Усталость конструкции принято оце­нивать по уровню субмикроскопических и микроскопических из­менений, происходящих в структуре материала деталей в резуль­тате многократного циклического нагружения.

Трещины устало­сти уменьшают сечение детали, приводят к характерным уста­лостным разрушениям.

Сопротивление усталости колес зависит от размеров и формы составляющих деталей, наличия концентраторов напряже­ний (отверстия, дефекты сварных швов, степень шероховатости поверхности и т. д.), материала, технологии изготовления (на­личие утонений, распределение и уровень остаточных напряже­ний), качества антикоррозионной обработки колес и т. д. Уста­лостные разрушения наступают раньше всего у дисков, профили­рованных ободьев колес легковых автомобилей, болтовых соеди­нений, на бортовых и распорных кольцах для шин с регулируе­мым давлением и у других циклически нагруженных деталей. Примерно 90 % разрушений деталей колес обусловлено устало­стью металла.

Анализ напряженного состояния колеса при действии на него внешних и внутренних сил показывает, что только нормальная нагрузка может имитировать эксплуатационный режим нагру­жения элементов колеса, включая диск. Используя этот прин­цип, в процессе проведения сравнительных стендовых испытаний сопротивления усталости деталей колес, особенно диска и зоны соединения его с о бодом, не требуется воспроизводить весь ком­плекс сил, а достаточно подобрать режим испытания, соответ­ствующий действительному напряженному состоянию, путем воз­действия на колесо только нормальной нагрузкой.

Для проведения испытаний на усталость автомобильных ко­лес применяют стенды, которые по способу нагружения колес можно подразделить на два основных типа: с постоянной и с переменной по направлению и точке приложения нагрузками. Для первого типа стендов характерным является то, что направ­ление нагрузки, приложенной на плече определенной длины, остается неизменным (рис. 90, а), а цикличность действия изги­бающего момента создается в результате вращения колеса. Та­кая схема испытаний на усталость предусмотрена в рекоменда­ции СЭВ РС5514—76 и международном стандарте ИСО 3894—-77.

В настоящее время применяют другую, более прогрессивную схему испытания колес (рис. 90,6). Колесо остается неподвижным, а цикличность действия нагрузки на колесо создается центробежной силой вращающейся несбалансированной массы. Преимущество такой схемы заключается в том, что в процессе испытаний можно наблюдать за техническим состояни­ем колеса и за процессом зарождения и развития усталостных трещин. Для расчета центробежной силы Рц используется зави­симость

Рис.  90.  Принципиальные схемы  стендов для  испытаний  на усталость дисков  колес

Конструкция стенда первого типа включает электродвига­тель переменного тока / (рис. 91), соединенный клиноременной передачей с планшайбой 3. Ось планшайбы закреплена в под­шипниках качения 2 корпуса 12 стенда. На планшайбе выпол­нены радиальные пазы, в которых размещены крепежные дета­ли 4. Испытуемое колесо 5, предварительно собранное с нагру­зочным валом 6, надежно закрепляют на планшайбе. Нагрузоч­ное устройство, состоящее из винтового механизма 10 и пружи­ны 9, соединено гибкой связью 8 с подшипником качения 7, установленным на валу 6.

Стенд оборудован системой автоматического выключения 11, которая срабатывает после разрушения колеса. Вращающиеся части стенда  надежно закрыты  щитами, установленными на шарнирах. Для смазывания подшипни­ков оси планшайбы стенд оборудован принудительной системой смазывания. Органы управления и контроля стенда размещены на специальном пульте.

Стенды второго типа имеют более сложную конструкцию. Стенд приво­дится в действие электродвигателем / (рис. 92) постоянного тока. Электро­двигатель соединен с нагрузочным уст­ройством через упругую или шарнир­ную муфту 2. Вал 3 и укрепленная на нем несбалансированная масса 4 раз­мещены в корпусе нагрузочного уст­ройства 5.

Испытуемое колесо 6 надежно сое­динено с нагрузочным устройством и закреплено  на  опорной поверхности корпуса 7 стенда. Для снижения виб­рационного воздействия  работающего стенда  на окружающее лабораторное оборудование  и  строительные  соору­жения  стенд  установлен  на упругой подвеске 8. Органы управления стен­дом вынесены на пульт 9. В  стендах иногда дополнительно предусматривают устройства и контроли­рующие приборы для регистрации уровня нагрузки и наблюде­ния за состоянием колеса. Путем изменения схемы закрепления колеса в процессе испытании определяют долговечность дру­гих его элементов. Так, на рис. 93 показана схема закрепления колеса при испытании прочности обода. 

Рис.  92.  Стенд  для  испытаний  дисков  колес  на  усталостную  долговечность

Рис.  93.  Приспособление  для  усталостных испытаний  обода  колеса  легкового  авто­мобиля:

1 — нагрузочный   вал;  2 — съемный  фла­нец:  3 — корпус  стенда;  4— установоч­ный  фланец;  5 — испытуемое  колесо;  6 — корпус приспособления

Партия колес, предназначенная для испытаний, должна от­бираться в соответствии с целями испытаний. Например, для оценки долговечности необходимо отбирать колеса, изготовлен­ные при различных условиях массового производства. Это поз­волит достоверно оценить качество поставляемого металла и изготовляемых колес. Для изучения влияния какого-либо конст­руктивного или технологического параметра на прочность коле­са отобранные для испытания колеса должны быть изготовлены из металла одной плавки, иметь колебание толщины диска, не превышающее 0,4 мм, чтобы исключить влияние случайных фак­торов, не характерных для изучаемых явлений.

У отобранных колес проверяют качество металла, наличие на поверхности механических повреждений, следов инструмента и других дефектов, проверяют размеры деталей, особенно в местах возможной концентрации напряжений, оценивают каче­ство сварных швов по наличию раковин, непроваров, пор, про­пусков и т. д. У профилированных ободьев колес легковых автомобилей измеряют величину утонения металла в зонах ра­диусных переходов. По результатам контроля составляют карту замеров.

Испытуемое колесо соединяют с нагрузочным валом стенда в соответствии с конструкцией крепежных элементов колесно-ступичного узла автомобиля. Точность установки (соосность) колеса, собранного с валом на планшайбе стенда контролируют индикатором часового типа. Должно быть не более 0,2 мм. Измерения проводят после закрепления колеса. В про­цессе испытаний периодически проверяют надежность соедине­ния нагрузочного вала и колеса. Первую проверку рекоменду­ется проводить примерно через 1000 циклов нагружений, а за­тем через каждые 20—30 мин работы стенда.

Значительное влияние на разброс результатов эксперимента оказывают точность воспроизведения и поддержания заданных режимов нагружения. Допустимое колебание изгибающего мо­мента при испытании колес легковых автомобилей составляет ±2,5%, а для колес остальных автомобилей ±5%. Высокие требования к точности воспроизведения нагрузок обусловлены тем, что число циклов нагружения Ni, необходимых для возник­новения усталостного разрушения, и величина нагрузки Mi связаны зависимостью M™Nt = const. Если учесть, что для автомобильных колес показатель степени т = 4,0-^-6,8, то откло­нение величины нагрузки всего на 1 % может вызвать отклоне­ние числа циклов на 10 %.

Для обеспечения требуемой точности измерения параметров режима нагружения целесообразно применять приборы с по­грешностью не более 1,5 %. Следует более точно проводить ста­тическую градуировку нагрузочного устройства. Градуировку необходимо проводить перед испытаниями каждой партии колес. Погрешности измерений в процессе градуировки должна быть не ниже 0,5 %.

При проведении стендовых испытаний для ускорения наступ­ления усталостного разрушения нагружают колесо с таким рас­четом, чтобы получить долговечность в диапазоне (1-=-30)105 циклов. В этом случае коэффициент ускорения испытаний дол­жен быть равен 2,5—8. Для построения кривой усталости обыч­но испытывают три-четыре колеса на трех уровнях нагрузки (максимальном, среднем и минимальном). Чтобы получить бо­лее наглядные результаты испытаний, интервалы между уровня­ми нагрузок в зоне высоких нагрузок следует принимать боль­шими, чем в зоне низких нагрузок.

После испытаний проводят техническую экспертизу колес для определения причины выхода из строя деталей. По резуль­татам экспертизы намечают пути дальнейшего повышения рабо­тоспособности конструкции. В процессе экспертизы измеряют детали, выполняют металлографические исследования. Для бо­лее глубокого изучения структуры металла, качества сварных швов и влияния технологии изготовления на сопротивление усталости конструкции вырезают темплеты. По результатам испытаний строят в полулогарифмических координатах кривую усталости, которую сравнивают с кривой сопротивления устало­сти колес, конструкция и технология изготовления которых не изменялись. При разработке новой конструкции колес результа­ты испытаний сравнивают с данными, имеющимися у колес того же типоразмера или у заменяемой конструкции.