水套的寬度,消除管路中的水滯留,使氣泡能及時(shí)排出汽車零件中。

        微動(dòng)磨損主要存在于零件的連接處和零件的相互關(guān)聯(lián)處,雖其絕對(duì)損耗小,但微動(dòng)磨損的損傷也很大:零件的擬合精度降低,零件松動(dòng),嚴(yán)重的會(huì)引起應(yīng)力集中,降低零件疲勞強(qiáng)度,從而引起零件疲勞斷裂。因此,對(duì)其預(yù)防主要還是需要降低零件的振動(dòng),對(duì)配合緊的零件,需有足夠的預(yù)緊力;同時(shí),在零件配合表層涂覆潤(rùn)滑劑,減輕摩擦表層的氧化作用,從而減緩零件的微動(dòng)磨損。

        6 結(jié)語(yǔ)

        車輛機(jī)械零件的磨損對(duì)車輛的行駛安全存在著較大的危害,對(duì)車輛的使用壽命也有極大的影響,在磨損發(fā)生時(shí)也容易增加車輛的維修成本,為更好地避免和減少以上情形的發(fā)生,在車輛磨損上要提前預(yù)防,有的放矢,綜合考慮各方面因素,采取合理的方式方法預(yù)防和減少車輛機(jī)械零件磨損,從而提升車輛的性能,推動(dòng)我國(guó)車輛產(chǎn)業(yè)制造技術(shù)的提升,促進(jìn)我國(guó)車輛產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

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        張軍(1974-),男,江蘇贛榆人,講師,主要研究方向:車輛電氣電子與自動(dòng)化技術(shù)。

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