автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Технологическое обеспечение долговечности и оптимизационный синтез листовой рессоры транспортного средства

На правах рукописи

КЕЛАСЪЕВ Василий Владимирович

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ И ОПТИМИЗАЦИОННЫЙ СИНТЕЗ ЛИСТОВОЙ РЕССОРЫ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА

Специальности: 05.02.08 - Технология машиностроения;

05.05.03 — Колесные и гусеничные машины

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ПЕНЗА 2012

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет».

Научные руководители: доктор технических наук, профессор

Ведущая организация - ФГБОУ ВЛО «Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ)»

Защита диссертации состоится 14 декабря 2012 г., в 14 часов, на заседании диссертационного совета Д 212.186.03 в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет» по адресу: 440026, г. Пенза, ул. Красная, 40.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет».

Автореферат разослан 13 ноября 2012 г.

Артемов Игорь Иосифович;

доктор технических наук, профессор Дьячков Юрий Алексеевич

Официальные оппоненты: Курносое Николай Ефимович,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет», заведующий кафедрой «Транспортно-технологические машины и оборудование»;

Рябов Игорь Михайлович, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный технический университет», профессор кафедры «Автомобильные перевозки»

Ученый секретарь диссертационного совета

Муйэемнек Александр Юрьевич

РОССИЙСКАЯ

гогл ЦАРСТВЕННАЯ

вмвят\ЕКА ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

?.013

Актуальность темы. Характерной особенностью функционирования упругих элементов (листовых рессор, пружин, торсионов) подвесок автотранспортных средств (АТС) является цикличность их нагружения, приводящая к снижению долговечности и усталостному разрушению. В наибольшей степени это относится к листовым рессорам (ЛР).

Листовая рессора как объект синтеза находится в сложной взаимосвязи с элементами системы «дорога - автомобиль - водитель - груз», противоречиво влияя на различные показатели качества этой системы. Такими показателями принято считать: плавность хода, управляемость, устойчивость, комфортность, сохранность груза, степень воздействия на покрытие дороги. Дополнительная сложность учета взаимодействия обусловлена еще и тем, что количественные и качественные характеристики такого влияния могут кардинально изменяться в зависимости от габаритов и массы автомобиля, величины перевозимого груза и распределения нагрузки по осям автомобиля, упругих и демпфирующих свойств подвески. При этом упругие свойства рессоры определяются конкретным набором конструктивных параметров самой рессоры. Термическая обработка, пластическая деформация при изготовлении, знакопеременные напряжения, возникающие в поверхностном слое листа ЛР при эксплуатации, влияние внешней агрессивной среды приводят к образованию дефектных структур (вакансий, дислокаций и т.д.), их концентрации и последующему хаотичному движению. Такое движение способствует образованию и развитию в поверхностном слое ЛР микротрещин (МТ).

Формирование требуемых свойств ЛР осуществляется на стадиях их проектирования и производства. Существующие в настоящий момент методы проектных исследований ЛР не обеспечивают определения в явном виде набора их основных параметров с учетом микропрофиля дорог, скоростей движения автомобиля с целью повышения долговечности, а применяемый технологический процесс изготовления ЛР не может обеспечить необходимую долговечность пакета с учетом влияния МТ. Таким образом, исследования, направленные на совершенствование технологического процесса изготовления ЛР путем введения дополнительных операций, повышающих его долговечность, а также разработку метода их оптимизационного синтеза, являются актуальными.

Цель исследования - повышение долговечности и оптимизационный синтез пакета ЛР системы подрессоривания АТС путем формирования требуемых свойств поверхностного слоя каждого листа в отдельности и всего пакета на стадиях разработки и производства.

В соответствии с поставленной целью сформулированы основные задачи исследования:

1 Формирование математической модели механизма возникновения и развития микротрещин в поверхностном слое ЛР в условиях фреттинг-процесса.

2 Разработка и реализация комплексной методики экспериментальных исследований долговечности листовой рессоры с учетом процесса образования трещин.

3 Обоснование и разработка дополнительных технологических операций, изменяющих механизм межлистового взаимодействия в ЛР, обеспечивающих повышение ее долговечности за счет снижения тре-щинообразования.

4 Разработка и реализация метода оптимизационного синтеза ЛР в условиях задачи высокой размерности и многокритериальное™ с учетом реального воздействия микропрофиля дорог и скорости движения автомобиля.

Объект исследования - технология проектирования и изготовления ЛР, обеспечивающая повышение долговечности пакета в целом.

Предмет исследования — комплекс оценочных параметров ЛР, обеспечивающих ее долговечность, плавность хода, управляемость и устойчивость АТС.

Методы исследования. Результаты работы базируются на современных представлениях физики твердого тела, теории упругости, методах неразрушающего контроля с использованием современных компьютерных технологий. Экспериментальные исследования выполнялись на специально спроектированных и изготовленных оригинальных стендах, предназначенных для испытаний систем подрессоривания АТС, узлов и деталей на долговечность. В работе использованы теоретические и экспериментальные данные, полученные в Пензенском государственном университете.

Научная новизна:

по специальности 05.02.08 - Технология машиностроения

1 Разработана математическая модель дислокационной ползучести с учетом физико-химических процессов в поверхностном слое ЛР, позволяющая наметить и оценить результативность технологических мероприятий по предотвращению зарождения микротрещин.

2 Осуществлено обоснование и проведен выбор материалов покрытия, существенно снижающих интенсивность трещинообразования в ЛР.

3 Определены структура и содержание дополнительных технологических операций, обеспечивающих в рамках существующего техно-

логического процесса изготовления ЛР повышение фреттингостойкости поверхностного слоя отдельных листов и долговечность системы под-рессоривания АТС.

4 Обеспечено прогнозирование долговечности ЛР на основе полученной зависимости изменения длины микротрещины от величины приложенной силы к ЛР.

5 Установлена возможность оценивания результативности технологических мероприятий по упрочнению поверхностного слоя листов ЛР на основе полученных зависимостей приведенной эффективной длины микротрещины и приведенной усталостной прочности ЛР от пробега АТС.

по специальности 0S.0S.03 — Колесные и гусеничные машины

6 Предложен новый метод оптимизационного синтеза для многокритериальных задач высокой размерности, основанный на дифференцированном анализе поля исследуемых вариантов и едином комплексе трех алгоритмов оптимизации на базе планов единой структуры.

7 Обоснована возможность получения конструкций ЛР, обеспечивающих удовлетворение комплекса противоречивых требований для автомобилей общего назначения, с учетом диапазона изменения ее свойств, микропрофиля дорог и типовых скоростей движения автомобиля по ним.

8 Установлена возможность использования базовой конструкции ЛР с вариацией длин накладок для крепления в зависимости от региона эксплуатации автомобиля.

Практическая ценность работы:

1 Усовершенствован и внедрен в производство технологический процесс изготовления ЛР, обеспечивающий повышение долговечности путем нанесения фреттингостойкого покрытия и упрочнения поверхностного слоя листа рессоры.

2 Снижены общие затраты на изготовление и эксплуатацию ЛР за счет существенного повышения их долговечности (до 50 %).

3 Разработаны экспериментальные стенды и методики проведения ускоренных испытаний ЛР системы подрессоривания и оценки их долговечности методом акустической эмиссии (АЭ), обеспечивающие снижение затрат на исследование рессор.

4 Предложенный метод оптимизационного синтеза обеспечивает сокращение сроков и ресурсных затрат проектных разработок ЛР.

На защиту выносятся:

1 Математическая модель дислокационной ползучести с учетом физико-химических процессов в поверхностном слое ЛР, позволяющая

наметить и оценить результативность технологических мероприятий по предотвращению зарождения микротрещин.

2 Результаты обоснования выбора материалов покрытия, существенно снижающих интенсивность трещинообразования в ЛР.

3 Структура и содержание дополнительных технологических операций, обеспечивающих в рамках существующего технологического процесса изготовления ЛР повышение фреттингостойкости поверхностного слоя отдельных листов и долговечность системы подрессорива-ния АТС.

4 Модель изменения длины микротрещины от приложенной к рессоре силы, обеспечивающая оценку долговечности ЛР.

5 Модели приведенной эффективной длины микротрещины и приведенной усталостной прочности ЛР от пробега АТС, обеспечивающие возможность оценивания результативности технологических мероприятий по упрочнению поверхностного слоя листов ЛР.

6 Метод оптимизационного синтеза для многокритериальных и многопараметрических задач, основанный на дифференцированном анализе поля исследуемых вариантов и едином комплексе трех алгоритмов оптимизации на базе планов единой структуры.

Реализация полученных результатов. Результаты проведенных теоретических и экспериментальных исследований использованы в госбюджетной научно-исследовательской работе по заказу Министерства образования и науки Российской Федерации «Научные основы нано-структурирования для обеспечения качества поверхностного слоя ответственных деталей машиностроения», в учебном процессе кафедры «Транспортные машины» Пензенского государственного университета. Результаты работы внедрены в производство в ОАО «Пензадизель-маш», ФГУП ФНПЦ «ПО "Старт" им. М. В. Проценко» (г. Заречный, Пензенская обл.), ОАО «Объединенные автомобильные технологии» (Управляющая организация ЗАО «Сердобский машиностроительный завод») и ОАО «Специальное конструкторское бюро турбонагнетателей» (г. Пенза).

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на VIII Всероссийской научно-практической конференции «Современные технологии в машиностроении» (г. Пенза, 2005 г.), X Международной научно-технической конференции «Современные тенденции развития транспортного машиностроения» (г. Пенза, 2005 г.), Международной научно-технической конференции «Прогресс транспортных систем - 2005» (г. Волгоград, 2005 г.), IV Международной научно-технической конференции «Проблемы ис-

следования и проектирования машин» (г. Пенза, 2008 г.), научно-технических конференциях ПГУ (2004-2012 гг.), расширенных заседаниях кафедр машиностроительного профиля ПГУ (2004—2012 гг.).

Публикации. Основные положения диссертации отражены в 11 научных работах (без соавторов 3 работы), в том числе в 4 изданиях, рекомендованных ВАК РФ. Получен патент РФ № 2366919 «Стенд для испытания элементов подвески автотранспортных средств».

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, общих выводов и рекомендаций, списка литературы из 130 наименований и трех приложений, содержит 127 страниц основного текста, 57 рисунков и 14 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулирована цель, показаны научная новизна и практическая ценность, изложены основные положения, выносимые на защиту.

В первом разделе проведен обзор научных трудов по теме диссертации, сформулированы основные задачи исследования. Проведен анализ теоретических и экспериментальных работ, посвященных исследованиям фреттинг-процесса в узлах и механизмах машин, его влияния на возникновение и последующее развитие микротрещин в концентраторе напряжения при циклическом нагружении.

Разрушению металлов от воздействия фреттинг-процесса и его влияния на усталостную прочность посвящены работы отечественных авторов: А. С. Ахматовой, А. Я. Алябьева, И. А. Одинга, В. В. Шевеля, Н. Л. Голего, И. В. Крагельского, В. С. Ивановой, С. А. Ананьева, В. П. Купровича, И. И. Артемова, В. Д. Кревчика, Б. В. Романовского, А. Н. Петухова, В. Н. Кравца, а также зарубежных: Г. Томлисона, Р. Уотерхауза, К. Райта, Г. Улига и др.

Исследованиями особенностей конструкций колесных машин, совершенствованием технологий изготовления их узлов, повышением долговечности автомобильных рессор занимались как отечественные ученые: И. Г. Пархиловский, А. А. Хачатуров, Р. П. Кушвид, Р. В. Ро-тенберг, Я. М. Певзнер, А. А. Тихонов, А. М. Горелик, Г. О. Котиев, Е. Б. Сарач, И. М. Рябов, В. И. Рязанцев, В. И. Пузанов, Е. П. Оболенский,

A. С. Литвинов, В. С. Красиков, О. Ф. Трофимов, Д. Р. Калахен,

B. В. Новиков, В. Н. Кравец, В. П. Жигарев, Г. А. Волченко, Ю. Г. Стефанович, П. М. Гомульчик, А. П. Шитов, труды научных школ: МГТУ им. Н. Э. Баумана, МАДИ, МАМИ, ГНЦ РФ «НАМИ», Академии БТВ, НИЦИАМТ, так и зарубежные: Л. Г. Джонсон, Д. Фискус, И. Д. Робсон.

Анализ работ показал, что появляющиеся усталостные очаги разрушения на поверхностях контакта деталей непосредственно связаны с шероховатостью поверхности детали и напряженно-деформированным состоянием поверхностного слоя, приводящим к зарождению микротрещин, постепенной их концентрации и последующему развитию вглубь из-за изменения структуры кристаллической решетки и величины нагрузки.

Рассмотрено и оценено влияние различных технологических операций обработки поверхности детали на фреттингостойкость поверхностного слоя и на их усталостную прочность.

На основе проведенного анализа и в соответствии с поставленной целью исследования сформулированы основные задачи работы.

Во втором разделе исследован механизм возникновения и развития микротрещин в поверхностном слое ЛР в условиях фреттинг-процесса. Рассмотрена дислокационная ползучесть, инициированная периодически изменяющейся температурой контакта, а также нормальной составляющей механического напряжения в зоне абразивного действия за счет поперечных колебаний одного из листов.

Сформированная математическая модель (1)-(12) исследуемого процесса включает описание его основных характеристик, начальных и граничных условий: локальной температуры в контакте (7); поперечных колебаний верхней пластины в области контакта под действием равномерно распределенной поперечной силы (и); линейной плотности дислокаций (р); числа дислокаций в скоплении (И); длины микротрещины {Ь).

Т(-1,{) - ДГвтш^ + Т0 Т(1,() = АТытиа^+ Т0 , (2) Г(х,0) = Г0

где а2 - коэффициент температуропроводности; Ш| - частота горизонтальных смещений пластин; То - начальная температура; А Т - амплитуда локального изменения температуры АТ = /^З2л3с7?3 ^;

с - удельная теплоемкость материала пластин; £ - величина относительного размещения пластин; Я - радиус каверны; 1\ - длина; /2 - ширина; (I- толщина пластины.

Решение для (1)—(2) определялось в виде ряда Фурье. Закон изменения температуры по толщине пластины

дТ 2 д2Т - = яг

Ы

61'

0)

1М-

= А

+ НГ(2, + 1)4/Ч

То л=о16/4со2 + а4л4 (2л + 1)

хехр

а2(2я+1)Уг

4/

я(2и + 1)

соэ—--х,

21

где А =

сИ2к*х + соб 2к*х |2 сЬ2к*1 + соБ2к*1

, ф = аг§

'<М*х{ 1 + /)^ сИк* 1(1 + 1)

2а2

д2Ц 5/2

= ¿0

Л/ а2^

йх2 5у2

и(х,0,1) = и[х,12,{) = 0, и(х,у, 0) = 0

(4)

(5)

где р - поверхностная плотность материала пластины; Т0 - сила по верхностного натяжения, действующая на пластину; /1 - длина пласти ны; 12- ширина пластины; ¿/-толщина пластины.

2До

Р(*.') =

[(х-У/)2+4Л2

(6)

где уд— скорость диффузионной ползучести; Яо - радиус ядра дислокации,

4£>

где коэффициент диффузии

В = Ог + АО, Ь

(7)

(8) (9)

где Дяу - число избыточных вакансий; Д, - коэффициент диффузии вакансий; е'- предельное расширение дислокационных петель; N0 - плотность фиксированных дислокаций перед деформацией; Ь - вектор Бюр-герса дислокаций; е - относительная деформация.

В области скопления из N дислокаций возникает устойчивая полость величиной Ь, которая является источником зарождения микротрещин:

I

И= /р(дс,/)А, (10)

71

1С

(/-V) О+УдО

aгctg

С

V) (/+уд0 —— + ак^ --—

2Я0 2Ло

(П)

(12)

Акустическая эмиссия развивающихся микротрещин рассматривалась для случая мгновенного раскрытия полости (образованной дислокационным скоплением) с координатами вершин Ы2 и - Ы2 под действием механического напряжения. Ширина главного лепестка диаграммы направленности акустического излучения продольных и поперечных (/) волн

(13)

= 2агсз]п^2С^^ /(тсю1)|,

где С/(,)~ скорость продольной (поперечной) акустической волны.

Оценка плотности энергии IV излучаемой акустической волны

^ = ст^4(0^/(б4п6рС/6). (14)

Таким образом, периодически изменяющаяся температура контакта, механическое напряжение в зоне абразивного действия (ЗС) пакетов области скопления из N дислокаций могут привести к возникновению устойчивой полости величиной которая является источником зарождения микротрещины в поверхностном слое ЛР. Установленный механизм возникновения и развития микротрещин в поверхностном слое ЛР в условиях фреттинг-процесса позволил выявить факторы, порождающие процесс трещинообразования и наметить технологические мероприятия, снижающие его интенсивность и повышающие долговечность ЛР.

В третьем разделе приведено описание разработанных и изготовленных экспериментальных стендов ускоренных ресурсных испытаний пакета ЛР и исследования каждого ЛР в отдельности методом АЭ в режиме поперечного изгиба.

Рисунок 1 - Конструктивная схема стенда ускоренных ресурсных испытаний пакета ЛР АТС

Стенд (рисунок 1) ускоренных ресурсных испытаний элементов подвески позволяет в лабораторных условиях создать нагрузки, характерные для реальных условий эксплуатации системы подрессоривания АТС, расширить диапазон динамического нагружения J1P, определить характеристики долговечности элементов подвески.

Параметры моделирования нагрузки и динамического воздействия поверхности дороги на рессору бы- ' ли выбраны по результатам полигонных испытаний. Нагрузочные параметры стенда: нагрузка до 7540 Н; частота от 5 до 60 Гц; ход от 150 до 320 мм, коэффициент динамичности от 2,15 до 2,75.

Стенд позволяет создать возвратно-поступательное движение балки моста автотранспортного средства, обеспечивая имитацию движения и нагрузок на элементы подвески адекватно реальным условиям нагружения; увеличить диапазон величин и частот приложения динамических нагрузок, отражающих реальные условия работы деталей и узлов системы подрессоривания; проводить испытания при симметричном либо асимметричном перемещении правой и/или левой сторон подвески автотранспортного средства; для сокращения сроков испытания производить одновременно испытания всех узлов и деталей подвески автотранспортного средства.

С целью определения зависимости усталостной прочности пакета от пробега на стенде были проведены ресурсные испытания пакета листовой рессоры автомобиля УАЗ - 31512. Результаты эксперимента показаны на рисунке 2.

По результатам испытаний установлены места контакта листов и площади участков контакта листов в пакете. Площадь непосредственного

Од, «10" Па 5

4 ■•

3 ••

2 •

-н

н

0 100 200 300 400 Л/пр, тыс. км

Рисунок 2 - Зависимость усталостной прочности пакета листовой рессоры от пробега

контакта составляет 30-60 % от общей площади теоретически возможного контакта, в зависимости от пробега и стрелы выгиба листа.

Продукты износа ЛР, образовавшиеся в процессе эксперимента, подвергались исследованиям методом эмиссионного спектрального анализа на ФГУП ФНПЦ «ПО "Старт" им. М. В. Проценко». Установлено, что материал ЛР - сталь 50ХГА ГОСТ 14599-79, а продукты разрушения представляют собой смесь окислов соединений железа, кремния, хрома, марганца и ванадия. Наличие таких составляющих позволяет судить о присутствии фреттинг-процесса в ЗС пакета листовой рессоры.

Далее пакет подвергался полной разборке, чистке и сушке. Каждый лист в отдельности исследовался в режиме поперечного изгиба с применением метода регистрации счета импульсов акустической эмиссии -метод АЭ.

За основу конструкции второго стенда (рисунок 3) взята разрывная машина УММ-5. Стенд для исследования ЛР методом АЭ содержит подрамник 1 с опорами (кронштейнами) 2, одна из которых жестко зафиксирована на подрамнике 1, а другая имеет возможность перемещаться в зависимости от длины устанавливаемого ЛР 11. Подрамник 1 жестко зафиксирован Рисунок 3-Конструктивная на ходовом винте 12 машины 4. Отличи-схема стенда по исследова- тельной особенностью стенда является нию ЛР методом АЭ наличие поводка 10 приложения нагрузки

на ЛР 11, который выполнен заодно с динамометром 9 типа «подкова» с часовым индикатором.

Режим испытания: скорость перемещения траверсы 0,05 мм/мин в режиме поперечного изгиба, деформирующая сила от 0 до 4000 Н, полное время изменения нагрузки / не более 10 мин.

Конструктивная схема датчика АЭ (рисунок 4) состоит из приемника акустических сигналов (ПАС) с предварительным усилителем электрических колебаний 4 (ПУ), которые собраны в одном цилиндрическом корпусе 2. В качестве ПАС используется пьезоэлектрический дисковый преобразователь 3, который с помощью тонкой токопрово-дящей пластинки 5 прижимается к торцевой поверхности основания ступенчатого цилиндрического звукопровода 1, непосредственно контактирующего через тонкий слой смазки (машинное масло или жировая смазка (выделено черным) с ЛР 7. Это необходимо для лучшего акустического контакта. Крепление ДАЭ к поверхности ЛР 7 (см. рисунки 3, 4) осуществляется с помощью упорной пластины 9 и прижимных

Рисунок 4 - Конструктивная схема ДАЭ

винтов 8. К звукопроводу 1 привинчивается полый цилиндрический корпус 2. Вход ПУ через тонкий проводник соединен с преобразователем 3, а выход - ВЧ-разъемом 6.

Данная конструкция ДАЭ обеспечивает надежный акустический контакт пьезопреобразователя с ЛР через звукопровод, электрическую экранировку преобразователя и предварительного усилителя от внешних электромагнитных полей и механических воздействий, что существенно повышает чувствительность и снижает уровень собственных шумов датчика акустической эмиссии.

Разработанный стенд позволил установить зависимость суммарного числа импульсов АЭ для трех листов с различным пробегом (рисунок 5).

Как видно из рисунка 5, графические зависимости суммарного числа Nc=f(Р) импульсов АЭ для всех образцов носят существенно нелинейный характер. При малых нагрузках величина суммарного числа Л^. импульсов АЭ монотонно возрастает по нелинейному закону. С увеличением механического напряжения величина суммарного числа Л^ импульсов АЭ резко возрастает, описывается линейной зависимостью. При дальнейшем увеличении механического напряжения графические зависимости скорости суммарного числа Ыс = /(Г) счета импульсов АЭ монотонно увеличиваются и в области пластической деформации выходят на горизонтальный участок.

Рисунок 5 - Сводный график зависимости суммарного числа N импульсов АЭ для трех ЛР с различным пробегом в зависимости от величины приложенной силы Р в режиме поперечного изгиба: образец 1 - пробег 30 тыс. км, образец 2 - пробег 10 тыс. км., образец 3 - без пробега

Из сравнения графических зависимостей следует, что для ЛР без пробега суммарное число импульсов АЭ на горизонтальном участке почти в два раза меньше, чем у ЛР с пробегом 30 тыс. км. Кроме того, характер зависимости суммарного числа Мс =_/(/•) счета импульсов АЭ в области предельных механических нагрузок для ЛР с пробегом 10 и 30 тыс. км значительно отличается от аналогичной зависимости ЛР без пробега. С увеличением механической нагрузки длина горизонтального участка для ЛР с 10 и 30 тыс. км монотонно убывает, и при дальнейшем повышении нагрузки наблюдается резкий рост числа импульсов АЭ. Такое поведение Ыс объясняется повышенной концентрацией дефектов, связанных с ростом микротрещин, образовавшихся в исследуемом ЛР в результате длительной эксплуатации.

В четвертом разделе рассмотрены основные способы и методы, обеспечивающие повышение долговечности деталей машин, приведена и успешно апробирована комплексная технология формирования поверхностного слоя ЛР с учетом влияния фреттинг-процесса при контактном взаимодействии листов в пакете. Для получения механизма дислокационного упрочнения необходимо использование фреттингостойкого поверхностного слоя материала ЛР. Показаны результаты сравнительных экспериментальных исследований, которые подтверждают целесообразность применения механизма дислокационного упрочнения с использованием фреттингостойкого поверхностного слоя ЛР.

На основе теоретического анализа и ранее выполненных экспериментов разработан усовершенствованный технологический процесс упрочнения поверхностного слоя ЛР в ЗС путем нанесения фреттингостойкого покрытия на его рабочие участки с последующим нагревом поверхностного слоя и охлаждением (рисунок 6). ,

шшт

Рисунок 6 - Модель контакта листов в ЗС в условиях фретгинг-процесса: 1 - ЛР; 2 - микротрещины; 3 - область фреттинга; 4 - приповерхностный слой ЛР; 5 - фретгингостойкое покрытие; 6 - графитная смазка между листами

Разработанные технологические мероприятия по повышению долговечности ЛР состоят из следующих основных операций:

1 Подготовительная обработка (очистка) поверхности ЛР.

2 Нанесение фреттингостойкого покрытия на рабочие участки ЛР (электрохимический способ).

3 Нагревание листов рессоры с покрытием / = 830 °С в течение 15-17 мин.

4 Охлаждение поверхности листа с нанесенным покрытием.

5 Сборка обработанных листов в пакет.

Используемые в данной технологии покрытия - цинк сернокислый, медь сернокислая.

На первом этапе рабочие участки ЛР, т.е. ЗС, предварительно обрабатываются для нанесения соответствующего фреттингостойкого покрытия в гальванической ванне. На втором этапе на подготовленный рабочий участок ЛР наносится покрытие. Толщина наносимого покрытия не более 10 мкм. Последующие нагрев и охлаждение листа с нанесенным фреттингостойким покрытием необходимы для диффузии атомов тяжелых металлов в глубь приповерхностного слоя рабочего участка ЛР, а также для закрепления частиц металлов на линейных дефектах кристаллической решетки поверхностного слоя с последующей их блокировкой.

По совокупности данные технологические мероприятия повышают долговечность пакета листовой рессоры путем повышения фреттинго-стойкости каждого листа. Оценочным параметром эффективности предлагаемых усовершенствований технологического процесса являлось суммарное число импульсов АЭ. Для этого были изготовлены образцы, которые сравнивались с образцами, изготовленными по традиционной технологии.

На рисунке 7 приведены зависимости суммарного числа Мс импульсов АЭ для ЛР от величины приложенной силы Г в режиме поперечного изгиба. Из сравнения данных для разных образцов следует, что для ЛР с медным

1191 Уё , И>

ТП-та-ТТЛ-1ТЕ!-гш-¡та-Т17Г

Рисунок 7 - Сводный 1рафик сравнения зависимости суммарного числа N импульсов АЭ для ЛР с различным покрытием и ЛР без покрытия в зависимости от величины приложенной силы Р в режиме поперечного изгиба:

образец 1 - с медным покрытием; образец 2 - без покрытия

покрытием предельное значение величины суммарного числа импульсов АЭ на горизонтальном участке почти в 3,5 раза меньше, чем у ЛР без покрытия.

Анализируя данные проведенных экспериментов, получили аналитическую зависимость суммарного числа Л^ импульсов АЭ от величины эффективной длины микротрещины I, образующейся в режиме упругой деформации ЛР:

где к — константа для данного механического напряжения и геометрических размеров ЛР. Полученное выражение (4.1) позволяет рассчитать для однотипных условий отношение длин развивающихся микротрещин в ЛР по формуле

где , Ыс2 - суммарные числа импульсов АЭ в области упругой деформации исследуемых однотипных листов при различном пробеге или с различным покрытием соответственно.

Так, на предельных горизонтальных участках (см. рисунок 5) зависимости суммарного числа Nc= /(Г) импульсов АЭ в области упругой деформации образца отношение эффективных длин микротрещин, рассчитанное по формуле (4.1) для ЛР с пробегом 30 тыс. км и ЛР без пробега, составляет 1,3.

Аналогично получено отношение эффективных длин микротрещин для ЛР с медным покрытием и ЛР без покрытия, оно составляет 1,4.

Таким образом, в образцах, изготовленных с предлагаемым усовершенствованным технологическим процессом, число дислокаций и микротрещин, выходящих на поверхность через приповерхностный слой, в два раза меньше, чем в образцах, которые изготовлены по традиционной технологии.

Приведенная эффективная длина микротрещины ке определялась как отношение эффективной длины £0 микротрещины ЛР без пробега к эффективной длине микротрещины Iр ЛР с заданным пробегом, т.е.

По экспериментальным данным зависимости усталостной прочности Од ЛР от пробега было построено графическое представление (рисунок 8) приведенной усталостной прочности ка от величины пробега ЛР. Приведенная усталостная прочность ка определялась как отно-

Ыс = к£2,

(15)

(16)

шение усталостной прочности исследуемого JIP с заданным пробегом к усталостной прочности JIP без пробега, т.е. ка =aN /а0.

ке = 1,776 lO^JV2-0,1 \N+ 1,011; (17)

ка= 3,925 10~4N20,19N+ 1,012. (18)

Анализ зависимостей приведенной эффективной длины микротрещины ке и приведенной усталостной прочности ка от величины пробега JIP показал, что характер этих зависимостей аналогичен. Действительно, расхождение величин приведенной эффективной длины микротрещины ке и приведенной усталостной прочности ка J1P при пробеге Nn? = 30 тыс. км не превышает 7 %.

Полученные экспериментальные данные свидетельствуют о том, что по совокупности применения предлагаемые технологические операции (покрытие, нагрев и охлаждение) приводят к упрочнению поверхностного слоя JIP посредством блокирования процесса выхода дислокаций на поверхность листа, тем самым обеспечивая повышение долговечности пакета в целом.

В пятом разделе реализован оптимизационный синтез листовой рессоры, связанной с элементами системы «дорога - автомобиль - водитель - груз».

Показателями, характеризующими оптимальность конструкции рессоры для этой системы, приняты: L - длина коренного листа рессоры (L —► шах); М - масса рессоры (М —> min); S - суммарная боковая поверхность сборки рессоры (S —> min); К„- коэффициент запаса прочности при разовом нагружении (К„ —► тах); Кд - коэффициент запаса прочности по долговечности (Кд —» тах); од - среднеквадратическое напряжение при динамическом воздействии профиля дороги для заданной скорости движения автомобиля (од —> min); ад - среднеквадратическое ускорение при динамическом воздействии профиля дороги для заданной скорости движения автомобиля (ад —»min).

Рисунок 8 - Зависимость приведенной эффективной длины микротрещины к( и приведенной усталостной прочности ка от пробега ЛР

Расчеты проведены для дорог двух типов - автомагистрали и шоссе в плохом состоянии, для которых пробег автомобилей общего назначения для различных регионов РФ составляет 90 % и более.

Применительно к этим типам дорог использованы зависимости для определения спектральных плотностей микропрофиля от скорости движения автомобиля (v) и частоты колебаний (со). S(со) = q2S\(a) - общий вид спектральной плотности; S*(co) = 0,05v/(<o2 + 0,0225v2) - нормированная спектральная плотность для дороги второй категории; S'(co) = 0,54v/(co2 + 0,04v2) + 0,0024v(co2 + 0,36v2)/( (<в2 - 0,36v5) + + 0,0036v^ - нормированная спектральная плотность для дороги третьей категории; q - среднеквадратическое значение ординаты микропрофиля (0,45-1,4 см для цементно-бетонного и асфальтового покрытий).

В качестве оптимизированных параметров использованы девять переменных: L - длина рессоры (коренного листа), мм; h, R - толщина и кривизна листов, м; а - ширина листа в центре, мм; alb - трапецие-видность листа; - соотношения длин листов рессоры; L„ - длина накладок крепления рессоры с мостом, мм; ас - угол установки серьги; рад; U ~ длина серьги;

Для получения явной зависимости частных и интегрального критериев качества от варьируемых параметров использован /З-оптимальный насыщенный план Рехтшафнера для модели в виде полного полинома второго порядка:

^ = Ро+ Е Р,*,+ I IW/+ I М,2- (19)

1 йИк \<,i<l<,k 1 z.i<.k

Интегральный критерий качества задавался в форме

л:=(ш,2(Ф/ФЫП-1)2)0,5> (20)

где фиш- частные критерии качества и их «весовые» значения.

Квадратичная форма записи обеспечивает наличие «прогиба» -точки компромиссного проекта. Весовые коэффициенты определяются и уточняются в ходе решения задачи автоматически.

Расчеты проведены для 55-и строк плана эксперимента. В качестве среды использован программный пакет ANSYS.

Проведена оценка статического коэффициента запаса прочности К„ и коэффициента запаса по долговечности К„. Для получения значения последнего коэффициента принимались следующие допущения: нагрузка симметричная знакопеременная; модель поведения материала подчиняется схеме Goodman и составляет 65 % от максимальной для статического нагружения (75 000 N); минимальное значение числа циклов равно 1 000 000.

Спектральное воздействие на рессору микропрофиля дороги как случайного силового фактора оценивалось среднеквадратическим напряжением при динамическом воздействии профиля дороги для скоростей движения автомобиля 20 и 40 км/ч од и среднеквадратическим ускорением при динамическом воздействии профиля дороги для этих скоростей ад.

По результатам эксперимента частные критерии Ка, К„ исключены из рассмотрения как имеющие высокую корреляцию с другими критериями.

Предложен новый метод оптимизационного синтеза для многокритериальных и многопараметрических задач, включающий этапы: эвристического сокращения числа исследуемых вариантов конструкции с целью формирования генерирующих мультипликативных моделей; исследования сокращенной номенклатуры вариантов в системах класса АN5УЗ с целью определения эксплуатационных свойств конструкции; формирования полиномиальных моделей второго порядка на основе планов стабильной структуры; синтеза сбалансированных по противоречивости частных критериев качества конструкций на основе единого комплекса параметрической оптимизации, генетических алгоритмов с изолированным развитием пяти популяций и островной моделью развития пяти популяций; оценки свойств конструкций листовой рессоры в системах инженерного анализа класса 5".

Результаты оптимизации показаны на рисунке 9.

И-голмроияннос рвя

Остропили модель

Рисунок 9 - Интегральный критерий с учетом значимости частных

критериев

Получены конструкции листовой рессоры, которые обеспечивают удовлетворение комплекса противоречивых требований для автомобилей общего назначения, с учетом диапазона изменения ее свойств, микропрофиля двух категорий дорог и типовых скоростей движения автомобиля по ним (таблица 1).

Свойства Варианты решений

Дорога 11 категории Дорога 111 категории

— то^ 1 Регресс. -ГО'"" 1 Регресс.

Варьируемые параметры

X, мм , ^гзоох. 1023 /¿¡1300 . 970

Я, м . - 1800' 1842 . 1800 2123

В, мм ,, 70,00" 74,00 70,00 70,27

а/Ь 1,50 - 1,47 " 1,5 1,48

(а +ъугь 6,00 6,16 6,00 ■ 6,04

ил, ■V 0,75 г 0,77 г 0.75 0,78

¿Л-г юо,% 5,34 < . 5.00 5,40

Ос, рад Г» 5.498. .¿I 5,635 .. 5,498 5,641

гешодч»;. л.....с* . Л 60 187-, -

Установлена возможность использования единой конструкции листовой рессоры с вариацией длин накладок для крепления рессоры в зависимости от региона эксплуатации автомобиля (196 и 160 мм, таблица 1, последняя строка).

Полученные результаты обеспечивают использование предложенного в работе метода в качестве специфичного модуля перспективных систем автоматизированного синтеза узлов и агрегатов автомобиля.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1 Установлены наличие фреттинг-процесса и механизм его возникновения в поверхностном слое ЛР. На основе математического описания модели процесса выявлены факторы, порождающие трещинообразование, намечены технологические мероприятия, снижающие их интенсивность и повышающие долговечность ЛР.

2 Разработаны методики, изготовлены стенды, позволяющие проводить ускоренные ресурсные испытания пакета листовой рессоры на долговечность, приближенные к натурным испытаниям, с последующим исследованием каждого листа методом АЭ при механической деформации в режиме поперечного изгиба.

3 Установлено, что с увеличением пробега автомобиля в ЛР предельное значение величины суммарного счета импульсов АЭ монотонно увеличивается. Это свидетельствует о выходе дислокаций на поверхность ЛР, которые являются источниками разрушения поверхностного слоя ЛР. Такое поведение импульсов АЭ объясняется повышенной концентрацией линейных дефектов, связанных с ростом микротрещин, образовавшихся в исследуемом ЛР и результате длительной эксплуатации.

4 Обоснован выбор и экспериментально исследованы материалы покрытий, существенно снижающих интенсивность трещинообразования в ЛР.

При толщине покрытия до 10 мкм обеспечивается блокировка дислокаций в поверхностном слое ЛР в ЗС, повышается долговечность пакета в 1,8 раза.

5 Определены структура и содержание дополнительных технологических операций (нанесение фреттингостойкого покрытия на рабочие участки ЛР, нагревание листов рессоры с покрытием / = 830 °С в течение 15-17 мин, охлаждение поверхности листа с нанесенным покрытием), обеспечивающих в рамках существующего технологического процесса изготовления ЛР повышение фретгингостойкости поверхностного слоя отдельных листов и долговечность системы подрессоривания АТС.

6 Обеспечено прогнозирование долговечности ЛР на основе полученной зависимости изменения длины микротрещины от величины приложенной силы к ЛР.

7 Установлена возможность оценивания результативности технологических мероприятий по упрочнению поверхностного слоя листов ЛР на основе полученных зависимостей приведенной эффективной длины микротрещины и приведенной усталостной прочности ЛР от пробега АТС.

8 Сформулирована задача комплексной оптимизации конструктивных параметров листовой рессоры (девять параметров) для автомобилей общего назначения с. учетом диапазона изменения ее свойств, микропрофиля двух категорий дорог (90-100 % пробега автомобиля) и типовых скоростей движения автомобиля по ним (20-40 км/ч).

9 Предложен новый метод оптимизационного синтеза для многокритериальных и многопараметрических задач, включающий этапы: эвристического сокращения числа исследуемых вариантов конструкции с целью формирования генерирующих мультипликативных моделей; исследования сокращенной номенклатуры вариантов в системах класса АЫБУБ с целью определения эксплуатационных свойств конструкции; формирования полиномиальных моделей второго порядка на основе планов стабильной структуры; синтеза сбалансированных по противоречивости частных критериев качества конструкций на основе единого комплекса параметрической оптимизации, генетических алгоритмов с изолированным развитием пяти популяций и островной моделью развития пяти популяций; оценки свойств конструкций листовой рессоры в системах инженерного анализа класса АИБУБ.

10 Получены г'онструкции листовой рессоры, обеспечивающие удовлетворение комплекса противоречивых требований для автомобилей общего назначения, с учетом диапазона изменения ее свойств, микропрофиля двух категорий дорог и типовых скоростей движения автомобиля по ним.

11 Результаты работы внедрены в производство в ОАО «Пензадизель-маш», ФГУП ФНЦП «ПО "Старт" им. М. В. Проценко» (г. Заречный, Пензенская обл.), ОАО «Объединенные автомобильные технологии» (Управляющая организация ЗАО «Сердобский машиностроительный завод») и ОАО «Специальное конструкторское бюро турбонагнетателей» (г. Пенза).

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК

1 Келасьев, В. В. Экспериментальные исследования разрушения листовой рессоры транспортных средств / И. И. Артемов, В. В. Келасьев,

A. А. Генералова // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2009. - № 2. - С. 144-153.

2 Келасьев, В. В. Технология обеспечения долговечности деталей машин / И. И. Артемов, В. Д. Кревчик, А. В. Рудин, Н. Е. Артемова, В. В. Келасьев // Вестник Саратовского государственного технического университета. Технические науки. - 2009. - № 3. - С. 11-15.

3 Келасьев, В. В. Модель развития фретгинг-процесса в поверхностном слое листа рессоры / И. И. Артемов, В. Д. Кревчик, С. Б. Меньшова,

B. В. Келасьев // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2011. - № 1. - С. 213-224.

4 Келасьев, В. В. Автоматизированный синтез оптимальных свойств упругих элементов подвески автотранспортного средства / Ю. А. Дьячков,

A. Н. Щербаков // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2012. - № 2. - С. 157-166.

Публикации в бюллетенях изобретений

5 Пат. 2366919 Российская Федерация, МПК G 01М 17/06. Стенд для испытания элементов подвески автотранспортных средств / Артемов И. И., Келасьев В. В., Мальцев А. А. ; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО «Пензенский государственный университет». - № 2008113708 ; заявл. 07.04.08 ; опубл. 10.09.09. Бюл. № 25.

Публикации в центральных журналах, сборниках научных трудов и материалах конференций

6 Келасьев, В. В. Возможные причины усталостного разрушения контактирующих поверхностей под действием циклического нагружения /

B. В. Келасьев // Прогресс транспортных систем и средств — 2005 : сб. ст. Междунар. науч.-практ. конф. - Волгоград : ВолгГТУ. - 2005. - С. 63-65.

7 Келасьев, В. В. Фреттинг в листовых рессорах / В. В. Келасьев // Современные тенденции развития транспортного машиностроении : сб. ст. по материалам X Междунар. науч.-практ. конф. - Пенза : ПДЗ, 2005. -

C. 47-49.

8 Келасьев, В. В. Исследование микронеоднородностей структуры деталей машин методом акустической эмиссии // А. В. Рудин, Н. Е. Артемова, В. В. Келасьев // Проблемы исследования и проектирования машин : сб. ст. IV Междунар. науч.-техн. конф. - Пенза : ПДЗ, 2008. - С. 68-72.

9 Келасьев, В. В. Исследование процесса образования микротрещин автомобильных рессор методом акустико-эмиссионного контроля / И. И. Артемов, В. Д. Кревчик, А. В. Рудин, В. В. Келасьев // Проблемы исследования

и проектирования машин : сб. ст. IV Междунар. науч.-техн. конф. - Пенза : ПДЗ, 2008.-С. 75-84.

10 Келасьев, В. В. Учебно-исследовательский комплекс для испытания элементов подвески автотранспортных средств / В. В. Келасьев // Университетское образование : сб. ст. XII Междунар. метод, конф. - Пенза : ПДЗ, 2009. - С. 56-59.

11 Келасьев, В. В. Стенд для испытания элементов подвески автотранспортных средств / В. В. Келасьев, А. А. Мальцев, А. Е. Бублиенов // Материалы и технологии XXI века : сб. ст. VII Междунар. науч.-техн. конф. - Пенза : ПДЗ, 2009. - С. 64-73.

Научное издание Келасьев Василий Владимирович

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ И ОПТИМИЗАЦИОННЫЙ СИНТЕЗ ЛИСТОВОЙ РЕССОРЫ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА

Специальности: 05.02.08 - Технология машиностроения;

05.05.03 - Колесные и гусеничные машины

Редактор О. Ю. Ещина Технический редактор М. Б. Жучкова Компьютерная верстка М. Б. Жучковой

Распоряжение № 29/2012 от 08.11.2012.

Подписано в печать 13.11.12. Формат 60х84'/)6. Усл. печ. л. 1,16. Тираж 100. Заказ № 878.

Издательство ПГУ. 440026, Пенза, Красная, 40. Тел./факс: (8412) 56-47-33; е-таЛ:нс@рп7§и.ги

2012249467

2012249467