8.2. Передумови для розрахунку. Розрахункові режими

Передумови для розрахунку. Розрахунок деталей двигуна вбирає в себе такі етапи складання розрахункової схеми, яка відображує най­більш істотні особливості конструкції і умови навантаження деталей, аналіз цієї схеми за допомогою сучасних методів розрахунку, форму­вання на підставі виконаного аналізу практичних висновків щодо конк­ретної конструкції.

На деталі автомобільних двигунів діють: сили тиску газів, інерції, тертя, моменти від цих сил, а також навантаження від коливань, через нерівномірність їх нагрівання і деформації під час складання. Напруже­ний стан деталей у результаті дії механічних та теплових навантажень складний, тому і методи розрахунку, що застосовуються, повинні врахо­вувати ці особливості. Досвід експлуатації автомобільних двигунів свід­чить, що більшість руйнувань носить втомний характер. Тому основним для сучасних автомобільних двигунів є розрахунок на втомну міцність. Це, насамперед, стосується таких відповідальних деталей, як колінчас­тий вал, шатун і ряд інших. Межами напружень, при яких ці деталі мо­жуть надійно працювати, є напруження, які визначаються з умов втомної міцності. Ці напруження залежать не тільки від конструкції, матеріалу, термообробки, але й від ряду факторів, вплив яких урахувати не завжди можливо. До числа цих факторів відносяться: характер зміни наванта­ження, форма та розміри деталі, стан поверхні та ін.

Напружений стан деталі оцінюють за максимальним σ_макс, мініма­льним σ_мін та середнім σ_т (постійна складова циклу) напруженнями циклу та за амплітудою напружень σ_а (перемінна складова циклу) (рис. 8.1).

Амплітуда та середнє напруження циклу відповідно дорівнюють ал­гебраїчній піврізниці та півсумі від σ_макс і σ_мін:

Тоді максимальне напруження циклу складає σ_макс = σ_т + σ_а. Співвідношення між напруженнями σ_макс, σ_мін, σ_а та σ_т для симет­ричного, знакозмінного та однознакового пульсуючого циклів наведені у табл. 8.1.

Таблиця 8.1

Співвідношення між напруженнями для різних циклів

Ступінь асиметрії циклу виражається коефіцієнтом асиметрії:

Найбільш небезпечним циклом для втомного руйнування є симет­ричний, у якого

σ_а =σ_макс. Руйнування виникають у зонах концентрації напружень. Втомні руйнування можуть виникати від змінних ударних, контактних та термічних навантажень.

Опір втомі деталей залежить від масштабного фактора - абсолют­них розмірів деталей; фактору форми - концентрації напружень; техно­логічного фактору - шорсткості поверхні; характеристик циклу на­вантаження; типу напруженого стану (згин, скручування, розтягування, стиск); термічної, хіміко-термічної обробки та методів механічного зміц­нення поверхні.

Якщо деталі мають форму та розміри поперечних перерізів, що змінюються за довжиною (колінчастий вал, шатун та інші), то у місцях переходів, у галтелях, по різьбі і т. д. виникає концентрація напружень, яка зростає у міру збільшення пластичності металу та статичної харак­теристики міцності.

Нерівномірність напружень або фактори форми при циклічних на­вантаженнях характеризуються ефективними коефіцієнтами концентра­ції нормальними та дотичними К_σ та К_τ, які залежать від характеру навантаження, механічних якостей металу тощо. За експериментальни­ми даними, зв'язок між коефіцієнтами К_τ та К_σ встановлюється зале­жністю:

Ефективні коефіцієнти концентрації виражаються співвідношення­ми границь витривалостей гладкого зразка без концентрації напружень σ_-1зраз , τ_-1зраз, виготовленого із того ж матеріалу і з тією ж якістю обробки поверхні, що і розрахункова деталь, до границь витривалостей деталі σ_-1дет , τ_-1дет при наявності концентрації напружень:

де σ_-1 — границя витривалості для згину при симетричному циклі; τ_-1 — аналогічно для крутіння.

При збільшенні абсолютних розмірів деталі імовірність виникнення структурної неоднорідності металу та поява у ньому мікротріщин при перемінних навантаженнях зростає. Мікротріщини згодом перетворю­ються у макротріщини, навколо яких виникає концентрація напружень.

Абсолютні розміри деталі при розрахунках враховуються масш­табними факторами ɛ'_σ та ɛ'_τ , які дорівнюють відношенню границь витривалостей натурної деталі і гладких зразків діаметром 10 мм, виго­товлених із того ж металу, що і деталі, тобто

У табл. 8.2 наведені значення масштабних факторів конструкційних сталей для нормальних та дотичних напружень.

Таблиця 8.2