Многоцикловая усталость и оценка выносливости деталей поршневых двигателей

Д оля усталостных поломок деталей ДВС достигает 20 %. Поэтому для деталей кривошипно-шатунного механизма, механизма газораспределения, элементов корпуса двигателя, силовых шпилек и болтов необходим расчет на выносливость. При переменных напряжениях разрушения возникают при меньших значениях, чем при статических. Обычно они возникают в местах концентрации напряжений по нормали к поверхности трещины. Изменение напряжений за один период называется циклом (рис. 12) и характеризуется максимальными (s_max, _max ), минимальными (s_min, _min ) и средними (s_m, t_m ) напряжениями, а также амплитудой s_a, и t_a.

s_m = 0,5(s_max +s_min ), t_min = 0,5 (t_max + t_min), (2.16)

s_a = 0,5(s_max - s_min ), t_a = 0,5 (t_max - t_min). (2.17)

Кроме того, вводится коэффициент асимметрии цикла r = (s_max/ s_min). Различают симметричный цикл при r = -1, s_m = 0, пульсирующий s_min = 0, s_m = s_a = 0,5s_max; при r<0 цикл знакопеременный.

Предел выносливости s_-1 определяют экспериментально на гладких цилиндрических образцах на базе числа циклов нагружения N = =(1…2)10⁷ для сталей, N = (0,1…1)10⁸ для легких сплавов. Для сталей с s_в (400…1500) МПа s_-1  (0,45…0,5) s_в при изгибе, или более точно s_-1  (0,55-0,0001s_в) s_в, для стального литья и чугуна s_-1 » 0,45s_в, для цветных металлов s_-1 » (0,25…0,5) s_в, для касательных напряжений t_-10,6s_-1. Обычно полученные экспериментально значения предельных напряжений и амплитуд схематизируют. На рис. 13 приведена диаграмма предельных напряжений.

Кроме этого, учитываются коэффициенты асимметрии цикла

; , (2.18)

( табл. 2) коэффициенты концентрации напряжений k_, k_, коэффициенты масштабного фактора и поверхностной обработки _м, _п. Значения коэффициентов и физико-механические свойства материалов берут из табл. П.1  П.8.

Таблица 2

Коэффициент чувствительности к асимметрии цикла

Коэффициент чувствительности к асимметрии цикла	в, МПа
	150-520	520-720	720-1000	1000-1200	1200-1400
	0	0,05	0,10	0,20	0,25
	0	0	0,05	0,10	0,15

Таблица 3

Коэффициенты запасов прочности для типовых деталей двс

Деталь	Материал детали	Диапазон [n] для МКЭ	Диапазон [n] для инженерных методик
Блок-картер	Сталь 20, 20Л	1,8...2,2	3,5…5
	Чугун ЧШГ	1,9…2,2	4…5
Коленчатый вал	Сталь (кованая)	1,6…1,9	3,5…5
	Чугун (ЧШГ)	1,7…2,0	3,5…4
Поршень (головка)	Сталь	1,5…1,9	3…4
	Чугун	1,6…2,0	3,5…4
Поршень (тронк)	Алюмин. сплав (АК)	1,4…1,7	3…3,5
Поршневой палец	Сталь (ГОСТ 4543-71)	1,6…2,0	3,5…4
Шатуны	Сталь (ГОСТ 4343-71)	1,6…2,0	3,5…4
Втулка цилиндра	Чугун (ХНМ)	1,5…1,8	3…4
Головка цилиндра	Чугун (ЧШГ)	1,4…1,6	3…3,5

Все эти сведения нужны при расчетах напряжений по инженерным методикам. При квалифицированных расчетах МКЭ автоматически учитываются и масштабный фактор, и концентрация напряжений, и поверхностная обработка, и особенности нагружения в эксплуатации, поэтому коэффициенты запаса n для типовых деталей ДВС берут из табл. 3.

Д етали форсированных двигателей работают в условиях переменных по длительности циклов нагружения с выдержками при максимальной температуре, что приводит к резкому уменьшению числа циклов до разрушения. Могут возникать неизотермически мягкое (рис. 14, а) и неизотермически жесткое (рис. 14, б) нагружения. При высоких циклических температурах появляется малоцикловая усталость (рис. 15), которая резко снижает долговечность вследствие возникающих процессов ползучести в материале.

В этих случаях необходимо решать упругопластические задачи. На практике эти задачи решаются двумя методами – с применением метода переменных параметров упругости или с использованием теории ползучести.

В случае многоосного напряженного состояния обычно используют энергетические условия начала пластической деформации Максвела – Хубера  _i= _т, по которому пластическая деформация возникает при интенсивности напряжений _i, достигающей предела текучести при растяжении _т. Здесь по теории малых упругопластических деформаций изменение деформаций от напряжения рассматривается в виде обобщенного закона Гука:

(2.19)

где Е,G – модули упругости материала первого и второго рода; , _т – соответственно коэффициент Пуансона и коэффициент линейного расширения; Т – изменение температуры в рассматриваемой точке детали. Принимается, что параметры упругости E, G,  являются переменными для каждой точки тела и определяются следующими зависимостями:

; ; , где . (2.20)

Н а рис. 16 схематично показан процесс последовательных приближений при решении упругопластической задачи. Вначале по формулам (2.12) и (2.13) вычисляются интенсивности деформаций _i0 и напряжений _i0. В первом приближении величина точки 0₁ заменяется на

( ), при этом интенсивность напряжений равна ;

E= 3G*;

,

а *=_т материала.

Ползучесть

Основные детали двигателя, в том числе детали цилиндро-поршневой группы, работают при повышенных температурах. При этом в конструктивных материалах проявляются свойства ползучести и длительной прочности.

Под ползучестью понимают пластическую остаточную деформацию детали в зависимости от рабочей температуры, действующих нагрузок и времени. При этом в связи с протекающими остаточными деформациями в детали уменьшаются усилия, которые вызвали деформацию, и дальнейшая деформация при данной температуре прекращается. Это явление называется релаксацией напряжений. Оба процесса обычно происходят одновременно. На рис. 17 показаны деформации ползучести сплава АК4-Т, который часто применяется для поршней, для различных случаев приложения нагрузок.

В кривой ползучести можно выделить три участка (рис. 17, а – участок упругого деформирования не учитывается): I – участок, где скорости деформирования за счет упрочнения уменьшаются до скорости, которая сохраняется на протяжении второй стадии деформирования (II – участок), на третьем участке (III) скорость ползучести возрастает и заканчивается разрушением, причем при вязком разрушении образуется шейка на образце растяжения, а при хрупком – образуются внутренние трещины. Для вязкоупругих материалов кривая ползучести сохраняет свой вид и при постоянном нагружении, и при пульсирующем, или синусоидальном, переменном во времени нагружении. Исследования О.В. Соснина, Б.В. Горева, А.Ф. Никитенко [5] показали, что продолжительность процесса ползучести не зависит от чередования и времени приложения к образцу нагрузок и температур, а зависит от общей работы разрушения (или разупрочнения), которая определяется площадью под кривой ползучести (рис. 17, а – площадь заштрихована).

В общем случае скорость разрушения вязкоупругого материала в процессе ползучести может быть описана уравнением

, (2.21)

где A_* – энергия разрушения данного материала.

_э – эквивалентное напряжение

. (2.22)

Константы ,  и b определяются из экспериментальных данных: = 0 при кручении, = при растяжении, = при сжатии.

Энергетический вариант теории ползучести позволяет определять долговечность деталей ДВС с учетом истории нагружения, учитывающей любые изменения температурно-силового диапазона, и совпадает с теорией длительной прочности. Под длительной прочностью понимают время в часах, в течение которого материал выдерживает нагрузку при заданных температуре и напряжениях. Например, сталь 40Х10С2М при 550 С выдерживает нагрузку _дл = 24^кг/_мм² в течение 100 ч (табл. П.10).