310 Ruostumattomasta teräksestä valmistetun kelaputken kemiallinen komponentti, öljykarkaistun teräslangan pintavikojen vaikutus automoottoreiden venttiilijousien väsymisikään

Kiitos vierailustasi Nature.comissa.Käytät selainversiota, jossa on rajoitettu CSS-tuki.Parhaan kokemuksen saamiseksi suosittelemme käyttämään päivitettyä selainta (tai poistamaan Yhteensopivuustila käytöstä Internet Explorerissa).Lisäksi jatkuvan tuen varmistamiseksi näytämme sivuston ilman tyylejä ja JavaScriptiä.
Liukusäätimet, joissa näkyy kolme artikkelia per dia.Käytä Takaisin- ja Seuraava-painikkeita liikkuaksesi diojen välillä tai diaohjaimen painikkeita lopussa.

Ruostumattomasta teräksestä valmistetut 310 kierreputket / kierreputketKemiallinen koostumusja koostumus

Seuraavassa taulukossa on 310S-luokan ruostumattoman teräksen kemiallinen koostumus.

10*1mm 9,25*1,24 mm 310 Ruostumattomasta teräksestä valmistettujen kapillaariputkien toimittajat

Fyysiset ominaisuudet

Lajin 310S ruostumattoman teräksen fysikaaliset ominaisuudet on esitetty seuraavassa taulukossa.

Mekaaniset ominaisuudet

Seuraavassa taulukossa on esitetty ruostumattoman teräksen 310S mekaaniset ominaisuudet.

Lämpöominaisuudet

Lajin 310S ruostumattoman teräksen lämpöominaisuudet on esitetty seuraavassa taulukossa.

Muut nimitykset

Muut ruostumatonta terästä 310S vastaavat nimitykset on lueteltu seuraavassa taulukossa.

Tämän tutkimuksen tarkoituksena on arvioida auton moottorin venttiilijousen väsymisikää, kun mikrovikoja lisätään öljykarkaistuun 2300 MPa:n johtoon (OT-lanka), jonka kriittinen vian syvyys on halkaisijaltaan 2,5 mm.Ensin OT-langan pintavikojen muodonmuutos venttiilijousen valmistuksen aikana saatiin elementtianalyysillä subsimulaatiomenetelmillä ja valmiin jousen jäännösjännitys mitattiin ja sovellettiin jousen jännitysanalyysimalliin.Toiseksi analysoi venttiilijousen lujuus, tarkista jäännösjännitys ja vertaa kohdistetun jännityksen tasoa pinnan epätasaisuuksiin.Kolmanneksi mikrovikojen vaikutus jousen väsymisikään arvioitiin soveltamalla jousen lujuusanalyysistä saatua pintavikojen rasitusta SN-käyriin, jotka saatiin taivutusväsymiskokeesta vaijerin OT pyörimisen aikana.40 µm:n vikasyvyys on nykyinen standardi pintavikojen hallinnassa väsymisiästä tinkimättä.
Autoteollisuudella on kova kysyntä kevyille autokomponenteille ajoneuvojen polttoainetehokkuuden parantamiseksi.Näin ollen edistyneen korkealujuusteräksen (AHSS) käyttö on lisääntynyt viime vuosina.Autojen moottorien venttiilijouset koostuvat pääasiassa kuumuutta kestävistä, kulutusta kestävistä ja painumattomista öljykarkaistuista teräslangoista (OT-langat).
Korkean vetolujuutensa (1900–2100 MPa) ansiosta tällä hetkellä käytössä olevat OT-langat mahdollistavat moottorin venttiilijousien koon ja massan pienentämisen, polttoainetehokkuuden parantamisen vähentämällä kitkaa ympäröivien osien kanssa1.Näiden etujen ansiosta korkeajännitteisen valssilangan käyttö lisääntyy nopeasti ja ultraluja 2300MPa-luokan valssilanka ilmestyy yksi toisensa jälkeen.Automoottoreiden venttiilijouset vaativat pitkän käyttöiän, koska ne toimivat suurilla syklisillä kuormituksilla.Tämän vaatimuksen täyttämiseksi valmistajat tyypillisesti pitävät väsymiskestoa yli 5,5 × 107 sykliä suunnitellessaan venttiilijousia ja kohdistavat jäännösjännityksen venttiilin jousen pintaan haihdutus- ja lämpökutistumisprosesseilla väsymisiän pidentämiseksi2.
Ajoneuvojen kierrejousien väsymisiästä normaaleissa käyttöolosuhteissa on tehty useita tutkimuksia.Gzal et ai.Esitetään analyyttiset, kokeelliset ja FE-analyysit elliptisistä kierrejousista, joilla on pieni kierrekulma staattisen kuormituksen alaisena.Tämä tutkimus tarjoaa selkeän ja yksinkertaisen ilmaisun suurimman leikkausjännityksen sijainnista suhteessa sivusuhteeseen ja jäykkyysindeksiin, ja tarjoaa myös analyyttisen käsityksen maksimaalisesta leikkausjännityksestä, joka on käytännön suunnittelun kriittinen parametri3.Pastorcic et ai.Yksityisautosta toimintahäiriön jälkeen poistetun kierrejousen tuhoutumisen ja väsymisen analyysin tulokset kuvataan.Kokeellisilla menetelmillä tutkittiin katkennut jousi ja tulokset viittaavat siihen, että tämä on esimerkki korroosioväsymishäiriöstä4.reikä jne. Useita lineaarisen regression jousien käyttöikämalleja on kehitetty arvioimaan autojen kierrejousien väsymisikää.Putra ja muut.Tien pinnan epätasaisuuksien vuoksi auton kierrejousen käyttöikä määräytyy.On kuitenkin tehty vähän tutkimusta siitä, kuinka valmistusprosessin aikana ilmenevät pintavirheet vaikuttavat autojen kierrejousien käyttöikään.
Valmistusprosessin aikana ilmenevät pintavirheet voivat johtaa paikallisiin jännityskeskittymiin venttiilijousiin, mikä lyhentää merkittävästi niiden väsymisikää.Venttiilijousien pintavirheet johtuvat erilaisista tekijöistä, kuten käytettyjen raaka-aineiden pintavirheistä, työkaluvioista, karkeasta käsittelystä kylmävalssauksen aikana7.Raaka-aineen pintavirheet ovat jyrkästi V-muotoisia kuumavalssauksen ja monivaihevedon vuoksi, kun taas muovaustyökalun ja huolimattoman käsittelyn aiheuttamat viat ovat U-muotoisia loivilla kaltevuuksilla8,9,10,11.V-muotoiset viat aiheuttavat suurempia jännityspitoisuuksia kuin U-muotoiset viat, joten lähtömateriaaliin sovelletaan yleensä tiukkoja vianhallintakriteerejä.
Nykyisiä pintavikojen hallintastandardeja OT-langoille ovat ASTM A877/A877M-10, DIN EN 10270-2, JIS G 3561 ja KS D 3580. DIN EN 10270-2 määrittää, että pintavian syvyys lankojen halkaisijalla on 0,5– 10 mm on alle 0,5–1 % langan halkaisijasta.Lisäksi JIS G 3561 ja KS D 3580 edellyttävät, että halkaisijaltaan 0,5–8 mm:n valssilangan pintavikojen syvyys on alle 0,5 % langan halkaisijasta.ASTM A877/A877M-10:ssä valmistajan ja ostajan tulee sopia pintavikojen sallitusta syvyydestä.Vian syvyyden mittaamiseksi langan pinnalla lanka syövytetään yleensä suolahapolla, minkä jälkeen vian syvyys mitataan mikrometrillä.Tällä menetelmällä voidaan kuitenkin mitata vikoja vain tietyiltä alueilta, ei lopputuotteen koko pinnalta.Siksi valmistajat käyttävät pyörrevirtatestausta langanvetoprosessin aikana mitatakseen jatkuvasti tuotetun langan pintavikoja;Näillä testeillä voidaan mitata pintavirheiden syvyyttä 40 µm asti.Kehitettävissä olevalla 2300 MPa teräslangalla on suurempi vetolujuus ja pienempi venymä kuin nykyisellä 1900-2200 MPa teräslangalla, joten venttiilijousen väsymisiän katsotaan olevan erittäin herkkä pintavirheille.Siksi on tarpeen tarkistaa olemassa olevien standardien soveltaminen pintavikojen syvyyden hallintaan teräslangan 1900–2200 MPa ja 2300 MPa teräslangan osalta.
Tämän tutkimuksen tarkoituksena on arvioida auton moottorin venttiilijousen väsymisikää, kun pyörrevirtatestauksella mitattava pienin vian syvyys (eli 40 µm) sovelletaan 2300 MPa:n OT-johtimeen (halkaisija: 2,5 mm): kriittinen virhe. syvyys.Tämän tutkimuksen panos ja metodologia ovat seuraavat.
Alkuperäisenä OT-langan vikana käytettiin V-muotoista vikaa, joka vaikuttaa vakavasti väsymisikään, poikittaissuunnassa langan akseliin nähden.Harkitse pintavian mittojen (α) ja pituuden (β) suhdetta nähdäksesi sen syvyyden (h), leveyden (w) ja pituuden (l).Pintaviat ilmenevät jousen sisällä, missä vika tapahtuu ensin.
OT-langan alkuvikojen muodonmuutoksen ennustamiseksi kylmäkäämityksen aikana käytettiin alisimulaatiomenetelmää, joka otti huomioon analysointiajan ja pintavikojen koon, koska viat ovat hyvin pieniä verrattuna OT-langaan.globaali malli.
Jousen jäännöspuristusjännitykset kaksivaiheisen haukun jälkeen laskettiin elementtimenetelmällä, tuloksia verrattiin haukon jälkeisiin mittauksiin analyyttisen mallin vahvistamiseksi.Lisäksi mitattiin kaikkien valmistusprosessien venttiilijousien jäännösjännitykset ja sovellettiin jousien lujuusanalyysiin.
Pintavirheiden jännitykset ennustetaan analysoimalla jousen lujuus, ottaen huomioon vian muodonmuutos kylmävalssauksen aikana ja jäännöspuristusjännitys valmiissa jousessa.
Pyörimistaivutusväsymiskoe suoritettiin OT-langalla, joka oli valmistettu samasta materiaalista kuin venttiilin jousi.Valmistettujen venttiilijousien jäännösjännitys- ja pinnankarheusominaisuuksien korreloimiseksi OT-linjoihin saatiin SN-käyrät pyörivällä taivutusväsymystesteillä sen jälkeen, kun esikäsittelyprosesseina käytettiin kaksivaiheista haulileikkausta ja vääntöä.
Jousen lujuusanalyysin tuloksia sovelletaan Goodman-yhtälöön ja SN-käyrään venttiilin jousen väsymisiän ennustamiseksi, ja myös pintavian syvyyden vaikutusta väsymisikään arvioidaan.
Tässä tutkimuksessa käytettiin 2300 MPa:n OT-luokan lankaa, jonka halkaisija oli 2,5 mm, arvioimaan auton moottorin venttiilijousen väsymisikää.Ensin langalle suoritettiin vetokoe sen sitkeä murtuman mallin saamiseksi.
OT-langan mekaaniset ominaisuudet saatiin vetokokeista ennen kylmäkäämitysprosessin ja jousen lujuuden elementtianalyysiä.Materiaalin jännitys-venymäkäyrä määritettiin käyttämällä vetokokeiden tuloksia venymänopeudella 0,001 s-1, kuten kuvassa 1 on esitetty.1. Käytetään SWONB-V-lankaa, ja sen myötöraja, vetolujuus, kimmokerroin ja Poissonin suhde ovat 2001.2MPa, 2316MPa, 206GPa ja 0.3.Jännityksen riippuvuus virtauksen jännityksestä saadaan seuraavasti:
Riisi.Kuva 2 havainnollistaa sitkeän murtumisprosessin.Materiaali käy läpi elastoplastista muodonmuutosta muodonmuutoksen aikana ja materiaali kapenee, kun materiaalissa oleva jännitys saavuttaa vetolujuutensa.Myöhemmin materiaalin sisällä olevien aukkojen syntyminen, kasvu ja yhdistäminen johtaa materiaalin tuhoutumiseen.
Muovautuva murtumamalli käyttää jännitysmodifioitua kriittistä muodonmuutosmallia, joka ottaa huomioon jännityksen vaikutuksen, ja kaulan jälkeisessä murtumassa vaurionkeräysmenetelmää.Tässä vaurion alkaminen ilmaistaan ​​jännityksen, jännityksen kolmiakselisuuden ja venymänopeuden funktiona.Jännitysten kolmiakselisuudella tarkoitetaan keskiarvoa, joka saadaan jakamalla materiaalin muodonmuutoksesta kaulan muodostumiseen aiheuttama hydrostaattinen jännitys tehollisella jännityksellä.Vahinkojen kertymismenetelmässä tuhoaminen tapahtuu, kun vahinkoarvo saavuttaa arvon 1, ja vaurioarvon 1 saavuttamiseen tarvittava energia määritellään tuhoutumisenergiaksi (Gf).Murtumisenergia vastaa materiaalin todellisen jännityssiirtymäkäyrän aluetta kaventumisajasta murtumisaikaan.
Perinteisillä teräksillä tapahtuu jännitysmuodosta riippuen sitkeä murtuma, leikkausmurtuma tai sekamuotoinen murtuma johtuen sitkeydestä ja leikkausmurtumasta, kuten kuvassa 3. Murtumisvenymä ja jännityksen kolmiakseliisuus osoittivat erilaisia ​​arvoja murtumakuvio.
Muovinen hajoaminen tapahtuu alueella, joka vastaa yli 1/3:n jännitystriaksiaalisuutta (vyöhyke I), ja murtumavenymä ja jännitystriaksiaalisuus voidaan päätellä pintavikoja ja lovia sisältävien näytteiden vetokokeista.Jännitystriaksiaalisuutta 0 ~ 1/3 vastaavalla alueella (vyöhyke II) tapahtuu sitkeän murtuman ja leikkausvaurion yhdistelmä (eli vääntötestin kautta. Jännitystriaksiaalisuutta vastaavalla alueella -1/3 - 0 (III), puristuksen aiheuttama leikkausvika sekä murtumavenymä ja jännitystriaksiaalisuus voidaan saada häiriötestillä.
Moottorin venttiilijousien valmistuksessa käytettävien OT-lankojen kohdalla on tarpeen ottaa huomioon erilaisten kuormitusolosuhteiden aiheuttamat murtumat valmistusprosessin ja käyttöolosuhteiden aikana.Tästä syystä suoritettiin veto- ja vääntötestit murtovenymäkriteerin soveltamiseksi, jännitystriaksiaalisuuden vaikutusta jokaiseen jännitysmoodiin tarkasteltiin ja elastoplastisten elementtien analyysi suurilla jännityksillä mitattiin jännitystriaksiaalisuuden muutos.Puristustilaa ei otettu huomioon näytteenkäsittelyn rajoituksen vuoksi, nimittäin OT-langan halkaisija on vain 2,5 mm.Taulukossa 1 on lueteltu elementtianalyysillä saadut veto- ja vääntötestiolosuhteet sekä jännityksen kolmiakselisuus ja murtumisvenymä.
Perinteisten kolmiakselisten terästen murtumisvenymä jännityksen alaisena voidaan ennustaa seuraavan yhtälön avulla.
jossa C1: \({\overline{{\varepsilon}_{0}}}^{pl}\) puhdas leikkaus (η = 0) ja C2: \({\overline{{\varepsilon}_{0} } }^{pl}\) Yksiakselinen jännitys (η = η0 = 1/3).
Kunkin jännitysmoodin trendiviivat saadaan soveltamalla yhtälössä murtumavenymäarvoja C1 ja C2.(2);C1 ja C2 saadaan veto- ja vääntötesteillä näytteillä, joissa ei ole pintavikoja.Kuvassa 4 on esitetty testeistä saatu jännitystriaksiaalisuus ja murtumisvenymä sekä yhtälön ennustamat trendiviivat.(2) Testistä saatu trendiviiva ja jännitystriaksiaalisuuden ja murtuman venymän välinen suhde osoittavat samanlaista suuntausta.Muotoilevan murtuman kriteerinä käytettiin kunkin jännitysmuodon murtumisvenymää ja jännitystriaksiaalisuutta, jotka saatiin trendiviivojen soveltamisesta.
Murtoenergiaa käytetään materiaalin ominaisuutena määrittämään murtumisaika kaulan jälkeen, ja se voidaan saada vetokokeilla.Murtumisenergia riippuu halkeamien olemassaolosta tai puuttumisesta materiaalin pinnalla, koska murtumisaika riippuu paikallisten jännitysten pitoisuudesta.Kuvat 5a-c esittävät pintavikoja sisältävien näytteiden ja R0,4- tai R0,8-loveilla varustettujen näytteiden murtumisenergiat vetotesteistä ja elementtianalyysistä.Murtumaenergia vastaa todellisen jännitys-siirtymäkäyrän pinta-alaa kavennuksesta murtumisaikaan.
Hienoja pintavikoja sisältävän OT-langan murtumisenergia ennustettiin suorittamalla vetokokeet OT-langalle, jonka vian syvyys oli suurempi kuin 40 um, kuten kuvassa 5d esitetään.Vetokokeissa käytettiin kymmentä viallista näytettä ja keskimääräiseksi murtumisenergiaksi arvioitiin 29,12 mJ/mm2.
Standardoitu pintavika määritellään vian syvyyden ja venttiilin jousilangan halkaisijan suhteena riippumatta autojen venttiilijousien valmistuksessa käytetyn OT-langan pintavian geometriasta.OT-langan viat voidaan luokitella suunnan, geometrian ja pituuden perusteella.Jousen pintavikaan vaikuttavan jännityksen taso vaihtelee vian geometrian ja suunnan mukaan myös samalla vian syvyydellä, joten vian geometria ja suunta voivat vaikuttaa väsymislujuuteen.Siksi on tarpeen ottaa huomioon jousen väsymisikään eniten vaikuttavien vikojen geometria ja suuntaus, jotta voidaan soveltaa tiukkoja kriteerejä pintavikojen hallintaan.OT-langan hienorakeisen rakenteen ansiosta sen väsymiskesto on erittäin herkkä loveukselle.Siksi virhe, jolla on suurin jännityskeskittymä vian geometrian ja suuntauksen mukaan, tulisi määrittää alkuperäiseksi viaksi käyttämällä elementtianalyysiä.KuvassaKuva 6 esittää tässä tutkimuksessa käytetyt erittäin lujat 2300 MPa luokan autojen venttiilijouset.
OT-langan pintavirheet jaetaan jousiakselin mukaan sisäisiin ja ulkoisiin vaurioihin.Kylmävalssauksen aikana tapahtuvasta taivutuksesta johtuen puristusjännitys ja vetojännitys vaikuttavat vastaavasti jousen sisäpuolelle ja sen ulkopuolelle.Murtuman syynä voivat olla ulkopuolelta ilmaantuvat pintavauriot kylmävalssauksen aiheuttamien vetojännitysten vuoksi.
Käytännössä jousi altistetaan säännölliselle puristukselle ja rentoutumiselle.Jousen puristuksen aikana teräslanka kiertyy ja jännitysten keskittymisen vuoksi jousen sisällä oleva leikkausjännitys on suurempi kuin ympäröivä leikkausjännitys7.Siksi jos jousen sisällä on pintavikoja, jousen murtumisen todennäköisyys on suurin.Siten jousen ulkopuoli (paikka, jossa jousen valmistuksen aikana on odotettavissa vikaa) ja sisäpuoli (jossa jännitys on suurin todellisessa sovelluksessa) asetetaan pintavikojen paikoiksi.
OT-viivojen pintavirhegeometria on jaettu U-muotoon, V-muotoon, Y-muotoon ja T-muotoon.Y- ja T-tyyppi esiintyy pääasiassa raaka-aineiden pintavirheissä ja U- ja V-tyyppiset viat johtuvat välineiden huolimattomasta käsittelystä kylmävalssausprosessissa.Raaka-aineiden pintavirheiden geometrian osalta kuumavalssauksen aikana epätasaisesta plastisesta muodonmuutoksesta syntyneet U-muotoiset viat muotoutuvat V-, Y- ja T-muotoisiksi saumavirheiksi monivaihevenytyksessä8, 10.
Lisäksi V:n, Y:n ja T:n muotoiset viat, joissa on jyrkät pinnan lovet, altistuvat korkealle jännityskeskittymälle jousen käytön aikana.Venttiilin jouset taipuvat kylmävalssauksen aikana ja vääntyvät käytön aikana.V- ja Y-muotoisten vikojen jännityspitoisuuksia, joissa jännityspitoisuudet ovat korkeammat, verrattiin käyttämällä elementtianalyysiä, ABAQUS – kaupallista elementtianalyysiohjelmistoa.Jännitys-venymäsuhde on esitetty kuvassa 1 ja yhtälössä 1. (1) Tässä simulaatiossa käytetään kaksiulotteista (2D) suorakaiteen muotoista nelisolmuelementtiä, ja elementin sivun minimipituus on 0,01 mm.Analyyttistä mallia varten käytettiin V- ja Y-muotoisia vikoja, joiden syvyys oli 0,5 mm ja vian kaltevuus 2°, halkaisijaltaan 2,5 mm:n ja 7,5 mm:n langan 2D-malliin.
KuvassaKuvassa 7a on esitetty taivutusjännityskonsentraatio kunkin vian kärjessä, kun kunkin langan molempiin päihin kohdistetaan 1500 Nmm:n taivutusmomentti.Analyysin tulokset osoittavat, että maksimijännitykset 1038,7 ja 1025,8 MPa esiintyvät V:n ja Y:n muotoisten vikojen yläosissa.KuvassaKuva 7b esittää jännityskeskittymän kunkin vääntövirheen yläosassa.Kun vasenta puolta rajoitetaan ja oikealle puolelle kohdistetaan 1500 N∙mm vääntömomentti, V- ja Y-muotoisten vikojen kärjissä esiintyy sama 1099 MPa:n maksimijännitys.Nämä tulokset osoittavat, että V-tyypin vioilla on suurempi taivutusjännitys kuin Y-tyypin vioilla, kun niillä on sama syvyys ja vian kaltevuus, mutta niillä on sama vääntöjännitys.Siksi V- ja Y-muotoiset pintavirheet, joilla on sama syvyys ja vian kaltevuus, voidaan normalisoida V-muotoisiksi, joilla on suurempi jännityskeskittymän aiheuttama maksimijännitys.V-tyypin vian kokosuhde määritellään α = w/h käyttämällä V- ja T-tyypin vikojen syvyyttä (h) ja leveyttä (w);siis T-tyypin vika (α ≈ 0), sen sijaan geometria voidaan määritellä V-tyypin vian geometrisella rakenteella.Siksi Y-tyypin ja T-tyypin viat voidaan normalisoida V-tyypin vioilla.Käyttämällä syvyyttä (h) ja pituutta (l) pituussuhde määritellään muuten β = l/h.
Kuten kuvasta 811 näkyy, OT-johtojen pintavikojen suunnat on jaettu pituus-, poikittais- ja vinosuuntiin, kuten kuvassa 811. Analyysi pintavikojen orientaation vaikutuksesta jousen lujuuteen äärellisen elementin toimesta menetelmä.
KuvassaKuvassa 9a on esitetty moottorin venttiilin jousen jännitysanalyysimalli.Analyysiehtona jousi puristettiin 50,5 mm:n vapaalta korkeudelta 21,8 mm:n kovaan korkeuteen, jousen sisälle syntyi maksimijännitys 1086 MPa, kuten kuvassa 9b esitetään.Koska varsinaisten moottorin venttiilijousien vika tapahtuu pääasiassa jousen sisällä, sisäisten pintavikojen esiintymisen odotetaan vaikuttavan vakavasti jousen väsymisikään.Siksi pintavauriot pituus-, poikittaisessa ja vinossa suunnassa levitetään moottorin venttiilijousien sisäpuolelle alimallinnustekniikoilla.Taulukossa 2 on esitetty pintavikojen mitat ja maksimijännitys vian kumpaankin suuntaan jousen maksimipuristuksessa.Suurimmat jännitykset havaittiin poikittaissuunnassa ja pitkittäis- ja vinosuuntaisten jännitysten suhteeksi poikittaissuunnassa arvioitiin 0,934–0,996.Jännityssuhde voidaan määrittää yksinkertaisesti jakamalla tämä arvo suurimmalla poikittaisjännityksellä.Jousen suurin jännitys esiintyy kunkin pintavian yläosassa, kuten kuvassa 9s on esitetty.Havaitut jännitysarvot pituus-, poikittais- ja vinosuunnassa ovat 2045, 2085 ja 2049 MPa.Näiden analyysien tulokset osoittavat, että poikittaiset pintavirheet vaikuttavat suorimmin moottorin venttiilijousien väsymisikään.
OT-langan alkuvikaksi valittiin V-muotoinen vika, jonka oletetaan suoraan vaikuttavan moottorin venttiilijousen väsymisikään, ja poikittaissuunta vian suunnaksi.Tämä vika ei esiinny vain ulkopuolella, missä moottorin venttiilin jousi katkesi valmistuksen aikana, vaan myös sisällä, missä suurin rasitus syntyy käytön aikana tapahtuvasta jännityskeskittymisestä.Suurin särösyvyys on asetettu 40 µm:iin, joka voidaan havaita pyörrevirtavirheen tunnistuksen avulla, ja minimisyvyys asetetaan syvyyteen, joka vastaa 0,1 % 2,5 mm:n langan halkaisijasta.Siksi vian syvyys on 2,5 - 40 µm.Muuttujina käytettiin vikojen syvyyttä, pituutta ja leveyttä, joiden pituussuhde oli 0,1-1 ja pituussuhde 5-15, ja arvioitiin niiden vaikutusta jousen väsymislujuuteen.Taulukossa 3 on lueteltu analyyttiset olosuhteet, jotka on määritetty käyttämällä vastepinnan metodologiaa.
Autojen moottorin venttiilijouset valmistetaan kylmäkäämityksen, karkaisun, ruiskupuhalluksen ja OT-langan lämpösäädön avulla.Pintavirheiden muutokset jousivalmistuksen aikana on otettava huomioon, jotta voidaan arvioida OT-johtojen alkupintavirheiden vaikutusta moottorin venttiilijousien väsymisikään.Siksi tässä osassa käytetään elementtianalyysiä ennustamaan OT-langan pintavikojen muodonmuutoksia kunkin jousen valmistuksen aikana.
Kuvassa10 esittää kylmäkäämitysprosessia.Tämän prosessin aikana OT-lanka syötetään langanohjaimeen syöttötelan avulla.Langanohjain syöttää ja tukee lankaa estääkseen taipumisen muodostusprosessin aikana.Langanohjaimen läpi kulkeva lanka taivutetaan ensimmäisellä ja toisella tangolla kierrejousen muodostamiseksi, jolla on haluttu sisähalkaisija.Jousen nousu saadaan aikaan siirtämällä askeltyökalua yhden kierroksen jälkeen.
KuvassaKuvassa 11a on esitetty elementtimalli, jota käytetään arvioimaan pintavikojen geometrian muutosta kylmävalssauksen aikana.Langan muodostus saatetaan pääosin päätökseen käämitapilla.Koska langan pinnalla oleva oksidikerros toimii voiteluaineena, syöttötelan kitkavaikutus on mitätön.Siksi laskentamallissa syöttörulla ja langanohjain on yksinkertaistettu holkkiksi.OT-langan ja muotoilutyökalun välinen kitkakerroin asetettiin arvoon 0,05.2D jäykkä runkotaso ja kiinnitysolosuhteet kohdistetaan linjan vasempaan päähän siten, että sitä voidaan syöttää X-suunnassa samalla nopeudella kuin syöttötela (0,6 m/s).KuvassaKuva 11b esittää alisimulaatiomenetelmää, jota käytetään pienten vikojen lisäämiseen johtimiin.Pintavirheiden koon huomioon ottamiseksi alamallia sovelletaan kahdesti pintavirheille, joiden syvyys on 20 µm tai enemmän, ja kolme kertaa pintavirheille, joiden syvyys on alle 20 µm.Pintaviat levitetään tasaisin askelin muodostetuille alueille.Jousen kokonaismallissa suoran lankan pituus on 100 mm.Käytä ensimmäistä alimallia varten alimallia 1, jonka pituus on 3 mm, pituussuuntaiseen asentoon, joka on 75 mm globaalista mallista.Tässä simulaatiossa käytettiin kolmiulotteista (3D) kuusikulmaista kahdeksan solmun elementtiä.Globaalissa mallissa ja alimallissa 1 kunkin elementin sivun vähimmäispituus on 0,5 ja 0,2 mm.Alimallin 1 analyysin jälkeen pintavikoja sovelletaan alamalliin 2, ja alamallin 2 pituus ja leveys on 3 kertaa pintavian pituus, jotta osamallin reunaehtojen vaikutus eliminoidaan. Lisäksi 50 % pituudesta ja leveydestä käytetään alamallin syvyyteenä.Alamallissa 2 kunkin elementin sivun minimipituus on 0,005 mm.Tiettyjä pintavirheitä sovellettiin elementtianalyysiin taulukon 3 mukaisesti.
KuvassaKuva 12 esittää jännityksen jakautumista pintahalkeamissa kelan kylmätyöstön jälkeen.Yleismalli ja alimalli 1 osoittavat lähes samat jännitykset 1076 ja 1079 MPa samassa paikassa, mikä vahvistaa alimallinnuksen oikeellisuuden.Paikallisia jännityskeskittymiä esiintyy alimallin rajareunoilla.Ilmeisesti tämä johtuu alimallin reunaehdoista.Jännityskeskittymisestä johtuen alimalli 2, jossa on käytetty pintavikoja, osoittaa 2449 MPa:n jännityksen vian kärjessä kylmävalssauksen aikana.Kuten taulukosta 3 näkyy, vastepintamenetelmällä tunnistetut pintavirheet levitettiin jousen sisäpuolelle.Elementtianalyysin tulokset osoittivat, että yksikään 13 pintavirhetapauksesta ei epäonnistunut.
Kelausprosessin aikana kaikissa teknologisissa prosesseissa jousen sisällä olevien pintavikojen syvyys kasvoi 0,1–2,62 µm (kuva 13a) ja leveys pieneni 1,8–35,79 µm (kuva 13b), kun taas pituus kasvoi 0,72 –34,47 µm (kuva 13c).Koska poikittaissuuntainen V-muotoinen vika suljetaan leveydeltä taivuttamalla kylmävalssauksen aikana, se deformoituu V-muotoiseksi viaksi, jonka kaltevuus on jyrkempi kuin alkuperäinen vika.
OT-langan pintavikojen muodonmuutos valmistusprosessin syvyydessä, leveydessä ja pituudessa.
Kiinnitä pintavirheet jousen ulkopuolelle ja ennusta murtumisen todennäköisyys kylmävalssauksen aikana Finite Element Analysis -analyysin avulla.Taulukossa lueteltujen ehtojen mukaisesti.3, ulkopinnan vikojen tuhoutumisen todennäköisyyttä ei ole.Toisin sanoen 2,5 - 40 um pintavirheiden syvyydellä ei tapahtunut tuhoa.
Kriittisten pintavikojen ennustamiseksi tutkittiin ulkoisia murtumia kylmävalssauksen aikana nostamalla vian syvyyttä 40 µm:stä 5 µm:iin.KuvassaKuva 14 esittää murtumia pitkin pintavirheitä.Murtuma tapahtuu syvyys (55 µm), leveys (2 µm) ja pituus (733 µm) olosuhteissa.Jousen ulkopuolella olevan pintavian kriittinen syvyys osoittautui 55 μm.
Hajotusprosessi estää halkeamien kasvua ja pidentää väsymisikää luomalla jäännöspuristusjännitystä tietyllä syvyydellä jousen pinnasta;Se kuitenkin indusoi jännityksen keskittymistä lisäämällä jousen pinnan karheutta, mikä vähentää jousen väsymiskestävyyttä.Tästä syystä toissijaista hauliviiraustekniikkaa käytetään tuottamaan suurilujuuksia jousien kompensoimiseksi haulien aiheuttaman pinnan karheuden lisääntymisen aiheuttaman väsymisiän lyhenemisen.Kaksivaiheinen ruiskukuivaaminen voi parantaa pinnan karheutta, maksimaalista puristusjäännösjännitystä ja pinnan puristusjäännösjännitystä, koska toinen ruiskukuivaaminen suoritetaan ensimmäisen ruiskukuorinnan jälkeen12,13,14.
KuvassaKuva 15 esittää analyyttistä mallia haulipuhallusprosessista.Luotiin elastinen-plastinen malli, jossa 25 palloa pudotettiin OT-linjan kohdealueelle haulakointia varten.Ruiskupuhallusanalyysimallissa käytettiin alkuvirheinä kylmäkäämityksen aikana vääntyneen OT-langan pintavirheitä.Kylmävalssausprosessista syntyvien jäännösjännitysten poistaminen karkaisulla ennen ruiskupuhallusprosessia.Käytettiin seuraavia haulipallon ominaisuuksia: tiheys (ρ): 7800 kg/m3, kimmokerroin (E) – 210 GPa, Poissonin suhde (υ): 0,3.Pallon ja materiaalin välinen kitkakerroin on asetettu arvoon 0,1.Halkaisijaltaan 0,6 ja 0,3 mm:n haulit heitettiin samalla nopeudella 30 m/s ensimmäisen ja toisen taontakerran aikana.Ruiskupuhallusprosessin jälkeen (muiden kuvassa 13 esitettyjen valmistusprosessien ohella) jousen pintavikojen syvyys, leveys ja pituus vaihtelivat -6,79 - 0,28 µm, -4,24 - 1,22 µm ja -2,59 - 1,69 µm, vastaavasti µm.Materiaalin pintaa kohtisuoraan sinkoutuvan ammuksen plastisen muodonmuutoksen vuoksi vian syvyys pienenee, erityisesti vian leveys pienenee merkittävästi.Ilmeisesti vika oli sulkeutunut haulien aiheuttaman plastisen muodonmuutoksen vuoksi.
Lämpökutistuksen aikana kylmäkutistuminen ja alhaisen lämpötilan hehkutus voivat vaikuttaa moottorin venttiilin jouseen samanaikaisesti.Kylmäasetus maksimoi jousen jännitystason puristamalla sen korkeimmalle mahdolliselle tasolle huoneenlämpötilassa.Tässä tapauksessa, jos moottorin venttiilin jousi kuormitetaan materiaalin myötörajan yläpuolelle, moottorin venttiilin jousi deformoituu plastisesti, mikä lisää myötörajaa.Plastisen muodonmuutoksen jälkeen venttiilijousi taipuu, mutta lisääntynyt myötöraja takaa venttiilijousen joustavuuden todellisessa käytössä.Matalalämpötilahehkutus parantaa korkeissa lämpötiloissa toimivien venttiilijousien lämmön- ja muodonmuutoskestävyyttä2.
FE-analyysissä haulipuhalluksen aikana epämuodostuneet pintavirheet ja röntgendiffraktiolaitteistolla (XRD) mitattu jäännösjännityskenttä sovellettiin alamalliin 2 (kuva 8) päättelemään vikojen muutosta lämpökutistumisen aikana.Jousi suunniteltiin toimimaan elastisella alueella ja puristettiin sen vapaalta 50,5 mm:n korkeudelta kiinteään 21,8 mm:n korkeuteen ja annettiin sitten palata alkuperäiseen 50,5 mm:n korkeuteen analyysiehtona.Lämmön kutistumisen aikana vian geometria muuttuu merkityksettömästi.Ilmeisesti puhalluksen aiheuttama 800 MPa ja enemmän jäännöspuristusjännitys vaimentaa pintavirheiden muodonmuutoksia.Lämmön kutistumisen jälkeen (kuvio 13) pintavikojen syvyys, leveys ja pituus vaihtelivat -0,13 - 0,08 um, -0,75 - 0 um ja 0,01 - 2,4 um.
KuvassaKuvassa 16 verrataan U- ja V-muotoisten vikojen muodonmuutoksia, joilla on sama syvyys (40 µm), leveys (22 µm) ja pituus (600 µm).U- ja V-muotoisten vikojen leveyden muutos on suurempi kuin pituuden muutos, joka johtuu leveyssuunnassa tapahtuvasta sulkeutumisesta kylmävalssaus- ja ruiskupuhallusprosessin aikana.Verrattuna U-muotoisiin vaurioihin V-muotoiset viat muodostuivat suhteellisesti suuremmalla syvyydellä ja jyrkemmillä rinteillä, mikä viittaa siihen, että V-muotoisia vikoja levitettäessä voidaan suhtautua konservatiivisesti.
Tässä osassa käsitellään OT-linjan alkuperäisen vian muodonmuutosta jokaisessa venttiilijousen valmistusprosessissa.Alkuperäinen OT-lankavika kohdistuu venttiilijousen sisäpuolelle, jossa on odotettavissa vika jousen käytön aikana esiintyvien suurten jännitysten vuoksi.OT-johtojen poikittaissuuntaiset V-muotoiset pintavirheet kasvoivat hieman syvyydessä ja pituudessa ja pienenivät jyrkästi leveydessä kylmän käämityksen taivutuksen vuoksi.Sulkeutuminen leveyssuunnassa tapahtuu haukunpoiston aikana, ja siinä on vain vähän tai ei ollenkaan havaittavissa olevaa muodonmuutosta lopullisen lämpöasetuksen aikana.Kylmävalssauksen ja ruiskupurkauksen aikana tapahtuu suuri muodonmuutos leveyssuunnassa plastisen muodonmuutoksen vuoksi.Venttiilijousen sisällä oleva V-muotoinen vika muuttuu T-muotoiseksi viaksi leveyden sulkemisen vuoksi kylmävalssauksen aikana.