油中の表面傷の影響

May 28, 2023

Scientific Reports volume 12、記事番号: 21131 (2022) この記事を引用

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1 オルトメトリック

メトリクスの詳細

本研究の目的は、直径2.5mmを限界傷深さとした2300MPa級オイルテンパー線(OT線)に微小欠陥を付与した場合の自動車エンジン用弁ばねの疲労寿命を評価することである。 まず、弁ばね製造工程におけるOT線の表面きずの変形をサブモデリング手法を用いたFE解析により導出し、最終ばねの残留応力を測定してばね応力解析モデルに適用しました。 次に、バルブスプリングの強度を解析し、残留応力の有無を調べ、表面の傷による応力レベルを比較しました。 第三に、OT ワイヤによる回転曲げ疲労試験で求めた S-N 曲線に、ばね強度解析で求めた表面きずの応力を当てはめることにより、ばねの疲労寿命に及ぼす微小欠陥の影響を評価した。 表面きず管理の既存の基準であるきず深さ 40 μm は疲労寿命を低下させるものではありません。

自動車業界では、自動車の燃費効率を向上させるために、軽量な自動車部品の需要が高まっています。 そのため、近年では先進高強度鋼（AHSS）の適用が増えています。 自動車エンジン用バルブスプリングは、耐熱性、耐疲労性、耐へたり性に優れたオイルテンパー線（OT線）を主成分としています。

現在使用されている OT ワイヤは、高い引張強度 (1900 ～ 2100 MPa) により、エンジンのバルブ スプリングのサイズと重量の削減に役立ちます。 周囲の部品との摩擦を軽減することで燃費を向上させることができます1。 このような利点から高圧線の使用は急速に増加しており、2300MPa級の超高強度線が開発されています。 自動車エンジンのバルブ スプリングは高レベルの繰り返し応力下で動作するため、長い疲労寿命が求められます。 この要求を満たすために、メーカーは一般に 5.5 × 107 サイクル以上の疲労寿命を考慮して弁ばねを設計し、ショットピーニングやホットセッチング処理によって弁ばねの表面に残留応力を与えて疲労寿命を向上させます2。

従来の使用環境における自動車用コイルばねの疲労寿命については、さまざまな研究が十分に行われてきました。 グザルら。 は、静荷重下で小さなねじれ角をもつ楕円形断面のコイルばねの解析的、実験的、および有限要素 (FE) 解析を発表しました。 この研究は、アスペクト比とばね指数の関数として最大せん断応力の位置を明示的かつ簡単に表現し、実際の設計の観点から重要なパラメータである最大せん断応力を解析的に取得することを可能にします3。 パトルチッチら。 は、使用に失敗した後に個人の車両から取り外したコイルスプリングの故障と疲労の分析結果を説明しました。 実験手法を使用して、破断したばねを調べた結果、これは腐食疲労破壊の一例であると結論付けることができます4。 コングら。 自動車用コイルばねの疲労寿命評価用に、重回帰に基づくばね耐久性モデルを開発しました5。 プトラら。 自動車用コイルスプリングの寿命は路面の凹凸によって決まります。 しかし、自動車用コイルばねの製造工程中に発生する表面傷欠陥が寿命にどのような影響を与えるかに関する研究はほとんどありません6。

製造工程中に発生する表面傷は、弁ばねに局部的な応力集中を引き起こし、疲労寿命を著しく低下させます。 バルブスプリングの表面傷は、使用される素材の表面傷、工具の欠陥、冷間コイリング工程での不注意など、さまざまな要因によって発生します7。 原材料の表面欠陥は、熱間圧延と多パス絞り加工により急勾配の V 字型になりますが、成形工具や不注意な取り扱いによって発生した欠陥は、緩やかな勾配の「U」字型を示します 8,9。 10、11。 V 字型の傷は、U 字型の傷よりも高い応力集中を引き起こします。 したがって、通常、初期の材料には厳しい欠陥管理基準が適用されます。