Прочность при циклических нагрузках: расчёт на усталостную прочность цилиндрической клапанной пружины.

Пружины, работающие под нагрузкой в течение длительного времени, а также работающие в тяжелых условиях динамического нагружения, с течением времени снижают свою несущую способность. Одним из основных эксплуатационных требований, предъявляемых к таким пружинам, является требование высокой выносливости. Прочностные и усталостные характеристики самой проволоки позволяют в какой-то степени судить об усталостных свойствах готовой пружины, однако служить достаточно надежной основой для определения предела усталости конкретного вида пружин, работающих в тех или иных динамических условиях, они не могут. Отсутствие проверенного инженерного метода расчета пружин с учетом инерционного столкновения витков и не исследованные до настоящего времени вопросы влияния на выносливость контактных напряжений, а также напряжений изгиба витка, возникающего в результате конечной скорости волны деформации, весьма усложняют аналитическое решение вопроса усталостной прочности готовой пружины. Вопросы усталостной прочности пружин и других упругих элементов становятся особенно важными в связи с работами по повышению надежности и точности машин при одновременном уменьшении их веса. С этой точки зрения интересен патент на пружину, профиль сечения витка которой представляет собой дугообразные участки разного радиуса, соединенные между собой касательными. Динамические испытания пружин предусматриваются чертежом или техническими условиями и назначаются в зависимости от скорости деформирования, рабочих напряжений, нормы требуемых выносливости и стабильности силовых и геометрических характеристик. При этих испытаниях определяется выносливость на малой базе (испытание с числом циклов менее норм живучести) или на большой базе (испытание с числом циклов, соответствующим нормам живучести). Разрушение пружины от усталости происходят вследствие многократного изменения напряжений и связано с местными пластическими деформациями в отдельных слабых микрообъемах (зернах). При высоких напряжениях и большом числе их повторений на поверхности пружины возникает трещина, распространяющаяся по сечению витка и приводящая к поломке пружин. Большинство конструкций цилиндрических пружин растяжения-сжатия работает при знакопостоянном цикле с различным коэффициентом асимметрии. Наибольшее число колебаний, выдерживаемых пружиной до разрушения, зависит не только от максимального напряжения, но и от амплитуды самих колебаний: чем больше амплитуда колебаний при данном максимальном напряжении, тем меньшее число циклов выдерживают пружины. Пределом выносливости называется такое максимальное напряжение, при котором материал выдерживает, не разрушаясь, фактически неограниченное число циклов. Предел выносливости изменяется в зависимости от коэффициента асимметрии r=τmin/τmax или r=σmin/σmax и зависит от марки стали, сечения прутка, термической обработки и качества поверхности пружины. Качество поверхности, как известно, характеризуется физико-техническими свойствами поверхностного слоя и чистотой поверхности. Предел выносливости для стальных изделий, в том числе для пружин, обычно определяется при базе испытания N=107 циклов. Однако испытания при такой базе требуют много времени. Для пружин можно ограничить ее меньшим числом циклов и определить предел условной или ограниченной выносливости, тем более, что частота смены напряжений при эксплуатации пружин невелика и на выносливость практически не влияет. Результаты испытаний на выносливость представляются графиком зависимости числа циклов от максимального напряжения цикла (кривая Велера) и амплитуды от среднего напряжения цикла (кривая предельных напряжений).