Меню
Предыдущая     |         Содержание     |    следующая

Автомобильные двигатели

Расчет деталей с учетом переменных нагрузок

Ответственные детали двигателей обычно рассчитывают без учета неустановившихся режимов, характерных для эксплуатации транспортных двигателей.

Прочность отдельных деталей (поршневой группы, головок и гильз цилиндров, выпускных клапанов и др.) определяется не только напряжениями и деформациями, но и температурами, достигающими таких значений, при которых механические свойства материалов значительно снижаются и возникают дополнительные напряжения в результате неодинакового нагревания деталей по объему.

Напряженное состояние неполностью характеризуется расчетными напряжениями, определяемыми без учета деформаций, возникающих в деталях, сопряженных с рассчитываемыми, а также изменений размеров в условиях эксплуатации. Например, напряжения в элементах коленчатого вала подсчитывают без учета возможных смещений опор в картере при недостаточной его жесткости и увеличения зазоров в подшипниках вследствие износов; при расчете силовых шпилек не принимают во внимание деформации, возникающие в головке цилиндров и в прокладке газового стыка; при расчете шатунных болтов не учитываются деформации кривошипной головки шатуна и др.

Динамический характер приложения нагрузок в некоторых случаях также не может быть полностью учтен, как например, при расчете элементов шатуна в случае заедания поршня или при расчете элементов шатуна и коленчатого вала дизелей в момент сгорания при больших скоростях нарастания давлений и увеличения зазоров в эксплуатации. Вследствие этого расчетные напряжения и деформации большей частью являются условными, статистическими.

(соответственно для нормальных и касательных напряжений).

В этих условиях детали должны обладать выносливостью (циклической прочностью) и работать, не разрушаясь при переменных нагрузках.

Предел выносливости детали зависит от ряда факторов, из которых основными являются формы и размеры детали, тип цикла нагру-жения, вида напряженного состояния, состояния поверхности, технологии изготовления и др. При переходе от цилиндрического образца к детали, изготовленной из того же материала, вводят поправки на форму и размеры детали и шероховатость поверхности.

(переменная составляющая цикла). Амплитуда и среднее напряжение цикла соответственно равны алгебраической полуразности и полусумме:

для симметричного знакопеременного, асимметричного знакопеременного и однозначного пульсирующего циклов приведены в табл. 26.

Степень асимметрии цикла выражается коэффициентом асимметрии

J.

Отношение характерных напряжений переменного цикла может быть выражено через коэффициент асимметрии

i.

Максимальные нормальные и касательные напряжения цикла должны быть меньше соответствующих пределов текучести, т. е.

(ограничивающие условия), а амплитуды

|, соответствующих заданным асимметричным циклам.

Величина амплитуды при усталостных разрушениях имеет большее значение, чем максимальное напряжение.

Опыт эксплуатации автомобильных двигателей показывает, что большинство разрушений носит усталостный характер. Разрушения возникают в зонах концентраций напряжений, местах образования неоднородно-кристаллической структуры от внутренних дефектов в металле (раковин, волосовин) и от повреждений наружных поверхностей (рисок, забоев, коррозии).

При неоднородной структуре металла периодически повторяющиеся упругие деформации распределяются по объему детали неравномерно. При этом начальные разрушения появляются в первую очередь в микрообъемах, ослабленных местными дефектами или неблагоприятно ориентированных относительно действия нагрузки. С увеличением числа рабочих циклов зоной разрушения охватывается все больший объем, вплоть до внезапного разрушения. В результате наклепа изломы при усталостных разрушениях частично имеют притертую поверхность.

Усталостные разрушения могут возникнуть от переменных, ударных, контактных и термических нагрузок. Усталостная прочность деталей зависит от:

1) концентрации напряжений фактора формы;

2) абсолютных размеров деталей масштабного фактора;

3) шероховатости поверхности технологического фактора;

4) симметрии цикла;

5) типа напряженного состояния (изгиб, растяжениесжатие, кручение);

6) термической и химико-термической обработки и методов механического упрочнения поверхности.

Если детали имеют форму и размеры поперечных сечений, изменяющиеся по их длине (коленчатый вал, шатун, клапаны, силовые шпильки и др.), то в местах переходов, в галтелях, у краев отверстий и шпоночных канавок, в резьбе, зубьях шестерен, между ребрами, повышающими жесткость конструкции, и т. п. возникает концентрация напряжений, которая возрастает тем в большей степени, чем меньше пластичность металла и чем выше его статические характеристики прочности.

факторами формы, зависящими также от характера нагрузки, механических свойств металла и др.

так как пределы выносливости гладких образцов всегда больше, чем натурных деталей при наличии концентрации напряжений.

" .

приведены ниже при расчете отдельных деталей.

I диаметром 10 мм, изготовленных из того же металла, что и деталь, т. е.

В табл. 27 приведены значения масштабных факторов конструкционных сталей для нормальных и касательных напряжений.

" :

относятся к полированным поверхностям. Ухудшение качества обработки поверхности по сравнению с полированной поверхностью сопровождается уменьшением пределов выносливости.

Значения технологических факторов при различных видах обработки приведены в табл. 28.

. приближаются к нижним значениям.

, ввиду того, что в деталях, изготовленных из пластических материалов, при статических нагрузках концентрация напряжений не ведет к уменьшению предела прочности.

Для повышения усталостной прочности применяют различные технологические приемы, главными из которых являются:

1) упрочнения путем создания пластических деформаций с помощью накатывания роликом или шариком, дробеструйной обработки и др.; при этом в поверхностном слое создаются остаточные напряжения сжатия и устраняются субмикроскопические трещины;

2) закалки с индукционным нагревом ТВЧ, при которых появляются остаточные напряжения сжатия в закаленном поверхностном слое, вследствие чего достигается значительный упрочняющий эффект;

3) химико-термические обработки азотирование и цементирование, обеспечивающие значительное повышение усталостной прочности в результате возникновения в поверхностном слое остаточных напряжений сжатия при высокой твердости и износостойкости поверхности.

уменьшается.

Сумма координат этой точки равна максимальному рабочему напряжению цикла

Тангенс угла наклона прямой АВ

коэффициент приведения заданного асимметричного цикла к равно-опасному симметричному.

Для построения диаграмм предельных амплитуд для различного типа напряженного состояния ниже приведены примерные значения амплитуд пульсирующего цикла легированных сталей:

определяют на основании подобия рабочего и предельного циклов (см. подобные треугольники ODJ и OEG):

и произведя ряд преобразований, получим выражение для запаса прочности по выносливости:

С учетом фактора формы, масштабного и технологического факторов запас прочности соответственно для нормальных и касательных напряжений

приведены в табл. 29.

равны нулю.

В зависимости от асимметрии цикла разрушения могут происходить от усталостных изломов, носящих хрупкий характер, без предварительного образования пластических деформаций или после их образования. В первом случае прочность характеризуется пределами выносливости, а во втором сопротивлением пластическим деформациям, т. е. пределом текучести.

Запас прочности по текучести определится из выражения

Если учитывать влияние концентрации напряжений, размера детали и качества обработки поверхности, то выражения запасов прочности по текучести для нормальных и касательных напряжений будут иметь вид (270)

Расчетные исследования показали, что для некоторых асимметричных циклов запас прочности, отнесенный к пределу выносливости [см. выражения (267) и (268)], получается более высоким, чем запас прочности, отнесенный к пределу текучести, т. е. подсчитанный по уравнениям (269) и (270).

После ряда преобразований определяем тангенс угла циклона граничной прямой OF, разделяющей площадь диаграммы

ных амплитуд на области / и II, для нормальных и касательных напряжений:

У всех точек, соответствующих различным асимметричным циклам и расположенных в области /, отношения координат будут следующими:

а для области //:

В соответствии с этим для циклов, относящихся к области /, запасы прочности надо подсчитывать по формулам (267) и (268), т. е. по выносливости, а для циклов, относящихся к области 77 по формулам (269) (270), т. е. по текучести.

При сложном напряженном состоянии, когда в детали одновременно возникают нормальные и касательные напряжения, общий запас прочности ?г0 в соответствии с третьей теорией прочности подсчитывают, предварительно определив частные запасы прочности для нормальных па и касательных пх напряжений:

Реклама