70 Осесимметричные тонкостенные оболочки – элемент колеса

Осесимметричные тонкостенные оболочки – элемент колеса
транспортного средства
Басюк С.Т.
ЗАО «Диск БС»
1. Типы колес (оболочек).
Анализ существующих конструкций колес из легких сплавов как для автомобилей,
так и для других видов транспорта [1-3 ] позволил выделить типовых представителей,
отличающихся конструктивными особенностями, влияющими на построение
технологических процессов их изготовления.
Были рассмотрены и другие типы изделий не являющиеся элементами колес или
барабанов, но схожие с последними как по внешним геометрическим признакам, так и по
характеру их напряженного состояния в процессе эксплуатации. Имеются в виду
различные элементы сосудов высокого давления – горловины, крышки и т.п. Обобщенно
можно отметить, что все рассмотренные конструкции представляют собой
осесимметричные оболочки с различными добавлениями в виде кольцевых ребер
жесткости и центральных трубчатых отростков для соединения с другими элементами
изделия (рис. 1).
Рисунок .1 - Основные типы колес транспортных средств
Поскольку все элементы колеса работают в условиях знакопеременных нагрузок, к
материалу колес предъявляются весьма высокие требования: при малом удельном весе
материал должен обладать высокими прочностными свойствами, низкой анизотропией
свойств в зависимости от направления волокна, высокой усталостной прочностью, низкой
чувствительностью к концентраторам напряжений, большой сопротивляемостью
развитию трещины, высокой коррозионной стойкостью. Для справки в таблице 1
70
приведены отечественные и зарубежные алюминиевые деформируемые сплавы, которые
в той или иной степени использовались для исследований.
Таблица 1 - Отечественные и зарубежные марки сплавов на основе алюминия
Переходные
металлы
Марки сплавов
Система
АМг2 - АМгб
AI - Mg - Mn
АДЗЗ, АД35, АВ, АКб, АК8, АК4-Г
Al-Cu-Mg-Si-Mn
Mn
Д1, Д16, В95, ВД17, Д19, ВАД1
Al-Cu-Mg-Mn
Mn
1911, 1915, 1925
Al-Mg-Zn-Mn
Mn,Cr,Zr
В95, В96Ц
Al-Cu-Mg-Zn
Mn, Zr, Cr
1200,1201
Al-Cu-Mn
Mn, Zr,V,Ti
1420
Al-Mg-Li-Zr
Zr
5051-5283
Al-Mg-Mn
Al-Mg-Cr
Mn
Cr
6002-6351
Al-Mg-Si
Al-Mg-Si-Cu
Al-Mg-Si-Pb-Bi
.Mn, Cr, Zr, V
7001-7475
Al-Cu-Mg-Zn
Mn, Cr, Zr
2001-2324
Al-Cu
Al-Cu-Mg
Al-Cu-Mn
Al-Cu-Mg-Pb
Mn, Cr, Zr
3003-3307
Al- Mn
Al- Mn-Cu
Al- Mn-Mg
Mn, Cr, Zr
Примечание
Mn, Ti
Отечественные
Зарубежные
Сравнительную оценку несущей способности оболочек из разных сплавов можно
провести используя результаты ранее проведенных исследований и эксплуатационных
испытаний упомянутых выше оболочек (колес) из алюминиевых сплавов В96Ц, 1420 [23] проведенных, в том числе, совместно с И.Н.Фридляндером и О.Е.Грушко [1984}, а
также оболочек из алюминиевых сплавов АК6, 1420, АВТ1 (6061), проведенных
совместно с С.С.Кокониным и В.Н.Шкробом {1985}.
Эти работы позволяют провести сравнительную оценку несущей способности
оболочек (обод колеса), используя также результаты исследований и испытаний, в том
числе эксплуатационных, кованых колес из двух магниевых и четырех алюминиевых
сплавов для спортивных автомобилей серий «Формула-1», «Формула-3». Конструкция
71
подобных колес в общем виде приведена на рис. 1л.
За базу были приняты характеристики колеса «Формула-1» производства ОАО
ВИЛС, 1997 г.
Размер колеса…………………… …13,7х13″
Сплав (основа магний)…………… ...МА2-1
Толщина стенки обода δ, мм………..3,5
Удельная плотность γ, г/cм3…
…1,78
Общая масса, кг………………………3,730
В соответствии с уровнем фактических характеристик материала кованых колес
толщина стенок обода из условий равнопрочности для каждого сплава была установлена
индивидуально, т.е. произведение значения прочности при растяжении на толщину и
единицу ширины стенки (bδσв) было принято для колес из рассматриваемых сплавов
постоянным и составляло 91кг при значении b= 1мм, как и для оболочки из сплава МА2-1
(базовое колесо «Формулы-1»), что позволило, на наш взгляд, оценить влияние
применяемого сплава на конструкцию колеса (оболочки).
Сравнивали следующие показатели:
σв– прочность при растяжении;
δ – толщина стенки обода;
γ – плотность материала;
Е – модуль упругости материала.
Оценка проводилась по следующим показателям;
bδσв – предельная нагрузка на миллиметр ширины оболочки;
bγδ – масса миллиметра ширины оболочки;
σb/ γ – удельная прочность материала;
Е/ γ – удельный модуль упругости материала.
Для большей наглядности оцениваемые показатели представлены в виде графиков
(рис.2), на которых сплавы размещены в порядке нарастающей величины удельной
плотности.
Рисунок 2 - Сравнение геометрических и массовых показателей оболочек
72
Примечания.
1. Химический состав магниевого сплава AZ80A в %(факт)
Si-0,01; Fe-0,005; Cu-0,01; Mn-0,23; Zn-0,54; Al-8,8.
Механические свойства в штампованном полуфабрикате (факт)- σВ=320МПа,
σ02=237МПа, δ=9%
2. Чертежи для изготовления образцов переднего и заднего колеса спроектированы
и расчетами проверены на такие нагрузки:
• вертикальная нагрузка- 3,92кН(400кгс)
• изгибающий момент при вращении- 1,96кН٠м(200кгс٠м
Приведенные графики позволили сделать некоторые выводы.
1.Оболочки (колеса) из перечисленных сплавов по характеристикам могут быть
условно разделены на две группы: -толстостенные – из магниевых сплавов; -тонкостенные
– из алюминиевых сплавов; при этом различие в толщине стенки составляет в среднем 200
%.
2.Геометрические и прочностные характеристики влияют как на массу оболочки,
так и на ее жесткость, которая при одинаковых диаметрах сравниваемых оболочек
зависит от их толщины.
Таким образом, у конструктора появляется выбор:
• если требуется жесткая оболочка – применяется магниевый сплав;
• если нужна упругая оболочка, работающая на растяжение,
выбирается
высокопрочный алюминиевый сплав;
• если оболочка представляет такую сложную конструкцию как колесо, то
максимальную упругость при весе, сопоставимом с магниевыми сплавами, может
дать сплав системы Al – Li (1420).
Это справедливо если, конечно, условия эксплуатации одинаково приемлемы для
рассмотренных сплавов.
Можно также отметить, что сравнительные исследования колес из магниевых
сплавов и сплавов системы Mg-Li, проведенные совместно с G.Muffatto, G.Fogolari,
R.Miorin [“Speedline”,1993,Italy], а впоследствии и с C.Bernoni, L.Lucaora [“OZ”,1994,Italy] показали, что для достижения максимального эффекта использования
сплава системы
Mg-Li,
колеса из этого сплава могут иметь определенные
конструктивные особенности.
Одним из примеров проектирования новых типов колес из легких сплавов по
системе - металл – конструкция – дизайн -, можно считать реально изготавливаемые
колеса для внедорожников размером 9,5х22” (конструкция показана на рис.1к)
73
Рисунок 3 - Колесо серии «Dream Star», масса 18 кг., допустимая статич. нагрузка
1200 кгс
Рисунок 4 - Колесо серии «Illusion», масса 14 кг., допустимая статич. нагрузка 1200
кгс..
Заканчивая это краткое сообщение, несколько слов о перспективах.
Если вчера для колес применялись среднелегированные легкие сплавы, то сегодня
колеса начинают изготавливать из высокопрочных сплавов, легированных, в том числе и
литием. Ну а завтра ?
Завтра? Разработанные новые технологические процессы с применением
интенсивной пластической деформации (ИПД) позволяют создавать объемные
металлические композиции, в которых возможно чередование слоев высокопрочного
металла (сплава) со слоями (прослойками) из высокопластичного металла (сплава). Такие
демпфирующие слои могут в определенной степени перераспределять напряжения,
возникающие в объеме изделия при эксплуатации и локализовывать зарождающиеся
трещины.
74
Рисунок 5 - Внешний вид колеса из слоистого полуфабриката после его
механической обработки и цветного анодирования. Композиция: 6061Т1 (силовые
слои) – АД1(прослойки)
Завтра: металлические композиции
вес – 90%
ресурс - 250%
Сегодня: новые сплавы системы Al-Li
вес – 91%
ресурс – 125%
Вчера:среднелегированные сплавы
вес = 100%
ресурс – 100%
Литература.
1. Микляев П.Г. Механические свойства легких сплавов при температурах и
скоростях обработки металлов давлением. Москва. Металлургия. 1994. 290
с.
2. Басюк С.Т. Осесимметричные оболочки. Технология легких сплавов. 2007.
№ 4.
3. Басюк С.Т.
Объемная штамповка заготовок из легких сплавов на
гидравлических прессах. Москва. Изд-во ХХI век. 2007. 192 с.
4. Патент РФ №2087585, 1996г., публ. 20.08.97. Бюл.№23.
5. Патент РФ №2274508, 2004г., пубд. 20.04.06. Бюл.№11.
6. Патент РФ № 2137613, публ. 20.09.99.Бюл №26,
7. Патент РФ № 2268153, публ 20.01.06.Бюл.№02,.
8. Патент РФ № 2270761, публ. 27.02.06. Бюл.№6
75