Россия
г. Химки, г. Москва и Московская область, Россия
В статье представлен анализ и результаты испытаний сварного шва опоры амортизатора на усталостную прочность. Предложен способ ускоренного определения предела выносливости, основанный на экстраполяции полученного экспериментальным путем участка кривой усталости из области высоких нагрузок до области нагрузок, соответствующих пределу выносливости. Способ включает расчет напряженно-деформированного состояния при статическом нагружении, расчет чувствительности среднего напряжения, исследование факторов, влияющих на усталостную прочность материала, испытание при ступенчато-возрастающей нагрузке с целью определения предела выносливости. Данный способ является малозатратным и особенно эффективен для деталей со сложной конструкцией и геометрией.
прикладные методы математической обработки данных, усталостная прочность, испытания, опора амортизатора.
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. СооСHaibach, 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: Неразрушающий контроль. Капиллярный контроль. Немецкая версия EN 571-1:1997.
5. Автомобили. Испытания: учеб. пособие для вузов// В.М. Беляев, М.С. Высоцкий, Л.Х. Гилелес и др.: под ред. А.И. Гришкевича. Минск: Изд-во «Вышэйшая школа», 1991. - 354 с.
6. Кушвид Р.П. Испытания автомобиля: учеб. для ВУЗов. М.: Московский гос. индустриальный ун-т, 2011. - 380 с.
7. Набоких В.А. Эксплуатация и ремонт электрооборудования автомобилей и тракторов: учеб. для студ. высш. учеб. заведений. М.: Издательский центр «Академия», 2004. - 240 с.
8. Ткалич В.Л., Лабковская Р Я.. Обработка результатов технических измерений: учеб. пособие. СПб: СПбГУ ИТМО, 2011. - 72 с.
9. Степнов М.Н., Шаврин А.В. Статистические методы обработки результатов механических испытаний. Справочник: 2-е изд., исправ. и доп.. М.: Машиностроение, 2005. - 399 с.
