![]() Главная страница Случайная страница КАТЕГОРИИ: АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника |
Расчет деталей с учетом переменной нагрузки
Практически все детали автомобильных и тракторных двигателей даже на установившихся режимах работают в условиях переменных нагрузок. Влияние не только максимальных величин нагрузок, но и характера их изменения по времени на работоспособность деталей автомобильных и тракторных двигателей значительно увеличивается при повышении частоты вращения и степени сжатия. В связи с этим ряд ответственных деталей современных двигателей рассчитывают на статическую прочность от действия максимальной силы и на усталостную прочность от действия постоянно изменяющихся нагрузок. Усталостная прочность деталей зависит от: характера изменения нагрузки, вызывающей симметричное, асимметричное или пульсирующее напряжение в рассчитываемой детали; пределов усталости σ -1, σ -1Р и τ -1 (соответственно при изгибе, растяжении - сжатии и кручении) и текучести σ Т и τ Т материала детали; от ее формы, размеров, механической и термической обработки, упрочнения поверхности детали. В зависимости от характера изменения действующей нагрузки в детали возникают напряжения, которые изменяются по симметричному, асимметричному или пульсирующему циклам. Характеристиками каждого цикла являются: максимальное σ MAX и минимальное σ MIN напряжения, среднее напряжение σ m, амплитуда цикла σ a и коэффициент r асимметрии цикла. Соотношения между характеристиками для указанных циклов приведены в табл. 9.
Таблица 9. Соотношения между характеристиками циклов
При статических нагрузках за предельное напряжение принимают предел прочности σ В или предел текучести σ Т. Предел прочности используется при расчетах деталей, выполненных из хрупкого материала, а для пластичных материалов за опасное напряжение принимается предел текучести. При переменных нагрузках за опасное напряжение принимается предел усталости σ r (для симметричного цикла σ r = σ -1; для пульсирующего σ r = σ 0) или предел текучести σ Т. При расчете деталей соответствующий предел зависит от асимметрии цикла напряжений. При возникновении в детали нормальных или касательных напряжений, удовлетворяющих условию
расчет производится по пределу усталости. При возникновении в детали напряжений, удовлетворяющих условию
расчет производится по пределу текучести. Здесь β σ и β τ - отношение предела усталости при изгибе или кручении к пределу текучести:
α σ и α τ - соответственно коэффициенты приведения асимметричного цикла к равноопасному симметричному при нормальных и касательных напряжениях. Значения α σ и α τ для сталей с различными пределами прочности приведены в табл. 10. Для чугуна α σ = (0, 3…0, 7); α τ = (0, 5…0, 7). Таблица 10. Значения α σ и α τ для сталей с различными пределами прочности
При отсутствии данных для решения уравнений (5.1) и (5.2) запас прочности детали определяют или по пределу усталости, или по пределу текучести. Из двух полученных значений прочность оценивают по меньшему коэффициенту. Для приближенной оценки пределов усталости при переменной нагрузке используют эмпирические зависимости: для сталей σ -1 = 0, 40·σ В; σ -1Р = 0, 28·σ В; τ -1 = 0, 22·τ В; σ -1Р = (0, 7…0, 8)·σ -1; τ -1 = (0, 4…0, 7)·σ Т; для чугуна σ -1 = (0, 3…0, 5)·σ В; σ -1Р = (0, 6…0, 7)·σ В; τ -1 = (0, 7…0, 9)·σ -1; τ Т = (0, 2…0, 6)·σ В; для цветных металлов σ -1 = (0, 24…0, 5)·σ В. Основные механические характеристики для сталей и чугуна приведены в табл. 11 и 12. Запас прочности без учета формы, размеров и обработки поверхности деталей определяется из выражений: при расчете по пределу текучести
при расчете по пределу усталости
Таблица 11. Механические свойства легированных сталей, МПа
Таблица 12. Mexaнические свойства серых чугунов
Влияние на усталостную прочность детали ее формы, размеров и качества обработки поверхности учитывают следующими величинами: 1. коэффициентами концентрации напряжений: теоретическим α кσ и эффективным kσ (kτ ), учитывающими местное повышение напряжений в связи с изменением формы детали (отверстия, выточки, галтели, резьбы и т. п.); 2. масштабным коэффициентом ε М, учитывающим влияние абсолютных размеров тела на предел усталости; 3. коэффициентом поверхностной чувствительности ε П, учитывающим влияние состояния поверхности детали на предел прочности. Теоретическим коэффициентом концентрации напряжений называют отношение наибольшего местного напряжения к номинальному при статической нагрузке без учета эффекта концентрации
Значения α Кσ для ряда наиболее распространенных концентраторов приведены в табл. 13. Влияние на предел прочности не только геометрии концентратора, но и материала образца учитывают эффективным коэффициентом концентрации напряжений kσ . При переменных напряжениях
где σ -1 и σ к-1 - предел усталости гладкого образца соответственно при симметричном цикле и с концентратором. Таблица 13. Значения α Кσ для ряда наиболее распространенных концентраторов
Связь между коэффициентами α Кσ и kσ выражается следующей Приближенной зависимостью:
где q - коэффициент чувствительности материала к концентрации напряжений (изменяется в пределах 0 < q < 1). Величина q зависит в основном от свойств материала: - для серого чугуна ……………………………… 0 - для высокопрочных и ковких чугунов ……….. 0, 2…0, 4 - для конструкционных сталей …………………. 0, 6…0, 8 - для высокопрочных легированных сталей …… 1, 0
Кроме того, коэффициент q можно определить по соответствующим графикам, приведенным на рис. 18.
При проектировании деталей двигателя следует свести к минимуму влияние местных напряжений, чтобы увеличить усталостную прочность. Это достигается увеличением радиусов закругления во внутренних углах детали, расположением отверстий в зонах пониженных напряжений и т. д. Масштабным коэффициентом ε M называют отношение предела усталости образца с диаметром d к пределу усталости стандартного образца (dст = 10 мм). Значения коэффициента ε M для конструкционных сталей и высокопрочных чугунов приведены в табл. 14.
Таблица 14. Значения масштабных коэффициентов ε M в зависимости от размера детали
* Для деталей размером меньше 10 мм значения ε Mσ и ε Mτ могут достигать 1, 1…1, 2 (ε Mσ - это ε M при растяжении - сжатия в изгибе, ε Mτ - это ε M при кручении).
Коэффициентом поверхностной чувствительности ε П называют отношение предела усталости образца с заданным состоянием поверхности к пределу усталости такого же образца, но с полированной поверхностью. Значения коэффициента ε Пσ ≈ ε Пτ для различных состояний поверхности приведены в табл. 15.
Таблица 15. Значения коэффициента ε Пσ ≈ ε Пτ для различных состояний поверхности
Примечание. При поверхностном упрочнения детали вид предварительной механической обработан не влияет на величины ε Пσ и ε Пτ . С увеличением коэффициента концентраций напряжений kВ и с уменьшением размеров детали значения ε Пσ и ε Пτ увеличиваются.
Для повышения усталостной прочности рекомендуется высокая чистота поверхности, особенно вблизи концентраторов. Ответственные детали, работающие в тяжелых условиях циклических напряжений, обычно шлифуют и полируют, а в ряде случаев производят механическое или термическое упрочнение. С учетом влияния концентрации напряжений, размера и качества обработки поверхности детали максимальное напряжение цикла (МПа)
или
а запасы прочности: при расчете по пределу усталости
при расчете по пределу текучести
где При сложном напряженном состоянии общий запас прочности детали при совместном действии на нее касательных и нормальных напряжений
где nσ и nτ - частные коэффициенты запаса прочности. Для определения минимального общего запаса прочности следует в формулу (5.19) подставить минимальные значения nσ и nτ . Влияние температуры на усталостную прочность сказывается в том, что с ее повышением предел усталости обычно падает у гладких образцов и у образцов с концентраторами. Величина допускаемого запаса прочности зависит от качества материала, вида деформаций, условий работы, конструкции, характера действующих нагрузок и других факторов. От правильного установления допускаемого напряжения зависит прочность и безопасность проектируемой конструкции, количество затрачиваемого материала.
|