ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЧНОСТИ МОДЕЛЕЙ ШАТУНОВ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ИЗ ТИТАНОВОГО СПЛАВА ВТ20

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЧНОСТИ МОДЕЛЕЙ ШАТУНОВ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ИЗ ТИТАНОВОГО СПЛАВА ВТ20

Научная статья

Зеньков Е.В.*

ORCID: 0000-0003-4414-0307,

Иркутский государственный университет путей сообщения, Иркутск, Россия

* Корреспондирующий автор (jovanny1[at]yandex.ru)

Аннотация

В работе описываются результаты статических испытаний моделей шатунов автомобильных двигателей, изготовленных из титанового сплава ВТ20, при различных схемах нагружения. В ходе экспериментальных исследований определены значения предельных нагрузок, возникающих при испытании моделей шатунов на разрыв, от потери устойчивости и на растяжение по ответственному отверстию шатуна, служащим базовым при передаче усилия в контакте с гильзой двигателя внутреннего сгорания. Выявлено, что значения предельных нагрузок в контрольных зонах моделей шатунов во всех схемах нагружения существенно превышают их нормативные значения, что обеспечивает несущую способность шатуна при действии эксплуатационных нагрузок. Полученные результаты испытаний моделей шатунов показывают возможность их изготовления из более легких титановых сплавов, повышая основные показатели работы ДВС.

Ключевые слова: статические испытания, шатун, несущая способность, схема нагружения.

EXPERIMENTAL STUDIES OF THE STRENGTH OF THE CONNECTING ROD MODELS MADE OF THE VT20 TITANIUM ALLOY

Research article

Zenkov E.V.*

ORCID: 0000-0003-4414-0307,

Irkutsk State Transport University, Irkutsk, Russia

* Corresponding author (jovanny1[at]yandex.ru)

Abstract

The paper describes the results of static tests of models of connecting rods of automobile engines made of titanium alloy VT20 under various loading schemes. In the course of the experimental studies, the current article determines the values of the limit loads that occur when testing models of connecting rods for rupture, loss of stability, and tensile strength along the responsible hole of the connecting rod, which serves as the base when transmitting force in contact with the sleeve of an internal combustion engine. It is established that the values of the limit loads in the control zones of the connecting rod models in all loading schemes significantly exceed their normative values, which ensures the bearing capacity of the connecting rod under the action of operational loads. The obtained test results of connecting rod models show the possibility of their manufacture from lighter titanium alloys, therefore increasing the main performance indicators of the internal combustion engine.

Keywords: static tests, connecting rod, bearing capacity, loading scheme.

Введение

Развитие двигателей внутреннего сгорания (ДВС) на сегодняшний день достигло наибольшего совершенства во многих направлениях (динамики, прочности, износостойкости, технологии изготовления и т.д.). Появление новых направлений совершенствования ДВС очень редки. Ведущие мировые фирмы-производители проводят исследования, как правило, связанных, с совершенствованием различных показателей двигателей – экономичности, динамики прочности. Из этих исследований сформировано одно из важных направлений совершенствования конструкции кривошипно-шатунного механизма, в частности, главного его элемента – шатуна. При прочих равных условиях снижение массы шатуна на 40-50% приводит к повышению экономичности работы двигателя на 20-30%, снижению динамических нагрузок на 15-20% [1], [2], [3], [4]. Учитывая, что в ДВС насчитывается примерно 4 и более шатунов, существенно улучшаются такие показатели двигателя как его вес, уровень вибрации, шума и т.д. Таким образом, применение шатунов из относительно лёгких сплавов при одновременном сохранении его прочностных характеристик [4] является важной научно-технической задачей.

На кафедре механики и сопротивления материалов Иркутского национального исследовательского технического университета (ИРНИТУ) проведена работа по оценке несущей способности моделей автомобильного шатуна, изготовленных из титанового сплава ВТ20 [5], [6]. Средний вес изготовленных из сплава ВТ20 шатунов составил около 3,5±0,05 Н (0,35±0,005 кг). Учитывая, что удельный вес титановых сплавов меньше стали в 1,7 раза, вес стандартного шатуна [3], изготовленного из стальных легированных сплавов, будет составлять в среднем 5,9 Н (0,59 кг). В связи со сказанным, оценка несущей способности по предельным нагрузкам шатуна, изготовленного из более легкого титанового сплава ВТ20, определила цель настоящей работы. 

Методика экспериментальных исследований

Общие требования к обеспечению прочности автомобильных шатунов изложены в [1]. В эксплуатационных условиях шатун подвергается различным видам нагрузок – растяжению, сжатию, изгибу. Предельные значения этих нагрузок установлены для конкретных зон шатуна, проверка которых может быть осуществлена в лабораторных условиях при его испытании, в частности, на растяжение и сжатие [7].

Геометрические параметры исследуемой модели шатуна представлены на рис. 1.

Рис. 1 – Геометрические параметры модели шатуна

 

Согласно рис. 1 была разработана цифровая твердотельная модель шатуна в CAD-комплексе NX. Используя эту модель, экспериментальные образцы шатуна изготовлялись фрезерованием из титановой плиты на 5-координатном станке с ЧПУ типа DMU-80. Было изготовлено 5 образцов моделей шатуна, вес каждой, в среднем, составил не более 350±10 грамм. Фотография экспериментальной модели шатуна представлена на рис. 2.

Рис. 2 – Экспериментальная модель шатуна

 

Для оценки несущей способности модели шатуна установлены нормативные значения предельных нагрузок в его контрольных зонах, обеспечивающие его прочность [1]:

– растягивающая нагрузка в минимальном сечении 1-1 (рис. 1) не менее 95 кН;

– нагрузка, соответствующая потере устойчивости при сжатии, в минимальном сечении 1-1 (рис. 1) не менее 95 кН;

– растягивающая нагрузка в сечении 2-2 нижней головки шатуна (рис. 1) не менее 53 кН.

Испытание моделей шатуна осуществлялось на универсальной электромеханической машине Instron 5989 (600 кН) в НИУ «Испытания строительных материалов и конструкций» ИРНИТУ. Процесс нагружения моделей шатунов сопровождался посредством компьютера с использованием специализированного программного обеспечения Bluehill, обеспечивающий автоматизированное управление процессом испытания и записью диаграммы нагружения. Квазистатическое нагружение образцов до разрушения выполнялись при постоянной скорости перемещения нагружающего устройства испытательной машины, равной 2 мм/мин.

Для определения предельных нагрузок на шатун использованы следующие схемы испытаний:

• Испытание модели шатуна на разрыв (см. рис. 3а);
• Испытание модели шатуна на устойчивость (см. рис. 3б);
• Испытание модели шатуна на растяжение по диаметру D51 (см. рис 3в). 

Результаты экспериментальных исследований

На рис. 4а приведена фотография результатов испытаний по первой схеме нагружения. Нагрузка, соответствующая моменту разрушения образца, составила 195±1кН (19,5 тонн). Очаг разрушение располагался при этом в зоне наименьшего по площади поперечном сечении (рис. 4б) у верхней головки шатуна (сечение 1-1). Удлинение шатуна перед моментом разрушения соответствовал 8,7 мм.

 

Рис. 3 – Схемы испытаний шатунов при различных видах нагружения:

а, в – на растяжение, б – на сжатие

Рис. 4 – Разрушенная модель шатуна от растягивающей нагрузки:

а – в захватах испытательной машины; б – после снятия из захватов

 

На рис. 5 приведена фотография результатов испытаний по второй схеме нагружения. Нагрузка, соответствующая потери устойчивости шатуна первого рода [7], [8], [9], равна 190±1кН (19 тонн). Зона потери устойчивости располагается в зоне наименьшего по площади поперечном сечении у верхней головки шатуна (рис. 1, сечение 1-1). Перемещение нагружающего устройства при сжатии перед моментом потери устойчивости шатуна соответствовал 3,2±0,01 мм.

Рис. 5 – Потеря устойчивости модели шатуна по второй схеме нагружения

 

На рис. 6 приведена фотография результатов испытаний по третьей схеме нагружения. Проведенные испытания показали, что на участке диаграммы нагружения от ее начала до точки, соответствующей усилию 70±1кН, сохраняется линейный закон изменения испытательного усилия от удлинения образца [7], [8]. При этом изменение деформированного состояния шатуна не происходит.

Рис. 6 – Модель шатуна после испытания на растяжение по третьей схеме

 

В связи с тем, что линейный участок диаграммы нагружения свидетельствует об упругом деформировании материала модели шатуна [7], [8], следовательно, нормативное значение предельной нагрузки в его контрольной зоне значительно меньше приложенного испытательного усилия, что свидетельствует об обеспечении прочности модели шатуна в сечении 2-2 и не вызывает изменения отверстия D51. Указанное обстоятельство открывает широкие возможности применения рассмотренных моделей шатунов [10], изготовленных из более легких титановых сплавов, повышая основные показатели работы ДВС. 

Заключение

Выполнены экспериментальные исследования несущей способности моделей автомобильных шатунов, изготовленных из сплава ВТ20, при различных схемах испытания. В результате получены значения предельных нагрузок на модели шатунов. Установлено, что нормативные значения предельных нагрузок в контрольных зонах моделей шатуна значительно меньше значений, полученных в результате их натурных испытаний. Для первой и второй схем испытаний приложенные усилия дают запас по прочности моделей шатунов примерно в 2 раза, а по третьей схеме – в 1,3 раза.

Результаты экспериментальных исследований показывают, что изготовленные из титанового сплава ВТ20 модели шатуна, сохраняют несущую способность при действии нормативных нагрузок. Это обстоятельство открывает возможности по организации и проведению натурных испытаний моделей шатунов, изготовленных из титанового сплава ВТ20, для исследования их усталостной прочности, что является важным при оценке ресурса работы автомобильных двигателей. 

Конфликт интересов Не указан

Conflict of Interest None declared

Список литературы / References

1. Лиханов В.А. Расчет автомобильных двигателей: Учебное пособие / В.А. Лиханов, Р.Р. Деветьяров. – 2-е изд., испр. и доп. – Киров: Вятская ГСХА, 2008. – 176 с.
2. Корчагин В.А. Теоретические и практические основы методологии расчета показателей экологичности автомобильных двигателей / В.А. Корчагин, С.А. Ляпин, Ю.Н. Ризаева и др. // Мир транспорта и технологических машин. –2019.– №1 (64). – С. 96-102.
3. Вальехо-Мальдонадо П.Р. Конструирование шатунов автомобильных и тракторных двигателей: методические указания / П.Р. Вальехо-Мальдонадо, Д.К. Гришин, Н.Д. Чайнов. – М.:Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ), 2013. – 52 с.
4. Краснокутский А.Н. Оценка и сравнение долговечности шатунов из стали и титанового сплава высокофорсированного авиационного дизеля / А.Н. Краснокутский, А.О. Калинин // Наука и образование: научное издание МГТУ им. Н.Э. Баумана. – 2012.– №8. – С. 30-36.
5. Москвитин В.Н. Экспериментальная установка для получения титанового порошка / В.Н. Москвитин, Е.В. Зеньков, В.И. Макаров и др. // Авиамашиностроение и транспорт Сибири:сборник статей VII Всероссийской научно-практической конференции. – 2016. – С. 341-345.
6. Фалалеев С.А. Технологический процесс получения титанового порошка с использованием стружки из сплава ВТ20 / С.А. Фалалеев, В.Н. Москвитин // Авиамашиностроение и транспорт Сибири: сборник статей всероссийской молодежной научно-практической конференции. – 2016. – С. 295-299.
7. Степин П. А. Сопротивление материалов : учебник / П. А. Степин. – М.: Интеграл-Пресс, 2012. - 320 с.
8. Зеньков Е.В. Особенности работы стоечного профиля из лёгких стальных тонкостенных конструкций на устойчивость / Е.В. Зеньков // Международный научно-исследовательский журнал. – 2021.– №3-1 (105). – С. 54-59.
9. Zenkov E.V. Investigation of the stress-strain state of racks of light steel thin-walled structures by the method of digital image correlation / E.V. Zenkov // Materials Today: Proceedings. – 2021. – V. 38, – P. 1375-1378.
10. Калинин А.О. Применение титановых сплавов для шатунов высокофорсированных авиационных дизелей / А.О. Калинин, А.Н. Краснокутский // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. – 2011. – № 9. – С. 28-34.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Likhanov V.A. Raschet avtomobil'nykh dvigateley: Uchebnoye posobiye [Calculation of automobile engines: Textbook] / V.A. Likhanov, R.R. Devetyarov. – 2nd ed., Rev. and add. – Kirov: Vyatka State Agricultural Academy, 2008 .-- 176 p. [in Russian]
2. Korchagin V.A. Teoreticheskiye i prakticheskiye osnovy metodologii rascheta pokazateley ekologichnosti avtomobil'nykh dvigateley [Theoretical and practical foundations of the methodology for calculating the environmental indicators of automobile engines] / V.A. Korchagin, S.A. Lyapin, Yu.N. Rizaeva et al. // Mir transporta i tekhnologicheskikh mashin [World of Transport and Technological Machines]. – 2019. - No. 1 (64). - P. 96-102. [in Russian]
3. Vallejo-Maldonado P.R. Konstruirovaniye shatunov avtomobil'nykh i traktornykh dvigateley: metodicheskiye ukazaniya [Designing connecting rods of automobile and tractor engines: guidelines] / P.R.Vallejo-Maldonado, D.C.Grishin, N. D. Chinov. – M.: Moscow State Machine-Building University (MAMI), 2013. – 52 p. [in Russian].
4. Krasnokutskiy A.N. Otsenka i sravneniye dolgovechnosti shatunov iz stali i titanovogo splava vysokoforsirovannogo aviatsionnogo dizelya [Assessment and comparison of the durability of connecting rods made of steel and titanium alloy of a highly accelerated aircraft diesel engine] / Krasnokutsky, A.O. Kalinin // Nauka i obrazovaniye: nauchnoye izdaniye MGTU im. N.E. Baumana [Science and Education: scientific publication of the Moscow State Technical University]. N.E. Bauman. - 2012. - No. 8. - P. 30-36. [in Russian]
5. Moskvitin V.N. Eksperimental'naya ustanovka dlya polucheniya titanovogo poroshka [Experimental setup for obtaining titanium powder] / V.N. Moskvitin, E.V. Zenkov and V.I. Makarov et al. // Aviamashinostroyeniye i transport Sibiri: sbornik statey VII Vserossiyskoy nauchno-prakticheskoy konferentsii [Aviation Engineering and Transport of Siberia: Collection of Articles of the VII All-Russian Scientific and Practical Conference]. - 2016 .-- P. 341-345. [in Russian].
6. Falaleev S.A. Tekhnologicheskiy protsess polucheniya titanovogo poroshka s ispol'zovaniyem struzhki iz splava VT20 [Technological process of obtaining titanium powder using shavings from VT20 alloy] / S.A. Falaleev, V.N. Moskvitin // Aviamashinostroyeniye i transport Sibiri: sbornik statey vserossiyskoy molodezhnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii [Aviation engineering and transport of Siberia: a collection of articles of the All-Russian youth scientific-practical conference]. - 2016 .-- P. 295-299. [in Russian].
7. Stepin P. A. Soprotivleniye materialov : uchebnik [Resistance of materials: textbook] / P. A. Stepin. – M .: Integral-Press, 2012. – 320 p. [in Russian].
8. Zenkov E.V. Osobennosti raboty stoyechnogo profilya iz logkikh stal'nykh tonkostennykh konstruktsiy na ustoychivost' [Features of the work of a rack-mount profile made of light steel thin-walled structures for stability] / E.V. Zenkov // Mezhdunarodnyy nauchno-issledovatel'skiy zhurna [International scientific research journal]. - 2021. - No. 3-1 (105). - P. 54-59. [in Russian].
9. Zenkov E.V. Investigation of the stress-strain state of racks of light steel thin-walled structures by the method of digital image correlation / E.V. Zenkov // Materials Today: Proceedings. – 2021. – V. 38, – P. 1375-1378.
10. Kalinin A.O. Primeneniye titanovykh splavov dlya shatunov vysokoforsirovannykh aviatsionnykh dizeley [Application of titanium alloys for connecting rods of high-powered aircraft diesel engines] / A.O. Kalinin, A.N. Krasnokutskiy // Nauka i obrazovaniye. MGTU im. N.E. Baumana. Elektron. zhurn [Science and Education. MSTU them. N.E. Bauman. Electron. zhurn]. - 2011. - No. 9. - P. 28-34. [in Russian].