Design and fabrication of a four-point rotating bending testing machine for cold drawn bars

High–resistance steel cold drawn bars are used for the manufacturing of suspension coil springs, stabilizer bars and valves springs. Suspension and valves springs of ground vehicles are subject to high static and cyclic loads in a generally harsh en- vironment. Moreover, any unexpected failure represents a strong hazard for public safety. For evaluation of such components, therefore, the usual non–destructive test- ing should be enhanced by fatigue tests in order to securely ensure the cyclic strength of the component and the steel purity. This research consists in the design and fabrication of a four–point rotating bending machine for fatigue testing on cold drawn bars, to be employed in an industrial reality. The design principle starts from the results provided by the Euler–Bernoulli theory for deflected beams, revised and compared to the large–deflection beam model. A sensitivity analysis investigates the effects of the different sources of variation on the system output, and the resulting expected uncertainty interval is estimated. The machine parts are designed according to the results of the preliminary analysis. Espe- cially, a dedicated plastic grip device has been designed to provide a smooth contact between the machine and the tested specimen. The machine performances and functioning are evaluated by experimental tests on drawn bars, up to the definition of some S–N curves of the components.

Barre trafilate a freddo ad alta resistenza sono impiegate per la produzione di compo- nenti di sospensioni, come molle elicoidali e barre stabilizzatrici, e molle per valvole. Sospensioni e valvole dei veicoli sono soggette ad alti carichi statici e ciclici in un ambiente generalmente aggressivo. Inoltre, una rottura inaspettata rappresenta una forte minaccia per la sicurezza. Per la valutazione di questi componenti, dunque, i classici controlli non distruttivi dovrebbero essere affiancati da test a fatica, per ga- rantire la resistenza ciclica del componente e la purezza dell’acciaio. Questa tesi consiste nella progettazione e realizzazione di una macchina per test a fatica a flessione rotante a quattro punti, finalizzata ad essere utilizzata in una realt industriale. La fase di progettazione trae origine dai risultati ottenuti tramite il modello trave di Eulero–Bernoulli, comparato con il modello di trave per grandi de- formazioni. Un’ analisi di sensitivita’ studia gli effetti che ogni fonte di variazione causa sull’output del sistema, e infine si stima la conseguente incertezza composta di macchina. I vari componenti del macchinario sono progettati a partire dai risultati ottenuti nell’analisi preliminare. In particolare, si studiato un sistema di afferrag- gio del filo che garantisce un contatto graduale e omogeneo, per mezzo di un dedicato cuscinetto in materiale polimerico. Attraverso test sperimentali eseguiti su barre trafilate, infine, e’ stato possibile va- lutare il funzionamento e le performance della macchina, fino alla costruzione del diagramma di Woehler.