Автокөліктің нақты жұмысындағы басқару тұтқаларының төлкелері статикалық жүктемелерге емес, керісінше жоғары жиілікті, қайталанатын динамикалық кернеу циклдарына ұшырайды. Бұл циклдік жүктеме ең көп тараған втулканың істен шығуының негізгі себебі болып табылады: шаршау ақауы. Шаршаудың микромеханизмі резеңке механикасы және автомобиль жасау жөніндегі көптеген еңбектерде бірнеше рет расталған. Негізінде ол материалдағы локализацияланған кернеулер резеңке полимер тізбектерінің соңғы ұзару шегінен бірнеше рет асып кеткенде пайда болады, сайып келгенде, микроскопиялық жарықтардан макроскопиялық бұзылуға дейін қайтымсыз прогрессияны тудырады.
Каучук, тұтқыр серпімді полимер ретінде, созылған кезде тізбектің ыдырауына, бағдарлануына және ұзартылуына ұшырайды. Жергілікті кернеу материалдың түпкілікті ұзаруынан асып кеткенде (әдетте оның созылу үзілісінің ұзаруының 50-80% диапазонында, тұжырымына байланысты), полимер тізбектері қайтымсыз сырғып кетуді, сызуды немесе локализацияланған жыртылуды бастан кешіреді. Бұл микрозақымдар бастапқыда ұсақ қуыстар немесе жарықтар ядролары түрінде көрінеді. Қайталанатын керілу-сығу циклдары кезінде жарықшақ ұшындағы кернеу концентрациясы негізгі кернеу бағытына перпендикуляр болатын жарықшақтардың баяу таралуына одан әрі ықпал етеді. Әрбір цикл жарықшақтардың ұзындығын біртіндеп арттырады; критикалық дәрежеде жинақталғаннан кейін, микрожарықтар макроскопиялық көрінетін жарықтарға біріктіріліп, сайып келгенде, втулканың жыртылуына, ажырасуына немесе серпімділік функциясының толық жоғалуына әкеледі. Бұл процесс шаршау сызатының өсуінің классикалық заңдарына бағынады: жарықшақтардың өсу қарқыны күш-заң қатынасы арқылы кернеу қарқындылығы факторының диапазонымен корреляцияланады және материалдың соңғы ұзаруы жарықшақтардың басталу шегін тікелей белгілейді. Төмен немесе біркелкі емес ұзарту шаршау мерзімін қысқартады.
Басқару тұтқаларының төлкелерін арнайы қолдануда шаршау сәтсіздігі суспензия қозғалысының күрделі жүктеме спектрімен тығыз байланысты. Бойлық әсерлер (мысалы, кесіп өту жылдамдығының төмендеуі), бүйірден бұрылу күштері, тік қысу (мысалы, шұңқырларға соғу) және бұралу (рульді басқару кезінде қолдың айналуы) көп осьтік шаршауды қалыптастыру үшін біріктіріледі. Мұндай жағдайларда кәдімгі қатты резеңке төлкелер орталық аймақта «үш осьтік кернеу концентрациясына» көбірек бейім: қайталанатын қысу-кернеу локализацияланған ішкі деформацияның материалдың шегінен асып кетуіне әкеліп соғады, содан кейін сыртқа қарай таралатын ішкі микрожарықтар пайда болады, сақиналы немесе радиалды беттік жарықтар түзеді. Тестілеу көрсеткендей, әдеттегі жол жүктемесі спектрлері кезінде (100 000–300 000 км қызмет көрсетуге тең) оңтайландырылмаған резеңке втулкалардың шаршау мерзімі көбінесе беттің тозуымен емес, осы ішкі микрозақымдардың жинақталуымен шектеледі.
Гидравликалық төлкелер сұйық қуысы мен саңылау тақтасының құрылымына байланысты шаршаудың бірегей бұзылу режимдерін көрсетеді. Олар сұйықтық ағыны арқылы төмен жиілікті жоғары демпферлік пен жоғары жиілікті төмен динамикалық қаттылықты қамтамасыз ете отырып, сонымен қатар жаңа физикалық шекараларды енгізеді. Саңылау тақтасы - әдетте металдан немесе инженерлік пластиктен жасалған - уақыт өте жоғары қысымды сұйықтық импульстарына және резеңке деформациядан қайталанатын сығуға ұшырайды. Бұл пластинаның локализацияланған тозуына, бұрмалануына немесе тіпті микрокрекингіне әкелуі мүмкін. Бастапқы кезеңде саңылау жиектерін тоздырады, бұл дроссельдік әсерді әлсіретеді және демпфингтің деградациясын тудырады; ауыр жағдайларда пластинаның сынуы немесе жылжуы, нәтижесінде сұйықтық ағып кетеді. Втулка гидравликалық функционалдығын бірден жоғалтады және шаршау мерзімі азайып, стандартты резеңке төлкеге оралады. Нақты жағдайларда көптеген премиум-көлік гидравликалық втулкалар 80 000–120 000 км-ден кейін резеңке сығымдау кезіндегі сұйықтықтың ең жоғары импульстік қысымы мен жергілікті кернеу концентрациясын бағаламаған конструкцияларға негізделген, материалдың шаршау шегінен асатын саңылау тақталарының қалыптан тыс тозуын көрсетеді.
Тағы бір типтік жағдай - бұдырлы тоқтатудың қалыпты тозуы (шектеу блогы). Басқару қолының втулкалары көбінесе қолдың шамадан тыс тербелісін шектеу және қозғалыс шектеулерінде жастықты қамтамасыз ету үшін резеңке соққыны біріктіреді. Толық жүктеме кезінде тежеу немесе экстремалды жолсыз жағдайларда, соққыны тоқтату өте жоғары қысу кернеуіне төтеп береді. Қайталанатын соққылар қысу шаршауын оңай тудырады. Резеңкенің соңғы қысу деформациясы әдетте оның созылу ұзаруынан әлдеқайда төмен (молекулярлық тізбектер кернеудегі сияқты қысылған кезде еркін орналаса алмайды). Жергілікті сығымдау деформациясы 30-40% асқанда, ішкі кавитация және микрожарықтар пайда болады, олар циклдік жүктеме кезінде беттік шөгінділерге немесе кесінділердің сынуына таралады. Көптеген көп буынды артқы суспензияларда соққыны тоқтату мұндай жағдайларда металдың металға соғуын, шуды және басқа жерлерде жылдам шаршауды тудыратын бірінші істен шығу нүктесі болады.
Төзімділіктің физикалық шекарасы негізінен үш фактормен анықталады: материалдың соңғы ұзаруы, шаршау сызатының өсу шегі және кернеуді бөлудің біркелкілігі. Осы шектеулерден шығу үшін заманауи дизайн әдетте келесі стратегияларды қолданады:
● Шың деформацияның материалдың соңғы ұзаруының 60%-дан төмен болуын қамтамасыз ете отырып, көп осьтік жүктемелер кезінде жергілікті деформация шыңдарын дәл болжау үшін соңғы элементтер талдауын (FEA) пайдаланыңыз;
● кернеуді біркелкі ету және үш осьтік шоғырлануды болдырмау үшін қуыстарды, ойықтарды немесе асимметриялық геометрияларды енгізу;
● Ұзартуы жоғары, гистерезисі төмен резеңке қосылыстарын қолдану (мысалы, тізбектің біркелкілігін жақсарту үшін силанды біріктіру агенттері немесе нано толтырғыштармен);
● Импульстік әсерді азайту үшін гидравликалық төлкелердегі тесік геометриясын оңтайландырыңыз (мысалы, үлкенірек филелер, тозуға төзімді жабындар);
● Төтенше қысу жүктемелерін бөлісу үшін қаттылықтағы прогрессивті дизайнды немесе полиуретанды композиттерді соққылы тоқтауларға қолданыңыз.
Эксперименттік тексеру көрсеткендей, бұл оңтайландырулар втулканың шаршау мерзімін 1-3 есе ұзартуы мүмкін, әдетте қызмет ету мерзімін 100 000 км-ден 250 000 км-ге дейін ұзартады.
Сайып келгенде, басқару тұтқаларының шаршауының бұзылуы кездейсоқ емес - бұл қайталанатын динамикалық кернеу кезінде материалдардың физикалық шегіне жетуінің сөзсіз нәтижесі. Резеңкенің ішкі қасиеті ретінде соңғы ұзарту микрозақымның басталу шегін белгілейді, ал нақты әлемдегі жүктеме спектрлері, құрылымдық дизайн және материалды тұжырымдау бұл шектің қашан бұзылғанын бірге анықтайды. Бұл эволюцияны түсіну — микродан макроға дейін — инженерлерге жобалау сатысында нақты төзімділік шекараларын анықтауға мүмкіндік береді, бұл втулкалардың мерзімінен бұрын тозып кетпей, күрделі жол жағдайында теориялық қызмет ету мерзіміне жақындауға мүмкіндік береді. VDI басқару тұтқасының втулкасына 7L0407182E тапсырыс беруге қош келдіңіз!
