CC BY
62
Войнов А.А. , Волков И.В. МЕТОД ПОВЫШЕНИЯ РЕСУРСА ШАРОВОЙ ОПОРЫ СКОЛЬЖЕНИЯ
Шаровая опора (рисунок 1) является одним из тяжелонагруженных элементов автомобиля и представляет собой триботехническую пару трения скольжения.
Рисунок 1. Шаровая опора. 1 - верхняя крышка корпуса, 2 - нижняя крышка корпуса, 3 - полимерный слой (вкладыш), 4 - болт со сферической головкой (палец)
Шаровая опора состоит из корпусных деталей 1 и 2, полимерного эластичного покрытия 3, жестко связанного с внутренней поверхностью корпуса шаровой опоры и пальца 4 со сферической головкой, контактирующей с полимерным покрытием.
Полимеры в общем случае обладают сложными механическими свойствами. Деформация этих материалов обычно является процессом, происходящим во времени по определенным законам. Для изготовления шаровых опор применяются в основном термостойкие полиамиды, которые по окончании полимеризации в готовом изделии характеризуются как линейно упругие твердые тела, способные воспринимать динамические нагрузки и высокие контактные напряжения. Полиамиды представляют собой полимеры линейного строения с высокой степенью кристалличности и малой полидисперсностью. Полиамиды отличаются высокой прочностью при ударных нагрузках и эластичностью. По классической теории упругости обобщенный закон Роберта Гука, полагающий для упругого твердого тела линейную зависимость компонентов напряжения от компонентов деформаций, приложим и для полимерных материалов, используемых для шаровых опор и имеет вид:
ах — С118х + Сп8у + С138г + С14 Туг + С15Тхг + С16Тху ; ау — С218х + С228у + С238г + С24Туг + С25Тхг + С2бУху ;
= С61£х + С62£у + С63£г + С64Ууг + Су + С66УХ,
Для определения постоянных С необходимо решить систему, в которую входит 21 уравнение при условии С^ = С^± (1, ^ = 1, 2, 3). Однако для применяемых полимерных материалов, являющихся изотроп-
ным материалом, число независимых упругих постоянных равно двум. В таком случае закон Гука имеет
1
£х = Е Iа* ~у(ау +а)] ;
£у =1 {ау ~у(а* +а)] ;
Е L у ' х ^ у О
= ЕЕ {*, ~У{°х +*у)] ; Т — О;Тх2 .
_М
Здесь— 8 — --- — линейная деформация; у — деформация сдвига.
10
Поведение изотропного идеально упругого («гуковского») тела характеризуется, следовательно, двумя константами, т. е. модулем Юнга Е и коэффициентом Пуассона V. Третья константа — модуль упругоЕ
сти при сдвиге (О — определяется зависимостью О — —--------- . Модуль сжимаемости К, зависит от констант
2 (Х+^
Т7
V и О и определяется выражением - К —
3(1 - 2v)
Упругие константы полимерных материалов приведены в табл. 1. Таблица 1
Константа Колеблется в пределах
Е На практике 10 - 105 МПа
Є О = Е/3 для несжимаемых тел
К От Е/3 до ~ (~ для несжимаемых тел)
V От 0 до 0,5 (0,5 для несжимаемых тел)
Для шаровых опор применяются в основном полиамиды, представляющие собой гетероцепные полимеры, содержащие в основной цепи макромолекулы повторяющиеся амидные группы:
Синтезировано очень большое число полиамидов с приведёнными характеристиками, но практическое значение имеют лишь некоторые из них:
1 поли-£-капроамид, или полиамид (другие названия: капрон, нейлон);
2 полигексаметиленадипамид, (анид, нейлон);
3 полигексаметиленсебацинамид;
4 поли-о-ундеканамид;
5 поли-м-фениленизофталамид (фенилон);
6 сополимеры полиамидов.
Основные характеристики полиамидов для ШО приведены в таблице 2.
Таблица 2
Показатель Значения показателя
Плотность, г/см 3 1,10...1,4
Предел прочности, МПа при растяжении при сжатии при изгибе 4 5...95 70.125 28.150
Модуль упругости при растяжении, МПа 560.3000
Ударная вязкость, кГ'См/см2 100.250
Относительное удлинение при разрыве, % 300.120
Твердость по Бринеллю, МПа 40.300
Температура плавления, °К 423.473
Исследования образцов шаровых опор показывают, что изнашивание и разрушение структуры полимерного покрытия 3 происходит в зоне его свободного кольцевого контура. От контактно-динамического действия нагрузки, передаваемой пальцем на небольшую по размеру площадку контакта свободного кольцевого контура, возникает концентрация напряжений от влияния краевого эффекта. Остаточные пластические деформации в области контакта шейки пальца корпуса шаровой опоры хорошо видны невооруженным глазом. Смятие и сдвиг этой зоны достигают недопустимых размеров, более 1мм. Наиболее интенсивное изнашивание полимерного покрытия происходит абразивными частицами (песок, пыль), которые попадают на поверхности трения при разрыве предохранительного резинового чехла. В результате происходит абразивное изнашивание с микрорезанием. Повреждение абразивами, как показывают исследования реальных ШО, происходит в зоне постоянного контакта «палец-корпус» при вершине сферических поверхностей и ведёт к снижению ресурса ШО.
При моделировании на основе теории Герца определялись максимальные давления и смещения в наиболее напряжённой точке ШО.
Теория контактных деформаций твёрдых тел (ТТ), разрешённая Бусинесском и далее разработанная Г. Герцем в 1881 г. [1] отвечает двум основным случаям при первоначальном (до деформации) касании ТТ:
- точечное касание (касание шарика и кольца в шарикоподшипнике, т. е. касание в точке) и - касание по линии (касание двух цилиндров по образующей, касание ролика и кольца в роликоподшипнике). Механика деформирования при контактном взаимодействии деталей ШО отвечает первому Герцевскому случаю.
Упругий контакт при действии нормальной нагрузки к поверхностям соприкасания ТТ, выражается
следующей интегральной зависимостью: ^ — J pdA , где Ао - область контакта; р - произвольное нагру-
А0
жение, Гм - нормальная нагрузка.
[3 Л 2 (1 ~^кв)
Герцевский радиус площадки контакта имеет следующее выражение а — 3--------------Н , где л —----------- -
V2 Хк 2 Ео
упругая постоянная материалов,
^1 А1 11 л ^ -^1
Ео - приведённый модуль упругости, Хк — 21-----------— 2------------- сумма главных кривизн.
IК1 К3 ) К1 • К3
Для исследуемой ШО схема точечного контакта и распределение давлений по Герцу [1] показана на рисунке 2 и рисунке 3.
Сближение соприкасающихся тел [2] 8 = — • 3
2 )
V •! к • Гг2
4 г
Величина наибольшего давления р0 =— ?|_I---- I • ^ .
ж V 2 ^ г}
1 ,(3 ( 2кл2
Рисунок 2. Схема контакта до деформации при = 0
Моделирование формирования качественных показателей ШО, обеспечивающих её долговечность показывает, что наиболее эффективным решением повышения долговечности ШО является замена полимерного гомогенного слоя ШО гетерогенным покрытием внутренней поверхности корпуса ШО, состоящего из полимера с различным металлическим наполнителем в виде сферических зёрен. Двухслойный корпус шаровой опоры моделируется в виде однослойной сферической оболочки с эквивалентными массовыми и упругими характеристиками (см. рисунок 4).
Здесь Н( = Ъ± / Ъ - приведённая толщина 1 - го слоя/
Поскольку корпус ШО представляет собой двухслойную оболочку, необходимо её моделировать эквивалентной оболочкой, обладающей эквивалентной жёсткостью Еэкв. В общем случае двухслойная оболочка характеризуется двумя жёсткостями при растяжении Ле и Ах и двумя жёсткостями при изгибе Ве и Бх ,
которые позволяют вычислить модули упругости Ех, Ее и Еэкв = л/Ех• Ев . Далее приведённый модуль упру-
Приведённый модуль упругости Е0 позволяет с достаточной для практики точностью (в пределах до 10 %) разрешать контактные задачи с учётом работы пластмассовых слоёв. Чем выше значение Еэкв корпуса, тем выше становится значение приведённого модуля упругости Е0 корпуса ШО (см. графу 4 табл. 3). Повышение модуля упругости корпуса ШО достигается созданием гетерогенного слоя взамен полимерного покрытия внутренней поверхности ШО.
Образование гетерогенного слоя возможно при использовании двух материалов в соотношении Уп / Ун = 0,91 по объёму. Здесь Уп - объём полимера, Ун - объём наполнителя. Данное соотношение получено при использовании в качестве наполнителя металлического порошка, имеющего модуль упругости Ен =
І^О
Распределение давления р
Площадка кон '
\ і
А
Рисунок 3. Контакт между сферическими телами согласно теории Герца Эквивалентный модуль упругости гетерогенного слс
слоя
где
___ ____ ____ _ з _ з _ з
Ех = Еи1 (Ьш) + Ея1 (Ья1) + Ея2(Ья2) , Е0 = Еш-(Ьш) + Е^-(ы) + Е^-(ьи2) +
12ИаЕ Е Иш Ип1Ип2 0 ш пс ш п1 п2
гости соприкасающихся тел выражается следующей зависимостью: Е о =
2Е1Е
Е,(1 -^1) + ЕЭкв(1 ~У\) '
2,1^105 МПа.
Рисунок 4. Схема ШО с гетерогенным слоем
Значения расчётных упругих постоянных некоторых материалов, применяемых для ШО представлены в таблице 3.
Таблица 3
Материал покрытия внутренней поверхности корпуса ШО Полимер Корпус Индентор- контртело
Модуль упругости полимерного материала покрытия и стали ШО Эквивалентный модуль упругости моделируемого корпуса ШО Приведённый модуль упругости контактирующих деталей корпуса ШО Коэффициент, обобщающий свойства контактирующих материалов
Е-10-5 , Мпа Еэкв-10-5 , Мпа Е0-10-5 , Мпа П -105 ,Мпа
1 2 3 4 5
П6-10Л 0,02 0,55 0,87 2,08
КС 3 0А 0,07 0,64 0,98 1,86
ПА ВС-У 0,09 0,66 1,01 1,80
СП-6 0,30 0,91 1,27 1,43
Сталь+СП-6 1,72 1,89 0,96
Сталь 2,10 2,10 2,10 0,87
ШО с повышенными упругими характеристиками корпуса имеет меньшую герцевскую окружность площадки контакта пальца с гетерогенным слоем. Это означает, что часть нагрузки, ранее воспринимаемая полимером передаётся на материал с более высокими модулями упругости. Контактные напряжения моделируемого трибосопряжения становятся близкими по отношению к трибосопряжению «сталь-сталь». Становится очевидным приближение напряжений ШО с гетерогенным слоем к напряжениям для стальных тел. Значения а, 5, ро см. в таблице 4.
Результаты определения значений а, 5, ро в зависимости от материалов ШО.
Таблица 4____________________________________________________________________________________________
№ образца Наимено- вание деталей узла Мате-риал деталей узла Нагруз-ка на деталь1 ,(Н) Радиус площадки контакта а х10 6 , (м) Сближение деталей 1 и 4 5x10 6, (м) Наибольшее давление Р0 , (МПа)
1 2 3 4 5 6 7
1 Значения а, 5, р0 без полимера
Палец ШХ 15 3187 4,85 4,32 66,00
Корпус Сталь08
2 Значения а, 5, Р0 с полимером СП-6
Палец ШХ 15 3187 а = Ь = = 3,852 -10—4 • ^ 5,67 5 = = 0,278 -10—7 • 6,02 Ро = = 3,218-106 • ^ 47, 36
Корпус -крышка 1 Сталь08
Корпус -крышка 2 Сталь08
Полимерный слой СП-6
3 Значения а, 5, Р0 с новым материалом
Палец ШХ 15 3187 а = Ь = = 3,373 • 10—‘4 • ^ 4,96 5 = =0,214-10—7•^ 4,64 Ро = = 4,2-106 • ^ 61,8
Корпус -крышка 1 Сталь08
Корпус -крышка 2 Сталь08
Полимерный слой СП-6 + +ШХ15
Нормальное напряжение в площадках, перпендикулярных к оси 2 от действия сосредоточенной силы
а2? ргС^хСг 3z3
приложенной к поверхности тела является интегральным параметром = —-----------------------------т- , (1) где
2? п5
о о п
p0 I 2 2 #2 2
p =-V a — г и П = V 7 + г . В результате интегрирования имеем
a
окончательно после второго интегрирования формула (1) принимает вид Oz = — р0
3pо г2
о2 =--- • ^ |^=гй-
a -1
1
1+(а
. (2)
Знак минус в выражении (2) показывает, что напряжение о2 является сжимающим. При z = 0, у центра площадки контакта Oz = - Р0, Напряжения в направлении осей X и У выражаются следующей зависимостью:
: 7у = —Р0
1 +
а
— (1 + у)—агс1g — а 7
Для точки у центра поверхности контакта, где z функции расстояния z от центра площадки
7х = 7у = —Р0 •
Величина
1
Тшах 2 Р0
!л \ 3 1 /- \% а
(1+у) —2—ТТ2 — (1+у)г агсГ^
Контактные
акта см. рисунок 5.
— 7 — т
Рисунок 5. Напряжения 7 = — и т = — , действующие в центре площадки контакта в безразмерных
Р0 Р0
коэффициентах.
Рисунок 6. Распределение контактного напряжения (герцевский контакт)
Вывод: напряжения по всем трём осям в центре площадки контакта сжимающие, т.е. напряжённое со-
стояние материала - объёмное.
На контуре площадки напряжённое состояние плоское, где ох = оу , о2 = 0.
Для определения достоверности математического моделирования при проведении экспериментов используются методы, применяемые в машиностроительной промышленности для контроля и диагностирования деталей и узлов автомобиля в процессе его эксплуатации с целью выявления слабых звеньев автомобиля.
В экспериментальной механике для измерения деформаций применяется метод тензометрирования с помощью механических и электрических датчиков, акустический, в частности ультразвуковой, рентгеновский, метод лаковых покрытий и, наконец, оптические методы, такие как метод муаровых полос и метод фотоупругости.
Среди оптических методов анализа работы конструкций особое место занимают новые голографические неразрушающие методы, позволяющие исследовать напряженно-деформированное состояние (НДС) всевозможных натурных материалов и конструкций в приповерхностном микро- и нанослое детали.
и
2
СУ
х
I
в
2
Для осуществления одного из методов исследования напряженно-деформированного состояния в процессе трибоконтакта пары «палец-корпус» шаровой опоры в настоящее время в лаборатории «Шасси» Института транспорта ПГУ предлагается использовать голографический метод, включающий способ регистрации спекл-голограмм во встречных пучках.
Достоинства голограмм:
1. Легко и просто путем оптического дифференцирования при фильтрации выделяются отдельные плоские компоненты перемещений и деформаций при сложном их пространственном сочетании.
2. Повышается точность вычисления деформации:
а) деформация определяется на минимальной базе (полуполосе) без аппроксимации и сглаживания градиентов деформации,
б) не требуется отсчета порядка полос и поиска «нулевой полосы»,
в) предварительное редактирование интерферограмм сглаживает нерегулярную спекл-структуру полос (шумы), мешающую процессу автоматизации считывания и обработки картин полос.
3. Понижаются требования к когерентности источника.
4. Понижаются требования к виброизоляции оптических схем.
5. Имеется возможность подбора чувствительности интерферограмм при расшифровке.
Таким образом, с одной спекл-голограммы двойной экспозиции имеется возможность получения 3-х мерной информации отдельно по ортогональным пространственным компонентам полей перемещений, а также с помощью оптического дифференцирования определения деформаций. Имея экспериментальные данные о перемещениях и деформациях поверхности испытуемой конструкции в отдельных местах, можно с помощью расчетно-экспериментального анализа определить НДС работы конструкции в целом.
Вывод.
Как показали теоретические исследования основной причиной отказов, снижающих ресурс ШО, является изнашивание и потеря работоспособности полимерного слоя, обладающего низким коэффициентом упругости.
Значимым параметром повышения ресурса ШО является повышение модуля упругости корпуса ШО.
Повышение модуля упругости корпуса ШО достигается за счёт создания гетерогенного слоя взамен гомогенного полимерного покрытия внутренней поверхности ШО.
За счёт повышения упругих свойств контактирующих тел повышается ресурс ШО.
Лаборатория «Шасси» Института транспорта ПГУ занимается исследованиями, направленными на выявление причин отказов шаровых опор легковых автомобилей и установление оптимальных параметров, определяющих повышение ресурса их службы.
ЛИТЕРАТУРА
1. Артёмов И.И., Моделирование изнашивания и прогнозирование ресурса трибосистем. Монография. /
И.И. Артёмов, В.Я. Савицкий, С.А. Сорокин. Пенза. ИИЦ ПГУ. 2004. - 374 с.: 186 ил., 16 табл., биб-лиогр. 194 назв.
2. Прочность, устойчивость, колебания. Справочник в трёх томах. Под ред. д-ра техн. наук проф. И.А. Биргера и чл.-кор. АН Латвийской ССР Я.Г. Пановко. Изд-во «Машиностроение», Москва, 1968.
