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