Исследование влияния металлургических дефектов на усталостную прочность и долговечность автомобильных колес, изготовленных из литейных алюминиевых сплавов тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

■ Г - од

г _ И

I (] ИЮН ■—■

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МАЛМ

АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫЙ ИНСТИТУТ 'УТ------

(ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

На правах рукописи РЕДА АЛИ МУХАМЕД

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ МЕТАЛЛУИУхЧВОШ, ДЕФЕКТОВ НА УСТАЛОСТНУЮ ПРОЧНОСТЬ И ДОЛГОВЕЧНОСТЬ АВТОМОБИЛЬНЫХ КОЛЕС ИЗГОТОВЛЕННЫХ ИЗ ЛИТЕЙНЫХ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ

Специальность 01.02.06 - динамика, прочность

машин, .приборов и аппаратуры.

Автореферат, диссертации на соискание ученой степени кандидата технически! наук

МОСКВА 1994

J

работа выполнена на кафедре "строительная механика и сопротивление материалов ' Московского государственного автомоСильно -дородного института /технического университета/

Ьаучнщ руководитель - Доктор технически наук, процессор И. В-Демьяненко

Научный консультант - Кандидат технических наук, Г.И.Генкин

Официальные оппонента -Доктор технических наук, профессор Ю.Ь.Есеноьскии-

К. 064.02.01 ВАК РФ при Московском автомобилестроительном институте по адресу.: Ю9068 .Москва ,Ж 68, Автозаводская ул. ,16. ауд Зол

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах сподписьш, заверенной печатью организации .просим направлять в адрес спрлиализирсланного совета.

Телефон для сцровок 277-24-10 Автореферат разослан " <5 " июил1994 г.

Дашков

-Кандидат технических наук, А.Ы.Ваэдаомеев

Ведущая организация- АМО - ЗиЛ

Защита диссертации состоится " <2 " (ло/ГЯ "1994 г. вв /V часов на заседании специализированного совета

Ученый секретарь специализированного совета К.Т.Н. .Доцент

Хрофмйв 0. Ф.

ОБЩАЯ МРАКТЕИ1СТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Автомобильное колесо является одной из наиболее нагруженных деталей автомобиля. Разрушение колеса может привести к тяжелым последствиям. Позтоку обеспечение . достаточной надежности автомобильного колеса- ягляет-ся важным и актуальным. Для обеспечения надежности автомобильных колес, изготовленных из литейных сплавов, необходимо учесть влияние металлургических дефектов на усталостную прочность материала. При литье деталей, в том числе и автомобильного колеса, в салу ряда технологических факторов, возникают металлургические дефекта тапа раковин, рыхлот, неметаллических включений и "других. Исключить" полностью возникновение этих дефектов не представляется возможным. Наиболее распро-страненншл. в настоящее время, является применение для автомобильных колес литейных алюминиевых сплавов. Определение елияния металлургических дефектов на усталостную прочность этих сплавов, проводится путем сравнительных усталостных испытаний образпов, вырезанных из натурных автомобильннх колес.

Разработка методики определения запасов ..прочности автомобильного колеса с учетом металлургических дефектов и определения критерия допустимости металлургических дефектов является важной и актуальной задачей.

-.Дель работы -.исследование влияния металлургических дефектов на усталостную прочность автомобильных колес, изготовленных из литейных алюминиевых сплавов и определения критерия допустимости металлургических дефектов на автомобильных колесах.

На защиту выеосятся:

метод определения влияния металлургических дефектов в литейных алюминиевых сплавах колес на усталостную прочность;

определение критерия допустимости металлургических дефектов;

рекомендации по выбору литейного алтаандевого сплава с . оптимальным сочетанием механических я технологических характеристик с целью обеспечения прочности колеса, пра наименьшем весе в заданных габаритах.

Г -I

Публикации. По теме диссертации опубликовано две статьи. Объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и выводов. Работа содержит 125 страниц машинописного текста, 45 рисунков, 27 таблиц и списка использованных источ-

• никое из- • наименований'. ......

Апробация работы. Основные положения и результаты работы были изложены на научно-методической и научно-исследовательской конференции МАДИ (Москва, 1994 г.).

Научная новизна и практическая ценность работы: Определение значений эффективного коэффициента концентрации напряжений для литейного алюминиевого сплава по различным видам металлургических дефектов.

Установления критерия допустимости металлургических де- -фектов на автомобильном колесе.

Установление норм на запас усталостной прочности автомобильного колеса с учетом металлургических дефектов.

Разработка методики определения запасов усталостной прочности с учетом металлургических дефектов для автомобильных колес.

. . Разработка основных требований к техническим условиям, на контроль по металлургическим дефектам автомобильных колес из литейных алюминиевых сплавов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе рассматривается ряд работ по прочности, долговечности и конструкции автомобильных колес. В качестве основополагащих отмечены работы Балабина И.В., Бидермана В.Л., Биргера И.А., Гольда Б.В., Демьянушко И.В., Лукинского В.1., Рампель И., Савельева Г.В.

При создании колес должны выполняться требования, которые определяются эксплуатационными, технологическими и экономическими -соображениями. ■ колесам на бескамерных шакях определяются требования обеспечения герметичности шин. При разра^ ботке автомобильных колес из литейного алюминиевого сплава должны учитываться возможности возникновения металлургических дефектов. -Эти дефекты сущестенно снижают усталостную прочность

. :

юлес. Анализ тлеющихся публикаций показывает, что с&ьем ис-¡ледований усталостной прочности колес ограничен, а исследо-шшй влияния дефектов на усталостную прочность практически ш существует. Поэтому в диссертации решаются следушае задачи:

• I. Определение, влияния металлургических дефектов.наус-?алостную прочность колес.

2. Оценка нагрукенности колеса в различных его зонах.

3. Установление^допустимоети металлургических дефектов ) зависимости от напряженности колес по зонам.

4. Определение нормы на запасы усталостной прочности для <олеса с учетом металлургических дефектов.

В этой же главе рассматриваются виды конструкции автомо->ильных колес по различным"типам. Далее, излагается олределе-ше действующих на колеса сил. Проводится определение нагру-!ок, действующих на колеса при прямолинейном и криволинейном хвижениях автомобиля. Приводится методика расчета колеса от воздействия микропрофиля дороги. Достоверное определение нагру-)ое проводится с помощью динамометрических ступиц. Авализиру-отся результаты замеров сил действуших на колеса. Эта испытания содержат исследования на усталостную прочность, удар я деформа-хию закраин.

Приводятся результаты лабораторных усталостных испытаний ю 44 колесам автомобиля 3и1-130 со статистической обработкой IX. Показываются соответствия мест начала разрушения в лабораторных условиях и в эксплуатации.

Прочность обода проверяется при испытании вместе с шиной колеса в броневой камере. Кроме лабораторных испытанна провозятся лабораторно-дорожные испытания.

Во второй главе дан анализ механических и технологических характеристик литейных алюминиевых сплавов применительно к наг-

5

!- J

рукенноетя я технологии производства автомобильных колес. К механическим характеристикам относятся СГг - кратковременная прочность; Gai - предел текучести; (Jt - предел усталости на базе ю' циклов; £ - пластичность; - ударная вязкость. К технологическим характеристикам относятся: гидаотекучесть, характеризующая способность сплава заполнять форму; усадка объемная, характеризующая степень' уменьшения объема охлажденного металла ло-,отношении к объему жидкого состояния; усадка линейная, которая характеризуется степенью уменьшения длины холодного образца по отношению к длине формы залитой металлом; склонность сплавов к образованию горячих трешин в отливках; герметичность сплавов е отливках; склонность сплавов к повышению пористости с увеличением толщины стенок отливок. По анализу механических и технологических характеристик даются рекомендации по выбору литейного алюминиевого сплава для изготовления колес. Литье автомобильных колес производится яо методам-.кокильного литья, литья с низким да рдением, литья с противодавлением.

Для повышения прочности, улучшения обрабатываемости резанием, повышения коррозионной стойкости литые детали из алюминиевых сплавов подвергаются термообработке. К числу металлургических дефектов, возникающих при литье колес, относятся тазовая и усадочная пористость, раковины,-рыхлоты, неметаллические включения, горячие и холодные трешины и т.д. Указанные металлургические дефекты выявляются визуальным контролем с помощью увеличительной лупы| а также рентгеновским, ультразвуковым, вихретоковым контролем. При ЮО-процентном рентгеновском контроле отливок и четком ограничении в максимально допустимых по площади и количеству дефектах, производственный брак не должен превышать 10$.

Эти дефекты являются концентраторами напряжений, оказывающими большое влияние на усталостную прочность колеса. Устранение этих-дефектов не всегда представляется возможным. Поэтому необходимо иметь достаточно совершенную технологию литья и критерии допустимости маталлургических дефектов. По качеству литья значительный авторитет завоевал метод литья с противодавлением. Благодаря тому, что при использовании спе-

L

шально разработанных машин, которые работают по этоцу методу, возможно управлять, контролировать и многократно воспроизводить факторы, оказывающие существенное влияние на прочности, то выпускаемые методом литья с противодавлением заготовки для автомобильных колес, отличаются высокой £ устойчивой стабильностью механических характеристик и высоким качеством литья.

В настоящее время расширяется объем производимых из литей-.ного алюминия автомобильных колес. Существует ряд задубекных фирм (в Германии, СМ и др.), на которых изготавливается более 500 тыс. колес в год. На территории СНГ гакзе существует более пяти фирм, изготавливающих колеса для автотранспортник средств из литейного алюминиевого сплава.

Исследования, изложенные в настоящей работе проводились по алюминиевым колесам на базе международной фирмы "Нриста", созданной при МАДК'> и НАГЖ. Требования по качеству и прочности, и в первую очередь, усталостной, предъявляемые к колесам из легких сплавов содержатся в ГОСТе России is 50511-93.

В третьей главе дается опенка влияния металлургических дефектов на усталостную прочность алюминиевых сплавоЕ. Металлургические дефекты значительное влияние оказывают за прочность, и в. первую очередь на усталость. Поэтому представляет интерес оненить величину этого влияния. В связи с этим было отобрано тринадцать, первоначально забракованных,, дисков автомобильных колес для автомобиля типа "Лада" с рагсюрностыо 5,5 £f х 13. Дефекты были обнаружены визуально и по рентгену в ободной части дисков. Они представляла собой раковины, рыхлоты и неметаллические включения. Из обода были вырезаны злектроэрозионным способом образин с указанными металлургическими дефектами. Дефекты на образцах располагались е местах максимальных напряке-ний при испытаниях их на усталостную срочность. Такяе наклеивались тензодатчики. с базой I мм в месте маясшшльЕэх напряжений. Испытания производились на электродинамячесгом "стенде типа П.646. При испытаниях образпов задавались напряжения разного уровня и фиксировалось число пиклое до разрушения. По

полученным результатам строились линии регрессии и определялись

1 7

лределы усталости с вероятностью 0,5 на базе 10 циклов.

Г т

Графики линий регрессии образцов с раковинами, неметаллическими включениями и рыхлотами, а также без дефектов, показаны на рис. I я на рис.2. Таблица, с указанными напряжениями, числом шклов до разрушения, величиной предела усталости, а такке с коэффициентами т. - тангенсом .угла наклона к оси в

координатах ¿¡(Г- /V приведены в табл. I. Было проведено металлургическое исследование указанных дефектов. Диаметр раковины - 2 мм, глубина - I мм, рыхлота площадью 15 мм2, глубина пор - 0,03 мм, неметаллическое .включение площадью 10 мм , глубиной 1,5 мм.

Исследование металлургических дефектов проводилось на образцах после усталостных испытаний. Все усталостные трещины, возникавшие при испытаниях начинаются от указанных металлургических дефектов. Эффективный коэффициент концентрации напряжений для указанных металлургических дефектов дан в табл. I. В табл. I также приведены результаты усталостных испытаний.

Сравнивая результаты усталостных испытаний образцов с хамлом, с хампом и рыхлотой, гладких без дефектов, можно считать, что предел усталости образцов гладких с рыхлотой будет

7

составлять на базе л/ =10 циклов = 54 МБа.

В четвертой главе определяются напряжения, запасы прочности и допустимые металлургические дефекты в автомобильных колесах. Как показано в третьей главе металлургические дефекты существенно енизают усталостную прочность деталей из литых алюминиевых сплавов. Для опенки допустимости металлургических дефектов необходимо знать напряженность, в данном случае, автомобильного колеса. Рассмотрено автомобильное колесо 5,5 С/ х. 13 дяя автомобиля типа "Лада". От давления воздуха в шине, радиальных и боковых сил, дзйствуших на шину, определялись напряжения, главным образом в ободе. Однако, значительные переменные напряжения, представляющие основной интерес, определялись в колесе.от вертикальной силы, как реакции дороги, вызванной весом автомобиля, и от боковой силы (силы, направленной вдоль оси колес), возникавшей при повороте автомобиля. Для расчета колеса создана конечно-элементная модель, выполненная из объемных шести л восьми узловых элемента типа "призмы" и "кирпича".

Эта модель содержат 4616 узлов (рис. 3). Вертикальные и боковые и8 ; и л

неметаллическими включениями, с раковиной,

без дефектов гладкие

X. А неметаллические включения

2. • с раковиной

3. д без дефектов гладкие

2,2

1,5 [

2\ V т \

\ ч 1 N

ч а о\ ' N X"" 1

N \

- ч, \ •

I \ \

5,0

8,0

Рис. 2. Зависимость , образны с дефектом

у хампа, без дефектов с хамдом

1. О с дефектом у хамда

2. я' без дефектов с хампоы

п

Таблица I

Тип образна ¡Количество! <Г-1 на базе !Эффектив-

! образцов! Лр циклов !ный коэф-

! ..... ! (Ша) ГЛ- ¡фиииент

! ! !конпентра-

] ^ - ! !пии К<г

Образцы без дефектов с хампом 10 60 4,2 1,13х

Образта без дефектов гладкие 8 67,5 9,3 I

Образны о рыхлотой у хампа 9 47,8 4,9 1,41 1,25&

Образпы с раковиной 8 51 7,3 1,32

Образцы с включениями 8 • 46 7,2 Г, 47

Эффективный коэффициент концентрация, из-за хампа

НЕ

Эффективный коэффициент концентрации из-за рыхлоты на хамле

Г n

нагрузки прикладывались к внутренней боковой закраине на

участке 45°. Этот угол был определен тем, что рассматриваемое колесо обладает поеоротной симметрией по 1/8 части. Максимальный изгибающий момент вычисляется по формуле:

. U = Р2 .( 6 л 0,9 (I) ■

где Рг - статистическая нагрузка на колесо; Ещ - статистический радиус шины; £ - вылет диска колеса; 0,9 - коэффипиенг трения шины о дорогу.

В нашем случае Р = 314 кг; С = 0,038 м; Pffi= 0,383 м. Значение максимального изгибающего момента составляет Мтвх = = 120 кгм. К колесу на участке 45° прикладывалось девять равномерно распределенных сил. От каждой силы определялись распределения напряжений в колесе в различных точках по радиусу на углах до 180°. Расчет напряженно-деформированного состояния колеса проводился методом конечных элементов. Количество и типы применяемых объемных элементов выбирались на основании тестовых расчетов для консольной балки с постоянным квадратным сечением под действием сосредоточенной нагрузки. Сравнение точного расчета с расчетом по методу конечных элементов для балки постоянного квадратного сечения составляет около Ъ%. Применение двухслойных элементов на ребре колеса по сравнению с однослойным алементом приводит к' изменению напряжения на 10?. То есть выбранная конечно-элементная модель является приемлемой. Расчет проводил ся_ по программному комплексу ВАШ" . В каждой расчетной точке (узле элемента) определялись тензоры напряжений и дефор-, маний. Определены были также главные и эквивалетные напряжения по теории максимальных касательных напряжений. Анализ полученных материалов позволяет провести опенку прочности обода и диска колеса для самого опасного положения нагрузки, , приложенной к колесу. Полученные результаты проведенных расчетов позволяют также, получить изменения главных напряжений S,^), 3t/<£j, Ss(fi) и зквивалетных напряжений для наиболее нагруженных точек - узлов колеса. Эти узлы в количестве 21 показаны на рис. 3. Для опенки усталостной прочности, определяем амплитуды и средние напряжения циклов главных напряжений шкла. По результатам проведенных механических испытаний образцов на _ разрушение определена кратковременная прочность на растяжение (¡if, = I5& МПа и сжатие = МДа. Отношение этих напряжений составляет 0,9. Поэтому для опенки эквивалентны!: напряжений мы пользуемся гипотезой максимальных касательных напряжений:

.Рис. 3. Модель колеса (фрагмент).

(лэ^а. - СГ«ч. -С^а. (2)

С учетом средних напряжений тшкла

г (Яча - С^) (■3 )

где т - максимальное среднее напряжение шкла;'

07 7

где предел усталости на базе 10 таанлов;

- кратковременная прочность.

Проведено вычисление эквивалентных амплитуд главных напряжений по формуле (3). Точки, для которых вычислялись напряжения показаны на рис. 4. Значения эквивалентных амплитуд главных напряжений приведены на рис. 5. Запасы прочности по подсчитанным напряжениям определялись по формуле

К=Э- (4)

где <01-1 - предел усталости на базе 10 шклов.

г;

Как следует из табл. I, предел усталости на базе 10 шклов для образпов без дефектов составляет = 67,5 МПа.

Полученные запасы усталостной прочности по формуле (4) приведены на рис. 6. Минимальный.запас усталостной прочности составляет К = 1,20. За период эксплуатации автомобильного колеса 5,5 9 х 13 на автомобиле типа "Лада" дефектов усталостного характера не обнаружено. Поэтому, можно считать, что запас усталостной прочности К = 1,20 является достаточным при отсутствии металлургических дефектов". Однако, при определении пределов усталости по образцам вырезанным из второго экземпляра колеса предел усталости на базе 10^ шклов составил 78МПа.

Поэтому будем считать, что максимальный запас прочности составляет не 1,2, а 1,4. Будем считать, что для обеспечения надежности колеса по усталостной прочности запас прочности К = 1,4 является допустимым. Так как, максимальное значение эффективного коэффициента концентрации напряжений для рассматриваемых металлургических дефектов составляет К = 1,47, то металлургические дефекты -этого типа и по размерам, не превышающим их, можно допустить в зонах, где запасы усталостной прочности составляют не менее К = 2,0 (1,4 х 1,47). Это значит, что на этом колесе в зоне 5 мм у кромок воздушных окон, а также в этой же зоне у крепежных отверстий металлургические дефекты не допусг 14.

каются. Следует отметить, что указанные запасы усталостной прочности, как в зонах, где нет металлургических дефектов, так и в зонах, где есть эти дефекты типа и по размерах не более рассмотренных справедливы для других, различных автомобильных колес. • ■■•..■•

РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

По выполненной диссертационной работе можно сделать следующие выводы:

1. По усталостным испытаниям образцов, вырезанных из автомобильного колеса 5,53 х 13, изготовленного из литейного . алюминиевого сплава AK-I2 и применяющегося для автомобиля

• типа "Лада", определено влияние металлургических дефектов на усталостную прочность.

1.1. Проведена исследования образцов, не имеющих металлургических дефектов. Построены зависимости -^(T-J^M , подсчитан коэффициент ГП = 9,3 для зависимости (¿""mL , Определен предел усталости на базе 2» I07 циклов Cii = 67,5

• МПа. . .

1.2. Проведены испытания образцов с тремя видами метал' лургических дефектов: раковиной диаметром 2 мм, глубиной I мм;

рыхлотой площадью 15 мм^,"глубиной 0,03 мм; неметаллургичес-

О

ними включениями площадью 10 мм , глубиной 1,5 мм. Определена зависимость фО'-^М', подсчитан коэффициент со значениями для рановины - 7,3; для неметаллического включения - 7,2. Определены пределы усталости на базе 2 10' циклов для раковины - 51 МПа, для рыхлоты - 54 МПа, для неметаллического включения - 46 МПа.

Х.З. Определены эффективные коэффициенты концентрации напряжений - К . Для раковины - 1,32; для рыхлоты - 1,25; ■ для неметаллического включения - 1,47.

2. Определены запасы усталостной прочности для автомо-' бильного колеса 5,5 х 13 при движении автомобиля.

2.1. Методом конечных элементов рассчитаны напряжения в колесе, построены изолинии эквивалентных напряжений.

2.2. Разработана методика определения запасов усталостной . прочности с учетом металлургических дефектов и по этой мето-

• J 17

<- ii .

дике определены запасы усталостной прочности. 1

3. Проведено исследование металлургических дефектов: раковины, рыхлоты, металлургического включения. Определен характер дефектов и их глубина.

■ 4. Установлены, критерии допустимости металлургических ■■ дефектов на колесах из литейного алюминиевого сплава.

4.1. Определены зоны, где металлургические дефекты не допускаются. '

4.2. Установлены нормы на размеры допускаемых металлургических дефектов, указаны по зонам допускаемые дефекты.

4.3. Определены основные требования к техническим условиям на контроль колес визуальным и рентгеновским методами.

5. Проведен анализ большого количества литейных алюминиевых сплавов, которые могут применяться при изготовлении автомобильных колес.

5.1. Приведены механические и технологические характеристики этих сплавов. ..

5.2. Рекомендованы литейные алюминиевые сплавы с оптимальными характеристиками для изготовления автомобильных колес.

6. Проведен анализ материалов по изготовлению автомобильных колес из литейных алюминиеьых сплавов в мировой практике.

.Основные результаты выполненной работы нашли отражение в следующих публикациях: ■

1 I. Реда A.M., Генкин Г.И., Демьянушко ЕД. О влиянии металлургических дефектов на усталостную прочность литейных алюминиевых сплавоЕ. - "Вестник машиностроения" - 1994 г., № 5.

2. Реда A.M., Генкин Г.И., Демьянушко E.I. Изменение прочности литейных алюминиевых сплавов из-за металлургических дефектов. ЕИЖШ, - № 2968-В93.

3. Реда A.M. О влиянии металлургических дефектов на усталостную прочность литейных алюминиевых сплавов. - Научно-методическая и научно-исследовательская конференция ШДЙ.' Январь 1994 г.

L

Подписано к Отпечатано на ротапринте в Производственном комбинате Литературного фонда .

печати "/ " 1553 г.

Формат бумага 30x12/4 0бъен^,5" п. л. Зак. Тир. 1ГО •