Механические свойства наиболее распространенных пружинных сталей

Расчет деталей при переменном нагружении

Поскольку нагрузки у двигателя переменные, то здесь мы встречаемся с усталостной прочностью деталей. В зависимости от характера изменения нагрузки различают симметричный, асимметричный и пульсирующий циклы .

Вводятся характеристики цикла: s_max – максимальное напряжение цикла;

s_min – минимальное напряжение цикла;

s_m – среднее напряжение цикла;

s_a – амплитуда цикла или размах изменения напряжения от s_max до s_min ;

r – коэффициент асимметрии цикла.

При переменных нагрузках за опасное напряжение принимают предел усталости s_т , или предел текучести t_т.

Для симметричного цикла s_r = s_-1 ; для пульсирующего цикла s_т = s₀; для асимметричного цикла предел усталости назначают из следующих соображений:

Вводятся коэффициенты b_s и b_t. b_s = s_-1/s_т и b_t.= t_-1/t_т.

При возникновении в детали нормальных и касательных напряжений, удовлетворяющих условию: или , расчет проводится по s_т .

При условиях или расчет проводится по t_т .

Значения a_s и a_t приведены в табл. П.4, а для значения s_-1, s_В, s_т, s_1р, t_т, t_-1 приведены в табл. П.5, П.6.

Для чугуна можно принять a_s = 0,3...0,7; a_t = 0,5...07.

При отсутствии данных для условий I и II запас прочности определяют по s_т и t_т.

Из двух значений оценку производят по меньшему. Запасы прочности находят

по пределу усталости s_т:

; ;

по пределу текучести t_т:

; .

Влияние на усталостную прочность формы детали, размеров и поверхностной обработки учитывают коэффициентами:

1. Коэффициент концентрации напряжений, который зависит от К_t, К_s, a_кs, от формы детали: острых кромок, галтелей малых радиусов, отверстий, выточек. Эффективный коэффициент концентрации напряжений.

2. Масштабный коэффициент e_М, учитывает размеры детали.

3. Коэффициент поверхностной чувствительности e_п.

Теоретическим коэффициентом концентрации напряжений называют отношение наибольшего местного напряжения к номинальному при статической нагрузке , значение a_кs в табл. П.16.

Таблица П.16

Влияние на предел прочности не только геометрии, но и свойств материала образца учитывает эффективный коэффициент концентрации напряжений К_s при переменных напряжениях. , где s_-1 и – пределы усталости гладкого образца и с концентратором.

Связь между a_кs и К_s следующая: К_s = 1+q(a_кs-1), где q – коэффициент чувствительности материала к концентрации напряжений, q=0...1.

Для серого чугуна q=0; для высокопрочных и ковких чугунов q=0,2...0,4; для высокопрочных легированных сталей до 1.

Влияние внутренней структуры материала при отсутствии влияния формы и качества обработки можно оценить зависимостью: К_s = =1,2+1,8×10^-4 (s_В-400), где s_В – предел прочности, МПа, причем К_t=(0,4...0,6) К_s.

Масштабный фактор – это отношение s_-1 образца с диаметром d_к к пределу усталости с диаметром d=10мм. Значения e_м приведены в табл. П.17.

Таблица П.17

Коэффициент поверхностной чувствительности e_п есть отношение s_-1 образца с заданной поверхностью обработкой к s_-1 такого же образца с полированной поверхностью. Обычно e_пs = e_пt. значения которых приведены в табл. П.18.

Таблица П.18

С учетом влияния всех этих коэффициентов максимальное напряжение цикла ; .

Запасы прочности: по пределу усталости s_-1:

; .

При расчетах по t_-1 имеем:

; , где ; .

Общий запас прочности при сложном напряженном состоянии, когда одновременно действуют и касательные, и нормальные напряжения, равен

.

При повышении температуры предел усталости обычно падает и у гладких образцов, и у образцов с концентраторами.

Величина допускаемого запаса прочности зависит от качества материала, характера действующих нагрузок, вида деформаций, температур и других факторов.

Так определяли запасы прочности лет 20 назад. В настоящее время для всех основных деталей изделия каждой отрасли промышленности установлены запасы прочности на основе длительных испытаний натурных образцов, т.е. самих деталей.