Influenza dei difetti superficiali nell'olio

May 28, 2023

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 21131 (2022) Citare questo articolo

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Lo scopo di questo studio è valutare la durata a fatica della molla di una valvola di un motore automobilistico quando il microdifetto viene applicato a un filo temperato in olio di classe 2300 MPa (filo OT) con 2,5 mm di diametro come profondità critica del difetto. Innanzitutto, la deformazione dei difetti superficiali nel filo OT durante i processi di produzione delle molle delle valvole è stata derivata tramite analisi FE utilizzando la tecnica di sottomodellazione, e la sollecitazione residua della molla finale è stata misurata e applicata al modello di analisi delle sollecitazioni della molla. In secondo luogo, è stata analizzata la resistenza della molla della valvola per esaminare la presenza di stress residuo e confrontare i livelli di stress applicati in base al difetto superficiale. In terzo luogo, l’influenza dei microdifetti sulla durata a fatica della molla è stata valutata applicando la sollecitazione sul difetto superficiale derivata dall’analisi della resistenza della molla alla curva S–N derivata attraverso un test di fatica a flessione rotante con il filo OT. La profondità del difetto di 40 µm, che è il criterio esistente per la gestione dei difetti superficiali, non riduce la durata a fatica.

I componenti leggeri per automobili sono molto richiesti nell'industria automobilistica per migliorare l'efficienza del carburante dei veicoli a motore. Di conseguenza, negli ultimi anni è aumentata l’applicazione dell’acciaio avanzato ad alta resistenza (AHSS). Una molla per valvola di un motore automobilistico comprende principalmente un filo temperato in olio (filo OT) con elevata resistenza al calore, resistenza alla fatica e resistenza all'abbassamento.

I fili OT attualmente in uso aiutano a ridurre le dimensioni e il peso delle molle delle valvole del motore grazie alla loro elevata resistenza alla trazione (1900–2100 MPa); possono migliorare l'efficienza del carburante riducendo l'attrito con le parti circostanti1. A causa di questi vantaggi, l'uso di cavi ad alta tensione è aumentato rapidamente e sono stati sviluppati cavi ad altissima resistenza di classe 2300 MPa. Per le molle delle valvole dei motori automobilistici è auspicabile una lunga durata a fatica poiché funzionano sotto elevati livelli di sollecitazioni cicliche. Per soddisfare questo requisito, i produttori generalmente progettano le molle delle valvole considerando una durata a fatica superiore a 5,5 × 107 cicli e applicano sollecitazioni residue alla superficie delle molle delle valvole attraverso i processi di pallinatura e regolazione a caldo per migliorarne la durata a fatica2.

Sono state condotte sufficientemente varie ricerche sulla durata a fatica della molla elicoidale automobilistica nell'ambiente operativo convenzionale. Gzal et al. ha presentato un'analisi analitica, sperimentale e agli elementi finiti (FE) di una molla elicoidale a sezione trasversale ellittica con un piccolo angolo dell'elica sotto carico statico. Questo studio fornisce un'espressione esplicita e semplice per la posizione della massima sollecitazione di taglio in funzione del rapporto d'aspetto e dell'indice della molla e consente di ottenere analiticamente la massima sollecitazione di taglio, ovvero un parametro cruciale in termini di progettazione pratica3. Pastorcic et al. ha descritto i risultati dell'analisi del cedimento e della fatica di una molla elicoidale rimossa da un veicolo personale dopo aver fallito durante il servizio. Utilizzando metodi sperimentali, è stata esaminata la molla fratturata e dai risultati si può concludere che si tratta di un esempio di cedimento per fatica da corrosione4. Kong et al. sviluppato modelli multipli di durabilità delle molle basati sulla regressione lineare per la valutazione della durata a fatica delle molle elicoidali del settore automobilistico5. Putra et al. ha determinato la durata di una molla elicoidale di un'autovettura a causa della rugosità del manto stradale. Tuttavia, sono stati condotti pochi studi su come i difetti superficiali generati durante il processo di produzione influenzino la durata della molla elicoidale automobilistica6.

I difetti superficiali generati durante i processi di produzione causano una concentrazione locale di sollecitazioni nelle molle delle valvole, riducendone significativamente la durata a fatica. I difetti superficiali sulle molle delle valvole sono causati da vari fattori, come difetti superficiali nelle materie prime utilizzate, difetti negli strumenti e manipolazione imprudente durante il processo di avvolgimento a freddo7. I difetti superficiali nelle materie prime sono a forma di V con una pendenza ripida, a causa dei processi di laminazione a caldo e di trafilatura a più passaggi, mentre i difetti causati dagli strumenti di formatura e da una manipolazione imprudente mostrano una forma a “U” con una leggera pendenza8,9, 10,11. I difetti a forma di V causano concentrazioni di stress più elevate rispetto ai difetti a forma di U; pertanto, ai materiali iniziali vengono generalmente applicati rigorosi standard di gestione dei difetti.