книги из ГПНТБ / Бухарин Н.А. Автомобили. Конструкции, нагрузочные режимы, рабочие процессы, прочность агрегатов автомобиля учеб. пособие

Изменение напряжений во времени а — f (() и т = Д (/) при переменных напряжениях и установившихся режимах нагру­ жения может быть, как■известно,^представлено для идеализированных циклов схемами на

рис. IV.2.

Асимметричный цикл (рис.

как для случаев нормальных, так и касательных напряжений. Диаграмма усталостной прочности (рис. IV.3) дает представле­ ние о выносливости металла при разных величинах коэффициента асимметрии. В приведенной диаграмме рассматриваются каса­ тельные напряжения; однако ниже сказанное относится и к диа­

грамме усталости ’ для нормальных напряжений.

60

Рис. IV.2. Переменные на­ пряжения при установив­ шихся режимах нагружения:

Рис. IV.3. Диаграмма усталостной прочности:

1 — продельные напряжения при кручении для полуосеі);

2 — то же для образцов

61

По оси абсцисс отложены средние значения хт, по оси ординат— наибольшие и наименьшие напряжения цикла тшах и тт1п. Отдельные точки т_х — предел выносливости при симметричном цикле, отдельные точки т и— при пульсирующем цикле.

Точки С и С' соответствуют пределу текучести металла детали (полуоси) и лабораторного образца.

Любой цикл на диаграмме выражается двумя точками, лежа­ щими на одной и той же ординате. Линия ОС, проходящая под углом 45°, делит расстояние между двумя точками диаграммы пополам.

Симметричный цикл выражается точками D 1 и D 2, лежащими на оси ординат. Асимметричный знакопостоянный цикл пред­ ставлен точками е, асимметричный знакопеременный •— точками Е ѵ Пульсирующий положительный цикл представлен точками F и Я, причем ордината FH соответствует величине предела выносливости при пульсирующем цикле.

Верхняя линия D XHC характеризует предел выносливости для данного цикла. Циклы, изображенные точками, лежащими внутри диаграммы т 2, являются безопасными в отношении усталостного разрушения, так как т^ах > т 2.

Линии 1 соответствуют полуосям грузовых автомобилей.

С помощью характерных точек диаграммы определяют аналити­ ческую зависимость предела выносливости тшахг от среднего зна­

T' = T-i + ( JEo ^ ) . T™-

Если в качестве второй характерной точки выбран предел текучести материала, т. е. использованы координаты 0, т_ь то

Т-

62

Предел выносливости.для любого цикла с коэффициентом асим­ метрии г-может быть найдем, если из точки 0 (начало коорди-

2

нат) провести луч ОМ под углом ß, где tg ß = -r-p—. Ордината

I ~Г г

точки М дает предел выносливости для данного цикла.

В качестве примера можно указать, что в автомобиле изменение напряжений по асимметричной схеме имеет место у некоторых

Значительное распространение при расчете элементов автомо­ биля получил метод расчета на статические нагрузки. При этом расчет трансмиссии автомобиля производится по максимальному моменту двигателя без учета динамических нагрузок, возника­ ющих в момент включения сцепления, расчет элементов под­ вески — по максимальной статической нагрузке и т. д. Получае­ мые при этом напряжения сопоставляются с напряжениями, под­ считанными по аналогичным формулам для выполненных надежно работающих конструкций. Влияние условий эксплуатации авто­ мобиля учитывается при этом методе расчета в величинах допу­ скаемых напряжений.

Метод расчета автомобиля на статические нагрузки подробно изложен в трудах академика Е. А. Чудакова [II. 13] и имеет не­ оспоримое преимущество— простоту выполнения. Однако пра­ вильные результаты могут быть получены лишь в том случае, если принимаемые при расчете допускаемые напряжения, полу­ ченные путем поверочного расчета ранее выполненных конструк­ ций, используются для разработки аналогичных конструкций при близкой к прототипам технологии изготовления. Если нее новая конструкция или технология изготовления отдельных узлов существенно отличаются от конструкции и технологии ранее вы­ полненных или проектируется машина, рассчитанная на иные условия эксплуатации, то величины допускаемых напряжений должны быть изменены.

Расчет на статическую прочность может производиться также по наибольшей кратковременной, хотя и редко действующей нагрузка** возникающей при наиболее тяжелых условиях работы автомобиля, при этом соответствующие величины допускае­ мых напряжений выбираются близкими к пределу текучести ме­ талла.

Более полно условия эксплуатации могут быть учтены при расчете деталей на усталость при переменных напряжениях как на установившихся, так и неустановившнхся режимах.

Не следует однако переоценивать точность расчета на усталость. Этот расчет может быть выполнен, если известны нагрузочные режимы, изучение которых для автомобилей, работающих в раз-

63

нообразиых условиях, требует много времени, причем сами нагру­ зочные режимы описываются достаточно приближенно. Однако с точки зрения правильного учета физической сущности явления применение метода расчета на усталость целесообразно и в после­ дующем, по мере накопления фактических данных, будет расши­ ряться. Величины знакопеременных нагрузок п число циклов N для многих деталей невелики и усталостное разрушение в обычных условиях эксплуатации не имеет места.

При эксплуатации автомобиля в тяжелых условиях на деталях, обычно работающих без признаков усталостных разрушений, последние обнаруживаются относительно скоро.

Рассчитывать на усталость необходимо наиболее ответственные детали автомобиля, работающие при переменных нагрузках. К их числу относятся в .первую очередь детали, обеспечивающие безаварийную работу машины,— тяги, шаровые шарниры руле­ вого привода, некоторые детали подвески, поворотные шкворни, оси управляемых и ведущих колес, тягово-сцепные устройства, а также основные детали трансмиссии: шестерни, карданные валы, крестовины кардана, полуоси п др.

Как известно, в основу расчета на усталость положена гипо­ теза о суммировании повреждений металла детали, возникающих под действием переменных нагрузок.

Разрушение детали при переменных напряжениях, превы­ шающих предел выносливости, или усталостное разрушение объяс­ няются, прежде всего, неоднородностью строения металла. Вслед­ ствие этого уже в ранний период деформирования возникают пла­ стические деформации с образованием поверхностей скольжения. При последующих нагрузках образуется зародыш трещины. Тре­ щины усталости появляются после 70—80% циклов нагрузки. После образования трещины разрушение детали происходит довольно быстро.

При наличии концентрации напряжений трещина усталости зарождаіется в местах повышенных напряжений: галтель, отвер­ стие, надрезы от механической обработки, износы от взаимного трения листов рессор, утонение металла при вытяжке, коррозия, внутренние напряжения при сварке и термообработке и т. д.

Зависимость между величиной напряжения цикла о и числом циклов N, после которых наступит разрушение, видна из кривых усталостной прочности. На рис. IV.4 приведены кривые-усталост­ ной прочности по результатам испытания образцов в координа­ тах а, N (рис. IV.4, а) и а, lg N (рис. IV.4, б).

Наибольшее напряжение цикла, которое может выдержать материал образца без разрушения, при большом числе циклов напряжений N 0 (где N 0— базовое число циклов) называется пре­ делом усталости или выносливости.

Наибольшее напряжение цикла, которое может выдержать материал образца без разрушения, при Norp < N „ называется пределом ограниченной выносливости.

64

В зоне ограниченной выносливости материал детали работает при напряжениях, больших о_х или т_х.

Упрочение (обдув дробью, метод пластических деформаций и др.) увеличивает предел выносливости (рис. IV.4, б).

Обйічно для сталей принимается N 0 = 1 • ІО7 циклов, для лег­ ких сплавов — (50ч-100) 10® циклов.

На некоторые детали автомобиля за весь срок его службы приходится число циклов нагружения больше 1 • ІО7. При поздней­ ших исследованиях установлено, что кривая усталости правее

Рис. 1Ѵ.4. Кривые усталости.по результатам испы­ тания образцов: а и б при W-g:107; в при N до 1014;

/ — упрочненные; 2 — неупрочненные

точки N = 1 • ІО7 не является прямой, параллельной оси абсцисс, как это показано на рис. IV.4, а и б, а вследствие уменьшения предела усталости падает. Поэтому допущение того, что предел усталости есть величина постоянная, не зависящая от числа циклов N, являемся приближенным.

На рис. IV.4,' в представлен график о = / (N) для стали 45, на основании которого могут быть установлены значения о при N > 1 - ІО7.

Для описания левой ветви кривой усталости предложены раз­ личные аналитические выражения, отражающие, как видно из рис. ІѴ.4, а и б, связь между напряжениями оу и числом циклов до разрушения N {. Для деталей автомобиля, работающих на вы­

где с — постоянная.

Из последнего уравнения видно, что показатель т характери­ зует наклон левой ветви кривой усталости к оси абсцисс в коорди­ натах lg а, lg N.

Для валов трансмиссии и цилиндрических шестерен т — 4ч-9. Точные значения т для каждого конкретного случая могут быть получены опытным путем.

При выполнении поверочных расчетов заданы конструкция машины или узла и условия предстоящей эксплуатации.

Необходимо установить нагрузочные режимы, определить нагрузки и напряжения в отдельных деталях, их износостойкость, жесткость, теплонапряженность и долговечность в заданных усло­ виях эксплуатации, проверить запасы прочности деталей, оценить правильность выбора материалов отдельных деталей и их обра­ ботки и экономичность конструкции.

§ 17. РАСЧЕТНЫЕ РЕЖИМЫ И МЕТОДЫ

Для расчета отдельных узлов и агрегатов автомобиля могут быть использованы разные расчетные режимы. Важно правильно оценить эти режимы для обоснованного выбора применительно к поставленной задаче.

Трансмиссия

Нагрузочный режим трансмиссии автомобиля характеризуется переменными величинами моментов и чисел оборотов. Средний процент использования момента двигателя, а следовательно, и величины нагрузок в трансмиссии колеблются в пределах от 5— 10% до 90— 100% от Мттах в зависимости от состояния дороги,

полной и удельной — мощности автомобиля и автопоезда,

а также скорости движения автотранспорта. Меньший процент использования момента соответствует автомобилям с большим запасом мощности, эксплуатируемым в городских условиях с огра­ ниченной скоростью движения. При движении за городом за счет роста скорости автомобиля увеличивается сопротивление воздуха, что влечет за собой повышение процента использования мощности двигателя.

Средний процент использования мощности двигателя при дви­ жении автомобиля по плохим дорогам и местности невысок вследствие малой скорости движения, так как чаще используются пониженные передачи. Однако при движении автомобиля с по­ стоянным и значительным сопротивлением, например по снежной

66

поверхности, сыпучему песку, со сниженным давлением воздуха в шинах, процент использования мощности двигателя значительно повышается.

Средние величины моментов Л4,, действующих на рассчитывае­ мую деталь на эксплуатационных режимах, определяются по формуле

мобиля и прицепа, кг; kB— коэффициент сопротивления воздуха;

Для расчетов на выносливость деталей трансмиссии автомобиля при ступенчатом нагружении могут быть использованы следу­ ющие нормативые данные по нагрузочным режимам (табл. IV. 1

времени, %; п* — средняя скорость движения на k-й передаче. На основании анализа нагрузочных режимов трансмиссии мо­

гут быть установлены следующие расчетные режимы.

П е р в ы й р а с ч е т н ы й р е ж и м — по максимальному моменту двигателя

ММттах^'і

где М — расчетный момент на валу трансмиссии; Мттах — макси­

равным единице, так как относительная ошибка расчетов, выпол­ ненных для любого из рассмотренных нагрузочных режимов, составляет не менее ±10% . Расчетный момент М, передаваемый полуосью ведущего моста автомобиля с колесной формулой 4x2, определяется по формуле (по двигателю)

__ Мт тахйіЁдЁр П Ч~ ^б)

где ік, гд — передаточные числа коробки передач и дополнитель­ ной коробки; і0— передаточное число главной передачи.

68

Т а б л и ц а IV .2

Средние скорости движения автомобиля со ступенчатой трансмиссией на отдельных передачах, км/ч

Величина коэффициента блокировки k6 составляет для диф­ ференциала с малым внутренним трением k6 — 0,1н-0,2; с повы­ шенным трением k6 = 0,2—0,6; для блокированного k6^s 0,6 (под­ робнее см. гл. X, § 46).

Расчет трансмиссии по первому режиму дает условные величины напряжений. Эти напряжения меньше напряжений при пиковых нагрузках, но больше напряжений, получаемых при преоблада­ ющих эксплуатационных нагрузках. Этот расчетный режим может быть использован для сравнительных поверочных расчетов. Дан­ ные о величинах напряжений, подсчитанных по первому расчет­ ному режиму, весьма многочисленны.

В т о р о й р а с ч е т н ы й р е ж и м — по максимальному сцеплению ведущих колес с полотном дороги ф.

При расчете раздаточных коробок, карданных валов и ведущих мостов многоосных автомобилей определение моментов по дви­ гателю обычно оказывается невозможным, если неизвестен закон распределения моментов по отдельным валам трансмиссии .за раздаточной коробкой. В этцх случаях, а также у автомобилей

§5