О влиянии технологии изготовления пластин приводных цепей на усталостную прочность
ART 54499
УДК
001
А.
Н. ПотемкинБиблиографическое описание статьи для цитирования:
Потемкин
А.
Н.,
Викулов
А.
С.,
Романовская
Н.
Б. О влиянии технологии изготовления пластин приводных цепей на усталостную прочность // Научно-методический электронный журнал «Концепт». –
2014. – Т. 20. – С.
1176–1180. – URL:
http://e-koncept.ru/2014/54499.htm.
Аннотация. Рассмотрено влияние технологии изготовления пластин приводных цепей малых шагов и особенностей технологии сборки цепей на напряженно-деформированное состояние материала пластин и усталостную прочность.
Ключевые слова:
приводные цепи, пластины цепей, напряженно-деформированное состояние материала, усталостная прочность
Текст статьи
Викулов Александр Сергеевич,доцент, доцент кафедры "Теоретическая и прикладная механика" ФГБОУ ВПО "Пензенский государственный технологический университет", ПензГТУ, Пенза vklv@rambler.ru
Потемкин Алексей Николаевич,доцент, доцент кафедры "Теоретическая и прикладная механика" ФГБОУ ВПО "Пензенский государственный технологический университет", ПензГТУ, Пенза pan580@yandex.ru
Романовская Наталия Борисовна,преподаватель спецдисциплин, отделение машиностроения и металлообработки ГБПОУ ПО "Пензенский многопрофильный колледж", Пензаpan058@yandex.ru
Овлияниитехнологии изготовления пластин приводных цепей на усталостную прочность
Аннотация.Рассмотрено влияние технологии изготовления пластин приводных цепеймалых шагов и особенностей технологии сборки цепейна напряженнодеформированное состояние материалапластин и усталостную прочность.Ключевые слова:Приводные цепи, пластины цепей, напряженнодеформированное состояниематериала, усталостная прочность
Прочностные свойства материаловпри действии статических и динамическихнагрузокне одинаковы, а разрушениев обоихслучаяхимеет принципиальное различие,обусловленноехарактером деформации. Так,если при статическом нагружении напряжения и деформации распределены относительно равномерно по всему объему нагруженноготела, акаждая его часть принимаетучастие в процессе деформации, то при динамическом нагружении деформациии разрушениявозникают в одной части тела совершенно независимо от того, что происходит в другойего части.При работе цепных передач имеет место вибрационноенагружение, являющееся следствиемсосредоточенного ударного и многократногомикроударноговоздействия. В данном случаемогут возникать большие локализованные напряжения, изменяющиесянастолько быстро, что возникающие при этом микротрещины ещё не успевают распространиться, а распределение напряжений уже изменилось.
Применительно к приводнымцепям современных машин имеханизмов,работающим на больших скоростях в условиях воздействияударных и вибрационных нагрузок, актуальнорассмотрение вопроса о влиянии на усталостную прочностьконструктивных элементов цепей (пластин и втулок)напряженнодеформированного состояния материала,возникающего при использовании применяемых технологий изготовленияи сборки.Анализ литературных источников[1, 2], описывающих конструктивныеособенностиведущих отечественных и зарубежных приводных цепей малых шагов(12,7…15,875)(таблица 1), ирезультаты экспериментальныхисследований наусталостную прочность[1, 3],позволилиустановитьследующее.1. Так какнаиболее металлоемкими конструктивными элементами цепей являются пластины, томассу цепи можно уменьшить за счет уменьшения толщины пластин.2.Толщина пластины определяет контактное давление в соединении втулкапластина и несущую способность втулкипри давлении от зуба звездочки (рисунок 1).3.Увеличение передаваемой нагрузки в приводных цепях за счет использования высокопрочных материалов приводит лишь к увеличению статической разрушающей нагрузки, однако не дает желаемого эффекта по отношению к усталостной прочности.4.Переход на цепь с большим шагом повышаетпредельнуюмощность, но приводит к значительному росту расхода материалов и увеличению массы цепи.
Таблица 1Геометрические параметры, материалы пластин и втулок приводных цепей
ИзготовительцепиМатериалпластиныТолщинапластины, ммМатериалвтулкиТолщинавтулки, ммСреднийдиаметрвтулки, ммНаружн.диаметрвтулки, мм©Ренольдª(Англия)Сталь 35Г1,6Сталь 10151,0656,1257,19©Регинаª(Италия)Сталь 55601,65Сталь 15Х0,916,137,04ПР15.87523001(Россия)Сталь У72Сталь 20Х1,06,07,0
В связи с этим актуально будет рассмотретьнекоторые особенности как технологии изготовления конструктивных элементов приводных цепей(пластин)так иих сборкув звенья, а также установитьвлияние этих факторовна напряженнодеформированное состояниематериалапластины, а в дальнейшем, и наусталостную прочность.
На первом этапеисследования рассмотрим влияние технологии изготовления пластин цепей на их макрогеометриюи сборкупластин в звенья.Как показано на рисунке 1,при штамповке пластина приводной цепи подвергается чистому изгибу в двух взаимно перпендикулярных направлениях моментами, равномерно распределенными по ее краям. Здесь изгибающий момент, приходящийся на единицу длины края параллельно оси ; изгибающий момент, приходящийся на единицу длины края параллельно оси .
Рисунок 1
Внутреннее звено приводной цепи:а) давление от зуба звёздочки на внутреннее звено;б) контактное давление в соединении втулка пластина
Искомые изгибающие моменты определятся по формулам:,,где
усилие деформированияпоперек волокон листовой стали(вдоль ленты,из которой вырубают пластину);
зазор между пуансоном и матрицей;
усилие деформирования вдоль волокон листовой стали(поперек ленты,из которой вырубают пластину).Так как , то .Следовательно, при этом поверхностные волокна пластины при ее вырубке на стороне, обращенной к матрице, становятся выпуклыми изза остаточных напряжений растяжения, а на стороне,обращеннойк пуансону
вогнутымиизза остаточных напряжений сжатия.На технологической операции по пробивке отверстийс вогнутой стороны заготовки пластины, при отсутствии прижима заготовки к матрице,изогнутость пластины увеличится ещё больше. При пробивке же отверстий с выпуклой стороны заготовки пластиныее неплоскостность уменьшается, но между отверстиями появляется вогнутость, меньшая, чем с ее противоположной стороны.На следующей операции посборке звеньев цепи перекос осей валиков и втулок,пространственнаянеперпендикулярность осей отверстий изогнутых пластин к их плоскостямбудут способствоватькак плоскому, так и винтовому извороту звеньев и возникновению впластинах монтажных напряжений.В дальнейшем, при эксплуатации, пластины неизбежно подвергаются изгибу отдействия растягивающего усилия, что имеет место в ведущей ветви цепной передачи, вследствие внутренней бочкообразности втулок и малой жесткости валиков, а также наличия осевого зазора между пластинами звеньев. Вследствие изгибаповерхностные слои внешних сторон пластин внутренних звеньев растягиваются (выпуклостью наружу, относительно продольной оси цепи), а пластины наружных звеньев сжимаются (выпуклостью внутрь) (рисунок2).
Рисунок 2
Характер деформаций пластин приводной цепи отдействия растягивающего усилия
Несовпадение направлений изогнутостей пластин, зависящиеот технологического (возникшего вследствие применяемой технологии изготовления цепи) и силового (появляющегося приэксплуатации) факторов в итоге можетпривести к тому, что появившиеся при изготовлении пластин сжатые волокнабудут при работе цепи растягиваться, а растянутые волокна сжиматься.
На втором этапеисследованияоценивалосьвлияниеориентацииизогнутости пластин наусталостную прочность.
Для проведения испытаний были подготовлены приводные цепи ПР15.87523001 (Россия) с пластинамивнутренних и наружных звеньевразлично ориентированныхпо выпуклости и вогнутости относительно продольной оси звена цепи.Тестируемые цепи имели следующую ориентацию пластин:
выпуклостью наружу относительно продольной оси звеньев цепи;
выпуклостью внутрь относительно продольной оси звеньев цепи;
выпуклостью наружу для пластин внутренних звеньев и внутрь для пластин наружных звеньев;
выпуклостью внутрь для пластин внутренних звеньев и наружу для пластин наружных звеньев.Экспериментальные исследования проводились на пульсаторе рычажнороторного типа. Предельная величина контактного давления , определяющая несущую способность втулки цепи,определяласьпо формуле [2]:,где
толщина стенки втулки;
наружный диаметр втулки;
предел текучести материала.
Проведенные экспериментальные исследованияпозволили выявить следующее.1. Разрушенияпластиннаружного звена не наблюдалось.2. Слабым элементом звена цепи является пластина внутреннего звена.3. Наиболее высокую разрушающую нагрузку показали цепи, у которых внутренние и наружные пластины ориентированы выпуклостью наружу, а наименьшую с противоположной ориентацией.4. С учетом характера деформаций пластины от действия растягивающего усилия знак напряжений в их поверхностных слоях не меняется при ориентации пластин внутреннего звена выпуклостью наружу, а для пластин наружного звена выпуклостью внутрь. Противоположная ориентация изогнутости приводит к значительному изменению упругого состояния поверхностных слоев пластин и, какследствие, снижает усталостную разрушающую нагрузку, хотя максимальные напряжения уменьшаются.5. Усталостное разрушениепластин зависитне только от их напряженности, но и от характера изменения упругого состояния поверхностных слоев, зависящего от изогнутости пластин.
Результатытеоретических и экспериментальныхисследованийдают основаниесделатьследующие выводы.1. Применяемая технологияизготовления приводных цепей малых шагов дифференциациипроцессов вырубки пластин по контуру и пробивкив них отверстий приводит к значительной изогнутости пластин, что, в дальнейшем, на операциях сборки цепи, приводит кперекосу осей валиков и втулок и возникновению в пластинах монтажных и, соответственно, внутренних напряжений. Полученное таким образом напряженнодеформированное состояние материала конструктивных элементов (пластин) цепи, снижаетдолговечность и надежность работы цепей.2. Усталостное разрушение пластин цепи зависит от изменения напряженнодеформированного состоянияматериала поверхностных слоев пластин, что в первую очередь определяется кривизнойпластин и ориентацией по выпуклости и вогнутости относительно друг друга.3. Для повышения усталостной прочности цепи рекомендуется использовать ленты с жесткими допусками по толщине для уменьшения зазоровмежду пуансоном и матрицей при вырубкепластин по контуру и пробивки в них отверстий, а также совместить обе эти операции в одну. 4. Рекомендуется изменить технологию сборки цепей, добавивопределениеизогнутости пластин относительно продольной оси звенаи изменениеориентации пластин внутренних звеньев цепи выпуклостью наружу.
Ссылки на источники1. Романовский Б.В., Столбин Г.Б. Влияние макрогеометрии и формы пластин роликовых цепей на усталостную прочности пластин. Сборник “Механические передачи” (Цепи и зубчатые ремни) Под. ред. Г.Б. Столбина, НИИМАШ, 1971.2. Романовский Б.В.Уточненный расчет на усталостную прочность пластин роликовых цепей / В сб. Механические передачи, НИИМАШ, М.: 1971.3. Романовский Б.В., Викулов А.С., Потемкин А.Н. Об ударноциклической прочности приводных цепей. Проблемы качества и эксплуатации автотранспортных средств: Материалы VIIМеждунар. научнотехнической конференции. Ч. 2. Пенза: ПГУАС 2012. С. 226 231.
Vikulov Alexander Sergeevichassociate professor FGBOU VPO"The Penza state technological university", PENZGTU, PenzaPotemkin Alexey Nikolaevichassociate professor FGBOU VPO "The Penza state technological university", PENZGTU, PenzaRоmanovskaya Natalya Borisovnateacher of specialdisciplines, GBPOU POE "The Penza versatile college", PenzaAbout influence of manufacturing techniques of plates of driving chains on fatigue durabilityAbstract.Influence of manufacturing techniques of plates of driving chains of small steps and features of technology of assembly ofchains on intense the deformed condition of a material of plates and fatigue durability is considered.Keywords.Driving chains, plates of chains, intense the deformed condition of a material, fatigue durability
Потемкин Алексей Николаевич,доцент, доцент кафедры "Теоретическая и прикладная механика" ФГБОУ ВПО "Пензенский государственный технологический университет", ПензГТУ, Пенза pan580@yandex.ru
Романовская Наталия Борисовна,преподаватель спецдисциплин, отделение машиностроения и металлообработки ГБПОУ ПО "Пензенский многопрофильный колледж", Пензаpan058@yandex.ru
Овлияниитехнологии изготовления пластин приводных цепей на усталостную прочность
Аннотация.Рассмотрено влияние технологии изготовления пластин приводных цепеймалых шагов и особенностей технологии сборки цепейна напряженнодеформированное состояние материалапластин и усталостную прочность.Ключевые слова:Приводные цепи, пластины цепей, напряженнодеформированное состояниематериала, усталостная прочность
Прочностные свойства материаловпри действии статических и динамическихнагрузокне одинаковы, а разрушениев обоихслучаяхимеет принципиальное различие,обусловленноехарактером деформации. Так,если при статическом нагружении напряжения и деформации распределены относительно равномерно по всему объему нагруженноготела, акаждая его часть принимаетучастие в процессе деформации, то при динамическом нагружении деформациии разрушениявозникают в одной части тела совершенно независимо от того, что происходит в другойего части.При работе цепных передач имеет место вибрационноенагружение, являющееся следствиемсосредоточенного ударного и многократногомикроударноговоздействия. В данном случаемогут возникать большие локализованные напряжения, изменяющиесянастолько быстро, что возникающие при этом микротрещины ещё не успевают распространиться, а распределение напряжений уже изменилось.
Применительно к приводнымцепям современных машин имеханизмов,работающим на больших скоростях в условиях воздействияударных и вибрационных нагрузок, актуальнорассмотрение вопроса о влиянии на усталостную прочностьконструктивных элементов цепей (пластин и втулок)напряженнодеформированного состояния материала,возникающего при использовании применяемых технологий изготовленияи сборки.Анализ литературных источников[1, 2], описывающих конструктивныеособенностиведущих отечественных и зарубежных приводных цепей малых шагов(12,7…15,875)(таблица 1), ирезультаты экспериментальныхисследований наусталостную прочность[1, 3],позволилиустановитьследующее.1. Так какнаиболее металлоемкими конструктивными элементами цепей являются пластины, томассу цепи можно уменьшить за счет уменьшения толщины пластин.2.Толщина пластины определяет контактное давление в соединении втулкапластина и несущую способность втулкипри давлении от зуба звездочки (рисунок 1).3.Увеличение передаваемой нагрузки в приводных цепях за счет использования высокопрочных материалов приводит лишь к увеличению статической разрушающей нагрузки, однако не дает желаемого эффекта по отношению к усталостной прочности.4.Переход на цепь с большим шагом повышаетпредельнуюмощность, но приводит к значительному росту расхода материалов и увеличению массы цепи.
Таблица 1Геометрические параметры, материалы пластин и втулок приводных цепей
ИзготовительцепиМатериалпластиныТолщинапластины, ммМатериалвтулкиТолщинавтулки, ммСреднийдиаметрвтулки, ммНаружн.диаметрвтулки, мм©Ренольдª(Англия)Сталь 35Г1,6Сталь 10151,0656,1257,19©Регинаª(Италия)Сталь 55601,65Сталь 15Х0,916,137,04ПР15.87523001(Россия)Сталь У72Сталь 20Х1,06,07,0
В связи с этим актуально будет рассмотретьнекоторые особенности как технологии изготовления конструктивных элементов приводных цепей(пластин)так иих сборкув звенья, а также установитьвлияние этих факторовна напряженнодеформированное состояниематериалапластины, а в дальнейшем, и наусталостную прочность.
На первом этапеисследования рассмотрим влияние технологии изготовления пластин цепей на их макрогеометриюи сборкупластин в звенья.Как показано на рисунке 1,при штамповке пластина приводной цепи подвергается чистому изгибу в двух взаимно перпендикулярных направлениях моментами, равномерно распределенными по ее краям. Здесь изгибающий момент, приходящийся на единицу длины края параллельно оси ; изгибающий момент, приходящийся на единицу длины края параллельно оси .
Рисунок 1
Внутреннее звено приводной цепи:а) давление от зуба звёздочки на внутреннее звено;б) контактное давление в соединении втулка пластина
Искомые изгибающие моменты определятся по формулам:,,где
усилие деформированияпоперек волокон листовой стали(вдоль ленты,из которой вырубают пластину);
зазор между пуансоном и матрицей;
усилие деформирования вдоль волокон листовой стали(поперек ленты,из которой вырубают пластину).Так как , то .Следовательно, при этом поверхностные волокна пластины при ее вырубке на стороне, обращенной к матрице, становятся выпуклыми изза остаточных напряжений растяжения, а на стороне,обращеннойк пуансону
вогнутымиизза остаточных напряжений сжатия.На технологической операции по пробивке отверстийс вогнутой стороны заготовки пластины, при отсутствии прижима заготовки к матрице,изогнутость пластины увеличится ещё больше. При пробивке же отверстий с выпуклой стороны заготовки пластиныее неплоскостность уменьшается, но между отверстиями появляется вогнутость, меньшая, чем с ее противоположной стороны.На следующей операции посборке звеньев цепи перекос осей валиков и втулок,пространственнаянеперпендикулярность осей отверстий изогнутых пластин к их плоскостямбудут способствоватькак плоскому, так и винтовому извороту звеньев и возникновению впластинах монтажных напряжений.В дальнейшем, при эксплуатации, пластины неизбежно подвергаются изгибу отдействия растягивающего усилия, что имеет место в ведущей ветви цепной передачи, вследствие внутренней бочкообразности втулок и малой жесткости валиков, а также наличия осевого зазора между пластинами звеньев. Вследствие изгибаповерхностные слои внешних сторон пластин внутренних звеньев растягиваются (выпуклостью наружу, относительно продольной оси цепи), а пластины наружных звеньев сжимаются (выпуклостью внутрь) (рисунок2).
Рисунок 2
Характер деформаций пластин приводной цепи отдействия растягивающего усилия
Несовпадение направлений изогнутостей пластин, зависящиеот технологического (возникшего вследствие применяемой технологии изготовления цепи) и силового (появляющегося приэксплуатации) факторов в итоге можетпривести к тому, что появившиеся при изготовлении пластин сжатые волокнабудут при работе цепи растягиваться, а растянутые волокна сжиматься.
На втором этапеисследованияоценивалосьвлияниеориентацииизогнутости пластин наусталостную прочность.
Для проведения испытаний были подготовлены приводные цепи ПР15.87523001 (Россия) с пластинамивнутренних и наружных звеньевразлично ориентированныхпо выпуклости и вогнутости относительно продольной оси звена цепи.Тестируемые цепи имели следующую ориентацию пластин:
выпуклостью наружу относительно продольной оси звеньев цепи;
выпуклостью внутрь относительно продольной оси звеньев цепи;
выпуклостью наружу для пластин внутренних звеньев и внутрь для пластин наружных звеньев;
выпуклостью внутрь для пластин внутренних звеньев и наружу для пластин наружных звеньев.Экспериментальные исследования проводились на пульсаторе рычажнороторного типа. Предельная величина контактного давления , определяющая несущую способность втулки цепи,определяласьпо формуле [2]:,где
толщина стенки втулки;
наружный диаметр втулки;
предел текучести материала.
Проведенные экспериментальные исследованияпозволили выявить следующее.1. Разрушенияпластиннаружного звена не наблюдалось.2. Слабым элементом звена цепи является пластина внутреннего звена.3. Наиболее высокую разрушающую нагрузку показали цепи, у которых внутренние и наружные пластины ориентированы выпуклостью наружу, а наименьшую с противоположной ориентацией.4. С учетом характера деформаций пластины от действия растягивающего усилия знак напряжений в их поверхностных слоях не меняется при ориентации пластин внутреннего звена выпуклостью наружу, а для пластин наружного звена выпуклостью внутрь. Противоположная ориентация изогнутости приводит к значительному изменению упругого состояния поверхностных слоев пластин и, какследствие, снижает усталостную разрушающую нагрузку, хотя максимальные напряжения уменьшаются.5. Усталостное разрушениепластин зависитне только от их напряженности, но и от характера изменения упругого состояния поверхностных слоев, зависящего от изогнутости пластин.
Результатытеоретических и экспериментальныхисследованийдают основаниесделатьследующие выводы.1. Применяемая технологияизготовления приводных цепей малых шагов дифференциациипроцессов вырубки пластин по контуру и пробивкив них отверстий приводит к значительной изогнутости пластин, что, в дальнейшем, на операциях сборки цепи, приводит кперекосу осей валиков и втулок и возникновению в пластинах монтажных и, соответственно, внутренних напряжений. Полученное таким образом напряженнодеформированное состояние материала конструктивных элементов (пластин) цепи, снижаетдолговечность и надежность работы цепей.2. Усталостное разрушение пластин цепи зависит от изменения напряженнодеформированного состоянияматериала поверхностных слоев пластин, что в первую очередь определяется кривизнойпластин и ориентацией по выпуклости и вогнутости относительно друг друга.3. Для повышения усталостной прочности цепи рекомендуется использовать ленты с жесткими допусками по толщине для уменьшения зазоровмежду пуансоном и матрицей при вырубкепластин по контуру и пробивки в них отверстий, а также совместить обе эти операции в одну. 4. Рекомендуется изменить технологию сборки цепей, добавивопределениеизогнутости пластин относительно продольной оси звенаи изменениеориентации пластин внутренних звеньев цепи выпуклостью наружу.
Ссылки на источники1. Романовский Б.В., Столбин Г.Б. Влияние макрогеометрии и формы пластин роликовых цепей на усталостную прочности пластин. Сборник “Механические передачи” (Цепи и зубчатые ремни) Под. ред. Г.Б. Столбина, НИИМАШ, 1971.2. Романовский Б.В.Уточненный расчет на усталостную прочность пластин роликовых цепей / В сб. Механические передачи, НИИМАШ, М.: 1971.3. Романовский Б.В., Викулов А.С., Потемкин А.Н. Об ударноциклической прочности приводных цепей. Проблемы качества и эксплуатации автотранспортных средств: Материалы VIIМеждунар. научнотехнической конференции. Ч. 2. Пенза: ПГУАС 2012. С. 226 231.
Vikulov Alexander Sergeevichassociate professor FGBOU VPO"The Penza state technological university", PENZGTU, PenzaPotemkin Alexey Nikolaevichassociate professor FGBOU VPO "The Penza state technological university", PENZGTU, PenzaRоmanovskaya Natalya Borisovnateacher of specialdisciplines, GBPOU POE "The Penza versatile college", PenzaAbout influence of manufacturing techniques of plates of driving chains on fatigue durabilityAbstract.Influence of manufacturing techniques of plates of driving chains of small steps and features of technology of assembly ofchains on intense the deformed condition of a material of plates and fatigue durability is considered.Keywords.Driving chains, plates of chains, intense the deformed condition of a material, fatigue durability
