Развитие методов оценки остаточных напряжений в автомобильных колесах и методов повышения усталостной прочности колес из литейных алюминиевых сплавов тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВТОНОВИЛЬНО-ДОРОЖНЫЙ ИНСТИТУТ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

РГВ од

1 С \ '

На правах рукописи

САЛИМОВ ИКРОМ исломович

УДК 629.113.012.3:620.178.3

РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ ОЦЕНКИ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В АВТОМОБИЛЬНЫХ КОЛЁСАХ И МЕТОДОВ ПОВЫШЕНИЯ УСТАЛОСТНОЙ ПРОЧНОСТИ КОЛЁС ИЗ ЛИТЕЙНЫХ АЛШИНИЕВЫХ СПЛАВОВ

специальность 01.02.06 - Динамика, прочность мадии,

приборов и аппаратуры

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискании учёной степени кандитата технических наук

МОСКВА 1094

Работа выполнена на кафедре "Строительной механики и соп-ративления материалов Московского государственного автомобильно-дорожного института (Технический Университет).

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор И.В. Демьянушко

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Е.Ф. Балашов

кандидат технических наук М.А. Юдкевич

Ведущая организация: НАШ

Защита состоится 29 сентября 1994 г. в 10 часов на заседании специализированного Совета K6d.02.01 при Московском автомобильно-строительном институте (ВТУЗ) по адресу: 109068, Москва, Ж-68, Автозаводская ул, 16.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке МАСИ (ВТУЗ-ЗИЛ)

Автореферат разослан ^^^ 1994 г.

Ученый секретарь специализированного Совета, кандидат технических наук, профессор

м

Ю,

Трофимов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Узел шина-колесо является одним из наиболее нагруженных и ответственных узлов автомобиля. Разрушение толеса может привести к тяжёлым последствиям. Поэтому обеспечение достаточной надёжности, работоспособности и ресурса колеса представляется важным и актуальным. Все более широкое распространение в автомобильной промышленности получают галёса из лёгких сплавов. В процессе их изготовления в них неизбежно возникают технологические остаточные напряжения. Эти напряжения существенную влияют на усталостную прочность и ресурс колеса. Без знаяия величин и законов распределения остаточных напряжений невозможно прогнозировать эти характеристики. Особенно это важно для литых колёс из алюминиевых и магни-■ евых сплавов. В тоже время, в имеющейся в литературе, информация о велечинах и законах распределения технологических остаточных напряжений в автомобильных колёсах практически отсутствует.

Анагмз остаточных напряжений в автомобильных колёсах иа литейных алюминиевых сплавов, разработка методов их снижения, а также определение влияния этих напряжений на усталостную прочность колеса, выработка рекомендации по повышению усталостной прочности, которым посвящена настоящая работа, является актуальной задачей.

Цель работы - совершенствование методов исследования остаточных напряжений применительно к автомобильным колёсам и разработка метода повышения усталостной прочности колес из литейных алюминиевых сплавов.

На защиту выносятся:

усовершенствованные расчётно-экспериментальные методы определения поверхностных и объёмных остаточных напряжений, возникающих при изготовлении автомобильных колёс из литейных алюминиевых сплавов.

разработанные рекомендации по снижению технологических остаточных напряжений.

разработанные рекомендации по повышению усталостной прочности колеса.

разработанная методика оценки запасов прочности колёс с учётом остаточных напряжений.

- 2 -

Научная новизна и.практическая ценность работы:

На основе изучения литературы, имеющегося опыта изготовления автомобильных колёс и исследования их эксплуатации, показано важность определения в них остаточных напряжений, разработки соответствующих методов и. способов снижения этих напряжений, для повышения усталостной прочности и надёжности колёс.

• Применительно к автомобильным колёсам Т1з литейных алюминиевых сплавов, впервые выбран и развит оптимальный метод определения величины и закона распределения поверхностных остаточных напряжений.

Развиты и модифицированы методы определения величин и законов распределения объёмных остаточных напряжений в автомобильных колесах из литейных алюминиевых сплавов.

Впервые разработаны конкретные рекомендации по снижению технологических остаточных напряжений в автомобильных колёсах из литейных алюминиевых сплавов.

Выбран оптимальный метод поверхностного упрочнения колёс металлическими шариками на зжекторной гидродробеструйной установке и разработаны рекомендации по режимам проведения этого упрочнения, для повышения усталостной прочности колёс:

Разработана методика оценки запасов прочности колёс с учётом остаточыих напряжений.

Апробация работы. Основные положения и результата работы были изложены на научно-методической и научно-исследовательской конференции ЫАДИ ( Москва 1994 г. ).

Диссертационная работа в полном объёме заслушана и одобрено на заседании кафедры "Строительной механики и сопративле-ния материалов" МГАДИ (ТУ).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 4 статьи и тезиси докладов.

Объём диссертации. Диссертация состоит из введения, чете-рёх глав и выводов. Работа содержит 154 страниц машинописного текста, 63 рисунков, 11 таблиц и списка источников из 75 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе выполнен обзор работ, посвященных механизму образования поверхностных и объёмных остаточных напяржений

в процессе различных технологических операциях, методам их исследования, путям их снижения, влияние остаточных наряжений на усталостную прочность деталей, упрочнению деталей. Показано, что в качестве метода исследования поверхностных остаточных напряжений в автомобильных колёсах, в связи с его широкой распространённостью и простотой, наиболее приемлшъш является метод непрерывного стравливания напряженных слоев. Для определения объёмных остаточных напряжений выбран метод сверления отверстий. Расмотрены работы ряда авторов зарубежных стран и государств СНГ, посвещёзные этому методу.

Во второй главе изложены результаты исследования повер-ностных остаточных напряжений в ободе автомобильного колеса из литейного алюминиевого сплава. Приведён метод определения поверхностных остаточных наряжений, изучено влияние термической обработки колёс на величину и характер распределения поверхностных остаточных напряжений. Дан анализ влияния упрочнения колёс на повышение их усталостной прочности.

Работы проводились на базе Куйбышевского моторостроительного завода "Труд" с участием автора, где по представленному автором ТУ и его участии, было сконструировано и изготовлено установка для гидродробеструйного упрочнения колёс.

Для определения поверхностных остаточных напряжений за основу, принят метод стравливания, слоев, предложений академиком H.H. Давиденковым. Поверхностные остаточные напряжения определялись на плоских образцах вырезанных из обода колеса в окружном и меридиональном направлениях. Для стравливания напряженных слоев, использовался реактив представляющий собой 500 гр. щелочи на 1 литр воды.

При определении поверхностных остаточных напряжений по методу H.H. Давидевкова ( путем вырезки образцов с последующим стравливанием слоев ) остаточные .напряжения будут имет три составляющие:

6-61 + 62 + 63 ( 1 )

где 6j - напряжение,удаляемое в рассматриваемом слое от • вырезки образца;.

62 - напряжение, снимаемое одновременно с удалением слоя;' ■

бз~ поправка, учитывающая изменение напряжения в удалённом слое вследствие удаления всех предыдущих.

Известно, что величины 61 и 63 малы по своему значению и 62 во всех случаях является, как правило определяющей и 60ст -62 - б. ....

Исследование остаточных напряжений производилось на приборе, который предусматривал консольное крепление образца. Замер прогиба свободного конца образца производилось с помощью измерительной системы. С учётом схемы крепления и точки замера прогиба образца, формула для расчёта остаточных напряжений, в нашей работе, имело следующий вид:

б - 4ЕН1-М'1 / [ЗЬ2- (1-V) -№1] ( 2 )

где Е - модуль нормальной упругости материала колеса; Н - исходная толщина образца;

Н;- толщина образца без снятого сдоя; Н^ ( Н - йЬ ) Ь - база на которой производится замер стрелы прогиба;

1/1-у - поправка М.М. Саверина, учитывающая плоский ха-. . рактер напряжённого состояния поверхностного слоя;

V - коэффициент Пуассона; ЛЬ- толщина'удаляемого слоя;

М- изменение прогиба образца, при удалении слоя тол-шиной ЛЪ;

Результаты замера поверхностных остаточных напряжений приведены на рис.1. Из рисунка видно, что на образцах вырезанных из обода колеса после точения, замерены растягивающие остаточные напряжения:

- в окружном направлении их максимальная величина состаг-вила б- 230 МПа на глубине 0,01 мм;

- в меридиональном направлении - б- 320 МПа на глубине 0,01 мм.

В целях снижения остаточных напряжений был выбран режим термической обработки колёс. Колёса подвергались1 термообработке по режиму: нагрев до температуры 140°С, выдержка <3,5 часов и охлаждение на воздухе. Указанний режим термообработки был

подобран таким образом, чтобы наиболее эффективно снизить остаточные напряжения к в тоже время не изменить механические характеристики материала колеса. Далее на образцах-вырезанных из колёс были замерены остаточные напряжения. Результаты замера приыведены на рис.1.

Сравнение результатов замера остаточных напряжений до и после термообработки показывают, что термическая обработка колёс по указанному режиму, снижает величину поверхностных остаточных напряжений в -4 раза. В тоже время, такая термическая обработка, практически не изменяет механические характеристики материала колеса (60,2. бв, 5 ).

С целью повышения усталостной прочности, снижения остаточных напряжений и улучшения внешнего вида колеса, были отработаны режимы упрочнения колёс металлическими шариками диаметром ~1,6 мм. Упрочнение колёс производилось на гвдродробест-руйной эжекторной установке; шарики подавались на деталь вместе с трансформаторным маслом под давлением 0,4 МПа.

После упрочнения колёс бшш определены остаточные напряжения и усталостная прочность на образцах, вырезанных из"обода этих колёс в окружном и меридиональном направлениях. Результа-ры замера остаточных напряжений после упрочнения приведет на рис.2. Там же, для сравнения приведены результаты замера остаточных напряжений' в образцах вырезанных из того же'колёса до упрочнения.

Полученные результаты показывают, что гидродробеструйное упрочнение колёс металлическими шариками приводит к замене неблагоприятных растягивающих остаточных напряжении к благоприятным сжимающим остаточным напряжениям и снижает их значение (максимальная величина растягивающих напряжении до упрочнения б- 270 МПа, после упрочнения макасимальная величина сжиматащк напряжений б—140 МПа ). Кроме этого гидродробеструйная- обра-' ботка улучшает внешний вид колеса.

Для оценки эффекта повышения усталостной прочности после упрочнения, были проведены сравнительные усталостные испытания упрочнённых и неупрочнённых образцов вырезанных из одного -и того же колеса. Усталостные испытания проводилось при симметричном цикле вагружения, на вибраторе У-826. Собственная частота образцов составляло Го-800.. .875 Гц. Предел усталссг;! на базе 2 х 107 цикла, для неупрочнённых .образцов составил 71

- б -

-Рис.1 Распределение остаточных напряжений в образцах, вырезанных из обода автомобильного колеса в окружном Со, А) и меридиональном (в,ж) направлениях, о,в - после точения, после термообработки.

Рис.2 Распределение остаточных напряжений в образцах, вырезаниях из обода автомобильного колеса з округлом (о,д) и меридиональном (с,А) направлениях. ° - после точения, д , л. - после упрочнения.

№а, а для упрочнённых образцов - 89 МПа. Таким образом, упрочнение колёс микрошариками на эжекторной гидродробеструйной установке повышает их предел выносливости на 25«.

В третьей главе рассматривается методы исследования объёмных остаточных напряжений в автомобильных колёсах из литейных алюминиевых сплавов и влияния термообработки на их величину и закон распределения.

Для исследования использован метод сверления отверстий, который основан на экспериментальном определении поля деформаций или перемещений, обусловленного высверливанием кругового отверстия в детали имеющей остаточные напряжения. В настоящей работе, для измерения деформаций в поверхности в зоне кругового отверстия, вызванных сверлением отверстия, использованы методы фотоупругих покрытий, годографической интерферометрии и измерение деформаций тензорезисторами. Эти методы обладают наиболее высокой чувствительностью и точностью, и позволяют получать информацию о поле деформаций.

Лабороторные исследования проводились автором на базе лабораторий "Диклической прочности" и "Тензометрии" Имаш РАН, под руководством д.т.н., проф. И.А. Рагумовского.

Исследование методом голографичедкой интерферометрии проводилось на хадографичечской установке производство фирмы Нь-юпорт ( США ) двумя способами - двойной экспозиции и реального масштаба времени.Эти исследования позволили получить качественную информацию об остаточных напряжениях по которым можно определить, лишь величину разности главных остаточных напряжений ( разность 61 и бг ).

Метод фотоупругих покрытий дает возможность количественной оценки объёмных остаточных напряжений, возникающих в процессе изготовления колёс. Этот метод позволяет определить среднее значение объёмных остаточных напряжений по глубине высверленного отверстия.

Методом фотоупругих покрытий проводились исследования остаточных, напряжений в двух зонах колеса: на внешней части в центральной зоне диска колеса, и в трёх спицах ( на внутренной части ), соединяющих диск с ободом. Поляризационно-оптические измерения в фотоупругих покрытиях проводились с использованием отражательного полярископа " Модель 030 " фирмы " Фотоластик " (' США ). Измерения в отдельных точках выполнялись ком-

пенсатором типа " Бабине-Солейля " обеспечивающим высокую точность измерений дробного порядка полосы ( погрешность измерений не более ' 0,005 полосы );

Основные результаты оптических измерений проведённых б отверстиях высверленных в спицах приведены в табл.1.

Таблица 1

Результаты оптических измерений проведённых в спицах

г | NN I спицы -----1 ■■ - ■■ ■ NN | Кол-во полос отв-йГ в точке А | 1 Кол-во полос) в точке Б | 1 -1 61 , I МПа | 1 -1 б2 , 1 МПа • |

1 1 1 1 I 0,27 1 0,24 | 1 29 | 30 |

1 2 1 | 0,26 0,23 | 28 | 29 |

1 3 1 | 0,25 0,23 | 27 | 28 |

1 1 2 I 0,20 0,24 | 26 | 25 |

1 2 2 1 0,18 0,17 | 20 | 20 |

1 3 2 | . 0,21 0,18 | 22 | 23 . |

1 1 1 3 1 1 0,24 0,22 | 1 26 | | 27 | 1

Определение остаточных напряжений в центральной зоне диска колеса проводилось резулътатамы оптических измерений в шести отверстиях высверленных в нём. Результаты проведённых измерений представлены в табл.2.

Таблица 2

Результаты оптических измерений проведённых в диске

г I Ш | отверстий_ I Кол-во полос | в точке.А ., _. .. _ _„ , Кол-во полос| в точке Б | 1 . ■ б! , МПа - "Т б2 , 1 МПа |

| 1 1 0,10 1 0,20 | 21 20 |

1 2 I 0,28 0,31 | 31 30 |

1 з 1 0,30. 0,33 | 33 32 ■ |

1 4 1 0,35 0,38 | 38 37 |

1 5 \ 0,40 0,38 | 40 40 |

1 б 1 .... I 0,34 0,32 | 1 34 34 I |

Для исследования остаточных напряжений с помощью тензоре-зисторов, за основу был использован метод предложенный Рендле-ром и Вигяессом, который позволяет определи»-величину , и закон распределения остаточных напряжений по глубине высверливаемого отверстия. Это достигается путём ступенчатого сверления отверстий. В данной работе высверливались отверстия диаметром 5 мм с глубиной приращения в 0,25 мм. Для замера деформаций на поверхности детали вокруг высверливаемого отверстия использовались тензометрические розетки типа КФ 5РЭ-3-100-Б-23 ( три тензорезистора расположенных под углом 0°- 45°- 90°), Значения напряжений вычислялись по формулам: .

61 - -[s0(A+Bsinr) - £45 (A-Bcost) 3 /2АВ (sinT+cosr) I

62 - Ce45(A+Bcosr) - e0(A-Bsinr)]/2AB(sinr+cQsr) | (3)

T - 2B - arete Г (ео-2Е45+едо)/(ео-еэо) 3 !

где в - угол между направлениями е0 и 61;

А и В - коэффициенты пропорциональности связывающие подповерхностные напряжения с измеряемыми на поверхности приращениями деформаций и зависиящие от изотропных параметров упругого тела Е и V, и геометрии высверливаемого отверстия;

61 и 62 - главные остаточные напряжения;

Во,£45 и £90* - деформации измеряемые по направлениям « - 0°, а - 45° и а - 90°.

В рассматриваемой работе коэффициенты пропорциональности А и В определялись из отделного тарировочного эксперимента. Тарировочний эксперимент представлял собой свершение ступенчатого отверстия диаметром 5 мм и глубиной приращения 0,25 мм в прямоугольной пластине из материала колеса, подвержанной растяжению. По преращениям деформаций, измеряемых тензометричес-кой розеткой типа КФ5РЗ-3-100-Б-23 в продольном и поперечном направлениях вычислялось значение коэффициентов для каждой ступени сверления. Полученные значения коэффициентов А и В приведены в табл.3.

Результаты измерений остаточных напряжений приведены в таблице 4. Из таблицы видно, что в слоях близких к поверхности автомобильных колёс из литейных алюминиевых сплавов, наблюда-

ются высокие уровни растягивающих объёмных остаточных напряжений. Имея максимальные значения на глубине 0,25 мм, величина этих напряжений резко снижается до глубины.1,0 мм с далнейшими небольшими изменениями.

Таблица 3 •

Значение коэффициентов пропорциональности связывающие подповерхностные напряжения с измеряемыми на поверхности приращениями деформаций

Г"----1 I Глубина свер-я | I отверстия, мм | .. А21 . (МПа)"* I 1 1 А2ь (ШаГ1 1

1 0 1 .. 0.25 | 1 - 0,036-Ю"5 | - 0,064-Ю"5 |

1 0 .. 0,50 | - 0,078-Ю"5 1 - 0,118-Ю"5 |

1 0 .. 0,75 ) - 0,118-Ю"5 | - 0,183-Ю"5 |

1 0 .. 1,00 | - 0,146-Ю-5 | - 0,24 -10"5 |

1 0 .. 1,25 | - 0,173-Ю"5 | - 0,29 -10"5 |

1 0 .. 1,50 | - 0,191-Ю"5 | - 0,33 -10"5 |

1 0 .. 1,75 ! - 0,184-Ю"5 | ' - 0,343-Ю"5 |

1 0 .. 2,00 | - 0,194-Ю*"5 \ - 0,374-Ю"5 |

| 0 .. 2,25 | - 0,205-Ю-5 | - 0,394-10"5 |

1 0 I 2.Е0 I - 0,21 -10~5 " | | - 0,41 -Ю"5" 1 ., .1

Как отмечалось во второй гл&уы, в целях снижения величин остаточных напряжений, была проведена термическая обработка колёс. После термообработки были проведены исследования по определению влияния термообработки на величину и распределение объёмных остаточных напряжений методом тензометрии. Результаты измерении представлены в таблице 5.

Сравнивание резуьтатов измерений остаточных напряжений в термообработанном и нетермообработанном колесе показывают, что термообработка колёс ( нагрев до температуры 140° С , выдержка 3,5 часа и охлаждение на воздухе ) снижает уровень объёмных остаточных напряжений в раза. При этом характер распределения "остаётся прежним.

В четвёртой главе рассматривается влияние на усталостную прочность остаточных напряжений, возникающих в колесах размером 5,5Л х 13, применяемых для автомобилей типа "ЛАДА" и изго-

тоаленых из литейных алюминиевых сплавов. В настоящей работе влияние остаточных напряжений на усталостную прочность колёс определялось путем, сравнения, коэффициентов запаса по усталости, определённых с учётом остаточных напряжений I' без них.

Таблица 4

Значение главных остаточных напряжений до термообработки

Г- ■ -------- т

| Глубина отверстие 1 | отверстие 2 | отверстие 3 !

| сверл-я, 1

1 1 1 1 -

[ мм б1,'Ша|б2 1 , МПа| 61. МПа|б2, Ша|б1 | г , Ша| бг, МИД! | 1

| 0,25 ' 238* ] 195* | 266* | 80 | 275* | 88 |

1 0,50. 165* | •83 | 133* | 23 | 134* | 31 I

| 0,75 116 | 60 | 91 | 20 | 94 | 33 !

1 1,00 80 | 3 50 | 72 | 1? 1 73 | 23 |

1 1,25 78 | 43 | 55 | 21 | 75 | 24 |

! 1,50 74 1 41 | 56 | 20 Г 60 | 29 !

1 1,75 75 | 44 | 59 | 25 1 61 | 31 !

| 2,00. 70 | 43 | 55 _ | 24 . ! 57. I . 30 ]

1 2,25 68' | 40 | 52 ' | 22 | 56 | 30 !

1 2,50 1 68 | ) 37 | 55 | | 22 | 1 • 55 | 1 30 | |

Для определения коэффициентов запаса по усталости произведён рачёт напряжённо-деформированного состояния колёс методом конечных элементов на програмном комплексе ВАЗУЗ, разработанном на кафедре "Строительной механики" МГАДй (ТУ).Для этого расчёта создана конечно-элементная модель колеса, выполненная из объёмных шесьти и восьми узловых элементов типа " приемы " и " кирпича ". Расчёт напряжённо-деформированного состояния колеса производилось с учётом следующих видов нагрузок:

- давления воздуха в шине с учётом натяга бортового коль-

* Определение остаточных напряжений проведено по упругому расчёту. При расчёте с учётом пластических деформаций обознаг ченные напряжения будут ниже. Мы принимаем их пределу текучести, что допустимо при сравнительных расчётах.

ца шины на пажи обода колеса ( статическая осесимметричная составляющая нагрузки );

- распределения усилия от действующих нз колесо через шину со стороны дороги вертикальной и боковой сил (динамическая и неосесимметричная составляющая нагрузки ).

Таблица 5

Значение главных остаточных напряжений после термообработки

1-1 | Глубина | отверстие 1 | отверстие 2 1 _... ---- .. _ _ ,....., отверстие 3 |

| сверл-я | 1 1 1 1

1 б1, МПа|б2, 1 т МПа| 1 1 61, МПа|бг, МПа|б1 1 "■( г 1 , МПа! бг, МПА| | 1

1 ! 0,25 | 75 ! 50 | 40 "| 29 | 74 | 38 |

1 0,50 | 35 | 22 1 19 1 13 1 35 | 16 1

1 0,75 | 24 | 15 | 21 | 13 .| 23 | 11 |

1 1,00 ! 19 | 12 | 17 I И ! 22 | 12 1

1 1,25 ( 16 I 10 | 17 I 9 1 19 1 11 " 1

1 1,50 | 14 | 9 1 18 | 11- ! 17 1 10 |

1 1,75 ! 15 I 10 | 18 ! 12. | 17 ! 10 |

1 2,00- | 14 |- 11 1 17" | И 1 16 10 |

1 2,25 | 13 I 9 1 16 I 11 ! 17 I 12 1

) 2,50 ] 1 13 ) 1 9 1 1 16 | 10 ) 17 I 1 11 1 1

Вертикальная и боковая составляющая нагрузки со стороны дороги прикладывались в виде системы сосредоточенных узловых нагрузок в виде системы сосредоточенных узловых нагрузок на внутреннюю бортовую закраину. Величины.этих сосредоточенных нагрузок распределены равномерно в количестве 9 в окружном направлении на угле 45 градусов. Выбор угла был обусловлен тем, что рассматриваемое колесо обладает поворотной симметрией по 1/8 части.

Приложенные сосредоточенные нагрузки вызывают в диске максимально возможный по условию сцепления изгибающий момент

Шах - ( е + 0,9Кш )Гу

( 4 )

где:

Fv - статическая нагрузка на колесо;

Rn. - статический радиус шины; . ..

е - вылет диска колеса.

Для случая рассматриваемого в настоящей работе, при Fv -\( 3140 е - 0,038 м, Rm - 0,383 м, максимальный момент составляет Ммах - 1200 Нм. При вращении колеса различные его зоны попадают в нагруженный сектор, что в расчёте учитывалось последовательным перемещением системы сосредоточенных сил относительно обода з окружном направлении.Таким обрззом, были рассмотрены девять вариантов нагружения соответствующих повороту колеса на 180 градусов и для каждого нагружения определялось напряженно-деформированное состояние.

Следует отметить что изменение напряжений в колесе при повороте до 180 градусов, имитирует вращение колеса. Характер изменения напряжений близко к пульсирующему циклу. Далее были определены величины амплитуды переменных напряжений для трёх главных напряжений и средние' напряжения цикла. По'проведенным испытаниям по определению механических характеристик материала колеса, было получено, что предел прочности материала колеса на растяжение было получено бв-158 МПа, а на сжатие-бв-173 МПа. Отношение этих величин составляет К-0,91. Принимая, что К-1 и для 'полученных значений 6ia и бза по теории максимальных касательных напряжений определялось величина эквивалентной амплитуды главных напряжений с учётом наибольшего постоянного составляющего цикла - бзква, по формуле:

бэква-(б1а"бЗа) + Фбцп ( 5 )

где: 6ia - амплитуда максимальных переменных напряжений;

б за - амплитуда минимальных переменных напряжений;

6im - • наибольшее среднее напряжение цикла;

Ф - 6-in/6b ,N - 107 циклов.

Далее определялось запас усталостной прочности по пределу усталости 6-78 МПа на базе 107 циклов. Величины коэффициентов запаса усталостной прочности расчитывались для тех узлов, которые наиболее близко расположены к местам, где определялись

объемные остаточные напряжения ( Рис.3 ). Результаты расчётов приведены в табл.6.

По определённому значению предела выносливости материала с учётом остаточных напряжений, для тех же узлов определялись значения коэффициентов запаса усталостной прочности с чётом величин объёмных остаточных напряжений в этих узлах. Предел выносливости материала колеса определялся по формуле:

ба - 6-1(1 - бост/бв) ( 6 )

где: ба - предел выносливости материала колеса с учётом остаточных напряжений; б_1 - предел выносливости материала колеса без учёта остаточных напряжений на базе 107 бост- остаточные напряжения в рассматриваемой точке; бв - предел прочности материала.

Таблица 6

Результаты расчёта коэффициентов запаса усталостной прочности

В формуле (6) принимается .что, постоянные составляющие

Модель колеса (фрагмент).

напряжения равны только остаточным напряжениям. С учетом вклада внешних нагрузок в величину среднего напряжения цикла, предел усталости будет несколько ниже..

Замеренные остаточные напряжения по упругому расчету получались выше предела текучести, но мы берем их равным пределу текучести ( бОСт - 60,2 - 118 Ш1а ).

Коэффициент запаса усталостной прочности определялся по формуле:

К - ба/беквг. С 7 )

где: б8Ква - б1г.-бзг - эквивалентная амплитуда главных напряжений.

Результаты расчётов приведены в табл.7. Сравнение результатов приведённых в табл.6 и 7 показывает, что остаточные нал/

с Таблица 7

Результаты рзсчёта коэффициентов запаса усталостной прочности с учётом остаточных напряжений

ряжения снижают предел выносливости колеса, более чем в 2 раза.

Оценка влияния, термообработки на усталостную прочность проводилось путем сравнения запасов усталостной прочности с учетом остаточных напряжений до и после термообработки.

Результаты расчёта коэффициентов запаса усталостной прочности, с учётом значений остаточных напряжений после термообработки, приведены в табл.8. Из сравнения результатов приведённых в табл.7 и 8 видно, что термическая обработка колёс повышает предел выносливости в 1,5+2 раза.

Таблица 8

Результаты расчёта коэффициентов запаса усталостной прочности с учётом значений остаточных напряжений после термообработки

_I___|_|_|_|_|_1_г

бэкза I 25,4 | 26,0 | 26,0 | 19,0 |

'бост I 40 | 73 | 40 Г 40 I

ба I 58,5 | 42 | 58,5 | 58,5 I

-1-)-1-1-1

К , | 2,27 | 1,73 | 2,3 | 3,16 I

_!_1_1—1_I_I

Таким образом результаты исследоваения влияния. остаточных напряжений на усталостную прочность показывают, что остаточные

напряжения значительно снижают усталостную прочность автомобильных колёс. Расчёт коэффициентов запаса усталостной прочности колёс с учётом остаточных напряжений и без их учёта показал, что в некоторых точках снижение запасов усталостной прочности может достич величины в 2 и более раза.

ВЫВОДЫ

1. На основе анализа существующих методов исследования остаточных напряжений и конструкций автомобильных колёс из литейных алюминиевых сплавов, разработана методика оценки остаточных напряжений, возникающих в процессе изготовления колёс.

2. Применительно к автомобильным колёсам из литейных алюминиевых сплавов, усовершенствован метод определения величины и закона распрепделения поверхностных остаточных напряжений. В результате исследований поверхностных остаточных напряжений, проведённых по предложенной в работе методике, определено, что в ободе автомобильного колеса из литейного алюминиевого сплава, после механической обработки, возникают значительные растягивающие остаточкыэ напряжения. Максимальная величина замеренных напряжений на глубине 0,01 мм, составляет 6 - 320 Ша, что свидетельствует о веобхрдьыости разработки и применения методов их снижения.

3. Впервые разработаны рекомендации по снижению остаточных напряжений в колесе. Выбраны оптимальные режимы термообработки колеса. Показано, что при нагреве колеса до температуры 140°С в течении 3,5 часов, остаточные поверхностные напряжения снижаются с б - 320 МПа до б - 80 Ша, т.е. в 4 раза и при этом механические характеристики материала колеса, практически неизменяются.

4. Выбран режим упрочнения автомобильного колеса гидродробеструйной обработкой стальными шариками диаметром ~1,б мм в трансформаторном масле, что дает:

4.1. Повышение предела усталости на баае 2 х 107 циклов на 25 %.

4.2.-Переход от неблагоприятных растягивающих поверхностных остаточных напряжений - б -+270 Ша, к благоприятным сжимающим - б —90 МПа.

4.3. Повышение чистоты поверхности и улучшение внешнего

вида.

5. Исследованием объёмных остаточных напряжений, по предложенным в работе, модифицированным методам определения величин и законов распределения объёмных остаточных напряжений, .установлено, что в процессе изготовления автомобильных колёс ив литейных алюминиевых сплавов, в них возникают значительные растягивающие остаточные напряжения.

5.1. Методом сверления отверстий с тензометрированием определены величины и характер распределения объёмных остаточных напряжений по глубине от поверхности. Характер распределения этих напряжений в глубину от поверхности таков, что имея высокий уровень 'В слоях близких к поверхности, их величины резко снижаются до глубины 1,0 ш с дальнейшими небольшими изменениями. Максимальные величины объёмных остаточных напряжений на глубине 0,25 мм, составили 6 - 288. ..350 МПа, в различных точках диска колеса.

5.2. Методом фотоупругих покрытий определена средняя величина объёмных остаточных напряжений, значение которой на глубине 5 мм, составила 6-40 МПа. ~

6. По результатам исследования влияния термической обработки колёс на величину и характер распределения объёмных остаточных' напряжений по глубине 'от поверхности, выявлено, что термическая обработка колёс по предложенному в работе режиму, снижает величину объёмных остаточных напряжений в -3,5 раза .и грзктически не изменяет характер распределения этих напряжений в глубину от поверхности.

7. Расчётом коэффициентов запаса усталостной прочности колёс с учётом остаточных напряжений и без их учёта, с применением МКЭ, показано, что остаточные напряжения снижают запаси усталостной прочности колёс более чем в 2 раза.

8. Сравнением коэффициентов запаса усталостной прочности термообработанных и нетермообработанных колёс, установлено, что запас усталостной прочности термообработанного колеса в 1,3...2 раза больше чем у нетермообработавного.

9. Результаты работы, в виде методики определения остаточных напряжений и рекомендаций по методам снижения остаточных напряжений в автомобильных колёсах из литейных алюминиевых сплавов, внедрены в практику колёсного производства научно-производственного предпреятия - Международное акционерное

общество "КРИСТА".

Основные положения выполненной диссертационной работы нами отражение в следующих публикациях:

1. С.В.Никитин, Н.И.Батрак, И.И.Салимов. Экспериментальное определение остаточных напряжений в колесе легкового автомобиля. - Тезисы докладов 1-ой научно-отчётной конференции преподавателей и сотрудников ЛФТШ, Ленинабад, 1990 г. - С.43.

2. И.В.Демьянушко, И.И.Салимов, Г.И.Генкин, А.М.Вахроме-ев, В.Волков. Выбор оптимального режима гидродробеструйного метода упрочнения с целью повышения усталостной прочности автомобильного колеса. - Сборник тезисов 2-ой научно-методической и научно-практической конференции молодых учёных с участием деятелей науки стран СНГ и зарубежья. Москва, 1993 г. -С.9.

3. И.И.Салимов. Определение остаточных напряжений в автомобильном колесе из литейного алюминиевого сплава. - Сборник тезисов 2-ой научно-методической и научно-практической конференции молодых учёных с участием деятелей науки стран СНГ и зарубежья. Москва, 1993 г. - С. 62-63. '

4. И.В.Демьянушко, Г.И.Генкин, И.И.Салимов. О поверхностных остаточных напряжениях в колёсах авто-транспортных средств и влиянии поверхностного упрочнения колёс на их величину. -"Вестник машиностроения 1994 rv, ;N6. • -

Подписано к печати О к 19Э^г. Отпечатано на ротапринте в Формат бумаги 30x42/4 Производственном комбинате объем 3 п. л. Литературного фонда Зак. /7 у Тир. 100 •