بوش های بازوی کنترلی در عملکرد خودرو در دنیای واقعی تحت بارهای استاتیکی قرار نمی گیرند، بلکه در معرض چرخه های تنش دینامیکی با فرکانس بالا و تکراری قرار می گیرند. این بارگذاری چرخه ای علت اصلی رایج ترین حالت خرابی بوش است: شکست خستگی. میکرومکانیسم خستگی مکرراً در مقالات متعددی در مورد مکانیک لاستیک و مهندسی خودرو تأیید شده است. در هسته آن، زمانی ایجاد میشود که تنشهای موضعی درون ماده به طور مکرر از حد ازدیاد طول زنجیرههای پلیمری لاستیکی تجاوز کند و در نهایت باعث پیشرفت غیرقابل برگشت از ترکهای میکروسکوپی به شکست ماکروسکوپی شود.
لاستیک، به عنوان یک پلیمر ویسکوالاستیک، در صورت کشش، دچار گسستگی، جهت گیری و گسترش زنجیره می شود. هنگامی که تنش موضعی از کشیدگی نهایی ماده فراتر می رود - معمولاً در محدوده 50 تا 80٪ از طول شکست کششی آن، بسته به فرمول، زنجیره های پلیمری دچار لغزش، بریدگی یا پارگی موضعی غیرقابل برگشت می شوند. این آسیب های ریز در ابتدا به صورت حفره های کوچک یا هسته های ترک ظاهر می شوند. تحت چرخههای مکرر فشار-کشش، تمرکز تنش در نوک ترک باعث افزایش آهسته انتشار ترک عمود بر جهت تنش اصلی میشود. هر چرخه به طور تدریجی طول ترک را افزایش می دهد. هنگامی که ریزترک ها تا حد بحرانی انباشته می شوند، به ترک های قابل مشاهده ماکروسکوپی ادغام می شوند و در نهایت منجر به پارگی بوش، جدا شدن باند یا از دست دادن کامل عملکرد الاستیک می شوند. این فرآیند از قوانین کلاسیک رشد ترک خستگی پیروی می کند: نرخ رشد ترک با محدوده ضریب شدت تنش از طریق یک رابطه قدرت-قانون همبستگی دارد و ازدیاد طول نهایی ماده به طور مستقیم آستانه شروع ترک را تعیین می کند. افزایش طول ناهموار کمتر یا بیشتر منجر به عمر خستگی کوتاهتر میشود.
در کاربرد خاص بوشینگ های بازوی کنترلی، شکست خستگی با طیف بار پیچیده حرکت تعلیق همبستگی زیادی دارد. ضربه های طولی (به عنوان مثال، عبور از دست اندازهای سرعت)، نیروهای جانبی پیچ، فشرده سازی عمودی (به عنوان مثال، برخورد به چاله ها)، و پیچش (چرخش بازو در هنگام فرمان) در هم تنیده می شوند تا خستگی چند محوری را ایجاد کنند. بوش های لاستیکی جامد معمولی در این شرایط بیشتر مستعد "تمرکز تنش سه محوری" در ناحیه مرکزی هستند: فشار فشار مکرر باعث می شود که کرنش داخلی موضعی از حد ماده فراتر رود و ریزترک های داخلی ایجاد می کند که سپس به بیرون منتشر می شوند و ترک های حلقوی یا شعاعی سطحی را تشکیل می دهند. آزمایشها نشان میدهد که تحت طیفهای بار معمولی جاده (معادل 100000 تا 300000 کیلومتر خدمات)، عمر خستگی بوشهای لاستیکی غیربهینهشده اغلب توسط این تجمع ریز آسیب داخلی محدود میشود - نه سایش سطح.
بوش های هیدرولیک به دلیل ساختار حفره سیال و صفحه روزنه، حالت های شکست خستگی منحصر به فرد را نشان می دهند. در حالی که آنها میرایی بالا با فرکانس پایین و سفتی دینامیکی با فرکانس بالا را از طریق جریان سیال ارائه می دهند، مرزهای فیزیکی جدیدی را نیز معرفی می کنند. صفحه دهانه - معمولاً از فلز یا پلاستیک مهندسی ساخته شده است - در طول زمان در معرض پالس های سیال با فشار بالا و فشردن مکرر ناشی از تغییر شکل لاستیک قرار می گیرد. این می تواند منجر به سایش موضعی، اعوجاج یا حتی ترک خوردگی ریز صفحه شود. در مراحل اولیه، سایش لبههای دهانه را صاف میکند، اثر گاز را ضعیف میکند و باعث تخریب میرایی میشود. در موارد شدید، صفحه شکسته یا جابجا می شود و در نتیجه مایع نشت می کند. بوش فوراً عملکرد هیدرولیکی را از دست می دهد و با کاهش عمر خستگی به یک بوش لاستیکی استاندارد باز می گردد. موارد واقعی نشان میدهند که بسیاری از بوشهای هیدرولیک خودروهای ممتاز، پس از طی مسافت 80000 تا 120000 کیلومتر دچار سایش غیرطبیعی صفحه روزنه میشوند، که ریشه در طرحهایی دارد که فشارهای پالس سیال و غلظتهای محلی تنش را در طول فشردهسازی لاستیک دستکم میگیرند - بیش از حد خستگی ماده.
یکی دیگر از موارد معمول، سایش غیرعادی بام استاپ (بلوک حد) است. بوش های بازوی کنترلی اغلب دارای یک توقف لاستیکی برای محدود کردن چرخش بیش از حد بازو و ایجاد بالشتک در محدودیت های سفر هستند. در شرایط ترمز با بار کامل یا شرایط شدید خارج از جاده، ضربه گیر فشار فشاری بسیار بالایی را تحمل می کند. ضربات مکرر به راحتی باعث ایجاد خستگی فشاری می شود. کرنش فشاری نهایی لاستیک معمولاً بسیار کمتر از کشیدگی کششی آن است (زنجیرههای مولکولی نمیتوانند آزادانه تحت فشار مانند کشش مجدداً مرتب شوند). هنگامی که کرنش فشاری موضعی از 30 تا 40 درصد فراتر رفت، کاویتاسیون داخلی و ریزترکها تشکیل میشوند که سپس تحت بارگذاری چرخهای به پوسته شدن سطح یا شکستگی تکه تکثیر میشوند. در بسیاری از سیستمهای تعلیق چند اتصالی عقب، در چنین شرایطی، ضربهگیر به اولین نقطه خرابی تبدیل میشود و باعث برخورد فلز به فلز، صدا و خستگی مفرط در مناطق دیگر میشود.
مرز فیزیکی دوام اساساً توسط سه عامل تعیین می شود: ازدیاد طول نهایی ماده، آستانه رشد ترک خستگی و یکنواختی توزیع تنش. برای فراتر رفتن از این محدودیت ها، طرح های مدرن معمولاً استراتژی های زیر را اتخاذ می کنند:
● از تجزیه و تحلیل اجزای محدود (FEA) برای پیشبینی دقیق پیکهای کرنش موضعی تحت بارهای چند محوری استفاده کنید، و اطمینان حاصل کنید که کرنش اوج زیر 60 درصد ازدیاد طول نهایی ماده باقی میماند.
● برای همگن کردن تنش و اجتناب از تمرکز سه محوری، حفره ها، شکاف ها یا هندسه های نامتقارن را معرفی کنید.
● از ترکیبات لاستیکی با ازدیاد طول و هیسترزیس کم استفاده کنید (به عنوان مثال، با عوامل جفت کننده سیلان یا پرکننده های نانو برای بهبود یکنواختی زنجیره).
● بهینه سازی هندسه دهانه در بوشینگ های هیدرولیک (مانند فیله های بزرگتر، پوشش های مقاوم در برابر سایش) برای کاهش ضربه پالس.
● طراحی سختی پیشرونده یا کامپوزیت های پلی یورتان را برای به اشتراک گذاشتن بارهای فشرده سازی شدید، روی استاپ های ضربه ای اعمال کنید.
اعتبارسنجی تجربی نشان میدهد که این بهینهسازیها میتوانند عمر خستگی بوش را 1 تا 3 برابر افزایش دهند و معمولاً عمر مفید را از 100000 کیلومتر به بیش از 250000 کیلومتر افزایش میدهند.
در نهایت، شکست خستگی بوش های بازوی کنترل تصادفی نیست - این نتیجه اجتناب ناپذیر رسیدن مواد به محدودیت های فیزیکی خود تحت تنش های دینامیکی مکرر است. ازدیاد طول نهایی، به عنوان یک ویژگی ذاتی لاستیک، آستانه شروع آسیب میکرو را تعیین می کند، در حالی که طیف های بار واقعی، طراحی ساختاری و فرمول مواد به طور جمعی تعیین می کنند که چه زمانی آن آستانه نقض می شود. درک این تکامل - از میکرو تا کلان - مهندسان را قادر میسازد تا مرزهای دوام واقعی را در مرحله طراحی تعریف کنند و به بوشها اجازه میدهد به طول عمر نظری خود در محیطهای جادهای پیچیده نزدیک شوند، نه اینکه زودتر از موعد تخریب شوند. به سفارش VDI Control Arm Bushing 7L0407182E خوش آمدید!
