Чайнов Н.Д. - Конструирование двигателей внутреннего сгорания, страница 16

Приr < 0 цикл становится знакопеременным.При расчетах при переменныхнагрузках в качестве прочностной характеристики материалаиспользуют предел выносливостиs-1(t-1) при симметричном цикленагружения, определяемый экспериментально на гладких образцахна базе числа циклов нагружения N » (1 - 2)107 для сталей, N »» (0,1 - 1)108 для легких сплавов.Для сталей с sв »(400 - 1500) МПапредел выносливости при изгибеs-1 » (0,45 - 0,50)sв или более точно s-1 » (0,55 - 0,0001sв)sв; длястального литья и чугуна s-1 »» 0,45sв; для цветных металловзначение s-1 колеблется в болеешироких пределах – s-1 » (0,25 – 0,50)sв.

Для касательных напряжений ориентировочно t-1 »Рис. 2.14. Диаграмма предельных напряжений» 0,6s-1. Предел выносливостипри пульсирующем цикле s0 > s-1,но амплитуда sа0 < s-1. Постоянные растягивающие напряженияуменьшают предельную амплитуду, хотя smах цикла возрастает. Постоянные сжимающие напряжения повышают выносливость материала. По результатам испытаний на выносливость строят диаграммы предельных напряжений(рис.

2.14) или диаграммы предельных амплитуд напряжений(рис. 2.15).Полученные экспериментальнодиаграммы предельных напряжений и амплитуд напряжений схематизируют. Схематизированныедиаграммы строятся по значениямs-1, s0 и sв(t-1, t0, tв). При этом дляРис. 2.15. Диаграмма предельных амплитуд напряжений73отмеченного выше влияния sm напредельную амплитуду sа используются различные зависимости.Например, широко применяется научастке 0 < sm <0,5s0 (пунктирнаялиния на рис. 2.14, 2.15) линейнаязависимостьдела выносливости гладкого образца s-1:e мe пüs -1 ;ïksïýe мe п=t -1 , ïïþkts -1 д =t -1 дs a = s -1 - y s s m ; üý (2.140)t a = t -1 - y t t m , þ(2.141)где ks, kt – эффективные коэффициенты концентрации напряжений;eм – коэффициент влияния абсолютных размеров (масштабныйфактор); eп – коэффициент влияниясостояния поверхностного слоя.Наибольшие упругие напряжения smах, tmах в зоне концентратораопределяют как2s - 1 - s 02t - t 0–; y t = -1s0t0коэффициенты чувствительности касимметрии цикла.При расчетах в случае растягивающих средних напряжений часstто принимают y s » -1 ; y t » -1sвtв(штрихпунктирнаялиниянарис.

2.14, 2.15), что идет в запаспрочности. В табл. 2.2 приведенырекомендуемые значения ys и ytдля сталей в зависимости от предела прочности при нормальной температуре.При оценке коэффициента запаса прочности деталей двигателя, работающих при циклических нагрузках, необходимо учитывать концентрацию напряжений, реальные размеры деталей, состояние нагруженных поверхностей, технологическоеупрочнение последних, агрессивность окружающей среды, многочастотность нагружения (если таковое имеет место) и др.В результате предел выносливости детали s-1д отличается от прегде y s =s max = a s s н ;üýt max = a t t н , þ(2.142)где as, at – теоретические коэффициенты концентрации соответственно нормальных и касательныхнапряжений; sн, tн – номинальныенапряжения (при отсутствии концентратора).

При этом должнобыть указано, как определяется номинальное напряжение.Как показывает сравнение результатов испытаний на выносливость образцов при отсутствии концентраторов и в случае их наличияпри одинаковом числе симметричных циклов разрушение в последнем случае наступает при напряжеsнии s -1 k » -1 , при этом ks < as.ksЭто относится и к касательным на2.2. Значения ys и yt для сталей в зависимости от предела прочностиsв, МПаКоэффициент чувствительности к асимметрии цикла350–520520–720720–1000ys00,050,100,200,25yt000,050,100,15741000–1200 1200–1400пряжениям kt < at. Коэффициентыks, kt называются эффективнымикоэффициентамиконцентрациинапряжений.

Для их определенияиспользуют формулыks = 1 + q s (a s -1);üý (2.143)kt = 1 + qt (a t -1), þгде qs и qt – коэффициенты чувствительности материала к концентрации напряжений.При расчетах величину коэффициента чувствительности принимают: для отливок 0,1–0,2, для малоуглеродистых и жаропрочных деформируемых сталей 0,2–0,4, дляалюминиевых сплавов 0,3–0,5, длялегированных сталей 0,6–0,8, длятитановых сплавов 0,8–0,9. Литыематериалы, особенно серый чугун,считаются малочувствительными кконцентрации напряжений вследствие наличия многочисленных внутренних концентраторов в самом материале.С увеличением размеров (в первую очередь поперечных сечений)деталей двигателей предел выносливости последних понижается.Это связано с повышением вероятности наличия ослабления зеренматериала, снижением однородности последнего, особенностямитехнологических процессов приувеличении размеров деталей. Дляориентировочногоопределениямасштабного фактора детали с характерным размером d (мм) используют зависимостьРис.

2.16. Изменение коэффициента влиянияабсолютных размеров деталей из стали:1 – углеродистых sв = 400–500 МПа; 2 – легированных sв = 1200–1400 МПаЧистота поверхности детали и состояние поверхностного слоя оказывают существенное влияние на выносливость. Это оценивается коэффициентом влияния состояния поверхностного слояe п = e ш e упр e кор ,(2.145)где eш – учитывает шероховатостьповерхности; eупр – учитывает технологическое упрочнение и зависитот вида упрочнения; eкор – учитывает влияние коррозионного воздействия на поверхностный слой детали.

Коэффициент влияния шероховатости поверхности eш принимается для полированной поверхностиравным 1, для шлифованной поверхности 0,8–0,9, тонкого точения0,7–0,8, грубого точения и фрезерования 0,6–0,7. Меньшие значенияeш относятся к материалам с болеевысоким пределом прочности.За счет термохимической и механической обработки (цементация, азотирование, поверхностнаязакалка, наклеп) выносливость детали может быть существенно увеличена.Коррозионное повреждение поверхности детали существенно снижаетпределвыносливости. Вприсутствии агрессивных сред, наe м = e ¥ + (1 - e ¥ )е - ld , (2.144)где e¥ = 0,5 и e¥ = 0,4 соответственно для деформируемых и литых материалов; l = 0,01–0,03 1/мм.На рис.

2.16 приведены значения коэффициента eм для углеродистых и легированных сталей.75пример, морской воды, коэффициентeкор снижается до 0,5–0,8 (eкор = 1 внормальных условиях). Снижениепрочности при циклическом нагружении связано также с фретингкоррозией в зоне контакта номинальнонеподвижных деталей. В зоне контакта при переменной нагрузке и привысоких давлениях возможны периодические упругие микроперемещения около 2–3 микрон и выше. В результате повреждения материалациклическая прочность может понизиться в несколько раз.

Например,применительно к среднеуглеродистым легированным сталям при наличии фретингкоррозии eкор = 0,4–– 0,6, при этом опасными уже могутстановиться переменные напряженияоколо 20–80 МПа. Эффективнымспособом борьбы с фретингом является нанесение покрытий (в частности, бронзирование контактирующихповерхностей), а также повышениетвердости поверхностного слоя и наклеп.Предел выносливости деталисвязан с пределом выносливостиматериала зависимостьюпаса по подобному циклу определяется какs -1ü;ïkss a + y ss m ïe м s e пsïý (2.147)t -1nt =. ïktït a +yt t m ïe м t e пtþns =Часто при работе деталей постоянная составляющая напряженийсохраняет свое значение, а разрушение связано с увеличением амплитуды напряжений (точки C ¢ и C ¢¢(рис. 2.15)).

В этом случае определяют коэффициент запаса прочности по переменным напряжениямn at(2.148)Коэффициент запаса по переменным напряжениям больше коэффициента запаса по подобному циклу.Выше рассмотрен случай одноосного напряженного состояния.При совместном действии изгиба икручения, характеризующих работуколенчатого вала двигателя, и прииспользовании двухпараметрического условия сопротивления усталостному разрушению коэффициент запаса прочности n по подобному циклу находится по формулеe м s e пsüs -1 ;ïksïý (2.146)e м t e пt=t -1 . ïïþkts -1 д =t -1 дs -1 - y a s m ü;ïkssa ïe м s e пsïýt -1 - y t t m ï=.ktïta ïe м t e пtþn as =При этом влияние концентрации напряжений масштабногофактора и поверхностного слоя относят к переменной составляющейцикла.Если предположить, что условием разрушения детали являетсяпропорциональноеувеличениеамплитуды и среднего напряжения в n раз, что соответствует подобию рабочего цикла и циклапри разрушении (точки С ¢ и C(рис.

2.15)), то коэффициент заn=n s ntn s2 + nt2.(2.149)В общем случае многоосного напряженнодеформированного состояния компоненты тензора на76пряжений включают переменные ипостоянные составляющие. Условие усталостного разрушения принимают в виде sia = s-1, где sia – интенсивность переменных sа и tа напряжений, определяемых по формуле (2.31).Приведенные выше соотношения для определения запасовпрочности при многоцикловомнагружении предусматривают определение с помощью методов сопротивления материалов номинальных значений амплитуд напряжений с последующим увеличением их путем умножения навеличину эффективного коэффициента концентратора напряжений ks или kt.

При использованииметода конечных элементов применительно к деталям двигателейрешаются двухмерные или трехмерные задачи теории упругости врезультате чего находятся локальные деформации и напряжения, атакже средние smкэ значения и амплитуды sакэ, в том числе и в зонах их концентрации. Значенияэтих напряжений условно должнысоответствовать значениям номинальных напряжений, умноженных на величину теоретическихкоэффициентов концентрации asили at. При определении запасапрочности в случае примененияМКЭ значения амплитуд напряжений в зонах концентрации следует уменьшить в соответствии сзависимостью (2.143). При этомзначения эффективной амплитуды напряжений sаэф или tаэф определяются какs aэф = As s aкэ ;üýt aэф = At t aкэ , þВ соответствии(2.143)сформулой1-qsü+qs; ïasïý1 - qtAt =+ qt . ïïþatAs =(2.151)Используя имеющиеся данныепо значениям q для различных материалов и оценивая ориентировочно по справочным данным asили at в выбранных для определения запаса прочности точках детали, по формулам (2.150, 2.151) определяются sаэф и tаэф, по которымнаходится коэффициент запасапрочности:s -1ü;ï+ y ss m ïe мe пïý (2.152)t -1nt =.ït aэфï+yt t m ïe мe пþns =s aэфПолученные по приведеннымвыше формулам значения запасовпрочности при установившихся режимах переменных напряженийсравниваются с минимально допустимыми значениями, принятыми вдвигателестроении на основе многолетних экспериментальнорасчетных исследований и наблюдения вэксплуатации за состоянием основных узлов и деталей поршневыхдвигателей.