Russian Federation
g. Himki, Moscow, Russian Federation
graduate student
The article presents the analysis and test results of the welded seam of the shock absorber support for fatigue strength. A method for the accelerated determination of the endurance limit based on the extrapolation of the experimentally obtained portion of the fatigue curve from the area of high loads to the area of loads corresponding to the endurance limit is proposed. The method includes the calculation of the stress-strain state under static loading, the calculation of the average stress sensitivity, the study of factors affecting the fatigue strength of the material, the test at a step-increasing load in order to determine the endurance limit. This method is low-cost and is especially effective for parts with complex design and geometry.
applied methods of mathematical data processing, fatigue strength, testing, shock absorber support.
Амортизаторы автомобиля, предназначенные для поглощения силы ударов и толчков, играют важнейшую роль в обеспечении безопасности движения, в частности, неисправные амортизаторы ощутимо увеличивают тормозной путь автомобиля. Остановить машину с неполноценными амортизаторами становится еще труднее, если на нем, вдобавок, установлена антиблокировочная система (АБС).
Опоры амортизаторов, как и сами амортизаторы, подвержены ударным и вибрационным нагрузкам. Опора амортизатора в совокупности с амортизатором способствуют улучшению сцепления колес с дорогой, управляемости автомобиля, гашению вибраций, идущих с колес; защищают кузов от ударов и разрушений. В этой связи целью данной работы является определение усталостной прочности сварного шва в опоре амортизатора методом ускоренных испытаний с применением прикладных методов математической обработки данных.
Данные исследования проводились в лаборатории Оснабрюкского университета (Германия) в ходе стажировки в рамках программы обмена студентами.
Объектом исследований в данной работе является сварной шов опоры амортизатора (рис. 1), опора амортизатора является важнейшим элементом амортизатора, поскольку служит для передачи нагрузок между амортизатором и подвеской автомобиля. Изготавливается опора из высокопрочного алюминиевого сплава (AlSi7Mg0,3) методом литья под низким давлением. Между опорой амортизатора и самим амортизатором находится резиновая прокладка для гашения ударов и вибрации.
Качество сварного шва опоры амортизатора во многом характеризует надежность и долговечность функционирования данного узла. Кроме того, для быстрой отработки новых конструкций и обеспечения их заданной долговечности сокращение времени усталостных испытаний автомобильных деталей имеет большое значение для контроля качества серийной продукции.
При испытании деталей на долговечность в стендовых условиях ускорение может быть достигнуто более интенсивным развитием повреждения, чем в эксплуатации.
Применительно к ускоренным испытаниям на усталостную прочность можно выделить два подхода, реализуемых различными способами. Один из них основан на линейной гипотезе накопления повреждений. Режим испытаний при этом представляет собой упрощенную разновидность программных испытаний, когда накопление усталости происходит последовательно на различных уровнях. Число циклов до разрушения при таких испытаниях является мерой накопленного повреждения испытанной детали и позволяет, используя гипотезу суммирования, определить область соответствующего ей значения предела выносливости.
Другой подход – ускоренное определение пределов выносливости – основан на экстраполяции полученного экспериментального участка кривой усталости из области высоких нагрузок до нагрузок, соответствующих пределу выносливости. Параметры кривой усталости связаны с пределом выносливости. Испытания проводились в несколько этапов.
Первый этап включает расчет напряженно-деформированного состояния при статическом нагружении при помощи метода конечных элементов (МКЭ) в программе CATIA. Результат расчета показан на рис. 2. Нагрузка при этом составляет 2,5 кН и равна амплитуде средних нагрузок при эксплуатации автомобиля. В результате расчетов определено максимальное напряжение в 95 МПа, являющееся локальным пиковым напряжением. Соответственно, конструктивный элемент под максимальным напряжением разрушается.
Четвертый этап – испытание при ступенчато-возрастающей нагрузке с целью определения предела выносливости.
Поскольку вычислительные процессы и моделирование позволяют дать лишь приблизительное представление о реальных условиях и результатах, результаты вычислительного анализа усталостной прочности должны быть проверены сравнением с экспериментальными данными.
Испытания при ступенчато-возрастающей нагрузке заключаются в том, что деталь испытывают при ступенчатом увеличении нагрузки, начиная с некоторого начального напряжения 
, которое повторяется в течение 
циклов. Без промежутков напряжение увеличивают на величину 
до уровня σ1, и на этом уровне испытания продолжаются в течение 
циклов и так далее – до разрушения детали. Число циклов на последней ступени напряжения 
определяется разрушением образца и может быть равно или меньше 
. Испытания проводятся с соблюдением постоянства средней скорости увеличения напряжений 
.
Режимы испытаний наносят на диаграмму, на которой в осях координат «напряжение – число циклов» изображают фактическую или предполагаемую кривую усталости и ее крайние возможные положения для данной детали. Далее суммируют отношение 
(
– суммарное количество циклов на всех «ступенях») на различных ступенях нагрузки для каждой из трех кривых усталости. По полученным результатам суммирования, путем графического интерполирования, определяют уровень напряжений, для которого сумма повреждений соответствует единице. Это напряжение считается пределом выносливости испытываемой детали.
В начале испытаний объект устанавливается на стенде (рис. 5), при испытаниях учитываются циклы нагружения во времени. Испытательный стенд позволяет моделировать динамическую нагрузку. Вертикальная опора приваривается под углом 2,8о на фундаментной плите и регулирует уклон автомобильной рамы и опоры амортизатора.
Нагрузка, воссоздаваемая при испытаниях (эксперименте), должна быть максимально приближена к реальной, поэтому опора амортизатора расположена под углом и вращается в направлении гидравлического цилиндра. Экспериментальная нагрузка прикладывается под углом по отношению к фундаментной плите.
Эксперимент выполняется с испытательной частотой 7 Гц. При 106 циклов нагружения испытание длится 39,68 часов (1,65 суток). Заданный срок службы составляет 150 000 км. Статическая нагрузка равна 1836 Н.
Если в процессе испытаний отказ не фиксируется, то нагрузка продолжает расти (рис. 6). Утверждено шесть последовательных «ступеней» нагрузки для объекта испытания (табл. 2). Каждая «ступень» составляет примерно 106 циклов нагрузки, в общей сложности – 6,28·106. Увеличение нагрузки между последующей и предыдущей «ступенями» находится в пределах 19% и, начиная со второй «ступени», увеличивается до 300%. По отношению к первой «ступени» увеличение нагрузки составляет 377%.
На основе результатов тензометрии (измерение деформации) было зафиксировано относительное удлинение в области зоны отказа (ступень нагрузки 6, табл. 2). Оно составило примерно 0,3%. Это говорит о том, что трещина возникла в области А и стала распространяться в область Б.
Анализ результатов и выводы
1. Ускоренные испытания на основе ступенчато-возрастающей нагрузки – это малозатратный процесс и особенно эффективен для деталей со сложной конструкцией и геометрией.
2. Результаты испытания служат оценкой усталостной прочности сварных швов и соответствуют норме немецкого промышленного стандарта EN 571–1.
3. Преимущества ускоренного метода:
– метод испытания при ступенчато-возрастающей нагрузке является универсальным и применим для контроля качества различных деталей автомобиля;
– данный метод применим для различных видов деформаций и разной асимметрии цикла изменения нагрузки;
– для деталей любого типа может быть установлен оптимальный режим изменения ступенчатого нагружения, обеспечивающий наиболее короткое время испытаний без уменьшения точности определения предела выносливости;
– разброс результатов при ступенчатом нагружении незначительный. Изменение зоны разброса по пределу выносливости исходных характеристик существенно не влияет на точность ускоренного метода.
Заключение
При применении метода ступенчато-изменяющейся нагрузки для получения более объективных значений пределов выносливости, за исходные характеристики целесообразно принимать корреляционное уравнение и его доверительные границы, полученные на основе статистической обработки результатов усталостных испытаний. Для сокращения времени испытаний при построении кривой усталости может быть использована зависимость между пределом выносливости и долговечностью реальных деталей, работающих при перегрузках.
Наличие такой зависимости дает возможность значительно сократить время, необходимое для проведения испытаний, так как, используя ее, испытания (эксперимент) можно ограничить определением верхнего участка характеристик. При этом предел выносливости можно найти аналитически, экстраполируя результаты испытаний.
1. SooSHaibach, E.: Betriebsfestigkeit. Verfahren und daten zur bauteilberechnung, Berlin, Springer, 2006.
2. Rudolf,D.: Simulationsgestützter Betriebsfestigkeitsnachweis von Schweißverbindun-gen moderner Konstruktionswerkstoffe am Beispiel eines Aluminiumfahr-zeugrahmens, Masterarbeit. Osnabrück, 2013.
3. Wolfgang, F.: Guideline for the Fatigue Assessment by Notch Stress Analysis for Welded Structures, Hamburg University of Technology, 2010.
4. DIN EN 571-1: Nerazrushayuschiy kontrol'. Kapillyarnyy kontrol'. Nemeckaya versiya EN 571-1:1997.
5. Avtomobili. Ispytaniya: ucheb. posobie dlya vuzov// V.M. Belyaev, M.S. Vysockiy, L.H. Gileles i dr.: pod red. A.I. Grishkevicha. Minsk: Izd-vo «Vysheyshaya shkola», 1991. - 354 s.
6. Kushvid R.P. Ispytaniya avtomobilya: ucheb. dlya VUZov. M.: Moskovskiy gos. industrial'nyy un-t, 2011. - 380 s.
7. Nabokih V.A. Ekspluataciya i remont elektrooborudovaniya avtomobiley i traktorov: ucheb. dlya stud. vyssh. ucheb. zavedeniy. M.: Izdatel'skiy centr «Akademiya», 2004. - 240 s.
8. Tkalich V.L., Labkovskaya R Ya.. Obrabotka rezul'tatov tehnicheskih izmereniy: ucheb. posobie. SPb: SPbGU ITMO, 2011. - 72 s.
9. Stepnov M.N., Shavrin A.V. Statisticheskie metody obrabotki rezul'tatov mehanicheskih ispytaniy. Spravochnik: 2-e izd., isprav. i dop.. M.: Mashinostroenie, 2005. - 399 s.
