Розрахунок деталей двигуна з врахуванням змінного навантаження

В автомобільних двигунах навіть у випадку усталеного режиму роботи більшість деталей працює в умовах змінних навантажень. Внаслідок цього вплив максимальних навантажень і характер їх дії у випадку зміни в часі суттєво впливає на працездатність деталей. Тому, відповідальні деталі двигуна розраховують як на статичну міцність від дії максимальної сили, так і на втомну міцність від дії змінних навантажень.

З опору матеріалів відомо, що змінне навантаження викликає зміну напруження циклічного характеру, причому цикли можуть бути симетричними, асиметричними та пульсуючими. Тому для циклу характерні такі значення напружень: s_max, s_min, t_max і t_min, середні значення або , амплітуда циклу або , коефіцієнт асиметрії , який для симетричного циклу r = –1, для пульсуючого r = 0.

У випадку статичних навантажень за граничне приймають значення межі міцності sв чи межі текучості sТ. У випадку змінних навантажень за небезпечне напруження приймають межу втоми sr або межу текучості sТ.

Якщо нормальні чи дотичні напруження відповідають умові

або

(2.1)

розрахунок проводять за межею втоми s_r. У іншому випадку – за межею текучості s_Т.

У виразах (2.1) величини b_s і b_t – це відношення межі втоми під час згину (розтягу-стиску) чи крученні до границі текучості:

і ,

де a_s і a_t –коефіцієнти приведення асиметричного циклу до рівноцінного симетричного відповідно для нормальних і дотичних напружень. Значення a_s і a_t для сталей з різними значеннями меж міцності наведено в табл. ІI.1 додатку IІ.

У випадку відсутності даних для вирішення рівнянь (2.1) запас міцності деталі визначають і за межею втоми, і за межею текучості. З двох отриманих значень міцність оцінюють за меншим коефіцієнтом.

Запас міцності без врахування форми, розмірів та обробки деталі визначають за формулами:

за межею втоми

;

(2.2)

за межею текучості

(2.3)

Вплив на втомну міцність деталі враховують наступними величинами:

1) коефіцієнтами концентрації напружень: теоретичним a_к_s і ефективним k_s (k_t), який враховує підвищення напруження у зв’язку зі зміною форми деталі;

2) масштабним коефіцієнтом e_м, що враховує вплив абсолютних розмірів деталі на межу втоми;

3) коефіцієнтом поверхневої чутливості e_п, що враховує вплив стану поверхні деталі на межу міцності.

Теоретичний коефіцієнт концентрації напружень a_к_s для найбільш розповсюджених концентраторів наведено в табл. ІI.6. додатку ІI.

Ефективний коефіцієнт концентрації напружень k_s знаходять із залежності

(2.4)

де q – коефіцієнт чутливості матеріалу (для чавуну q = 0; для конструкційних сталей – q = 0,6...0,8; для високоміцних сталей – q = 1). Коефіцієнт q залежно від a_к_s і межі міцності s_в точніше можна визначити з номограм (рис. 75 [11]).

У випадку відсутності в деталі різких переходів і за якісної обробки поверхні єдиним фактором, що викликає концентрацію напружень, є якість внутрішньої структури матеріалу. В цьому випадку ефективний коефіцієнт концентрації напружень знаходять із залежності

(2.5)

де s_в – межа міцності матеріалу.

Зв’язок між коефіцієнтами k_s і k_t виражається залежністю

(2.6)

Масштабним коефіцієнтом називають відношення межі втоми зразка діаметром d до межі втоми стандартного зразка (d_ст = 10 мм). Значення коефіцієнта e_м для конструкційних сталей наведено в табл. ІI.5. додатку ІI.

Коефіцієнтом поверхневої чутливості називається відношення межі втоми зразка із заданим станом поверхні до межі втоми такого ж зразка, але з полірованою поверхнею. Значення коефіцієнта e_п для різних станів поверхні наведено в табл. ІI.7. додатку IІ.

Для підвищення втомної міцності рекомендується висока чистота поверхні, особливо поблизу концентраторів. Відповідальні деталі, що працюють у важких умовах циклічних напружень, здебільшого шліфують і полірують, а в деяких випадках виконують механічне або термічне зміцнення.

З врахуванням впливу концентраторів розмірів і обробки поверхні максимальне напруження циклу: