Разрушение шатуна
гоночного велосипеда
(усталость при сложном напряженном состоянии)
Шатуном велосипедисты называют деталь, которую на самом деле следовало бы
назвать кривошипом. Она соединяет педаль с валом каретки и показана на схеме
справа красным цветом. Мы будем здесь использовать это прижившееся, хотя и
неправильное название. 
Практика показала, что шатуны (определенного типа) разрушаются примерно через 10000 км пробега велосипеда. Вид этого разрушения показан на фото внизу.
На фотографиях хорошо видно, что разрушение имело усталостный характер: поверхность разрушения состоит из гладкой ("затертой") усталостной части и зернистой части, отвечающей "долому" детали. По "ступенькам" на поверхности разрушения можно увидеть место зарождения трещины (у дна паза) и проследить за ее ростом.
Причина разрушения - ошибка при проектировании.
|
При работе шатун испытывает изгиб и кручение (см.
расчетную схему; M - изгибающий момент, Т - крутящий).
Конструктор выбрал для шатуна прямоугольный профиль и - видимо, для
уменьшения веса - убрал материал в зоне, где нормальные напряжения от изгиба
малы. |
|
|
Полученный профиль (швеллер) действительно хорошо работает
на изгиб. Размеры сечения выбраны переменными по длине шатуна, что позволило
сделать его - с точки зрения расчета на изгиб - практически равнопрочным (нормальные
напряжения от изгиба, рассчитанные методом конечных элементов, показаны на
рисунке справа). |
|
|
|
Можно, однако, догадаться, что при кручении такой профиль
далеко не является оптимальным. Используя, например, мембранную аналогию
(верхний рисунок), можно видеть, что у дна паза возникнут высокие касательные
напряжения. Расчет методом конечных элементов (нижний рисунок) подтверждает
это. |
|
Из-за высоких касательных напряжений эквивалентные (по
Мору) напряжения оказываются самыми высокими у дна паза. Как видно из
фотографий разрушенных шатунов, трещина зародилась именно в этом месте.
(Заметим, кстати, что раньше шатуны имели овальное сечение и не разрушались,
но и вес их был примерно на 10% больше). |
|
email: KarimovI@rambler.ru
Адрес: Россия, 450071, г.Уфа, почтовый ящик 21
Теоретическая механика Строительная механика
Прикладная механика Детали машин Теория машин и механизмов
