SE535595C2 - Metod för att bestämma utmattningshållfasthet hos motorkomponenter - Google Patents

Abstract

En metod för att bestämma utmattningshållfasthet hos motorkomponenterinnefattande stegen: -tillhandahålla en motorkomponent; - belasta åtminstone en del av motorkomponenten till en nivå somunderskrider motorkomponentens brottgräns samt uppmätta denresulterande deformationen av motorkomponenten; -fastställa åtminstone en storhet utifrån den pålagda belastningen och denuppmätta deformationen; -tillhandahålla ett förutbestämt samband mellan uppmättutmattningshållfasthet hos motorkomponenter och den åtminstone ena ovannämnda storheten som bestäms ifrån förhållandet mellan pålagd belastningpå motorkomponenter och deformation av motorkomponenter; - bestämma utmattningshållfastheten hos den tillhandahållnamotorkomponenten baserat på den åtminstone ena fastställda storheten ochdet förutbestämda sambandet.

Description

25 30 535 595 - belasta åtminstone en del av motorkomponenten till en nivå som underskrider motorkomponentens brottgräns samt uppmäta den resulterande deformationen av motorkomponenten; -fastställa åtminstone en storhet utifrån den pàlagda belastningen och den uppmätta deformationen; -tillhandahålla ett förutbestämt samband mellan uppmätt utmattningshållfasthet hos motorkomponenter och den åtminstone ena ovan nämnda storheten som bestäms ifrån förhållandet mellan pålagd belastning av motorkomponenter och deformation av motorkomponenter; - bestämma utmattningshållfastheten hos den tillhandahållna motorkomponenten baserat på den åtminstone ena fastställda storheten och det förutbestämda sambandet.

Genom metoden uppnås generellt mycket hög överrensstämmelse mellan uppskattad och faktisk utmattningshållfasthet hos motorkomponenter.

Eftersom storheten som utnyttjas för att bestämma motorkomponentens utmattningshållfasthet fastställs vid låg belastning, typiskt motorkomponenternas brottgräns eller under utmattningsgränsen, är det ingen risk för att motorkomponenten förstörs. Därmed möjliggörs en snabb under kvalitetskontroll med hög provningsfrekvens av motorkomponenter som skall användas i verklig drift. Uppskattningen av motorkomponenternas utmattnlngshällfasthet kan utföras med hög noggrannhet eftersom den baseras på storheter som mäts på den faktiska motorkomponenten i stället för på referensdetaljer såsom provstavar som tillverkats tillsammans med motorkomponenten.

Företrädesvis utgörs motorkomponenten av ett cylinderhuvud eller ett motorblock för ett tungt fordon, företrädesvis en lastbil.

Enligt ett alternativ belastas hela motorkomponenten. 10 15 20 25 30 535 595 Enligt ett alternativ belastas motorkomponenten till en nivå som underskrider motorkomponentens utmattningsgräns.

Enligt en utföringsform belastas motorkomponenten genom att en kraft appliceras på motorkomponenten av ett kraftöverförande organ som ingriper i motorkomponenten.

Lämpligen appliceras kraften pä motorkomponenten genom att det kraftöverförande organet förskjuts i förhållande tiil motorkomponenten, varvid deformationen av motorkomponenten mäts som det avstånd som det kraftöverförande organet har förskjutits.

Enligt ett alternativ gjuts en provstav som är utformad för dragprovning tillsammans med motorkomponenten eller tas ur motorkomponenten, varvid provstavens brottgräns fastställs och utnyttjas för att bestämma utmattningshällfastheten hos den tillhandahällna motorkomponenten.

DEFINITIONER I denna ansökan avses med ”utmattningshållfasthet” den mängd cykliska belastningar som en komponent kan utsättas för innan ett förutbestämt värde m a p den mängd sprickor som bildas i komponenten eller m a p sprickornas längd, överskrides.

Med ”utmattningsgräns” avses i denna ansökan den maximala spänning som en komponent eller delar av en komponent kan utsättas för oändligt antal upprepade gånger utan att sprickor uppstår i komponenten.

Uttrycket ”hâllfasthetsparametrar” avser i denna ansökan parametrar som kan härledas ur en s k dragprovskurva som visar förhållandet mellan spänning och töjning i en provstav. Hållfasthetsparametrar är t ex maximal spänning [Rm]; spänning vid total töjning 0,1% [Ri(0,1)]; spänning vid total töjning 0,2% [Ri(0,2)]; Spänning vid total töjning 0,4% [Rt(0,4)lš Spänning vid 10 15 20 25 30 535 595 plastisk töjning 0,1% [Rp(0,1)]; spänning vid plastisk töjning 0,2% [R,,(O,2)]; Lutningen på spännings-töjningskurvan vid O MPa [E0]; Lutningen på spännings-töjningskurvan vid 20 MPa [E20]; Lutningen på spännings- töjningskurvan vid 50 MPa [E50]; Lutningen på spännings-töjningskurvan vid 100 MPa [E100]; Lutningen på spännings-töjningskurvan vid 150 MPa [E150]; Total förlängning vid maximal spänning [Agil FIGURBESKRIVNING Figur 1a och 1b: Schematiskt förlopp över dragprov från stål och ett gråjärn.

Figur 2: cylinderhuvud och brottgräns på provstav.

Diagram som visar samband mellan utmattningshållfasthet hos Figur 3: Diagram som visar samband mellan utmattningshållfasthet hos cylinderhuvud och Emo på provstav.

Figur 4: Diagram som visar samband mellan utmattningshållfasthet hos cylinderhuvud och brottgräns samt Eino på provstav.

Figur 5: Schematisk bild av en anordning för att mäta deformation enligt en utföringsform av den uppfinningsenliga metoden.

BESKRIVNING AV UPPFINNINGEN Inledningsvis skall den teoretiska bakgrunden till uppfinningen kortfattat beskrivas med hänvisning till figur 1a och 1b.

Metalliska materials hållfasthet kan töjningsdiagram som erhålls genom dragprovning av provstavar. Figur 1a, t ex beskrivas av spänning- visar schematiskt det förlopp som spänning-töjningsdiagramet uppvisar för många metalliska konstruktionsmaterial, t ex stål. Figur 1b visar spänning- töjningsdiagrammets förlopp för gråjärn.

Generellt uppvisar figur la ett första område l där låga krafter verkar på provstaven. I detta område ökar avståndet mellan atomerna i materialet utan att deras inbördes ordning ändras. Om kraften tas bort återfår provstaven sina ursprungliga dimensioner. Provstaven deformeras alltså elastiskt. Detta 10 15 20 25 30 535 595 område benämns vanligen det linjär-elastiska området. Läggs en högre kraft på provstaven ökar spänningen i materialet. När spänningen passerar den s k sträckgränsen II, bönar atomplanen glida över varandra och en kravstående deformation skapas i materialet. Materialet fortsätter att deformeras plastiskt i området som betecknas med III i figur 1a om kraften ökas ytterligare. Vid en viss spänning, den s k brottgränsen IV börjar en midja bildas i provstaven. Läggs mera kraft på provstaven gär den till slut av vid V i figur 1a.

Figur 1 b beskriver schematiskt ett spännings-töjningsdiagram för ett gjutjärn av typen gråjärn, samma beteckningar som i figur 1a används. Förloppet av spännings-töjningsdiagrammet för gråjärn skiljer sig från det generella spännings-töjningsdiagram som beskrivs av figur 1a genom att gråjärn inte uppvisar ett linjär-elastiskt område i början av spänning-töjningskurvan.

Vidare är gråjärnets förlängning innan brott, ca 1%, betydligt kortare än förlängningen av t ex stål, typiskt 20%. Ur figur 1b framgår att gråjärnet börjar deformeras plastiskt direkt när en last läggs på materialet. Orsaken till detta deformationsbeteende antas vara att grafitfjällen i gråjärnet fungerar som spänningskoncentrationer. Gråjärnets perlitiska grundmassa plasticeras lokalt runt grafitfjällens spetsar och vid ökande belastning bildas sprickor mellan grafitfjällen. Gråjärn har alltså, till skillnad från t ex stål, inte något område med linjärelastiskt beteende. Belastas gråjärnsprovstaven ytterligare passeras materialets brottgräns IV där provstaven går av.

Eftersom gråjärn deformeras plastiskt även vid låga laster kan flera hållfasthetsparametrar beräknas ur den nedre delen av gråjärnets dragkurva.

Detta beror på att både den initiala lutningen av kurvan samt mängden av plastisk deformation är starkt kopplad till grafitstrukturen och grundmassans beskaffenhet hos gråjärnet.

Som nämnts inledningsvis utnyttjas ofta dragprover på provstavar som gjuts tillsammans med gråjärnskomponenter för att säkerställa kvaliteten på gjutna 10 15 20 25 30 535 595 komponenter. l de kända metoderna fastställs provstavens brottgräns genom Utifrån uppskattas gjutna komponentens utmattningshàllfasthet baserat pà förutbestämda samband mellan uppmätt brottgräns hos provstavar och uppmätt utmattningshällfasthet hos gjutna komponenter. ett dragprov. brottgränsen sedan den Man har dock konstaterat att den förväntade utmattningshàllfastheten hos den faktiska inte alltid överrensstämmer tillfredsställande med den predikterade utmattningshàllfastheten som baserats på provstavens brottgräns. gjutjärnskomponenten En studie har visat att provstavar av gràjärn som tillverkas pà samma sätt och av samma gràjämstyp visserligen huvudsakligen uppvisar samma brottgräns men att spänning-töjningskurvan för de olika materialen kan ha olika förlopp. Orsaken till detta tros vara t ex variationer i gråjärnets sammansättning eller variationer i tillverkningsprocessen för provstavarna, t ex kärnbildningspotentialen hos basjärnet, ympmedelstyp eller ympningsförfarande.

En ytterligare studie har visat att utöver brottgränsen är fler hållfasthetsparametrar, som kan härledas ur spännings-töjningskurvan, prediktion av utrnattningshällfasthet gråjärnskomponenter. Spännings-töjningskurvans förlopp påverkar starkt viktiga vid hos gjutna dessa parametrars storlek och variationer i kurvans förlopp har därför stor påverkan på hur noggrant utmattningshållfastheten kan förutsägas hos komponenterna baserat på hàllfasthetsparametrarna.

Ett försök som gjordes i samband med ovan nämnda studie har visat att en mycket god överensstämmelse uppnås mellan uppskattad och verklig utmattningshållfasthet hos den färdiga komponenten av gràjärn om uppskattningen av utmattningshàllfastheten hållfasthetsparametrar som fastställs i dragprovskurvans initiala område. Det baseras på 10 15 20 25 30 535 595 vill säga i ett område där belastningen av gräjärnsprovstaven underskrider detta hàllfasthetsparametrar bestämmas: provstavens brottgräns. I område kan t ex följande Rt(0,1) d v s spänningen vid total töjning 0,1%.

E(0) d v s lutningen pà spänning-töjningskurvan vid spänning O Mpa.

E(50) d v s lutningen på spänning-töjningskurvan vid spänning 50 Mpa.

E(100) d v s lutningen på spänning-töjningskurvan vid spänning 100 Mpa. l försöket framställdes i ett första steg sju serier om vardera med 10 tillgänglig gràjärnslegering.

Cylinderhuvudena framställdes med metoder avsedda för serieproduktion Cylinderhuvuden av en kommersiellt Ur varje cylinderhuvud togs sedan en provstav med en midjediameter av 8 mm. Provstaven utsattes för ett dragprov i en 100Kn servohydraulisk dragmaskin av märket MTS. Dragprovet utfördes i rumstemperatur med kontrollerad förskjutning och med en hastighet av 0,05 mm/s. Vid insamling av data användes en extensometer av typen MTS 634.11 F-24. Mätlängden var 25 mm och datainsamlingsfrekvensen 10 Hz.

Cylinderhuvudena monterades i en testrigg och utsattes sedan för cyklisk utmattningsprovning till dess att sprickor kunde detekteras i cylinderhuvudena.

Ur den insamlade datan för varje provstav fastställdes brottgränsen Rm samt Eloo- Den fastställda brottgränsen utmattningshållfastheten för varje serie av cylinderhuvuden. Figur 2 visar i ett diagram jämfördes sedan med den uppmätta mellan och utmattningshàllfastheten. Ett linjärt samband togs fram mellan den uppmätta överrensstämmelsen brottgränsen brottgränsen Rm hos provstavarna och utmattningshàllfastheten hos cylinderhuvudena. Ur sambandet beräknades RZ-värdet. Rz värdet som 10 15 20 25 30 535 595 anger hur väl sambandet överrensstämmer med verkligheten kan variera mellan 0 och 1, där l innebär att sambandet är perfekt anpassat till verkligheten. RZ-värdei för sambandet i figur 3 är 0,83.

I figur 3 har Eino och utmattningshållfastheten plottats för respektive serie av cylinderhuvud/provstav. Även här beräknades ett linjärt samband mellan Emo värdena och utmattningshållfastheten. Sambandets Rz-värde är 0,92 vilket visar att det är mycket god mycket överrensstämmelse mellan Eioo och utmattningshållfasthet som räknats fram med sambandet. Ur figur 3 framgår alltså att bättre överrensstämmelse uppnås mellan faktisk och predikterad utmattningshållfasthet när de predikterade värdena baserats på hållfasthetsparametrar som ligger under brottgränsen än när de endast baseras på brottgränsen. l Figur 4 har den uppmätta utmattningshållfastheten och den predikterade utmattningshållfastheten plottats mot varandra i ett diagram. Den predikterade utmattningshållfastheten fastställdes utifrân både Eioo och brottgränsen enligt sambandet nedan: predikterad utmattningshållfasthet = 0,2129 + 3,473-10'3-E(1O0) + 1759-10' 3_Rm Linjen som är inritad i figur 4 visar hur god överensstämmelsen är mellan uppmätt och predikterad utmattningshållfasthet.

Som framgår av RQ värdet, 0,95, så ökar överrensstämmelsen ytterligare om flera hållfasthetsparametrar tillförs sambandet.

Analogt med ovanstående studier baseras uppfinningen på att lämpliga storheter kan tas fram ur en kurva som beskriver förhållandet mellan en låg belastning direkt på en motorkomponenten och uppmätt deformation av 10 15 20 25 30 535 595 materialet i motorkomponenten. Storheterna kan sedan utnyttjas för att med hög noggrannhet förutsäga utmattningshållfastheten hos motorkomponenter.

Enligt den uppfinningsenliga metoden tas först ett samband fram, d v s förutbestäms, mellan utmattningshällfasthet hos motorkomponenter och storheter som bestäms ifrån förhållandet mellan pålagd last och resulterande deformation av motorkomponentens material vid låg belastning.

Detta sker på följande sätt: Först tillverkas ett antal serier med motorkomponenter, t ex tre serier om vardera tio motorkomponenter. Både antalet serier och antalet motorkomponenter i varje serie kan varieras. Varje serie tillverkas i ett separat gjutförfarande för att åstadkomma tillräckligt hög variation. Därefter utsätts varje motorkomponent, eller en del av varje motorkomponent, för en låg belastning. Belastningen, t ex en kraft som appliceras på motorkomponenten, skall vara så låg att de spänningar som resulterar i motorkomponenten inte överskrider den brottgräns eller utmattningsgräns som man antar att den aktuella komponenten skall klara av. Fackmannen kan relativt enkelt anta vilka laster en aktuell komponent kan utstå, t ex baserat på erfarenhet.

För att säkerställa att komponenten inte går sönder vid belastningen är det lämpligt att t ex belasta komponenten till högst 50% av brottgränsen.

I det fall endast en del av motorkomponenten belastas och den delen inte utsätts för belastningar under drift kan även högre belastningar väljas vid provningen.

Belastning av motorkomponenten och mätning av den resulterande deformationen av motorkomponenten kan ske på nedan angivet sätt, se figur 5. 10 15 20 25 30 535 595 10 Figur 5 visar en motorkomponent 1, i detta fall ett motorblock som uppvisar håligheter för cylindrar 2. Två kraftöverförande organ 3, t ex två stänger, förs ned i varsitt cylinderhål 2. Respektive kraftöverförande organ 3 är anslutet till en hydraulanordning 4 som är anordnad att föra de kraftöverförande organen i sidled i En kraft F hydraulanordningen 4 på vardera kraftöverförande organ, varvid de kraftöverförande organen förskjuts i sidled längs motorblockets mittlinje.

Genom förskjutningen av de kraftöverförande organen deformeras riktning fràn varandra. läggs sedan av motorkomponenten, d v s motorkomponentens material deformeras.

Krafterna F ökas successivt till ett förutbestämt värde, t ex till dess att spänningen i motorblocket uppgår till 15% av motorblockets antagna brottgräns. Efter varje ökning av kraften F mäts den resulterande förskjutningen av de kraftöverförande organen. Denna förskjutning kan t ex mätas som det avstånd d som vardera kraftöverförande organ förflyttat sig i riktning bort från sin utgångspunkt vid belastningens början (markeras streckat i figur 5). motorkomponenten deformerats av den pålagda kraften. Den pålagda kraften Förskjutningen d ger ett mått på hur mycket och den resulterande förskjutningen plottas sedan i ett diagram och ur diagrammets lutning kan olika storheter beräknas. En lämplig storhet är till exempel lutningen på kraft/förskjutning kurvan vid en pålagd kraft som genererar spänningar i komponenten som uppgår till 50% av den utmattningshållfasthet som antagits för motorblocket.

Varje motorkomponents faktiska utmattningshållfasthet bestäms sedan genom cyklisk utmattningsprovning till dess ett förutbestämt värde m a p sprickor passerats eller motorkomponenten går sönder. Detta kan ske med standardiserade metoder.

Ett samband fastställs sedan mellan motorkomponenternas utmattningshållfasthet och storheten som fastställs ur förhållandet mellan kraft/deformation av komponenten vid låg belastning. 10 15 20 25 30 535 595 11 Sambandet kan t ex vara en tabell, en ekvation eller ett diagram mellan uppmätt utmattningshållfasthet hos motorkomponenter och storheten som fastställs ur förhållandet mellan motorkomponenter. Sambandet kan t ex erhållas från en linjär regression uppmätt kraft/deformation hos som anpassats till de uppmätta värdena. Sambandet lagras, t ex i ett icke- flyktigt elektroniskt minne i en dator varifrån det vid behov kan hämtas.

Noggrannheten i sambandet mellan uppmätt utmattningshållfasthet hos motorkomponenter och storheten som fastställts ur förhållandet mellan uppmätt kraft/deformation hos motorkomponenterna kan förbättras genom att ytterligare utmattningsprover görs. Det är även möjligt att förbättra sambandets noggrannhet ytterligare genom att tillföra sambandet observationer och erfarenheter frän det faktiska utfallet på fältet.

Sambandet som tagits fram ovan utnyttjas sedan i den uppfinningsenliga metoden för att uppskatta utmattningshållfastheten hos ytterligare motorkomponenter som till exempel tillverkas vid löpande industriell produktion. Detta sker på följande sätt: I ett första steg tillverkas en motorkomponent genom gjutning av ett gråjärnsmaterial.

I ett andra steg bestäms åtminstone en storhet ur förhållandet mellan kraft/deformation vid låg belastning av motorkomponenten eller en del av motorkomponenten. Denna storhet är alltså av samma slag som den som det förutbestämda sambandet baseras på. Bestämningen av denna storhet sker som beskrivits ovan genom att motorkomponenten belastas under sin Under motorkomponenten mäts deforrnationen av motorkomponenten och ur förhållandet mellan pälagd kraft och deformation bestäms en storhet. antagna brottgräns eller utmattningsgräns. belastningen av 10 15 20 25 30 535 595 12 I ett tredje steg tillhandahålls ett förutbestämt samband som tagits fram enligt ovan. l ett fjärde steg uppskattas utmattningshållfastheten hos den tillverkade motorkomponenten baserat på storheten som fastställts ur förhållandet mellan pålagd kraft/deformation av förutbestämda sambandet. Detta kan ske på flera olika sätt. motorkomponenten samt det Om det förutbestämda sambandet är en linjär kurva som anpassats till observerad utmattningshållfasthet hos motorkomponenter och uppmätta storheter som fastställts ifrån förhållandet mellan kraft/deformation av motorkomponenter så kan tillverkade utmattningshållfasthet avläsas ur den linjära kurvan. den motorkomponentens Sambandet kan även tas ifrån en tabell eller icke-flyktigt minne. l de beskrivna utföringsformerna kan motorkomponenten utgöras av t ex ett motorblock eller ett cylinderhuvud för ett tungt fordon, t ex en lastbil. Det skall dock inses att det förutbestämda sambandet skall vara baserat på samma typ av motorkomponent som den motorkomponent vars utmattningshållfasthet skall uppskattas.

I beskrivningen har en specifik utföringsform av uppfinningen beskrivits i detalj. Detta har gjorts i illustrativt syfte och inte med avsikt att begränsa uppfinningen. Det är uppenbart att olika förändringar och modifikationer kan göras av uppfinningen inom skyddsomfånget av de bifogade patentkraven.

Till exempel kan en provstav gjutas tillsammans med motorkomponenten, och sedan brytas loss. Provstaven kan även tas direkt ur den tillverkade motorkomponenten, t ex genom fräsning. Dragprover kan sedan utföras på provstaven och resultaten därifrån, t ex brottgränsen, kan utnyttjas i den uppfinningsenliga metoden för att prediktera motorkomponentens 535 595 13 utmattningshållfasthet. Detta förutsätter dock att det förutbestämda sambandet inkluderar mättningar från provstavar.

Claims (7)

10 15 20 25 30 535 595 14 PATENTKRAV

1. Metod för att bestämma utmattningshållfasthet hos motorkomponenter av gråjärn kännetecknad av att innefatta stegen: -tillhandahålla en motorkomponent; - belasta åtminstone en del av motorkomponenten till en nivå som underskrider motorkomponentens brottgräns samt uppmäta den resulterande deformationen av motorkomponenten; -fastställa åtminstone en storhet utifrån den pålagda belastningen och den uppmätta deformationen; -tillhandahålla ett förutbestämt samband mellan uppmätt utmattningshållfasthet hos motorkomponenter och den ovannämnda åtminstone ena storheten som bestäms ifrån förhållandet mellan pålagd belastning på motorkomponenter och deformation av motorkomponenter; - bestämma utmattningshållfastheten hos den tillhandahållna motorkomponenten baserat på den åtminstone ena fastställda storheten och det förutbestämda sambandet.

2. Metoden enligt krav 1, vari motorkomponenten utgörs av ett cylinderhuvud eller ett motorblock för ett tungt fordon, företrädesvis en lastbil.

3. Metoden enligt något av krav 1 eller 2, vari hela motorkomponenten belastas.

4. Metoden enligt något av krav 1 till 3, vari motorkomponenten belastas till en nivå som underskrider motorkomponentens utmattningsgräns.

5. Metoden enligt något av kraven 1 till 4, vari motorkomponenten belastas genom att en kraft appliceras på motorkomponenten av ett kraftöverförande organ som ingriperi motorkomponenten. 10 15 535 595 15

6. Metoden enligt krav, 5 vari kraften appliceras genom att det kraftöverförande organet förskjuts i förhållande till motorkomponenten, varvid deformationen av motorkomponenten mäts som det avstånd som det kraftöverförande organet har förskjutits.

7. Metoden enligt något av kraven 1 till 6, vari en provstav som är utformad för dragprovning gjuts tillsammans med motorkomponenten eller tas ur motorkomponenten, varvid provstavens brottgräns fastställs och utnyttjas för att bestämma utmattningshàllfastheten hos den tillhandahållna motorkomponenten.