Каким способом можно повысить предел выносливости пружин

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ПРУЖИН, ПРИМЕНЯЕМЫХ В АВТОТРАНСПОРТЕ

Шиляев С.А., Аллаяров С.Р., Меджитов Т.Р.
Ижевский государственный технический университет

Актуальность.
Повышение качества машин, включающего надежность и долговечность деталей и узлов, является одной из важнейших проблем, приобретающую особую актуальность в связи с увеличением мощности, быстроходности, а также ужесточением температурно-силовых режимов эксплуатации современной техники.
Увеличение ресурса работы машин эквивалентно сокращению потребности в запасных частях, повышению производительности труда, снижению стоимости выполняемых работ, чем достигается большая экономия материальных средств и ресурсов.

Развитие техники на современном этапе неразрывно связано на единстве конструкторско-технических решений. Обеспечение качества машин и механизмов основано на совершенствовании технологических процессов, предусматривающих влияние металлургических, технологических, конструктивных и эксплутационных факторов на усталостные свойства материалов.
Работоспособность и стабильные эксплутационные характеристики большинства машин лимитируются ресурсом работы пружин, наиболее характерно это проявляется в топливной аппаратуре и двигателях внутреннего сгорания, подвесках автомобилей, а также другой технике. Поэтому, одним из основных путей решения проблемы повышения надежности и долговечности является применение таких технологических методов обработки, которые обеспечивают высокие эксплутационные свойства ответственных пружин.
Практика показывает, что во многих случаях пружины, изготовленные по принятой технологии и из качественной проволоки, выдержавшей установленные испытания, в условиях эксплуатации преждевременно теряют упругие свойства или быстро разрушаются, особенно пружины, работающие в динамических условиях. Это свидетельствует о наличии недостатков в технологиях производства пружин и о необходимости разработки способов повышения их несущей способности и постоянства упругих свойств во времени. Существенное влияние на усталостную прочность пружин оказывает качество поверхностного слоя проволоки. Поломки пружин вследствие усталости или потеря рабочих характеристик из-за релаксации напряжений приводят к выходу из строя узлов или всей машины в целом.
Большое влияние на формирование качества поверхностного слоя детали и, в связи с этим, на их эксплуатационные свойства, оказывает технология производства, а в особенности операции окончательной обработки.
Проблема повышения работоспособности пружин комплексная, состоящая из оптимальных конструктивных решений и применения технологических методов, обеспечивающих высокие эксплутационные свойства в конкретных условиях работы машин.
Одним из прогрессивных методов обработки является шлифование абразивной лентой. Данный вид шлифования широко распространен среди операций играющих главную роль в окончательной обработке деталей, в формировании шероховатости и физико-механических свойств поверхностного слоя.
Учитывая вышесказанное, одним из основных путей решения проблемы повышения надежности и долговечности деталей является применение таких технологических методов обработки на начальной стадии всего технологического цикла, которые обеспечивают высокие эксплуатационные свойства деталей в конкретных условиях работы.

Пружины в автомобилях.
Большинство автомобильных пружин можно классифицировать таким образом:
по характеру работы – пружины сжатия или растяжения с кольцами и без них;
по форме пружины – преимущественно цилиндрические;
по направлению навивки – преимущественно правая;
по характеру приложения нагрузок:

Работающие при динамической нагрузке, для которых характерно большое число циклов нагружения – клапанные пружины газораспределительного механизма, пружина бензонасоса;
Работающие при динамической нагрузке – пружины форсунок дизельных двигателей, пружины стартера, пружины подвески, пружины ограничителя максимальной частоты вращения коленчатого вала, пружины центробежного или вакуумного регуляторов опережения зажигания, пружины перепускного клапана амортизатора;
Работающие при статическом приложении нагрузки – пружины устройства натяжения ремня или цепи привода распределительного вала двигателя; пружины муфты выключения, нажимные периферийные пружины нажимного диска сцепления; пружины вилки выключения сцепления; пружины дисков и барабанов тормозной системы. по размерам – в основном средние и крупные.

Анализ основных неисправностей автомобилей позволяет сделать соответствующий выводы: основная неисправность – потеря упругости или поломка цилиндрических витых пружин, которая характерна для упругих элементов, испытывающих переменные нагрузки, а ремонт неисправностей сводится к подкладыванию шайб (при осадке пружин сжатия) и заменой новой пружиной, соответствующей техническим условиям.

[. ] Усталостные разрушения и поверхностный слой деталей. Тщательный анализ причин возникновения отказов показывает, что эксплуатационные характеристики пружин зависят не только от механических свойств пружинных сталей, но и от состояния поверхности, которая при кручении и изгибе воспринимает максимальные напряжения. При эксплуатации в условиях высоких нагрузок, скоростей, влияния агрессивных сред качество поверхности является определяющим фактором в обеспечении эксплуатационной надежности пружин, даже при условии повышенных прочностных свойств пружинных сталей.
Разрушение пружины от усталости происходит вследствие многократного изменения напряжений и связано с местными пластическими деформациями в отдельных слабых микрообъемах (зернах). При высоких напряжениях и большом числе их повторений на поверхности пружины возникает трещина, распространяющаяся по сечению витка и приводящая к поломке пружин. [4]

Ю.И. Иванов и Н.В. Носов, на основе результатов обработки экспериментальных данных [5], предложили эмпирическую зависимость предела выносливости от параметров качества поверхностного слоя:

где
— коэффициенты, учитывающие наклеп, шероховатость и остаточные напряжения в поверхностном слое.

где
– глубина упрочнения;
– критическая глубина упрочнения, которая зависит от марки материала;
– толщина плоской или диаметр цилиндрической детали;

где – временное сопротивление.

Из формулы видно, что можно повысить предел выносливости детали. Если после окончательной механической обработки в поверхностных слоях формируются остаточные напряжения сжатия, то последний член в формуле имеет знак плюс и, следовательно, будет повышаться. Кроме этого, зависит также от глубины поверхностного упрочнения. Если , то положительна, что увеличивает предел выносливости. Снижение же всегда будет сопровождаться увеличением предела выносливости деталей.

Специальные исследования прочности в условиях циклического нагружения и практика эксплуатации машин подтверждают, что состояние поверхностного слоя пружин во многом определяет их долговечность, так как поверхность пружин из-за влияния окружающей среды и несовершенства обработки всегда имеет повреждения и микронеровности, играющие роль концентраторов напряжений. Решающее влияние состояния поверхностного слоя на выносливость пружин объясняется также тем, что в условиях работы их на кручение и изгиб, наибольшие напряжения испытывают именно поверхностные слои.
Для пружин, работающих в условиях больших упругих деформаций, повышение прочности и снижение характеристик пластичности поверхностного слоя способствует резкому повышению их выносливости. Полученные в результате наклепа поверхности остаточные напряжения сжатия, складываясь алгебраически с напряжениями от внешней нагрузки, при достаточной интенсивности наклепа обеспечивают изменение суммарного напряженного состояния в сторону преимущественно сжимающих главных напряжений.
Сопротивление усталости сталей зависит от вида напряженного состояния и увеличивается по мере преобладания сжимающих напряжений.
Повышение прочности поверхностного слоя и влияние остаточных напряжений приводит к увеличению предельных амплитуд напряжений от внешней нагрузки, повышая несущую способность пружин. Схема, поясняющая распределение предельных амплитуд напряжений (пределов выносливости) по сечению образца в зависимости от остаточных напряжений сжатия, дана на рис. 1.

Распределение предельных амплитуд напряжений (пределов выносливости) по сечению представлено кривой 1, где – предел выносливости металла поверхностного слоя с учетом положительного влияния остаточных сжимающих напряжений в нем, – предел выносливости металла сердцевины. Кривая 2 представляет эпюру напряжений от внешней нагрузки, при изгибе неупрочненной пружины. При наличии упрочнения зарождение усталостной трещины произойдет в точке пересечения эпюры рабочих напряжений (кривая 3) с кривой пределов выносливости (точка А). Максимальное напряжение на поверхности повышается в этом случае (по сравнению с пределом выносливости сердцевины) на величину , определяющую эффект упрочнения.

Рис. 1. Схема распределения предельных амплитуд напряжений (пределов выносливости) по сечению образца в зависимости от остаточных напряжений сжатия

Создание вблизи поверхности остаточных сжимающих напряжений позволяет увеличивать предельные амплитуды напряжений в поверхностном слое пружины без риска ее преждевременного разрушения. Изменяя остаточные напряжения сжатия и глубину упрочнения, можно получить различное распределение пределов выносливости с повышением их вблизи поверхности. Большое влияние на прочность пружин в целом оказывает качество внутреннего слоя (сердцевины), поэтому наряду с упрочнением поверхностного слоя необходимо стремиться к высоким прочностным свойствам исходного материала; он должен быть правильно выбран и правильно термически обработан. [4]
Формирование качества поверхностного слоя деталей в основном осуществляется на заключительных операциях технологического процесса их получения.
Процессы шлифования характеризуются высокой теплонапряженностью процесса и большими удельными давлениями в зоне резания. Значительные изменения температуры и давления в зоне резания, в свою очередь, вызывают изменение структуры, фазового состояния и, на их основе, изменение физико-механических свойств поверхностных слоев металла. Поэтому изучение физико-механических свойств поверхностного слоя является одним из условий установления оптимальных режимов обработки, обеспечивающих достижение не только высокой производительности, точности и шероховатости, но и способствующих улучшению эксплуатационных свойств деталей. Варьирование эксплуатационных свойств деталей можно производить путем создания благоприятных величин наклепа, микротвердости и остаточных напряжений.
Структурные и фазовые превращения в поверхностных слоях металлов происходят под действием высоких температур в зоне резания. Наклеп, структурные и фазовые превращения формируют в поверхностных слоях деталей остаточные напряжения. Численное значение и знак напряжений зависят от значения и знака исходных остаточных напряжений, полученных деталью на предшествующих операциях, а также от степени силового и теплового воздействия текущей операции. Остаточные напряжения в поверхностном слое могут создаваться двух видов: сжимающие со знаком минус и растягивающие со знаком плюс. Знак и численное значение остаточных напряжений при шлифовании определяются воздействием теплового и силового факторов, варьируя которые, можно технологическими методами создавать нужные напряжения. Полезность и вредность тех или иных остаточных напряжений в условиях эксплуатации определяются из анализа служебного назначения деталей. В процессах ленточного шлифования заложены широкие возможности варьирования технологическими методами числовых значений и знаков остаточных напряжений. Достигается это путем подбора схем ленточного шлифования, режимов обработки, характеристик ленты, видов и способов подачи СОЖ, размеров и видов рабочей поверхности контактных элементов. [6]
Снятие припусков кругами, обеспечивающая шероховатость в пределах 8-9-го классов и точность размеров до 5 квалитета. При обработке абразивными кругами проволоку необходимо разрезать на прутки, что в свою очередь значительно уменьшает производительность процесса обработки. В то время как схемы ленточного шлифования позволяют обрабатывать длинномерные заготовки, что благоприятно сказывается на производительности процесса. К тому же, ленточное шлифование позволяет получать поверхности с шероховатость до 9-10 класса и точностью до 5 квалитета.
Поэтому в качестве метода окончательной обработки предлагается ленточное шлифование с вращением ленты вокруг детали. Согласно нашим исследованиям, ротационное ленточное шлифование является наиболее перспективным и предпочтительным направлением в области обработки бесконечных не вращающихся деталей ленточным шлифованием.
Предлагаемое устройство разработано на основе схемы одностороннего шлифования свободной ветвью абразивной ленты с вращением ленты вокруг детали и запатентовано [7]. Экспериментальная модель устройства была изготовлена и опробована в лаборатории при кафедре «Автомобили и металлорежущее оборудование» Ижевского государственного технического университета. Общий вид устройства ротационного ленточного шлифования представлен на рис. 2.
Устройство работает следующим образом:
Шлифуемая заготовка 16 подается сквозь левые направляющие ролики 19 далее сквозь ось 5 в ручей правых направляющих роликов 19, предварительно, для ослабления натяжения абразивной ленты, ведомый ролик 14 отводится в сторону. Далее необходимо установить необходимое натяжение абразивной ленты 15, перемещая ведомый ролик 14 против часовой стрелки и регистрируя величину натяжения при помощи стандартного динамометра. Включение электродвигателя 2, при помощи муфты 4 и редуктора 3, приводит во вращение шкив 9, который вращает шкив 8, связанный с ним ременной передачей. При этом вращение от электродвигателя 2, при помощи шкива 7 и шкива 6, передается на ведомый шкив 12 и затем, при помощи вала 10, на ведущий ролик 11. Таким образом, абразивной ленте 15 сообщается планетарное движение.

Рис.2. Общий вид экспериментального устройства ротационного ленточного шлифования

Отличительной особенностью устройства ротационного ленточного шлифования является то, что, привод движения абразивной ленты, выполнен в виде шкивов, связанных ременными передачами, а шлифовальная головка установлена с возможностью планетарного движения.[. ]

Заключение. Вопросы усталостной прочности пружин и других элементов приобретают все большее значение в связи с работами по повышению надежности и точности машин при одновременном уменьшении их веса.
Многочисленные исследования доказали, что важнейшие эксплуатационные показатели деталей машин и механизмов, в частности усталостная прочность, коррозионная усталостная прочность, коррозионная устойчивость, износостойкость, надежность прессовых соединений, шум зубчатых передач и пр., зависят в большой степени от макро- и микронеровностей поверхности, ее физико-химического состояния и физико-механических свойств поверхностных слоев.
Отсюда можно сделать вывод, что состояние поверхности и особенно сложное напряженное состояние поверхностных слоев пружины в условиях эксплуатации в значительной мере определяют ее рабочие качества, и, в частности, сопротивляемость усталости.

Литература

Баранов Л.Ф. Техническое обслуживание и ремонт машин: Учеб. пособие. Ростов н/Д: Феникс,2001.– 416 с.: ил.
Епифанов Л.И., Епифанова Е.А. Техническое обслуживание и ремонт автомобилей: Учеб. пособие для студентов СПО. – М.: ФОРУМ, ИНФРА•М, 2001. – 280 с.: ил.
Шестопалов С.К. Устройство, техническое обслуживание и ремонт легковых автомобилей: Учеб. для нач. проф. образования. – М.: ПрофОбрИздат, 2001. – 544с.
Остроумов В.П. Производство винтовых цилиндрических пружин. М.: Машиностроение, 1970.
Иванов Ю.И., Носов Н.В. Эффективность и качество обработки инструментами на гибкой основе. – М.: Машиностроение, 1985. – 88с., ил.
Паньков Л.А., Костин Н.В. Обработка инструментами из шлифовальной шкурки.– Л.: Машиностроение. Ленинградское отделение, 1988.–235 с.: ил.
Патент № 11503 РФ МКИ 6B24B21/02. Устройство для ленточного шлифования/Свитковский Ф.Ю., Шиляев С.А., Иванова Т.Н. Сюрсин С.Л., Гальчик А.И. 99107037/20, заявлено 05.04.99, опубликовано 16.10.99, бюллетень № 10
Лузгин Н. П. Изготовление пружин. Учеб. пособие для индивидуальной и бригадной подготовки пружинщиков на производстве. М., «Высш. школа», 1968.

Источник