Специфика исследования контактной усталости алюминиевых образцов

Медовщиков Александр Вадимович

УДК 620.178.311.4 doi: 10.18698/0536-1044-2023-11-29-33

Специфика исследования контактной усталости алюминиевых образцов

А.В. Медовщиков

МГТУ им. Н.Э. Баумана

Specifics in studying the aluminum contact fatigue

A.V. Medovshchikov

Bauman Moscow State Technical University

Алюминиевые сплавы нашли применение практически во всех отраслях промышленности. Некоторые изделия машиностроения работают в условиях циклически повторяющейся контактной нагрузки. По истечении определенного количества циклов нагружения такие изделия подвержены усталостному разрушению. Методики по определению их ресурса базируются на усталостных кривых при контактном взаимодействии, но для алюминиевых сплавов таких кривых практически нет. Для получения усталостной кривой при контактном взаимодействии определена база испытаний и проведен эксперимент по обкатыванию цилиндрических образцов из алюминиевого сплава до усталостного разрушения. По результатам эксперимента построена кривая контактной усталости.

Ключевые слова: контактная усталость, алюминиевые сплавы, испытания на контактную усталость

Aluminum alloys found their application in almost all industries. Certain mechanical engineering products operate under conditions of the cyclically repeating contact load. After a certain number of loading cycles, such products are subject to fatigue destruction. Methods in their service life determination are based on the fatigue curves at the contact interaction. For the aluminum alloys, fatigue curves at the contact interaction are practically missing. To obtain a fatigue curve at contact interaction, a test base was determined, and an experiment was carried out on rolling the aluminum alloy cylindrical samples to the fatigue destruction. Based on the experiment result, the contact fatigue curve was constructed.

Keywords: contact fatigue, aluminum alloys, contact fatigue testing

Зубчатые передачи относятся к наиболее часто встречающимся изделиям, работающим в условиях циклически повторяющейся контактной нагрузки. В целях уменьшения массы изделия и стоимости изготовления цилиндрические зубчатые колеса изготавливают из алюминиевых сплавов [1-6].

Чаще всего зубчатые передачи выходят из строя вследствие усталостного излома зуба или образования ямок на поверхности обкатывания зубьев [7-12]. Процесс образования ямок, вызванного обкатыванием зубьев по поверхности друг друга, называют усталостным выкрашива-

нием. Существующие методики расчета ресурса зубчатой передачи базируются на определении предела контактной выносливости.

Предел контактной выносливости находят по усталостным кривым для используемого материала. Для большинства сталей, чугунов и бронз в специальной литературе указаны значения предела контактной выносливости, а для алюминиевых сплавов можно найти только усталостные кривые при симметричном изгибе.

Цель работы — экспериментальное исследование по определению контактной усталости

алюминиевого сплава и построение кривом контактной усталости.

Для достижения поставленной цели проводили испытания по обкатыванию алюминиевых образцов. В качестве испытуемого материала выступал дюралюминиевый сплав 2024-Т3, широко применяемый в промышленности.

Экспериментальное исследование по определению контактной усталости двух цилиндрических образцов выполняли в условиях чистого качения на машине трения СМТ-1. Схемы алюминиевого образца и его испытания по определению контактной усталости приведены на рис. 1, а и б, а внешний вид машины трения СМТ-1 — на рис. 2.

В качестве материала контробразца использовали сталь 40Х, закаленную до твердости 45 НИС по шкале Роквелла. Такой выбор материала для контробразца обусловлен тем, что

1____а; рй____1

Г ^ ¥ / р У/

2 фаски

Рис. 1. Схемы алюминиевого образца (а) и его испытания по определению контактной усталости (б): 1 — контробразец; 2 — испытуемый образец

разрушение должно было произойти только на образце из исследуемого алюминиевого сплава.

В движение образцы приводил асинхронный двигатель, управляемый посредством преобразователя частоты. Частота вращения двигателя составляла 700 мин1. При пуске машины включали секундомер, который фиксировал время работы.

При появлении характерного постукивания образцов машину останавливали для визуального контроля их рабочей поверхности. Если на поверхности испытуемого образца в разных местах появлялись ямки или ямка шириной больше половины ширины площадки контакта, то эксперимент прекращали и фиксировали время. Далее меняли образец и контробразец, и эксперимент повторяли.

Эксперимент проводили на пяти уровнях нагрузки. На каждом уровне выполняли по шесть испытаний до наступления выкрашивания. Обычно базой испытания для цветных сплавов принимают N = 5 -108 циклов. Однако, согласно данным работы [13], для исследуемого сплава после N = 2,3 -106 циклов при снижении действующих напряжений менее определенного значения (до N = 5-108) не происходит разрушения. В связи с этим для уменьшения времени испытаний за базовое принято N = 2,3 -106 циклов.

Для каждого уровня нагрузок рассчитывали среднее значение X, среднеквадратическое отклонение с и доверительный интервал. Среднее значение определяли по формуле

п

х = £ х//п,

!=1

где п — суммарное число экспериментальных точек при каждом уровне нагрузок; XI — число циклов в /-й экспериментальной точке.

Среднеквадратическое отклонение вычисляли как

с = Л г ^ (X - х 2

1 п /=1

Рис. 2. Внешний вид машины трения СМТ-1: 1 — нагрузка; 2 — образец; 3 — контробразец

Максимально допускаемое отклонение результатов измерений от среднего значения не должно превышать утроенного среднеквадра-тического отклонения. В этом случае доверительный интервал

[ X - 3с, X + 3с ].

Результаты экспериментального исследования приведены в таблице.

Результаты экспериментального исследования

Сила поджатия Р, Н Номер образца Время до разрушения, мин Число циклов до разрушения N Среднее значение х Доверительный интервал

1 200 140 000

2 205 143 500

1820 3 210 147 000 139 066 [121972, 156160]

4 197 137 900

5 188 131 600

6 192 134 400

7 471 329 700

8 480 336 000

1445 9 492 344 400 333 550 [293869, 373231]

10 467 326 900

11 448 313 600

12 501 350 700

13 1143 800 100

14 1050 735 000

1100 15 1212 848 400 805 933 [673681, 938185]

16 1110 777 000

17 1200 840 000

18 1193 805 933

19 2143 1 500 100

20 2274 1 591 800

890 21 2010 1 407 000 1 489 833 [1287192, 1692474]

22 2193 1 535 100

23 2100 1 470 000

24 2050 1 435 000

25 3303 2312 100

26 3285 2 299 500

760 27 3375 2 362 500 2 300 60 [2050142, 2553992]

28 3164 2 214 800

29 3147 2 202 900

30 3458 2 420 600

Для построения кривой контактной усталости рассчитывали контактное напряжение по формуле Герца [14]

Он =

РБ пШ''

где Р — сила поджатия; Б * — приведенный модуль упругости, Б* = 5,84-104 МПа; Ш — при-

веденный радиус кривизны, Ш = 9,3375 мм; I — длина линии контакта, I = 8 мм. Приведенный модуль упругости

(1 " Ш )2 ,(1 " Ц2 )2

Б* =

Б Б2

где Ць Ц2 и Б1, Б2 — коэффициенты Пуассона модули упругости и образца и контробразца соответственно.

ан, МПа

400

110J

110°

N 1-10'

Рис. 3. Зависимость контактного напряжения стH от числа циклов до разрушения N алюминиевого сплава 2024-Т3: — экспериментальные данные; ---результаты их аппроксимации

Приведенный радиус кривизны определяли из выражения

— -— + — R Rl R2

где R1 и R2 — радиусы кривизны образца и контробразца.

Полученная кривая контактной усталости — зависимость контактного напряжения Oн от числа циклов до разрушения N алюминиевого сплава 2024-Т3 — приведена на рис. 3 в полулогарифмических координатах.

Как видно из рис. 3, экспериментальные данные аппроксимированы логарифмической кривой, что характерно для усталостных испытаний.

Вывод

Получен график контактной усталости алюминиевого сплава 2024-Т3, который можно использовать для определения ресурса изделий, работающих в условиях циклического контактного взаимодействия.

Литература

[1] Mehta D.S., Masood S.H., Song W.Q. Investigation of wear properties of magnesium and

aluminum alloys for automotive applications. J. Mater. Process. Technol., 2004, vol. 155— 156, no. 1-3, pp. 1526-1531, doi: https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2004.04.247

[2] Mazlan S., Yidris N., Koloor S.S.R. et al. Experimental and numerical analysis of fatigue life of

aluminum Al 2024-T351 at elevated temperature. Metals, 2020, vol. 10, no. 12, art. 1581, doi: https://doi.org/10.3390/met10121581

[3] Karpat F., Yilmaz T.G., Dogan O. et al. Stress and mesh stiffness evaluation of bimaterial spur

gears. ASME Int. Mechanical Engineering Congress and Exposition, 2019, paper V02BT02A025, doi: https://doi.org/10.1115/IMECE2019-11554

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

[4] Venkatesh B., Kamala V., Prasad A.M.K. Modeling and analysis of aluminum A360 alloy hel-

ical gear for marine applications. Int. J. Appl. Eng. Res., 2010, vol. 1, no. 2, pp. 124-134.

[5] Babu N.S. Investigation on the comparison analysis of gear drive for robots. IJIRSET, 2022,

vol. 11, no. 1, pp. 419-423.

[6] Kaczmarek L., Kula P., Sawicki J. et al. New possibilities of applications aluminium alloys in

transport. Arch. Metall. Mater., 2009, vol. 54, no. 4, pp. 1199-1205.

[7] Nursyifaulkhair D., Wijanarko R., Angela I. et al. Comparison of bending stress and contact

stress of helical gear transmission using finite element method. IJMERR, 2019, vol. 8, no. 1, pp. 92-98, doi: https://doi.org/10.18178/ijmerr

[8] Jagtap M.S., Kale M.A. Stress analysis for helical gear and development of new gear routing

algorithm. IJESMM, 2022, vol. 2, no. 1. URL: http://iiardpub.in/assets/images/issues/pdf/ cvNK7o_B4o4T3_K9Q5MO_j2Jm6D_131556.pdf

[9] Ivanov A.S., Kuts M.S. Strength of the hypoid gear. Russ. Engin. Res., 2016, vol. 36, no. 11,

pp. 910-915, doi: https://doi.org/10.3103/S1068798X16110095

[10] Rajesh S., Marimuthu P., Babu P.D. et al. Contact fatigue life estimation for asymmetric helical gear drives. Int. J. Fatigue, 2022, vol. 164, art. 107155, doi: https://doi.org/ 10.1016/j.ijfatigue.2022.107155

[11] Feng W., Feng Z., Mao L. Failure analysis of a secondary driving helical gear in transmission of electric vehicle. Eng. Fail. Anal., 2020, vol. 117, no. 7, art. 104934, doi: https://doi.org/ 10.1016/j.engfailanal.2020.104934

[12] Asi O. Fatigue failure of a helical gear in a gearbox. Eng. Fail. Anal., 2006, vol. 13, no. 7, pp. 1116-1125, doi: https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2005.07.020

[13] Military handbook. Metallic materials and elements for aerospace vehicle structures. U.S. Department of defense, 1998. 1653 p.

[14] Fischer-Cripps A.C. Introduction to contact mechanics. Springer, 2007. 226 p.

References