Расчет на сопротивление усталости

Наряду с обеспечением статической прочности при однократном нагружении следует обратить внимание вопросам усталостной прочности (выносливости), т.е. способности конструкции выдерживать действие сравнительно малых нагрузок, но повторяющихся большое число раз за период эксплуатации автомобиля.

Большинство деталей автомобиля в процессе работы подвергаются воздействию напряжений, переменных во времени. Если величина переменных напряжений превосходит определенный предел, то в материале деталей происходит процесс постепенного накопления повреждений, которые приводят к образованию микроскопических трещин. Трещина, постепенно развиваясь и ослабляя сечение, вызывает в некоторый момент времени внезапное разрушение детали. Дефекты, заложенные в деталях при их изготовлении (трещины, неметаллические включения и т. п.), могут представлять начальные трещины. Указанный процесс постепенного накопления повреждений в материале детали под действием переменных напряжений, приводящих к изменению свойств, образованию трещин, их развитию и разрушению детали, называют усталостью материала. Сопротивление усталости зависит от вида деформации (изгиб или кручение) и характера изменений напряжений во времени.

Рис.1.16. Циклы изменения напряжений

а) б) в)

Для определения характеристик сопротивления усталости лабораторных образцов или деталей из определенного материала проводят их испытания, регламентированные ГОСТом. При расчете на усталость необходимо прежде всего установить характер нагружения. Циклическое нагружение характеризуется следующими основными параметрами: амплитудой напряжений о_a, средним напряжением о_т, частотой нагружения f и формой цикла (рис.1.16).

Для симметичного цикла нагружения (рис.1.16.а)

°max = °min ^{, О}т = ⁽Onax + °mrn ^{) / 2} = ⁰ I

для асимметричного (рис.1.16.б)

О ФО ■

max min,

для отнулевого цикла (рис.1.16.в)

°min = ⁰.

Степень асимметрии цикла характеризуется коэффициентом ассимметрии R

^R = °mm ^/ °max.

В реальных условиях эксплуатации трудно установить действительный вид цикла нагружения. Поэтому принято расчет выполнять условно по номинальной нагрузке, а циклы напряжений принимать симметричными для напряжений изгиба с амплитудой и средним напряжением, определяемым формулами

^О a = О ^{, О}т = ⁰,

а пульсационным - для напряжений кручения с амплитудой и средним напряжением, определяемым формулами

^Ta = ^{0, 5T}k ^{, Т}т = ^Тa.

При расчете агрегатов на сопротивление усталости необходимо учитывать следующие факторы, влияющие на их прочность: характер нагружения, статические и усталостные характеристики материалов, изменение предела выносливости вследствие концентрации напряжений и влияния абсолютных размеров, состояния поверхности и поверхностное упрочнение.

При совместном действии напряжений кручения и изгиба запас сопротивления усталости s определяют по формуле

5 = 1/^(1/So)² + (1/S_T)²,

где s_o - коэффициент запаса сопротивления усталости по изгибу:

S_a=0_J [KoOa /(K_dK_v) _{+¥ а}От ], ^st - коэффициент запаса сопротивления усталости по кручению:

= T_J [Kj_a /(KdKv) +УТт ].

Значения пределов выносливости при изгибе а_-1 и кручении т_-1 при симметричном цикле наряжений можно принять

а-1 - (0, 4...0, 5)а_в, Т-1 - (0, 2...0, 3)а_в, Т_в - (0, 55...0, 65)а_в,

где а_в - предел прочности для выбранного материала.

Коэффициенты у_а и Wt характеризуют это влияние постоянной составляющей цикла напряжений на сопртивление усталости и зависят от механических характеристик материала. Величины К_а и К_Т - коэффициенты, учитывающие концентрацию напряжений при изгибе и кручении. Влияние абсолютных размеров изделия оценивается коэффициентом K_d. Коэффициент K_v учитывает шероховатость поверхности.

Экспериментально установлено, что с увеличением среднего напряжения цикла а_т или Т_т сопротивление усталости деталей снижается.

Для опасных сечений определяют действительный коэффициент запаса прочности s и сравнивают его с допускаемым. Допускаемые значения запаса прочности [s] обычно назначают на основе опыта проектирования и эксплуатации конструкций.

 

Контрольные вопросы

1. Какие силы действуют на автомобиль при движении?

2. Сформулируйте расчетные случаи для трансмиссии?

3. Сформулируйте расчетные случаи для ходовой части?

4. Сформулируйте расчетные случаи для подвески?

5. Сформулируйте расчетные случаи для рулевого управления?

6. Сформулируйте расчетные случаи для несущей системы?

7. Сформулируйте расчетные случаи для тормозной системы?

8. В чем заключается проектировочный расчет?

9. В чем заключается поверочный расчет?

10. Какие причины приводят к усталостному разрушению?