Что такое фактор стресса?

Зона концентрации напряжений (также известная как зона концентрации напряжений или зона повышенного напряжения) называется так потому, что в одной области возникает повышенное напряжение, которое может привести к усталостным трещинам и, в конечном счёте, к поломке детали. Это может произойти с любой деталью двигателя, но некоторые детали более подвержены нагрузкам, чем другие, и поэтому выходят из строя раньше.

Трещина может образоваться в любом месте, где сконцентрирована нагрузка. Обычно это происходит там, где есть острые края. Как правило, чем более округлый предмет, тем лучше нагрузка распределяется по всему предмету.

Первое, что нужно понять: существуют разные типы нагрузок. Если на объект не действует нагрузка, то и напряжение в нём не возникает, а значит, и усилители напряжения не нужны. В двигателе всегда действуют нагрузки. Существуют следующие типы нагрузок:

• Осевая нагрузка может возникать при растяжении (деталь растягивается с обоих концов) или сжатии (деталь сжимается с обоих концов). Примеры: шпильки головки блока цилиндров; продольные рычаги подвески; поперечная тяга; шатуны


• Изгибающая нагрузка — распределение напряжения варьируется от нуля на нейтральной оси до максимума на поверхности (поверхностях). Примеры: зуб шестерни; неподвижная ось; рессора; коромысло подвески; консоль


• Сдвиговая нагрузка — поперечное сечение напряжения однородно. Примеры: скобы; подшипники на концах стержней; заклепки/болты


• Крутящий момент — сила, с которой объект вращается. Примеры: торсион; приводной вал; коленчатый вал

Любая деталь двигателя должна выдерживать прилагаемые к ней нагрузки. Если деталь не выдерживает нагрузку, она выходит из строя. Обычно это происходит не сразу (при очень высокой нагрузке это может произойти, но мы не будем об этом говорить), а постепенно, пока деталь не перестанет выдерживать нагрузку и в конце концов не выйдет из строя. Каждый несущий элемент должен выдерживать нагрузку. При приложении нагрузки происходит упругая деформация материала. Не существует идеально жёстких или абсолютно твёрдых конструкций (читай: неподвижных объектов/сил, которым невозможно противостоять). Чтобы объект выдерживал нагрузку, он должен так или иначе деформироваться. Представьте себе деревянную террасу, которую вы пристроили к задней части дома. Когда вы наступаете на доску, она выдерживает нагрузку, но при этом немного прогибается. Именно об этой деформации мы и говорим.

Зоны концентрации напряжений всегда возникают на внешней стороне объекта. Это происходит потому, что именно там находится место максимального напряжения. Место максимального напряжения (или зона концентрации напряжений) — это место, где начинают образовываться трещины. Есть два способа остановить или замедлить рост трещины, образовавшейся в зоне концентрации напряжений. Первый — это уменьшение (или устранение) нагрузки, что обычно происходит при циклическом нагружении. Второй способ связан с конструкцией самого металла. Поскольку кристаллическая решётка на переднем крае трещины нарушена, её распространение блокируется. Проблема в том, что после образования трещины, которая останавливается либо из-за циклической нагрузки, либо из-за кристаллической структуры решётки, поперечное сечение детали уменьшается. Даже если следующий цикл нагрузки будет таким же, как предыдущий, из-за уменьшения поперечного сечения напряжение в этой точке увеличится. Трещина становится концентратором напряжения. По мере увеличения количества циклов нагрузки трещина будет удлиняться из-за концентрации напряжений, а также из-за того, что сама трещина будет зазубренной, что также способствует распространению напряжения. По мере того как напряжение циклически нарастает и спадает, трещина развивается по принципу «трещина, пауза, трещина, пауза и т. д.», пока деталь полностью не разрушится.

Зоны концентрации напряжений более выражены на острых краях. Чтобы уменьшить количество таких зон, рекомендуется сгладить острые края. Чаще всего острые края внутри двигателей образуются из-за литниковой системы. Это место соединения литейной формы, где остаётся острый, заметный край. Вот изображение, о котором я говорю:

Внутри красных линий находится приливная раковина. Если вы когда-либо ремонтировали двигатель, то знаете, насколько острыми могут быть эти участки. Это долина толкателя в двигателе V8. Приливная раковина может образоваться (как я уже говорил) в любом месте, где соединяются две части литейной формы. Ещё одно место, где можно обнаружить литейную раковину, — это шатуны. На следующем изображении верхний шатун выглядит как новый, а с нижнего удалена литейная раковина.

Вы можете посмотреть на верхний стержень и спросить себя: «Эта область не выглядит острой. Почему я должен об этом беспокоиться?». Ответ на ваш вопрос заключается в том, что выступающая часть, хоть и не кажется острой на ощупь, всё же представляет собой более выраженную область, в которой может возникнуть напряжение. Эта область концентрирует напряжение. Нижний стержень после очистки на самом деле будет более прочным, потому что вероятность концентрации напряжения в этой области гораздо ниже, а значит, снижается и вероятность возникновения напряжения. Этот процесс также делает стержень легче, а значит, уменьшается масса, которая подвергается воздействию. При этом необходимо убедиться, что стержни и поршни сбалансированы, чтобы избежать проблем.

При восстановлении двигателя очень полезно пройтись по нему и убрать все острые края, какие только можно. Это можно сделать с помощью шлифовального круга.

Эти шлифовальные валики быстро удалят наплывы и сделают поверхность гладкой. Возможно, вам понадобится несколько таких валиков, чтобы обработать весь блок. Кроме того, вы можете убрать острые края, которые могут образоваться, если вы обработаете блок, так как края в этих местах тоже становятся острыми. Однако не переусердствуйте, чтобы не повредить обработанные поверхности. Просто будьте осторожны и не торопитесь. Вы хотите сделать всё правильно, а это требует времени.

О металлургии и тому подобном можно рассказать гораздо больше, но я считаю, что этот вопрос лучше задать отдельно.