Пример расчета (задача № 18)

Для цилиндрической клапанной пружины (рис. 9.9) двигателя внутреннего сгорания определить коэффициент запаса прочности аналитически и проверить его графически по диаграмме предель­ных амплитуд, построенной строго в масштабе.

Диаметр пружины D = 0,04 м, диаметр проволоки пружины d = = 0,004 м. Сила, сжимающая пружину в момент открытия клапана, Р_max = 0,240 кН, в момент закрытия клапана - Р_min = 0,096 кН. Ма­териал проволоки пружины - хромованадиевая сталь с механиче­скими характеристиками, предел текучести t_T = 900 МПа, предел выносливости при симметричном цикле t_-1 = 480 МПа, предел вы­носливости при нулевом (пульсирующем) цикле t₀ = 720 МПа. Для проволоки пружины эффективный коэффициент концентрации напряжений k_t = 1,05, коэффициент влияния качества обработки поверхности b = 0,84, коэффициент влияния абсолютных размеров поперечного сечения e_t = 0,96.

Рис. 9.9

Решение

1. Определение макси­мального t_max и мини­мального t_min напря­жений в проволоке пружины и вычисле­ние коэффициента асимметрии цикла R. Для вычисления напря­жений используем фор­мулу:

,

где k - коэфф., учитыва­ющий поперечную силу и неравномерность рас­пределения напряжений от ее воздействия, а также влияние дефор­мации изгиба вследствие кривизны витков пружины.

Этот коэффициент можно определить по приближенной фор­муле:

,

где - характеристика геометрии пружины. В данном при­мере , тогда .

Определим величины напряжений:

435,4×10³ кН/м²,

174,210³ кН/м².

Коэффициент асимметрии цикла:

.

2. Нахождение среднего t_m и амплитудного t_a напря­жений цикла. Найдем величину среднего и амплитудного напря­жений цикла в зависимости от t_max и t_min:

кН/м²,

кН/м².

3. Определение коэффициента запаса прочности. Де­таль (пружина) может перейти в предельное состояние по уста­лости и по причине развития пластических деформаций. Коэф­фициент запаса прочности по усталости определяются по форму­лам (9.10):

,

где t_-1 - предел выносливости при симметричном цикле; величины К_P и y определяются по зависимостям, приведенным в п.9.3:

.

Коэффициент запаса усталостной прочности:

.

Коэффициент запаса по пределу текучести можно получить аналогичными рассуждениями, как и коэффициент запаса устало­стной прочности, учитывая, что предельная прямая по текучести проходит под углом 45° к горизонту (рис. 9.8). В итоге:

.

Так как, 1,77 < 2,07, то коэффициент запаса прочности для пру­жины определяется усталостью и равен 1,77.

Для анализа рассмотрим ситуацию, когда в момент закрытия клапана на него действует сжимающая сила Р_min = 0,18 кН. Тогда имеем:

минимальное значение напряжения:

326,6×10³ кН/м²;

среднее напряжение

кН/м²;

амплитудное напряжение

кН/м²;

коэффициент запаса прочности по усталости

;

коэффициент запаса прочности по пределу текучести

.

Так как 2,07 < 2,43, то коэффициент запаса выбирается по пределу текучести и принимается равным 2,07.