The influence of prestress on fracture life of the torsion springs

Doktorska disertacija obravnava življenjsko dobo vzvojnih paličnih in vzvojnih votlih vzmeti v odvisnosti od prednapetja ter lomno mehanske lastnosti le-teh. Vzvojne vzmeti se uporabljajo za vzmetenje koles v mobilni tehniki. Vzvojne palične vzmeti so obremenjene na utrujanje in so občutljive na utrujenostni lom. Kakovost teh vzmeti se kaže v doseženi življenjski dobi in velikosti vzvojne napetosti, s katero je vzmet obremenjena med uporabo. Vzvojne palične vzmeti so zelo občutljive na površinske napake, kar zmanjšamo z gladilnim valjanjem. Večji delovni kot vzmeti dosežemo s prednapetjem v plastično področje. Življenjska doba vzvojnih paličnih vzmeti je odvisna od stopnje prednapetja in od velikosti dinamične obremenitve. Izdelan je računski model za napoved življenjske dobe vzvojnih paličnih vzmeti v odvisnosti od stopnje prednapetja in višine dinamičnega obremenjevanja za namensko izdelano vzmetno jeklo. Ugotovljena sta bila dva karakteristična lomaprečni lom vzmeti, ki nastane takrat, ko se pojavi iniciacija razpoke v notranjosti materiala, in spiralni lom vzmeti, ki nastane takrat, ko je prisotna površinska napaka. Vzvojnim votlim vzmetem povečamo življenjsko dobo s pomočjo tlačnega prednapetja v smeri osi vzmeti. Tlačno prednapetje in delovna vzvojna obremenitev tvorita dvoosno napetostno stanje, ki povečuje število ciklov, in s tem podaljša čas do iniciacije utrujenostne razpoke. Tlačno prednapetje ugodno vpliva tudi na lomno obnašanje vzvojnih votlih vzmeti, ker zmanjšuje vpliv kvalitete površine na življenjsko dobo. Tlačna napetost upočasni iniciacijo na površini votle vzvojne vzmeti, razpoka pa se širi pod vplivom ravninskega napetostnega stanja. Pri izmenično obremenjenih prednapetih vzvojnih votlih vzmeteh se razpoka širi v obliki dveh vijačnic po obodu votle vzmeti. V doktorski nalogi je analiziran pristop, ki omogoča povečanje življenjske dobe vzvojnih votlih vzmeti s pomočjo osnega prednapetja, tako da ga je možno razširiti še na druge vzvojno in upogibno obremenjene strojne elemente.Doctoral dissertation discusses life cycle depending on pre-stress and breaking behavior character of torsion bar springs and torsion hollow springs. Torsion springs are used for wheel suspension in the mobile technology. Torsion bar springs are dynamically loaded and can be broken due to fatigue. The quality of these springs is seen on the achieved life cycle and the expanse of torsion stress that loads the spring during its usage. Torsion bar springs are highly sensitive to surface irregularities which can be reduced by surface cold rolling while a higher working angle of the springs is achieved through the pre-stress in the plastic area. Torsion bar spring\u27s life depends on the pre-stress level and the size of dynamic loading. There is a calculating model for prediction of a life cycle of torsion bar springs depending on the level of pre-stress and the height of dynamic loading for intentionally produced spring steel. Two characteristic cracks were determinedtransversal crack that results as a crack initiation inside materialwhile spiral spring crack results as a surface irregularity. The enlargement of torsion hollow spring’s life is achieved by compress pre-stress in axial direction. Compress pre-stress and working torsion loading create biaxial stress state that enlarges the number of cycles and hereby extends the time to initiation of fatigue crack. Compress pre-stress has a favorable impact on the breaking character of the torsion hollow springs, since it reduces the influence of the surface quality on the life cycle. Compress stress decelerates initiation on the surface of hollow torsion springs, the crack is spread under the impact of plane stress state. With alternating loaded pre-stressed torsion hollow springs the crack is spread in the form of two spirals on the circumference of the hollow springs. In the doctoral dissertation an approach is analyzed that enables enhanced life of the torsion hollow springs through axial pre-stressing so it can be expanded on other torsion bending loaded machine elements