ОРИГИНАЛ СТАТЬИ
PINHEIRO, Samuel Junio França [1]
PINHEIRO, Samuel Junio França. Исследование эластичности и пластичности автомобильных головных винтов. Revista Científica Multidisciplinar Núcleo do Conhecimento. 05-й год, Эд. 06, том 02, стр. 149-169. Июнь 2020 года. ISSN: 2448-0959, Link de acesso: https://www.nucleodoconhecimento.com.br/инженерно-машиностроение/эластичность-и-пластичность
РЕЗЮМЕ
Винты должны поддерживать силы затягивания применяется, однако, после крутящего момента и цикла нагрузки, удлинение происходит в его структуре. Эффективность такого компонента имеет жизненно важное значение для идеальной подгонки и работы двигателя. В этой работе мы предлагаем сравнение между реальными деформациями и теми, которые получены в результате вычислительного моделирования головных винтов, взятых из бензиновых и дизельных двигателей. Винты, используемые в эксперименте будет привода и утилиты руководители четырех различных марок: Паллий 1.6 16v, Marea 2.0, Зафира 2.0 и Pajero 2.8 Дизель.
Ключевые слова: винты, тяга, деформация, расчеты, голова.
1. ВВЕДЕНИЕ
Греческий Archytas де Tarentum был ответственным за разработку винта около 400 г. до н.э. В то время он был разработан для использования в прессах для добычи оливкового масла, а также в производстве вина. История винта, в его множественных версиях, указывает на то, что Архимед, около 250 г. до н.э., разработал принцип нити, используя его для строительства устройств для транспортировки воды в орошении. Первый документ, напечатанный на винтах, появляется в книге начала пятнадцатого века, но металлические винты появились в Европе только с 1400 года, и Johann Gutenberg включил эти компоненты в состав креплений своего принтера (Screw Magazine).
Отмечается, что на протяжении всей истории винт всегда был решением бесконечных проблем и, конечно же, генерировал другие, потому что они были сделаны разными изобретателями и не было никаких норм и стандартов. В связи с этой необходимостью были созданы стандартизации, благодаря которым были достигнуты результаты, которые сделали его применение универсальным. По словам Norton (2011), винт присутствует в проекте может показаться одним из его менее интересных аспектов, но это на самом деле один из самых увлекательных. Таким образом, тысячи различных совместных конструкций предлагаются поставщиками, которые, в свою очередь, используются в сложных сборках, таких как автомобиль или самолет.
2. МЕТОДОЛОГИЯ
Работа состоит из структурного анализа образцов болтов, взятых из головок двигателя внутреннего сгорания, аналогичных циклу Otto и Diesel, по сравнению с новыми винтами и анализу деформации, понесешей после крутящего момента, требуемого производителем (SILVEIRA, 2008; FERNANDEZ, 2006; ARAÚJO, 2007). При владении винтами их металлический состав определялся на основе их механических свойств, измерений и расчетов напряжений, на которые они были представлены, а после этого параметры, полученные для вычислительного моделирования, будут применяться с помощью программного обеспечения SolidWorks2019. Для проведения эксперимента были использованы следующие инструменты:
- Калипер;
- Software SolidWorks 2019;
- Тракторный испытательный станок GUNT WP 300.20 TENSILE TEST;
- Формула закона Hooke для деформации
Закон Hooke использовался в расчетах для определения силы от деформации. Закон определяет деформацию, страдаемую эластичным телом с помощью силы (LABURU; ALMEIDA, 1998; MASCIA, 2006). Используемая формула соответствует уравнению 1.
Где:
δ – удлинение части в [m] F – номинальная нагрузка применяется [N]
E – модуль эластичности [Pa] А – область поперечного сечения [m2]
L0 – начальная длина части Lf – окончательная длина
Были проанализированы винты головного двигателя для следующих автомобилей, как показано в таблице 1:
Таблица 1: Соотношение транспортных средств/болта
| Автомобиля | Quant. Винты |
| Fiat Marea 2.0 (1-й двигатель) | 2 |
| Fiat Marea 2.0 (2-й двигатель) | 12 |
| FIAT Палио 1.6 | 10 |
| ГМ Зафира 2.0 | 10 |
| MITSUBISHI Pajero 2.8 Дизель | 22 |
Источник: Автор (2020)
Для того, чтобы проверить эксперимент, измерения были сделаны из всех винтов, чтобы знать, сколько винт был удлинен и после того, как все измерения были сделаны и аннотированы, электронная таблица была использована и график был разработан с сравнениями, необходимыми для понимания того, насколько важно знать деформации винта после крутящего момента осуществляется. SolidWorks 2019 затем был использован для сравнения результатов эксперимента.
3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Головные винты для двигателей внутреннего сгорания, как правило, обладают эластичными свойствами и очень специфическим сопротивлением. Винт имеет начальную прочность напряжения и крутящий момент поставляется заранее производителем генерирует нормальное напряжение в области винта головки, и это напряжение связано с “начальной предварительной загрузки” (часть сидения) и последующие угловые шаги ужесточения, указанные каждым производителем.
3.1 ПРЕДЗАРЯДКА
Предзарядка – это ужесточение, определяемое производителем или сборщиком, сделанным с использованием тахометра для намерения и сидения головной крышки (процесс низкой сложности, требующий только регулировки тахометра и его правильного использования) (LA CAVA et al, 2000; SCHWONBACH et al, 2008)
3.2 УГЛОВАЯ РУКОЯТКА
Этот процесс можно по размеру использовать максимальной прочностью винта, то есть винт деформируется в пластиковой области без отказа винта (COURTES et al, 2017; MONTEIRO, 2016). Химический состав головного винта имеет высокую «протоиехоту» (способность деформироваться до того, как структура выходит из строя). Фаза угла затягивания является наиболее точной, и ее измерение должно превышать поток в 100% случаев, и по этой причине она извлекается в максимальной силе и меньшие размеры должны быть учтены в расчете. Следствием этого является то, что этот метод позволяет меньше винты, которые будут использоваться, чтобы иметь ожидаемую силу и сохранить совместные в эксплуатации, как указано Garcia (2008).
3.3 АНАЛИЗ
Анализ проводился путем сравнения новых винтов (измерений, предоставленных производителем) и использованных винтов, удаленных из двигателей после технического обслуживания. Измерения были проведены с помощью калипера, в том время как 14 образцов фиатного мареа 2.0 головной винт, 22 образца Mitsubishi Pajero 2.8D, 10 образцов Fiat Palio 1.6 и 10 образцов ГМ Зафира 2.0. Было отмечено, что винты, используемые имели различную длину новых винтов. Затем мы стремились знать напряжение, примененное к каждому винту для генерации наблюдаемых деформаций. Получено линейное смещение каждого винта и линейные данные смещения каждого винта. Для этого эксперимента, 4340 стали был использован в качестве основы для образцов автомобилей Палио, Мареа и Pajero, с эластичностью 210GPa.
Для автомобиля Зафира в качестве основы использовалась сталь 6150 с эластичностью 190GPa. Было обнаружено, что сталь 4340, например, имеет предел урожайности 460MPa, что является пределом ее напряжения в фазе эластичной деформации. Если сила, применяемая к винту, превышает предел потока, т.е. превышает силу 460MPa, винт входит в фазу пластиковой деформации, больше не возвращаясь к своей первоначальной форме. Согласно графику на рисунке 1, предел потока стали, т.е. 460Mpa, представлен в “σesc”, где упругой фазы заканчивается и пластиковая фаза начинается. Максимальное напряжение, поддерживаемое телом, представлено “σR” в пластиковой фазе, а затем в точке “V”, которая является моментом, когда тело ломается.
Рисунок 1: Стресс / Штамм Диаграмма
На основе собранных данных и используемых формул были созданы следующие листы путем сравнения обычных напряжений, применяемых к каждому винту, и, следовательно, генерации смещения, измеренного в используемых винтах:
Таблица 2: Сравнительные винты/Мареа Лот 1 и 2
| Marea 2.0 винты головки автомобиля (1-я партия) | |||
| Начальное измерение (254 мм) | Реальная удлинение (мм) | Программное обеспечение для растяжения 2019 SolidWorks (мм) | Дифференциал (%) Реал против SolidWorks |
| P1 | 257,10 | 261,56 | 1,71% |
| P2 | 256,90 | 261,07 | 1,60% |
| Мареа 2.0 автомобиль голову винты (2-я партия) | |||
| Начальное измерение (254 мм) | Реальная удлинение (мм) | Программное обеспечение для растяжения 2019 SolidWorks (мм) | Оригинальный дифференциал/программное обеспечение (%) |
| 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% |
Источник: Автор (2020)
Таблица 3: Сравнительные винты/Паджеро
| Pajero 2.8 Автомобиль Голова винты | |||
| Первоначальная мера
От P1 до P4 (104 мм) От P5 до P8 (125 мм) От P9 до P22 (106 мм) |
Реальная удлинение (мм) | Программное обеспечение для растяжения 2019 SolidWorks (мм) | Оригинальный дифференциал/программное обеспечение (%) |
| P1 Плоская голова | 104,80 | 104,93 | 0,12% |
| P2 Плоская голова | 104,71 | 104,83 | 0,11% |
| P3 Плоская голова | 104,65 | 104,76 | 0,11% |
| P4 Плоская голова | 104,85 | 104,99 | 0,13% |
| P5 Striated Head | 125,55 | 126,00 | 0,36% |
| P6 Striated Head | 126,35 | 127,74 | 1,09% |
| P7 Striated Head | 125,95 | 126,72 | 0,61% |
| P8 Striated Head | 126,10 | 127,00 | 0,71% |
| P9 Striated Head | 106,10 | 106,87 | 0,72% |
| P10 Striated Head | 106,10 | 106,87 | 0,72% |
| P11 Striated Head | 106,10 | 106,87 | 0,72% |
| P12 Striated Head | 107,30 | 108,92 | 1,49% |
| P13 Striated Head | 106,10 | 106,87 | 0,72% |
| P14 Striated Head | 106,90 | 108,24 | 1,24% |
| P15 Striated Head | 105,55 | 105,93 | 0,36% |
| P16 Striated Head | 105,55 | 105,93 | 0,36% |
| P17 Striated Head | 106,45 | 107,47 | 0,95% |
| P18 Striated Head | 105,90 | 106,53 | 0,59% |
| P19 Летная голова | 106,85 | 108,15 | 1,20% |
| P19 Летная голова | 106,10 | 106,87 | 0,72% |
| P20 Striated Head | 106,80 | 108,07 | 1,18% |
| P21 Striated Head | 106,30 | 107,21 | 0,85% |
| P22 Striated Head | 109,59 | 110,35 | 0,69% |
Источник: Автор (2020)
Таблица 4: Сравнительные винты/Зафира
| Зафира 2.0 автомобиль голову винты | |||
| Начальное измерение (136mm) | Реальная удлинение (мм) | Программное обеспечение для растяжения 2019 SolidWorks (мм) | Оригинальный дифференциал/программное обеспечение (%) |
| 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% |
Источник: Автор (2020)
Таблица 5: Сравнительные винты/Палио
| Автомобиль голову винты Палио 1.6 | |||
| Начальное измерение 100mm | Реальная удлинение (мм) | Программное обеспечение для растяжения 2019 SolidWorks (мм) | Оригинальный дифференциал/программное обеспечение (%) |
| 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% |
Источник: Автор (2020)
В первом эксперименте, проделанном на винтах головки автомобиля Marea, было обнаружено среднее напряжение 508KPa, к которому винты были запрошены во время применения крутящего момента, со средним смещением 3 мм, происходящих в винте. В графике 1, у вас есть стрессы первого эксперимента.
График 1: Мареа 2.0 головные винты (1-й двигатель)
Рисунок 2: Винт Мареа Тип 1 SolidWorks 2019
[/caption]
Во втором эксперименте использовалась та же модель, но найденное напряжение было на 54,73% ниже по сравнению с первым экспериментом, и, таким образом, среднее напряжение составило 239 KPa, к которому винты были запрошены во время применения крутящего момента и, следовательно, среднее смещение 1,41 мм произошло в винте. График 2 изображает стрессы второго дизайна.
График 2: Мареа 2.0 головные винты (2-й двигатель)
[/caption]
Рисунок 3: Винт Мареа Тип 2 SolidWorks 2019
[/caption]
В третьем эксперименте, голова используется был из Pajero и в нем мы нашли 3 типа винтов, и, таким образом, 3 различных графиков были сделаны. Среднее напряжение, обнаруженное для винта типа 1, составило 240 КП, как показано на графике 3, со средним водоизмещением 0,85 мм.
График 3: Pajero 2.8 Головные винты – Тип 1
[/caption]
Рисунок 4: Винт Мареа Тип 1 SolidWorks 2019
[/caption]
В pajero типа 2 винт среднее напряжение найдено было 433KPa. Это среднее значение, согласно графику 4, и среднее водоизмещение 0,99 мм.
График 4: Pajero 2.8 Головные винты – Тип 2
[/caption]
Рисунок 5: Pajero винт Тип 2 – SolidWorks 2019
[/caption]
В третьей модели Pajero было обнаружено напряжение 705KPa, как показано на графике 5, и, таким образом, было получено среднее смещение 1,29 мм. Таким образом, третий эксперимент завершен.
График 5: Pajero 2.8 Головные винты – Тип 3
[/caption]
Рисунок 6: Pajero винт Тип 3 – SolidWorks 2019
[/caption]
Для четвертого эксперимента мы использовали головку автомобиля zafira, и, таким образом, среднее напряжение было найдено 477KPa, как показано на графике 6, таким образом, показывая среднюю пластиковую деформацию 0,87 мм.
График 6: Зафира 2.0 Головные винты
[/caption]
Рисунок 7: Зафира винт – SolidWorks 2019
[/caption]
Наблюдая за пятым и последним экспериментом, проведенным на голове автомобиля Palio, среднее напряжение было найдено 667KPa, как показано на графике 7, и, таким образом, среднее смещение 0,94 мм было получено.
График 7: Палио 1.6 Головные винты
[/caption]
Рисунок 8: Палио винт – SolidWorks 2019
[/caption]
3.4 ТЕСТ НА ТЕНЦИЛЛ
В напряженном тесте образец предназначен для противоборствующих сил на его концах до его разрыва (CAMPOS; LAHR, 2004; FIORESE et al, 2015).
3.5 SPECIMEN
Образец является образцом материала и имеет цилиндрическую форму. Стандарты Американского общества по тестированию и материалам – ASTM, Deutsches Institut für Normung – DIN и Бразильской ассоциации технических стандартов-ABNT используются для стандартизации и сравнения результатов. В тесте был использован образец нового дизельного винта pajero 2.8 автомобиля pajero.
Рисунок 9: схематическое представление образца перед прохождением теста на прочность
P = сила
So = область перелома
lo = полезная длина
[/caption]
Параметры напряженного теста
Тело Доказательство Средние
d = диаметр
lo-30mm
d= 4mm
Рисунок 10: Образец из материала, винт новый pajero 2.8 дизельная головка
[/caption]
Рисунок 11: Материальный обрыв
[/caption]
Рисунок 12: Pajero автомобиль стресс / деформации график 2.8
[/caption]
График 7: Ручное моделирование
[/caption]
Полученные результаты были сопоставлены со столами ASTM и SAE для механически используемых стали и указывают на то, что материал имеет свойства, связанные со сталью AISIN 4340, стандартизированные в соответствии с эластичным сопротивлением, которое было обнаружено примерно 212GPa. Сталь AISI 4340 является материалом, скрепленным хромом и молибденом, имеет хорошую механическую прочность, среднюю обрабатываемость, низкую сварочность и высокую умеренность. Этот материал часто используется в механических компонентах, как правило, под действием динамических напряжений и используется для производства деталей в автомобильной промышленности и в нефтяной и судостроительной промышленности (KUPKA, 2009). Этот материал классифицируется как низкосплавная сталь со средним углеродом, представляющий высокую прочность и высокую прочность (ARAÚJO MORALES, 2017).
ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНЫЕ СООБРАЖЕНИЯ
Исследование стремилось подчеркнуть, что используемые формулы основаны на Законе Hooke для эластичного режима, поскольку он не знает точных данных каждого винта, потому что структурные свойства металлов или материалов специфичны, их свойства различаются между производителями и, также, из-за промышленной тайны каждого автопроизводителя, мы не получаем точных данных каждого винта. Мы использовали свойства 6150 стали для зафира автомобильных винтов и 4340 стали стандартизированы для винтов других автомобилей из-за характеристик, представленных в ходе исследования. После анализа данных был проверен каждый винт, который представлял различные перемещения от реального к программному обеспечению.
Из экспериментов мы получили процентные результаты дифференциала реальный vs SolidWorks типа 1, который составил 1,65%, типа 2 Marea, который составил 0,79%, pajero, который составил 0,68%, Зафира, который составил 1,31%, и Палио, что привело к 0,16%. Полученные данные были проанализированы с помощью ручного моделирования, программного обеспечения Solidworks2019, лабораторных испытаний, помощи Excel и широкого литературного исследования. Было проверено, что оба результата сходятся в математическом приближении между вычислительными методами анализа конечного элемента и ручным расчетом эластичности и пластичности автомобильных головных винтов.
ССЫЛКИ
ARAÚJO, T. V. G. P. Sistema Embarcado para Monitoramento de Particulados de Carbono em Emissões de Motores do Ciclo Diesel. 2007. 96f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica) – Universidade Federal de Campina Grande, Campina Grande, 2007.
BLOG LUZ. Materiais. Disponível em: http://materiais.gelsonluz.com. Acesso em: 18 nov. 2019.
BLOG. O Mecânico. Disponível em: http://omecanico.com.br. Acesso em: 19 nov. 2019.
BLOG. Roman, Aços. Disponível em: http://aco.com.br/. Acesso em: 19 nov. 2019.
CAMPOS, C. I de.; LAHR, F. A. R. Estudo comparativo dos resultados de ensaio de tração perpendicular para MDF produzido em laboratório com fibras de pinus e de eucalipto utilizando uréia-formaldeído. Matéria, v. 9, n. 1, p. 32-42, 2004.
COURTES, R. A. et al. O comportamento mecânico dos parafusos de fixação de cabeçote dos motores VW AP quando reutilizados. In: Salão Internacional de Ensino, Pesquisa e Extensão, 2017.
FERNANDEZ, B. O. Considerações sobre outros empregos do sensor de detonação para o controle eletrônico de motores ciclo Otto utilizando análise espacial. 2006. 146f. Dissertação (Mestrado em Engenharia) – Universidade de São Paulo, São Carlos, 2006.
FIORESE, D. A. et al. Desempenho de três tratores agrícolas em ensaios de tração. Journal of Neotropical Agriculture, v. 2, n. 2, p. 68-76, 2015.
GARCIA, R. Conceitos gerais sobre torque e processos de torque – Parte I. São Paulo: Revista do Parafuso, 2008.
LA CAVA, C. A. P. L. et al. Modelagem de um dispositivo de pré-carga com memória de forma para juntas flangeadas. In: Congresso Nacional de Engenharia Mecânica (CD-ROM), 2000.
MONTEIRO, C. A. M. Medição indireta de torque e velocidade angular de motor de corrente contínua sem escovas. 2016. 150f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) – Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis, 2016.
NORTON, R. Projeto de máquinas: uma abordagem integrada. 4ª ed. Porto Alegre: Bookman, 2013.
PORTO, I. G. Interferências tribológicas na união do cabeçote associados à vedação e seus efeitos no processo de aperto da junta aparafusada. 2017. 69 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Automotiva) – Universidade de São Paulo, São Paulo, 2017.
SCHWONBACH, E. R. et al. Pré-carga de parafuso com tratamento de superfície Diamond-like carbon: prevenção do desaperto. RGO, v. 56, n. 1, p. 93-96, 2008.
SILVEIRA, F. L. da. Máquinas térmicas à combustão interna de Otto e de Diesel. In: Instituto de Física da Universidade Federal do Rio Grande do Sul, 2008.
SOLIDWORKS 3D design de Software. Versão 2016 x64 Edition SP0.
[1] Степень бакалавра в области машиностроения от УДФ – Университетский центр федерального округа.
Отправлено: январь 2020 года.
Утверждено: июнь 2020 года.
