Studie zur Elastizität und Plastizität von Kfz-Kopfschrauben

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ORIGINAL-ARTIKEL

PINHEIRO, Samuel Junio França [1]

PINHEIRO, Samuel Junio França. Studie über Elastizität und Plastizität von Automobilkopfschrauben. Revista Científica Multidisciplinar Núcleo do Conhecimento. Jahrgang 05, Ed. 06, Vol. 02, S. 149-169. Juni 2020. ISSN: 2448-0959, Link de acesso: https://www.nucleodoconhecimento.com.br/engineering-maschinenbau/elastizitat-und-plastizitat

ZUSAMMENFASSUNG

Die Schrauben müssen die angezogenen Anzugskräfte beibehalten, jedoch tritt nach Drehmoment und Lastzyklus eine Dehnung in ihrer Struktur auf. Die Effizienz eines solchen Bauteils ist entscheidend für die perfekte Passform und den Betrieb des Motors. In dieser Arbeit schlagen wir einen Vergleich zwischen den realen Verformungen und denen vor, die aus der Berechnungssimulation der Kopfschrauben von Benzin- und Dieselmotoren gewonnen werden. Die Schrauben, die im Experiment verwendet werden, werden von Antriebs- und Versorgungsköpfen von vier verschiedenen Marken sein: Pallium 1.6 16v, Marea 2.0, Zafira 2.0 und Pajero 2.8 Diesel.

Stichworte: Schrauben, Traktion, Verformung, Berechnungen, Kopf.

1. EINFÜHRUNG

Der Grieche Archytas de Tarentum war für die Entwicklung der Schraube um 400 v. Chr. verantwortlich. Zu dieser Zeit wurde es entwickelt, um in Pressen für die Olivenölgewinnung sowie in der Weinproduktion verwendet zu werden. Die Geschichte der Schraube, in ihren verschiedenen Versionen, weist darauf hin, dass Archimedes, um 250 v. Chr., das Prinzip des Gewindes entwickelt hat, indem er es für den Bau von Geräten für den Transport von Wasser in der Bewässerung verwendet. Das erste auf Schrauben gedruckte Dokument erscheint in einem Buch aus dem frühen fünfzehnten Jahrhundert, aber Metallschrauben erschienen erst in Europa aus dem Jahr 1400 und Johann Gutenberg schloss diese Komponenten unter die Befestigungen seines Druckers (Schraubenmagazin).

Es wird darauf hingewiesen, dass im Laufe der Geschichte die Schraube immer eine Lösung für endlose Probleme war, und natürlich andere erzeugte, weil sie von verschiedenen Erfindern gemacht wurden und es keine Normen und Standards gab. Aufgrund dieses Bedarfs wurden die Standardisierungen erstellt, um Ergebnisse zu erzielen, die ihre Anwendung universell machten. Laut Norton (2011) mag die Schraube, die in einem Projekt vorhanden ist, einer ihrer weniger interessanten Aspekte erscheinen, aber sie ist eigentlich einer der faszinierendsten. So werden Tausende von verschiedenen gemeinsamen Designs von Anbietern angeboten, die wiederum in komplexen Baugruppen wie einem Automobil oder Flugzeug verwendet werden.

2. METHODIK

Die Arbeit besteht aus der Strukturanalyse von Schraubenproben, die aus Verbrennungsmotorköpfen analog zum Otto- und Dieselzyklus entnommen wurden, im Vergleich zu neuen Schrauben und der Analyse der Verformung, die nach dem vom Hersteller geforderten Drehmoment erlitten wurde (SILVEIRA, 2008; FERNANDEZ, 2006; ARAÚJO, 2007). Im Besitz der Schrauben wurde ihre metallische Zusammensetzung auf der Grundlage ihrer mechanischen Eigenschaften, Messungen und Berechnungen der Spannungen, denen sie vorgelegt wurden, definiert, und danach werden die für die Berechnungssimulation erhaltenen Parameter mit der SolidWorks20 Software19 angewendet. Zur Durchführung des Experiments wurden folgende Werkzeuge eingesetzt:

  • Kaliber;
  • Software SolidWorks 2019;
  • Traktionsprüfmaschine GUNT WP 300.20 TENSILE TEST;
  • Hooke es Law Formula for Deformation

Hookes Gesetz wurde in Berechnungen verwendet, um die Festigkeit aus Verformung zu bestimmen. Das Gesetz bestimmt die Verformung, die ein elastischer Körper durch eine Kraft (LABURU; ALMEIDA, 1998; MASCIA, 2006). Die verwendete Formel entspricht Gleichung 1.

Wo:

δ – Teildehnung in [m]                         F Nennlast angewendet [N]

E – Modulo der Elastizität [Pa]              A – Querschnittsfläche [m2]

L0 – Anfangslänge des Teils                  Lf – Endlänge

Die Motorkopfschrauben für folgende Fahrzeuge wurden analysiert, wie in Tabelle 1 dargestellt:

Tabelle 1: Fahrzeug-Bolzen-Verhältnis

Fahrzeug Quant. Schrauben
Fiat Marea 2.0 (1. Motor) 2
Fiat Marea 2.0 (2. Motor) 12
FIAT Palio 1.6 10
GM Zafira 2.0 10
MITSUBISHI Pajero 2.8 Diesel 22

Quelle: Autor (2020)

Um das Experiment zu testen, wurden Alle Schrauben gemessen, um zu wissen, wie stark die Schraube verlängert wurde und nachdem alle Messungen durchgeführt und mit Anmerkungen verdeutlicht wurden, wurde eine Tabelle verwendet und die Grafik mit den Vergleichen erstellt, die notwendig sind, um zu verstehen, wie wichtig es ist, die Verformung der Schraube nach dem trainierten Drehmoment zu kennen. SolidWorks 2019 wurde dann verwendet, um die Ergebnisse des Experiments zu vergleichen.

3. RESULTS UND DISCUSSION

Die Kopfschrauben für Verbrennungsmotoren haben im Allgemeinen elastische Eigenschaften und einen sehr spezifischen Widerstand. Die Schraube hat eine anfangse Zugfestigkeit und ein vom Hersteller vorgegebenes Drehmoment erzeugt eine normale Spannung im Bereich des Schraubenkopfes, und diese Spannung ist auf die von jedem Hersteller angegebene “Anfangsvorspannung” (Teilesitz) und nachfolgende Winkelanzugschritte zurückzuführen.

3.1 VORSPANNUNG

Die Vorspannung ist die vom Hersteller oder Assembler definierte Anzugsart, die mit Hilfe eines Tachymeters hergestellt wird, um die Kopfabdeckung zu beabsichtigen und zu setzen (Prozess geringer Komplexität, der nur die Einstellung des Tachymeters und seine korrekte Verwendung erfordert) (LA CAVA et al, 2000; SCHWONBACH et al, 2008)

3.2 WINKELGRIFF

Dieser Prozess kann so dimensioniert werden, dass die maximale Festigkeitskapazität der Schraube verwendet wird, d.h. die Schraube verformt sich im Kunststoffbereich ohne Schraubenfehler (COURTES et al, 2017; MONTEIRO, 2016). Die chemische Zusammensetzung der Kopfschraube hat eine hohe “Duktilität” (Verformbarkeit, bevor die Struktur ausfällt). Die Anzugswinkelphase ist die präziseste, und ihre Bemaßung wird in 100% der Fälle überschritten, und aus diesem Grund wird sie auf die maximale Kraft extrahiert, und kleinere Abmessungen müssen bei der Berechnung berücksichtigt werden. DieFolge ist, dass mit dieser Methode kleinere Schrauben verwendet werden können, um die erwartete Kraft zu haben und die Verbindung in Betrieb zu halten, wie Garcia (2008) betonte.

3.3 ANALYSE

Die Analyse wurde durch den Vergleich neuer Schrauben (Messungen des Herstellers) und gebrauchten Schrauben durchgeführt, die nach der Wartung aus Motoren entfernt wurden. Die Messungen wurden mit dem Bremssattel durchgeführt, wobei es sich um 14 Proben von Fiat Marea 2.0-Kopf-Schraube, 22 Proben von Mitsubishi Pajero 2.8D, 10 Proben von Fiat Palio 1.6 und 10 Proben von GM Zafira 2.0 handelte. Es wurde beobachtet, dass die verwendeten Schrauben unterschiedliche Länge der neuen Schrauben hatten. Wir versuchten dann, die Spannung zu kennen, die auf jede Schraube aufgebracht wird, um die beobachteten Verformungen zu erzeugen. Erhalten Sie die lineare Verschiebung jeder Schraube und die linearen Verschiebungsdaten jeder Schraube. Für dieses Experiment wurde 4340 Stahl als Grundlage für Proben der Autos Palio, Marea und Pajero mit der Elastizität von 210GPa verwendet.

Für den Zafira wurde als Basis 6150 Stahl mit der Elastizität von 190GPa verwendet. Es wurde festgestellt, dass Stahl 4340 beispielsweise eine Streckgrenze von 460MPa aufweist, was die Grenze seiner Spannung in der Phase der elastischen Verformung darstellt. Überschreitet die auf die Schraube ausgeübte Kraft die Durchflussgrenze, d.h. überschreitet die Kraft von 460MPa, tritt die Schraube in die plastische Verformungsphase ein und kehrt nicht mehr zu ihrer ursprünglichen Form zurück. Gemäß der Grafik in Abbildung 1 wird die Grenze des Stahlflusses, d. h. die 460Mpa, in der “σesc.” dargestellt, wo die elastische Phase endet und die Kunststoffphase beginnt. Die maximale Spannung, die vom Körper unterstützt wird, wird durch die “σR” in der Kunststoffphase und dann an Punkt “V” dargestellt, was der Moment ist, in dem der Körper bricht.

Abbildung 1: Spannungs-/Dehnungsdiagramm

Quelle: Verfügbar unter: http://grupomec.tripod.com/Material.htm, 11-02-2020, 20h11min

Basierend auf den gesammelten Daten und den verwendeten Formeln wurden die folgenden Arbeitsblätter erstellt, indem die normalen Spannungen für jede Schraube verglichen und folglich die in den verwendeten Schrauben gemessene Verschiebung erzeugt wurde:

Tabelle 2: Vergleichende Schrauben/Marea Lot 1 und 2

Marea 2.0 Autokopfschrauben (1. Charge)
Erstmessung (254mm) Reale Dehnung (mm) Stretching Software 2019 SolidWorks (mm) Differenziell (%) Real vs SolidWorks
P1 257,10 261,56 1,71%
P2 256,90 261,07 1,60%
Marea 2.0 Autokopfschrauben (2. Charge)
Erstmessung (254mm) Reale Dehnung (mm) Stretching Software 2019 SolidWorks (mm) Ursprüngliche Differenzial/Software (%)
P1 255,50 257,66 0,84%
P2 255,50 257,66 0,84%
P3 255,15 256,80 0,64%
P4 255,50 257,66 0,84%
P5 255,75 258,27 0,98%
P6 255,50 257,66 0,84%
P7 255,05 256,56 0,59%
P8 255,10 256,68 0,62%
P9 255,10 256,68 0,62%
P10 255,75 258,27 0,98%
P11 255,50 257,66 0,84%
P12 255,50 257,66 0,84%

Quelle: Autor (2020)

Tabelle 3: Vergleichende Schrauben/Pajero

Pajero 2.8 Autokopfschrauben
Erste Maßnahme

P1 bis P4 (104mm)

P5 bis P8 (125mm)

P9 bis P22 (106mm)

Reale Dehnung (mm) Stretching Software 2019 SolidWorks (mm) Ursprüngliche Differenzial/Software (%)
P1 Flachkopf 104,80 104,93 0,12%
P2 Flachkopf 104,71 104,83 0,11%
P3 Flachkopf 104,65 104,76 0,11%
P4 Flachkopf 104,85 104,99 0,13%
P5 Gestreifter Kopf 125,55 126,00 0,36%
P6 Gestreifter Kopf 126,35 127,74 1,09%
P7 Gestreifter Kopf 125,95 126,72 0,61%
P8 Gestreifter Kopf 126,10 127,00 0,71%
P9 Striated Head 106,10 106,87 0,72%
P10 Gestreifter Kopf 106,10 106,87 0,72%
P11 Gestreifter Kopf 106,10 106,87 0,72%
P12 Gestreifter Kopf 107,30 108,92 1,49%
P13 Gestreifter Kopf 106,10 106,87 0,72%
P14 Gestreifter Kopf 106,90 108,24 1,24%
P15 Gestreifter Kopf 105,55 105,93 0,36%
P16 Gestreifter Kopf 105,55 105,93 0,36%
P17 Gestreifter Kopf 106,45 107,47 0,95%
P18 Gestreifter Kopf 105,90 106,53 0,59%
P19 Gestreifter Kopf 106,85 108,15 1,20%
P19 Gestreifter Kopf 106,10 106,87 0,72%
P20 Gestreifter Kopf 106,80 108,07 1,18%
P21 Gestreifter Kopf 106,30 107,21 0,85%
P22 Gestreifter Kopf 109,59 110,35 0,69%

Quelle: Autor (2020)

Tabelle 4: Vergleichende Schrauben/Zafira

Zafira 2.0 Autokopfschrauben
Erstmessung (136mm) Reale Dehnung (mm) Stretching Software 2019 SolidWorks (mm) Ursprüngliche Differenzial/Software (%)
P1 137,00 139,08 1,50%
P2 136,90 138,78 1,35%
P3 136,80 138,47 1,21%
P4 136,90 138,78 1,35%
P5 137,00 139,08 1,50%
P6 136,90 138,78 1,35%
P7 136,90 138,78 1,35%
P8 136,70 138,16 1,06%
P9 136,80 138,47 1,21%
P10 136,80 138,47 1,21%

Quelle: Autor (2020)

Tabelle 5: Vergleichende Schrauben/Palio

Autokopfschrauben Palio 1.6
Erstmessung 100mm Reale Dehnung (mm) Stretching Software 2019 SolidWorks (mm) Ursprüngliche Differenzial/Software (%)
P1 100,99 101,16 0,17%
P2 100,99 101,16 0,17%
P3 100,75 100,87 0,12%
P4 100,75 100,87 0,12%
P5 100,99 101,16 0,17%
P6 100,99 101,16 0,17%
P7 101,00 101,17 0,17%
P8 101,00 101,17 0,17%
P9 100,99 101,16 0,17%
P10 100,99 101,16 0,17%

Quelle: Autor (2020)

Im ersten Experiment an den Schrauben des Marea-Autokopfes wurde eine durchschnittliche Spannung von 508KPa gefunden, bei der die Schrauben während der Drehmomentanwendung angefordert wurden, wobei die durchschnittliche Hubraumverschiebung von 3mm in der Schraube vorkommt. In Schaubild 1 haben Sie die Belastungen des ersten Experiments.

Schaubild 1: Marea 2.0-Kopfschrauben (1. Motor)

Quelle: Autor (2020)

Abbildung 2: Schraube Marea Typ 1 SolidWorks 2019

Quelle: Autor (2020)

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Im zweiten Experiment wurde das gleiche Modell verwendet, aber die gefundene Spannung war 54,73% niedriger als beim ersten Experiment, und somit betrug die mittlere Spannung 239KPa, an die die Schrauben während der Drehmomentanwendung angefordert wurden und folglich die mittlere Verschiebung von 1,41 mm in der Schraube auftrat. Abbildung 2 zeigt die Belastungen des zweiten Entwurfs.

Schaubild 2: Marea 2.0-Kopfschrauben (2. Motor)

Quelle: Autor (2020)

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Abbildung 3: Schraube Marea Typ 2 SolidWorks 2019

Quelle: Autor (2020)

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Im dritten Experiment wurde der verwendete Kopf von Pajero verwendet und darin fanden wir 3 Arten von Schrauben, und so wurden 3 verschiedene Graphen gemacht. Die mittlere Spannung für die Typ-1-Schraube betrug 240KPa, wie in Schaubild 3 dargestellt, mit einer mittleren Verschiebung von 0,85 mm.

Schaubild 3: Pajero 2.8 Kopfschrauben – Typ 1

Quelle: Autor (2020)

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Abbildung 4: Schraube Marea Typ 1 SolidWorks 2019

Quelle: Autor (2020)

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Bei pajero Typ 2 Schraube war die durchschnittliche Spannung gefunden 433KPa. Dieser Durchschnitt ist nach Schaubild 4 und hat eine durchschnittliche Verdrängung von 0,99 mm.

Schaubild 4: Pajero 2.8 Kopfschrauben – Typ 2

Quelle: Autor (2020)

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Abbildung 5: Pajero Schraube Typ 2 – SolidWorks 2019

Quelle: Autor (2020)

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Im dritten Modell des Pajero wurde die Spannung von 705KPa gefunden, wie in Schaubild 5 dargestellt, und somit wurde eine mittlere Verschiebung von 1,29 mm erreicht. Damit ist das dritte Experiment abgeschlossen.

Schaubild 5: Pajero 2.8 Kopfschrauben – Typ 3

Quelle: Autor (2020)

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Abbildung 6: Pajero Schraube Typ 3 – SolidWorks 2019

Quelle: Autor (2020)

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Für das vierte Experiment verwendeten wir den Zafira-Autokopf, und so betrug die mittlere Spannung 477KPa, wie in Schaubild 6 dargestellt, was eine durchschnittliche plastische Verformung von 0,87 mm aufweist.

Schaubild 6: Zafira 2.0 Kopfschrauben

Quelle: Autor (2020)

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Abbildung 7: Zafira Schraube – SolidWorks 2019

Quelle: Autor (2020)

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Bei der Beobachtung des fünften und letzten Experiments am Kopf des Palio-Wagens betrug die mittlere Spannung 667KPa, wie in Schaubild 7 dargestellt, und somit wurde eine durchschnittliche Verdrängung von 0,94 mm erreicht.

Schaubild 7: Palio 1.6 Kopfschrauben

Quelle: Autor (2020)

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Abbildung 8: Palio Schraube – SolidWorks 2019

Quelle: Autor (2020)

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3.4 TENSILE TEST

In einem Zugversuch wird die Probe bis zu ihrem Bruch an gegensätzlichen Kräften an ihren Enden subsent (CAMPOS; LAHR, 2004; FIORESE et al, 2015).

3.5 EXEMPLAR

Die Probe ist eine Probe des Materials und hat zylindrische Form. Normen der American Society for Testing and Materials – ASTM, DesDeutsches Institut für Normung – DIN und der Brasilianischen Vereinigung technischer Normen -ABNT werden zur Standardisierung und zum Vergleich von Ergebnissen eingesetzt. Im Test wurde eine Probe einer neuen pajero 2.8 Dieselschraube des Pajero-Fahrzeugs verwendet.

Abbildung 9: schematische Darstellung einer Probe vor der Zugprüfung

P = Galgen

So= Bruchregion

lo= Nutzlänge

Quelle: Autor (2020)

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Zugtestparameter

Body of Proof Averages

d= Durchmesser

lo=30mm

d= 4mm

Abbildung 10: Probe aus Material, Schraube neuer pajero 2.8 Dieselkopf

Quelle: Autor (2020)

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Abbildung 11: Materialbruch

Quelle: Autor (2020)

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Abbildung 12: Pajero Autostress/Dehnungsdiagramm 2.8

Quelle: Autor (2020)

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Schaubild 7: Manuelle Simulation

Quelle: Autor (2020)

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Die erzielten Ergebnisse wurden mit den ASTM- und SAE-Tabellen für mechanisch verwendete Stähle verglichen und deuten darauf hin, dass das Material Eigenschaften im Zusammenhang mit AISIN 4340-Stahl aufweist, die entsprechend der gefundenen elastischen Beständigkeit von ca. 212GPa standardisiert sind. AISI 4340 Stahl ist ein Material mit Chrom und Molybdän verbunden, hat eine gute mechanische Festigkeit, mittlere Zerspanbarkeit, geringe Schweißbarkeit und hohe Temperierbarkeit. Dieses Material wird häufig in mechanischen Bauteilen verwendet, in der Regel unter dem Einwirken dynamischer Spannungen und für die Herstellung von Teilen in der Automobilindustrie und in der Öl- und Schiffbauindustrie (KUPKA, 2009). Dieses Material wird als niedriglegierter Stahl mit mittlerem Kohlenstoff klassifiziert, der eine hohe Zähigkeit und hohe Festigkeit aufwies (ARAÚJO MORALES, 2017).

ABSCHLIEßENDE ÜBERLEGUNGEN

Die Forschung versuchte zu betonen, dass die verwendeten Formeln auf Hookes Gesetz für das elastische Regime basieren, weil es nicht genaue Daten von jeder Schraube weiß, weil die strukturellen Eigenschaften von Metallen oder Materialien spezifisch sind, ihre Eigenschaften variieren zwischen den Herstellern und auch aufgrund des Betriebsgeheimnisses jedes Autoherstellers erhalten wir keine genauen Daten von jeder Schraube. Wir verwendeten die Eigenschaften von 6150 Stahl für zafira Autoschrauben und die 4340 Stahl für die Schrauben der anderen Autos aufgrund der Eigenschaften in der Studie vorgestellt standardisiert. Nach der Datenanalyse wurde jede Schraube, die unterschiedliche Verschiebungen vom Real zur Software darstellte, überprüft.

Aus den Experimenten erhielten wir die prozentualen Ergebnisse der Real vs SolidWorks Differential von Marea Typ 1, die 1,65%, die Marea Typ 2, die 0,79% betrug, pajero, die 0,68%, Zafira betrug 1,31% und Palio, die in 0,16% führte. Die gewonnenen Daten wurden durch manuelle Simulation, Solidworks2019 Software, Labortest, Excel-Hilfe und eine breit angelegte Literaturrecherche analysiert. Es wurde überprüft, dass beide Ergebnisse zu einer mathematischen Annäherung zwischen den Berechnungsmethoden der Finite-Elemente-Analyse und der manuellen Berechnung der Elastizität und Plastizität von Automobilkopfschrauben konvergieren.

REFERENZEN

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SOLIDWORKS 3D design de Software. Versão 2016 x64 Edition SP0.

[1] Bachelor-Abschluss In Maschinenbau von der UDF – Universitätszentrum des Bundesbezirks.

Eingesandt: Januar 2020.

Genehmigt: Juni 2020.

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