Durabilitatea Boltului de Piston [PDF]

Zitiervorschau

Universitatea Politehnica din Bucureşti Facultatea de Transporturi Masterat CDIA

Tema Curs D.C.S.A. Durabilitatea boltului de piston

Masterand: Visan Laurentiu Octavian

1. Optimizarea durabilitatii unui bolt de motor Diesel prin analiza statica si dinamica cu ajutorul metodei elementelor finite 1.1 Scopul lucrarii Aceasta lucrare are in vedere analiza uzarii premature a boltului de piston. Acesta are rolul de a realiza legatura dintre piston si biela. Continutul lucrarii se refera la analiza statica si calculul la oboseala al boltului vizand prin acestea tensiunea de frecare si tensiunea Von Mises ce actioneaza asupra acestuia cu ajutorul programului ANSYS 12. Se vor analiza influentele modificarii diametrului interior al boltului cat si efectul aplicarii stratului de DLC (Diamond Like Carbon). Pentru calculul durabilitatii, s-a folosit aplicatia FEMFAT 5.0 b, in care s-au luat in calcul rugozitatea piciorului bielei cat si schimbarea dimetrului boltului pentru simularea duratei de viata. 1.2 Introducere Dupa cum s-a specificat mai sus, scopul acestui studiu este de gasi metode de a reduce uzarea excesiva premature a boltului de piston. De regula, boltul are o sectiune inelara si este fabricat dintr-un otel calit impreuna cu un tratament termic cu scopul de a produce o suprafata dura rezistenta la uzare. Desi este o piesa simpla ca geometrie, fara componente in miscare, boltul necesita precizie de fabricatie. Aceasta se datoreaza necesitatii satisfacerii anumitor cerinte contradictorii: trebuie sa combine rezistenta cu masa redusa, trebuie sa fie montat cu strangere dar cu grade de libertate, si trebuie sa reziste la uzare fara a se gripa. Boltul asupra caruia s-a facut studiul are diametrul exterior de 24 mm iar cel interior de 13 mm fiind fabricat din materialul 17Cr3. Durata de functionare a bolturilor este de 3000 de ore dar incercarile experimentale au aratat ca diametrul boltului se reduce cu 40 de microni in doar 475 de ore ceea ce nu este de dorit. Analiza din ANSYS s-a efectuat asupra ansamblului piston-bolt-piciorul bielei. 1.3 Analiza statica Ansamblul pe care s-a facut simularea a fost creat in CATIA V5. Datorita simetriei s-a discretizat modelul pe jumatate care a fost importat in ANSYS ca in fig.1:

Fig.1 Discretizarea ansamblului

Modelul a fost analizat prin a incarca suprafata capului pistonului cu presiunea data de gazele de ardere. Astfel au fost obtinute tensiunea de frecare si tensiunea Von Mises ca in figurile 2 si 3:

Fig.2 Tensiunea de frecare pe suprafata exterioara

Fig.3 Tensiunea Von Mises pe suprafata exterioara

Dupa cum se observa din fig.4 si fig. tensiunile maxime au valorile 12.99 MPa respective 91.02 MPa. 1.3.1

Optimizarea design-ului prin iteratii Aceste iteratii s-au facut pentru a evalua influenta modificarii dimensiunilor boltului in scopul reducerii tensiunii.

1.3.1.1 Iteratii pentru diametrul interior al boltului Analiza asupra boltului s-a efectuat prin reducerea diametrului interior de la 13 mm la 12.7 mm, 12.3 mm si 12 mm. Rezultatele pentru aceste iteratii sunt prezentate in tabelul 1. Tensiunile de frecare si cele Von Mises sunt reprezentate I fig.4 si fig.5. Se constata din figure faptul ca tensiunile maxime au valoarea de 10.448 MPa respectiv 81.562 MPa.

F ig.4 Tensiunile de frecare pe suprafata exterioara pentru diametrul interior de 12 mm

Fig.5 Tensiunile Von Mises pe suprafata exterioara pentru diametrul interior de 12 mm

Tabel 1

Nr. Iteratie

Diametru interior bolt Tensiunea Von Mises [mm] [MPa] 1 13 91.026 2 12.7 88.222 3 12.3 84.436 4 12 81.562 Iteratii pentru acoperirea cu DLC al boltului

Tensiunea de frecare [MPa] 12.99 11.245 10.5 10.448

1.3.1.2

Stratul DLC prezinta o combinatie unica de proprietati fizice si proprietati chimice si anume duritate ridicata, rezistenta la uzare si coefficient mic de frecare. Boltul pe care s-a facut analiza este prevazut cu un strat DLC de 10 microni. Rezultatele sunt prezentate in fig.6 si fig.7. Tensiunile maxima de frecare este de 8 MPa in timp ce tensinea Von Mises este de 57.226 MPa.

Fig.6 Tensiunea de frecare pe suprafata exterioara cu strat DLC aplicat

Fig.7 Tensiunea Von Mises pe suprafata exterioara cu strat DLC aplicat 1.4 Analiza dinamica

Aceasta analiza s-a efectuand importand rezultatele de la analiza statica din ANSYS in programul FEMFAT 5.0 b. Durabilitatea boltului este determinata pentru dimensiunile initiale, diametrul interior de 13 mm si rugozitatea suprafetei interioare a piciorului bielei de 1.6 microni. De asemenea s-au facut iteratii similar cu analiza statica, la micsorarea diametrului interior adaugandu-se modificarea rugozitatii suprafetei interioare a piciorului bielei. Dupa cum este aratat in fig.8, durabilitatea boltului pentru modelul initial este de 2.99x107 cicluri.

Fig.8 Durabilitatea modelului initial

1.4.1

Iteratii pentru rugozitatea piciorului bielei Boltul folosit pentru simulare are o rugozitate foarte fina de 0.06 microni dar rugozitatea piciorului bielei este bruta comparative avand valoarea de 1.6 mm microni. Iteratiile sunt facute pentru modelul initial cu modificarea valorilor rugozitatilor, cu valoarea de 1 micron respective 0.5 mm. Rezultatele analizei pentru fiecare iteratie sunt prezentate in fig.9 si 10:

Fig.9 Durabilitea pentru rugozitatea piciorului bielei de 1 micron

Fig.10 Durabilitea pentru rugozitatea piciorului bielei de 0.5 micron

Rezultatele pentru modificarea rugozitatii piciorului bielei sunt prezentate in tabelul 2 de mai jos: Tabel 2 Influenta modificarii rugozitatii piciorului bielei Nr. Iteratie 1 2 3 1.4.2

Rugozitate [microni] 1.6 1 0.5

Durabilitatea [cicluri] 2.99x107 5.77x107 1.52x108

Iteratii pentru modificarea diametrului interior al boltului

Analiza durabilitatii boltului a fost efectuata pentru un diametru interior de 12 mm si rugozitatea suprafetei interioare a piciorului bielei de 1.6 microni. Rezultatul este prezentat in fig.11 in care se observa ca durata de viata este de 1.06x107 cicluri.

Fig.11 Durabilitatea pentru rugozitatea piciorului bielei de 1.6 microni si diametrul interior al boltului de 12 mm

2. Investigatia cedarii la oboseala a unui bolt de motor Diesel 2.1 Context Un bolt de piston pentru motor Diesel s-a fracturat in functionare desi autovehiculul avea doar 750 Km rulaj. Boltul ce a cedat era fabricat din otel 20Cr iar suprafeta interioara si cea exterioara aveau specificat un tratament termic de cementare. Duritatea suprafetei cilindrice exterioare este specificata ca fiind HRC57-64 iar duritatea interioara este HRC28-43.

2.2 Rezultate Pentru a culege informatii despre cum s-a produs ruperea boltului s-a recurs la investigatia compozitiei chimice prin analiza chimica spectroscopica, prin care s-au observat cu ajutorul microscopului optic forma microstructurilor. Boltul s-a fracturat transversal in 2 bucati iar o bucata mai mica s-a pierdut. Ce a ramas este reprezentat in fig.12:

Fig.12 Odata cu fracturile principale transversale s-au gasit de asemenea crapaturi longitudinale notate cu A si B ca in fig.13:

Fig.13