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.