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    殘余應力對汽車零件疲勞壽命的影響研究

    2017-12-29 11:26:45雷科
    山東工業(yè)技術 2017年24期
    關鍵詞:汽車零件殘余應力疲勞壽命

    摘 要:眾所周知,由于負荷交變壓力,汽車零件常常因為過度疲勞而發(fā)生損壞,這個過程主要分為三個階段,即受理表面開始出現(xiàn)疲勞裂痕、裂縫的擴大以及最終的瞬間性斷裂。因此,為了有效提升零件的疲勞強度,本文基于殘余應力的概述,分析和研究了應用殘余應力提升疲勞強度的實例,以期為相關人員提供借鑒。

    關鍵詞:殘余應力;汽車零件;疲勞壽命

    DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.24.027

    0 前言

    通常情況下,通過提升零件表面金屬的強度以及改善零件的表層狀態(tài),如提升光滑度或者減小表層缺陷等,都可高效提升汽車零件的疲勞強度。而通過應用零件表層的殘余應力,可有效減少在汽車運行過程中零件所負荷的拉伸應力,進而達到提高疲勞強度的效果。因此,本課題對于殘余應力的研究具有現(xiàn)實意義。

    1 殘余應力的概述

    1.1 作用

    零件內部的應力往往是受外力的影響而產(chǎn)生的,若缺乏外力影響,此時的零件內部也會存在著一定的應力,而這就是所謂的殘余應力[1]。舉例來說就是,假設有2根剛性梁,兩者之間使用4根彈簧進行連接,兩端的彈簧為壓簧,而中間的2根則為拉簧。在這一受力系統(tǒng)之中,彈性力始終處于平衡狀態(tài),也就是說壓力的總和與拉力的總和相等。此外,經(jīng)過某些工藝,如滾壓工藝或者噴丸工藝等處理之后,圓桿內部也會產(chǎn)生相類似的殘余應力。該種殘留在零件內部并相互制衡的應力,在與外力所產(chǎn)生的應力進行疊加后,就會使得外力相應地增大或減少。而對于負荷著交變壓力的汽車零件而言,通過實現(xiàn)殘余應力與交變應力的疊加,可使平均應力產(chǎn)生相應的增大或減小?;跀嗔蚜W的基本理論知識,要想獲取較高的疲勞強度,首先要做的就是延后疲勞裂痕的產(chǎn)生,其后阻礙其擴展和深入。根據(jù)相關研究可知,汽車零件疲勞裂痕的拓展抗力與殘余應力之間存在著指向關系,隨著殘余應力的增加,雖然疲勞裂痕所產(chǎn)生的抵抗力并未較大地增長,但是疲勞裂痕的抗拓展力卻大幅提升,從而極大地提升了汽車零件的疲勞強度。

    1.2 產(chǎn)生原因

    1.2.1 塑性變形

    零件的塑性變形極有可能產(chǎn)生殘余應力。當某一零件表面壓有一個鋼球時,球體下端的材料就會產(chǎn)生塑性流動,進而會沿著球體的四圍被擠出。在球體移動之后,塑性變形區(qū)域之下的材料則會產(chǎn)生往上反彈的趨勢,但由于已出現(xiàn)塑性變形情況的材料無法恢復到原先狀態(tài),因而此處便生成了壓應力,而上面則生成了拉應力。此外,對零件進行切削處理同樣會差生殘余應力,尤其是當零件出現(xiàn)磨損時,即便是研磨或者拋光等處理也會使得零件的表層內形成40-60kg/mm?的殘余應力。

    1.2.2 滲碳與滲氮

    借助滲碳或者滲氮等手段同樣可生成殘余應力。相較于表面淬火,滲碳處理具有更為顯著的優(yōu)越性,其所產(chǎn)生的殘余應力也遠遠超過表面淬火,這是因為:第一,在進行滲碳處理時,要對零件的整體進行加熱,而在表面淬火時,則要對表面進行冷卻處理,借助溫差而產(chǎn)生殘余應力,第二,表面馬氏體結構的變化進而產(chǎn)生殘余應力,第三,表面淬硬的加強作用。而滲氮處理則能產(chǎn)生更大的殘余應力。在進行滲氮處理時,氮會與鐵以及相關的合金元素生成硬度較大的氮化物,使得表面體積出現(xiàn)膨脹進而產(chǎn)生殘余應力,雖然所產(chǎn)生的氮化物層較薄,但是所生成的殘余應力卻十分之大。

    除此之外,彎曲或扭曲桿件、對零件進行不均勻的加溫或冷卻等處理同樣可以使零件產(chǎn)生殘余應力,進而有效提升汽車零件的疲勞強度。

    2 應用殘余應力提升汽車零件疲勞強度的實例

    2.1 彈簧

    借助噴丸處理,不但可有效去除彈簧表層的氧化層,而且能讓彈簧表面發(fā)生塑性變形,進而產(chǎn)生一定程度上的冷作硬化效果,而這也被稱作是噴丸強化。根據(jù)相關實驗可知,要想提升彈簧的疲勞強度,主要依靠的不是噴丸的強化效果,而是彈簧表面的殘余應力。對于彈簧或者板簧而言,當其簧片的上表層收到拉伸應力作用時,對其進行噴丸強化處理,如此一拉便可有效提升彈簧表面的殘余應力。以厚度為6.3㎜的彈簧鋼板為例,對三塊同樣規(guī)格的彈簧鋼板分別采用不同的工藝處理方式,即不噴丸處理、一般性噴丸處理以及應力噴丸處理,根據(jù)結果顯示,經(jīng)處理后的彈簧鋼板的疲勞極限依次為47.5kg/mm?、72.5kg/mm和102.0kg/mm。由此可見,通過應用殘余應力,可有效提升彈簧鋼板的疲勞強度。

    2.2 曲軸

    由于曲軸的形狀具有一定的特殊性,因而其應力的分布也呈現(xiàn)出不均勻的狀態(tài)。以某一經(jīng)過精細打磨后的滾壓圓角為例,其中,滾壓力為300kg,因滾壓形成的塑變層厚度為1.8mm,最終曲軸整體的疲勞性能較之之前提升了38%。

    2.3 齒輪

    在汽車的正常運行過程中,由于受到外部荷載的影響,齒輪同樣會產(chǎn)生相應的應力。當滲碳層較為薄弱時,此時的齒芯部分大面積的斷面尚未完成滲碳,因而齒輪芯部的殘余應力相對較小,但也足夠應對平衡表面相對較高的殘余應力,而當滲碳層較為厚重時,此時的齒輪芯部的面積就會有所減少,但與此同時,齒輪外部表面的殘余應力也會相應降低?;跉堄鄳Φ南嚓P理論知識可知,滲碳層的厚度不應過大,齒輪芯部位置的強度也不應過大,這樣一來,齒輪才能具備較高的疲勞強度。此外,由于齒輪表面具有一定程度上的麻點危險,因此,沿著齒輪表面的滲碳層應相對較厚,尤其是齒輪的基圓面。

    3 結論

    總而言之,基于殘余應力的作用方式和產(chǎn)生原因,通過探究殘余應力的具體應用實例可知,通過應用殘余應力,可有效提升部件的疲勞強度,進而大大延長部件的使用壽命。因此,汽車行業(yè)相關技術人員必須提高對殘余應力的重視程度,通過采用有效有效手段,發(fā)揮殘余應力作用,從而提升汽車零件的疲勞性能。

    參考文獻:

    [1]何少杰,楊文玉,郭步鵬.機加工表面殘余應力及其疲勞壽命評價的研究進展[J].表面技術,2015,44(06):120-126+132.

    作者簡介:雷科(1986-),男,工學學士,工程師,研究方向:機械人工智能、汽車典型零部件疲勞與優(yōu)化、高校學生資助管理。

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