Ανάπτυξη και επιβεβαίωση θεωρητικών οδηγιών υπολογισμού διάρκειας ζωής στοιχείων ανάρτησης οχημάτων

Abstract

This PhD thesis focuses on the study of the experimental and theoretical lifetime of springs (leaf springs and stabilizer bars). And it achieves this, by creating a database of experimental results and characteristics of springs and using theoretical life calculation guides, such as the FKM guideline, to create new specialized guides with safer calculations. The ever more demanding specifications of the automotive industry in the components of vehicles and especially their springs, have led manufacturers to use new production processes and harder materials (steels), which are not included in the existing regulations. A fact that leads the production engineers of these springs to extensive experimental tests in various phases of product development until approval for mass production. Based on the experimental measurements on springs that include: lifetime, load levels, breaking point of the material, macro- and micro-hardness measurements, roughness measurements, metallographic analysis and measurement of residual stresses on the surface, and in parallel with analysis with the Finite Element method, two new calculations are proposed for leaf springs and stabilizer bars. First, the fatigue life calculation of the FKM Guideline was evaluated, and then the two new calculation procedures that successfully describe the experimental results were developed. Therefore, the purpose of the present work is to create theoretical life calculations of high performance springs which cannot be calculated with the existing guidelines. With a good understanding of the fatigue mechanism and failure region and at the same time fracture data of a large number of specimens with different parameters such as thickness, roughness, tensile strength and residual stresses from different manufacturing companies. The objectives of the thesis are: • Creation of a data base of experiments with different parameters that until now were not available to the public. • Evaluation of the existing FKM Guideline for these two cases as unsatisfactory in terms of safety. • Development of two new calculation tools for leaf springs and stabiliser bars that are evaluated as satisfactory and safe for life calculation, using simple parameters that are easy to find. • Speeding up the development process of new springs using the above methods by reducing the number of experiments and simultaneously reducing costs.

H παρούσα διδακτορική διατριβή εστιάζει στην μελέτη της πειραματικής και θεωρητικής διάρκειας ζωής ελατηρίων (καμπτικών και αντιστρεπτικών ράβδων). Και το πετυχαίνει, με τη δημιουργία τράπεζας δεδομένων πειραματικών αποτελεσμάτων και χαρακτηριστικών των ελατηρίων και την χρήση θεωρητικών οδηγών υπολογισμού διάρκειας ζωής, όπως ο FKM guideline, και τελικά τη δημιουργία νέων εξειδικευμένων οδηγών με πιο ασφαλείς υπολογισμούς. Οι συνεχώς πιο απαιτητικές προδιαγραφές της αυτοκινητοβιομηχανίας στα κατασκευαστικά στοιχεία των οχημάτων και κυρίως των ελατηρίων τους, έχουν οδηγήσει τους κατασκευαστές να χρησιμοποιήσουν νέες παραγωγικές διαδικασίες και πιο σκληρά υλικά (χάλυβες), τα οποία δεν συμπεριλαμβάνονται στους υπάρχοντες κανονισμούς. Γεγονός που οδηγεί τους μηχανικούς παραγωγής των ελατηρίων αυτών σε εκτεταμένες πειραματικές δοκιμές σε διάφορες φάσεις της ανάπτυξης του προϊόντος μέχρι την έγκριση για μαζική παραγωγή. Με βάση τις πειραματικές μετρήσεις σε ελατήρια που περιλαμβάνουν: διάρκεια ζωής, επίπεδα φορτίσεων, όριο θραύσης του υλικού, μάκρο- και μίκρο-σκληρομετρήσεις, τραχυμετρήσεις, μεταλλογραφική ανάλυση και μέτρηση εναπομενουσών τάσεων στην επιφάνεια, και παράλληλα με αναλύσεις με τη μέθοδο των Πεπερασμένων στοιχείων, προτείνονται δύο νέοι υπολογισμοί για καμπτικά ελατήρια και αντιστρεπτικές ράβδους. Πρώτα, αξιολογήθηκε ο υπολογισμός διάρκειας ζωής του FKM Guideline και μετέπειτα αναπτύχθηκαν οι δύο νέες διαδικασίες υπολογισμού που περιγράφουν με επιτυχία τα πειραματικά αποτελέσματα. Συνεπώς, σκοπός της εργασίας είναι η δημιουργία θεωρητικών υπολογισμών διάρκειας ζωής ελατηρίων υψηλών επιδόσεων τα οποία δεν μπορούν να υπολογιστούν με τους υπάρχοντες κανονισμούς. Με την καλή κατανόηση του μηχανισμού της κόπωσης και της περιοχής αστοχίας και ταυτόχρονα δεδομένα θραύσεων μεγάλου αριθμού δοκιμίων με διαφορετικές παραμέτρους όπως πάχος, τραχύτητα, όριο θραύσης και εναπομένουσες τάσεις και διαφορετικές εταιρίες παραγωγής. Οι στόχοι της διατριβής είναι: •Δημιουργία τράπεζας δεδομένων πειραμάτων με διαφορετικές παραμέτρους που μέχρι σήμερα δεν ήταν διαθέσιμα στο κοινό. •Αξιολόγηση του υπάρχοντος κανονισμού FKM Guideline για αυτές τις δύο περιπτώσεις ως μη ικανοποιητικός σε θέματα ασφάλειας. •Ανάπτυξη δύο νέων υπολογιστικών εργαλείων για καμπτικά ελατήρια και αντιστρεπτικές ράβδους που αξιολογούνται ως ικανοποιητικά και ασφαλή για τον υπολογισμό διάρκειας ζωής, με χρήση απλών παραμέτρων που είναι εύκολο να βρεθούν. • Επιτάχυνση της διαδικασίας ανάπτυξης των νέων ελατηρίων με την χρήση των παραπάνω μεθόδων με τη μείωση του αριθμού των πειραμάτων και ταυτόχρονη μείωση του κόστους.