气门弹簧松驰性能的研究

气门弹簧松驰性能的研究 \\ 气门弹簧松弛性能的研究 I 中国重型汽车工业联营公司技术发展中心吴振凡张继魁张爱军 [摘要]本文研究了采用67CrVA油淬火弹簧钢丝制造的~q3615发动 机气门弹簧动态松弛和静态松弛的特性及机理.结果明:静态松弛 曲线有二个阶段,第一阶段在3O分钟内形成(曲线上不能表达),第= 阶段随着时间的延长负荷损失率不断增加.动态松弛也有二个阶段, 第一阶段在75小时内形成,75小时后的第二阶段负荷损失率为零. 静态松弛的第二阶段和动态松弛的第一阶段回归直线方程通式 为: ?P/P=a+blnta 弹簧的应力松弛是一种静态回复和动态回复的综合效应.它在某 些组织不稳定的微弱区域内优先进行,组织结构的稳定性是松弛的主 要影响圆素. [叙词]弹簧 幻 下J.}j 缒c 1前言 气门弹簧是汽车发动机上的重要零件之一, 在使用过程中弹簧的主要失效形式是疲劳断裂和 应力松弛,我国引进的WD615发动机气门弹簧有 严格的松弛,为搞清用67CrVA钢丝制造的 气门弹簧能否满足松弛要求进行了动,静态松弛 的试验,同时研究了弹簧松弛的机理. 2试样及试验方法 2.1试样材料 试样材料为?,5ram的67CrVA油淬火弹簧 钢丝化学成份及机械性能见表1. 裹l67CrVA钢丝化学成分(%) 2.2弹簧主要参数 弹簧钢丝直径d=4,5mm 自由高度HQ:69llflln 装配高度Hl=46llflln P=475N 最小工作高度H2:32.7~1111 P2=760N 2.3试验方法 静态松弛方法是将弹簧压到H2,测出P2值, 12 求出P3=P2×1,1值,再将弹簧压至P3值求出 ,在高度下加热到150?,每隔一定时间测 量一个Pl,P2值,热压持续时间600小时. 动态松弛试验是在疲劳试验过程中每隔一定 时间卸下试样测量P】,Pz值,再装机继续试验过 程中变化情况,动态试验用高频疲劳和模似试验 二种方法. 高频疲劳松弛在AH--1型疲劳试验机上进 行,频率33Hz,试验应力振幅7934-165MPa,试验 时间200小时. 模似疲劳松驰在自制的试验机上进行.转速 1300转/分,装机高度46ram,行程133ram,试验 温度5O?,试验时间400小时. 动,静态试验过程中测到的P1,P2值采用数 理统计及回归分析法,编程计算后得到不同的负 荷损失率回归方程式,其通式为: AD 昔:?+blntR×100% 式中:a.b为常数,a为纵坐标上的截距,b为 直线的斜率,它代表松弛率,tR为松弛时间. 以负荷损失率为纵坐标,松弛时间为横坐标 (取对数)便可绘制各种情况下的弹簧松弛率曲 线. 2.3组织分析 用MEF3光学显微镜和H800型透射电镜检 测. 3试验结果及其分析 3.1气门弹簧的松弛试验结果 根据动,静松弛试验数据,经过分析处理得图 1,2所示的松弛曲线及表2各种回归方程式. 20 1o o 袁2不同松驰试验回归方程式 图2=种疲劳试验松弛曲线 相关负荷损失率(%)项目方程式备注 (r)计算实际 热压=0.00263+【】0134/nt099326316.616小时 末耩压譬=0.01021+0.0162/nt .9891147144负荷损失率 高频P1=0.00493mOll4fntn0.95465.45.9275小时 P2=0 . 00266+【)_00771nt0.93543.594.0负荷损失率 模拟PI=o.00167+0.00867/ngR090755405 . 4075小时 P2=0 . 00147mO0723fran096814.604.73负荷损失率 图1中的热压松弛曲线应有二个阶段.第一 阶段一般在3O分钟内就形成,即预先未热强压的 在热压后3O分钟内负荷损失率达13%左右.预 先热强压的再热压后在3O分钟内负荷损失率为 4%左右由于第一阶段形成时间短,在图中无法 表示.这与有关文献中介绍的预先未热强压的第 一 阶段在几十小时内形成.预先热强压的没有第 一 阶段报导不同. 热压松弛试验随着热压时间的廷长,负荷损 失率不断增加.但随着时间延长.测量中后一次 l3 的损失率比前一次小. 图2中二种动态松弛曲线分二个阶段,75小 时前为第一阶段,随着时间的延长负荷损失率不 断增加,75小时达到最大值.第二阶段曲线斜率 为零,即75小时后随着时间的增加负荷损失率不 变. 32气门弹簧松弛机理分析 (1)静态松弛前后的组织变化 静态松弛前后的组织觅圈3.圈3a为热压 松弛前67CrVA钢丝的(TEM)组织,其组织为回 火马氏体,且有板条状特征.板条马氏体内和边 界有不均匀的位错,回火时碳化物沿一定位向析 出.图3中b,c,d分别为150?,840N,30分钟 后,经500和6OO小时热压处理的组织.在某些 微弱区域内出现黑白相间,大致平行的条块胞状 结构,这与有关文献研究结果相似其中白色部 分是位错沿易动面的堆积,这种结构有效地阻碍 了位错运动.使组织中较弱易产生塑性变形的部 位产生强化.随着热压时间的延长,组织中的位 错严重堆积于板条马氏体之间,并在回火组织的 基本中折出了蠕虫状碳化物,钉扎位错,位错分布 不均匀,从而随着热压时间的延长,弹簧抗松弛性 能越来越高,负荷损失率越来越小,热压对组织的 影响也越来越小. a热压前 c热压5o0小时 (2)动态松弛的组织变化 图4为高频疲劳松弛前后TEM组织,图中a 与图3a相同由于弹簧的疲劳松弛是在一定应力 下进行不断地压缩,放松,虽然使用应力在弹性极 限以下,但这种外力超过了组织中某些晶体滑移 的临界剪切应力.因此使易滑移面产生位错,产生 塑性变形,形成了黑白相问,大致平行的条胞状亚 结构,这与热强压相类似(见图4b)随着时间的延 长,组织内部所有薄弱部位都进行了滑移后,组织 结构不再发生变化.亦即位错密度不再增加,碳化 物分布在黑色条状胞壁内.由于提高了组织的稳 定性结构与性能的均匀性.使得弹簧的抗松弛性 能稳定.这与疲劳松弛曲线第二阶段相对应,疲劳 松弛2o.小时后的组织见图4c. b热压30分钟 图3弹簧热压前后TEM组织 l4 d热压600小时 a试验前b试验75时c试验200小时 图4高频疲劳松弛试验前后的TEM组织 4结论 4.1静态松弛曲线中预先热强压和未热强压的 弹簧松弛曲线都有二个阶段,二者的第一阶段都 在3O分钟内形成. 4.2动态松弛曲线中高频疲劳松弛和模拟疲劳 松弛曲线都有二个阶段.第二阶段的直线斜率 大.在75小时内形成;第二阶段直线斜率为零,即 随着时间的延长,负荷损失率不变. 4.3静态松弛的第一阶段,动态松弛的第一阶段 (参考文献略) l5 的直线斜率如取半对数坐标,这些直线的数学方 程式为: 百 /XP :a+blntR 4.4弹簧应力松弛是一个回复和动态回复的综 合效应其第一阶段由回复所主导,松弛率大;第 二阶段由动态回复所主导,松弛率较小.无论第 一 阶段或第二阶段的应力松弛应都被限制在晶粒 内