Celem pracy była ocena wpływu warunków eksploatacji na stan techniczny elementów układu zawieszenia samochodów. Stopień uszkodzenia i zużycia układów zawieszenia monitorowano dla pięciu nowych fabrycznie samochodów dostawczych. Każdy z pojazdów eksploatowany uzyskał przebieg 100 tys. km, w zmiennych warunkach drogowych i środowiskowych. W tym czasie rejestrowano nieprawidłowości w układzie i zapisywano w bazie danych. Informacje te posłużyły do oszacowania wskaźników niezawodności układu zawieszenia.
Po zakończonych badaniach eksploatacyjnych zdemontowano układy zawieszenia z pojazdów i poddano obserwacjom makrograficznym. Wyniki tych obserwacji wykazały uszkodzenia mechaniczne wahaczy w postaci odkształceń plastycznych, które powstały najprawdopodobniej w wyniku najechania na nieoczekiwaną przeszkodę znajdującą się na drodze lub wysoki krawężnik. Obok uszkodzeń wahacza, zarejestrowano również uszkodzenia tulei metalowo-gumowej, szczególnie w części gumowej. W części metalowej tulei, zarówno na tulei wewnętrznej jak i zewnętrznej, zaobserwowano miejscowe odkształcenia plastyczne oraz wykruszenia materiału. Ponadto uwidoczniono ogniska korozyjne, obejmujące swoim zasięgiem cały obwód pierścienia. W części gumowej tulei widoczne były liczne pęknięcia o zróżnicowanej wielkości. Największe z nich zajmowały długość połowy obwodu tulei. Widoczne były również ślady naturalnego procesu starzenia się gumy.
Ponadto zaobserwowano zmiany profilu powierzchni belki w miejscu współpracy z drążkiem stabilizatora. Podobne uszkodzenia uwidoczniono na drążku stabilizatora. Obszar zużycia w miejscach uszkodzeń posiadał widoczne ogniska korozyjne.
W następnej kolejności przeprowadzono obserwacje mikrograficzne warstwy wierzchniej, węzła tribologicznego belka zawieszenia – drążek stabilizatora. Obrazy mikroskopowe potwierdziły obserwacje makroskopowe sugerujące, że głównym uszkodzeniem belki jest zjawisko korozji lub zużycie frettingowe. Obserwuje się charakterystyczne dla tych rodzajów uszkodzeń zjawiska, takie jak powstawanie pęknięć zmęczeniowych, wżerów korozyjnych, czy rys i narostów materiałowych. Analiza EDS składu chemicznego produktów zużycia wykazała obecność atomów: krzemu, chloru, żelaza i tlenu. Wynik taki świadczy o przedostawaniu się tlenu pomiędzy powierzchnie współpracujące prowadząc do utleniania powierzchni i inicjacji zjawiska korozji oraz obecności ziaren piasku lub środka uszorstniającego jezdnię oraz soli drogowej.
Badania mikrograficzne oraz pomiar twardości spoin łączących wytłoczki belki zawieszenia nie potwierdził występowania w złączu spawanym wad w postaci naderwań lub pęknięć zimnych. Mikrostruktura materiału rodzimego charakteryzuje się drobnoziarnistym, równoosiowym ziarnem ferrytu, co świadczy o prawidłowo przeprowadzonej obróbce cieplno-plastycznej.
Na podstawie uzyskanych wyników badań i obserwacji zaproponowano mechanizm rozwoju zużycia zmęczeniowego:
1) węzła tribologicznego belka zawieszenia – stabilizator,
2) resora piórowego,
3) sprężyny kolumny McPhersona.
Za każdym razem główną przyczyną inicjacji i rozwoju zużycia były ogniska korozyjne, wynikające z takich czynników środowiskowych, jak sól drogowa oraz wilgoć.
Praca zakończona została wnioskami wynikającymi z przeprowadzonych badań i obserwacji. Decydujący wpływ na stan techniczny układu zawieszenia w pojeździe mają warunki drogowe i środowiskowe oraz umiejętność kierowania pojazdem. Sugeruje się dobór odpowiednich procesów technologicznych, właściwości materiałowych lub powłok ochronnych lub zastosowanie niekonwencjonalnych materiałów inżynierskich w celu ograniczenia rozwoju uszkodzeń i zużycia w strefie łączenia elementów, szczególnie w miejscu łączenia belki z drążkiem stabilizatora.
The aim of the doctoral thesis was to assess the impact of operating conditions on the technical condition of the car suspension system components. The level of suspension system wear and damage was monitored in respect of five factory-new vans. Each of these vehicles had a mileage of 100 thousand kilometres, in variable road and environmental conditions. During this time, irregularities in the suspension system were recorded and saved in a database. This information was used to estimate the suspension system reliability indicators.
Following the completion of the operational tests, suspension systems were dismantled from the vehicles and subjected to macrographic observations. The results of these observations showed mechanical damage to the control arms in the form of plastic deformation, which was most likely caused by hitting an unexpected obstacle on the road or a high curb. In addition to damage to the control arm, damage to the control arm bushing was also recorded, especially in the rubber part. In the metal part of the bushing, both on the inner and outer bushing, local plastic deformations and chipping of the material were observed. In addition, corrosion centres were exposed, covering the entire circumference of the ring. Numerous cracks of various sizes were visible in the part of the rubber bushing. The largest of them were half the length of the bushing circumference. There were also visible traces of the natural aging process of the rubber.
Moreover, changes in the profile of the beam surface were observed at the point of cooperation with the stabilizer bar. Similar damage was visualized on the stabilizer bar. The wear area on the damaged surfaces had visible corrosion centres.
Next steps consisted of the micrographic observations of the surface layer, the tribological node, the suspension beam - the stabilizer bar. The microscopic images confirmed the macroscopic observations suggesting that the main damage to the beam is corrosion or fretting wear. The phenomena characteristic of these types of damage were observed, such as the formation of fatigue cracks, corrosion pits, as well as scratches and material build-ups. EDS analysis of the chemical composition of wear products revealed the presence of the following atoms: silicon, chlorine, iron and oxygen. This proves the oxygen penetration between the mating surfaces, leading to oxidation of the surface and initiation of the corrosion, as well as the presence of sand grains or the road roughening substances and/or road salt.
Micrographic tests and the measurement of the hardness of the welds connecting the suspension beam extrusions did not confirm the occurrence of defects in the welded joint in the form of cold tears or cracks. The microstructure of the parent material is characterized by fine-grained, equiaxed ferrite grain, which proves that the thermoplastic treatment was correctly performed.
Based on the results of tests and observations, the following mechanism of fatigue wear development was proposed:
1) the tribological node suspension beam - stabilizer,
2) a leaf spring,
3) McPherson strut springs.
The corrosion centres proved to be the main cause of the initiation and development of wear. They resulted from environmental factors such as road salt and/or moisture.
The thesis is concluded by presenting outcomes from the conducted research and observations. Road and environmental conditions as well as the driving skills have a decisive influence on the technical condition of a car suspension system. It is suggested to select appropriate technological processes, material properties or protective coatings, or to use unconventional engineering materials, in order to limit the development of damage and wear in the joining zone of elements, especially in the place where the beam is connected to the stabilizer bar.
