Влияние поверхностных дефектов масла

May 28, 2023

Том 12 научных отчетов, номер статьи: 21131 (2022) Цитировать эту статью

419 Доступов

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Целью данного исследования является оценка усталостной долговечности клапанной пружины автомобильного двигателя при нанесении микродефекта на закаленную в масле проволоку (проволока ОТ) класса 2300 МПа с диаметром критической глубины дефекта 2,5 мм. Во-первых, деформация поверхностных дефектов проволоки OT во время процессов изготовления клапанной пружины была получена с помощью анализа КЭ с использованием метода субмоделирования, а остаточное напряжение последней пружины было измерено и применено к модели анализа напряжения пружины. Во-вторых, была проанализирована прочность пружины клапана, чтобы проверить наличие остаточного напряжения и сравнить уровни приложенного напряжения по поверхностному дефекту. В-третьих, влияние микродефектов на усталостную долговечность пружины оценивали путем приложения нагрузки на поверхностный дефект, полученной в результате анализа прочности пружины, к кривой S-N, полученной в результате испытания на усталость при вращательном изгибе с проволокой OT. Глубина дефекта 40 мкм, являющаяся существующим критерием борьбы с поверхностными дефектами, не снижает усталостную долговечность.

Легкие автомобильные детали пользуются большим спросом в автомобильной промышленности для повышения топливной эффективности автомобилей. Следовательно, в последние годы растет применение современной высокопрочной стали (AHSS). Пружина клапана автомобильного двигателя в основном состоит из закаленной в масле проволоки (провод OT) с высокой термостойкостью, усталостной прочностью и устойчивостью к провисанию.

Используемые в настоящее время проволоки ОТ способствуют уменьшению габаритов и массы клапанных пружин двигателя благодаря их высокой прочности на разрыв (1900–2100 МПа); они могут повысить эффективность использования топлива за счет уменьшения трения с окружающими деталями1. Благодаря этим преимуществам использование проводов высокого напряжения быстро растет, и были разработаны сверхвысокопрочные провода класса 2300 МПа. Для пружин клапанов автомобильных двигателей требуется длительный усталостный срок службы, поскольку они работают в условиях высоких уровней циклических напряжений. Чтобы удовлетворить этому требованию, производители обычно проектируют клапанные пружины с учетом усталостной долговечности, превышающей 5,5 × 107 циклов, и прикладывают остаточное напряжение к поверхности клапанных пружин посредством процессов дробеструйной обработки и горячей настройки, чтобы улучшить их усталостную долговечность2.

Было проведено достаточно различных исследований усталостной долговечности автомобильной винтовой пружины в обычных условиях эксплуатации. Гзал и др. представил аналитический, экспериментальный анализ и анализ методом конечных элементов (FE) винтовой пружины эллиптического поперечного сечения с небольшим углом спирали под статической нагрузкой. Это исследование дает явное и простое выражение для определения местоположения максимального напряжения сдвига как функции соотношения сторон и индекса пружины и позволяет получить максимальное напряжение сдвига аналитически, т. е. важнейший параметр с точки зрения практического проектирования3. Пасторчич и др. описал результаты анализа отказов и усталости винтовой пружины, снятой с личного автомобиля после выхода из строя в эксплуатации. С помощью экспериментальных методов была исследована сломанная пружина, и по результатам можно сделать вывод, что это пример коррозионно-усталостного разрушения4. Конг и др. разработала несколько моделей долговечности пружин на основе линейной регрессии для оценки усталостной долговечности автомобильных винтовых пружин5. Путра и др. определил срок службы автомобильной винтовой пружины из-за неровностей дорожного покрытия. Однако было проведено мало исследований о том, как дефекты поверхности, возникающие в процессе производства, влияют на срок службы автомобильной винтовой пружины6.

Поверхностные дефекты, возникающие в процессе производства, вызывают локальную концентрацию напряжений в клапанных пружинах, тем самым значительно снижая их усталостную долговечность. Поверхностные дефекты клапанных пружин вызваны различными факторами, такими как поверхностные дефекты используемого сырья, дефекты инструментов и небрежное обращение в процессе холодной навивки7. Поверхностные дефекты сырья имеют V-образную форму с крутым уклоном из-за процессов горячей прокатки и многопроходного волочения, тогда как дефекты, вызванные формовочными инструментами и небрежным обращением, имеют U-образную форму с пологим наклоном8,9. 10,11. V-образные дефекты вызывают более высокие концентрации напряжений, чем U-образные; поэтому к исходным материалам обычно применяются строгие стандарты управления дефектами.