Расчет направляющих устройств подвески

Как уже было отмечено выше, расчет листовых рессор сводится к расчету рессоры на изгиб от действия основного силового фактора – вертикальной силы. При расчете рессоры на прочность иногда также проверяется жесткость рессоры при скручивании в вертикальной продольной плоскости, жесткость рессоры в поперечной горизонтальной плоскости и угловая жесткость рессоры. При этом принимается, что сопротивление кручению оказывает только конец коренного листа с ушком.

Расчет рычагов независимой подвески производит­ся при действии:

1. максимальной вертикальной силы, соответствующей полному ходу сжатия подвески;

2. максимальной силы тяги по сцеплению;

3. максимальной тормозной силы, действующей на колесо (вер­тикальная реакция на колесе при этом долж­на учитывать перераспределение на­грузки по мостам при торможении);

4. максимальной боковой силы (вертикальная реакция при этом оп­ределяется с учетом перераспределения нагрузки по колесам автомобиля при его заносе).

Определение усилий в элементах направляющего устройства, действующих на колесо в перечисленных режимах, рассмотрено ранее.

Размеры рычагов направляющего устройства определяют по максимальному нагружению на рассматриваемых режимах.

Расчет амортизаторов

Наибольшее распространение на современных автомобилях получили гидравлические телескопические амортизаторы двухстороннего действия.

Расчет амортизатора заключается в определении площадей проходных сечений калиброванных отверстий и параметров клапанов, обеспечивающих характеристику, полученную при расчете плавности хода автомобиля, при выбранных по стандартам основных размерах (диаметры поршня, штока и т.д.). В проверочный расчет входит расчет теплового режима работы амортизатора.

Эффективное гашение колебаний кузова и колес автомобиля зависит от силы сопротивления, создаваемой гидравлическим амортизатором при работе:

,                                                   (11.25)

где  – коэффициент сопротивления амортизатора;  – скорость перемещения поршня амортизатора; n – показатель степени.

Характеристикой амортизатора называется графическая зависимость силы его сопротивления от скорости перемещения поршня при ходах сжатия и отдачи.

В зависимости от показателя степени n характеристика амортизатора может быть линейной (n = 1), прогрессивной (n > 1) и регрессивной (n < 1). Тип характеристики зависит от размеров калиброванных отверстий, вязкости жидкости и конструкции клапанов.

Амортизаторы различаются также по соотношению коэффициентов сжатия  и отдачи . Обычно . Такое соотношение обусловлено стремлением ограничить силу, передающуюся через амортизатор на несущую систему при наезде колеса на препятствие. Коэффициенты сопротивления амортизатора определяются по критическому коэффициенту затухания при колебании подрессоренной массы на упругих элементах.

Клапаны сжатия и отдачи разгружают амортизатор и подвеску автомобиля от больших усилий, возникающих при высокочастотных колебаниях и ударах по время движения по неровностям опорной поверхности, а также в случае возрастания вязкости амортизаторной жидкости при низких температурах воздуха. При резком сжатии открывается клапан сжатия (точка a), при резкой отдаче – клапан отдачи (точка b).

Основным конструктивным размером амортизатора является диа­метр поршня , который выбирается таким образом, чтобы наиболь­шее давление жидкости, соответствующее максимальному усилию, передающемуся через амортизатор, не выходило за рекомендуемые пределы.

При ходе сжатия, когда поршень дви­жется вниз и шток входит в рабочий цилиндр, жидкость из-под поршня вытесняется в двух направлениях: в пространство под порш­нем и в резервуар. Объем жидкости, вытесненный поршнем, больше освобожденного пространства над поршнем на величину введенного объема штока. Объем жидкости, составляющий разницу, перетекает через калибро­ванные отверстия клапана сжатия в компенсационную камеру. Давление жидкости практически одинаково над поршнем и под ним при малых скоростях.

Разность площадей верхней и нижней поверх­ностей поршня равна площади штока . Поэтому сила сопротивления сжатия будет равна

.                                     (11.26)

Жидкость, перетекающая при сжатии в компенсационную ка­меру, поднимает в ней общий уровень жидкости и повышает давле­ние воздуха.

При ходе отдачи жидкость, вытесняемая из пространства над поршнем в пространство под ним, не может его заполнить целиком. Недостаток жидкости восполняется из компен­сирующей камеры через впускной клапан, имеющий малое сопро­тивление.

При ходе отдачи давление жидкости в пространстве над поршнем действует на свободную площадь поршня, не занятую пло­щадью штока. Усилие сопротивления при отдаче

.                              (11.27)

Диаметр штока выбирается в зависимости от диаметра поршня – .

С диаметрами штока и рабочего цилиндра тесно связаны размеры компенсационной камеры, которая должна вмещать определенный объем жидкости и воздуха для осуществления процесса рекуперации. При этом объем воздуха должен быть примерно в 3 раза больше объема штока при его полном ходе (чтобы не создавалось излишне высокое давление при работе и нагреве).

Конструктивная длина амортизатора – .

Окончательная характеристика амортизатора вследствие недостаточной точности гидравлических расчетов всегда отрабатывается экспериментально.

За основу расчета температуры рабочей жидкости берется урав­нение теплового баланса:

,                                         (11.28)

где  – мощность, рассеиваемая амортизатором;  – коэффи­циент теплоотдачи стенок в воздух;  – площадь поверхности сте­нок амортизатора;  и  – температура стенок аморти­затора и окружающей среды соответственно.

Мощность, рассеиваемую амортизатором, можно рассчитать по формуле:

,                    (11.29)

где  – расчетная скорость поршня амортизатора.

 Температуру стенок амортизатора определяют по формуле:

.                                             (11.30)

Допустимая температура нагрева стенок – [ ] = 100° С.

Если температура нагрева выше указанной, необходимо выбрать больший типоразмер амортизатора из ряда, приведенного в стандарте.

КОЛЕСА. ШИНЫ

Назначение. Классификация. Требования

Движителем называется устройство, осуществляющее взаимодейст­вие транспортного средства с опорной поверхностью. Для автомобилей наиболее широкое применение получил колесный движитель – колеса.

Назначение колес:

1. создание на опорной поверхности внешних реактивных про­дольных сил, вызывающих движение или остановку движущегося автомобиля;

2. создание на опорной поверхности дороги внешних реактивных боковых сил, заставляющих автомобиль двигаться по криволинейной траек­тории;

3. передача на опорную поверхность силу тяжести автомобиля;

4. уменьшение динамических нагрузок, возникающих при переезде через неровности опорной поверхности.

В соответствии с выполняемыми функциями колеса могут быть разделены на ведущие, управляе­мые, поддерживающие и ведущие управляемые (комбинированные).

Колеса состоят из следующих основных частей: шины, обода, соединительного элемента с деталями крепления, ступицы и подшипни­ков. Соединительным элементом может быть диск, неразборно присоеди­ненный к ободу (дисковое колесо) или спицы, представляющие собой часть ступицы (бездисковое или спицевое колесо).

Основные требования к колесам:

1. полное соответствие применяемой шине по размерам, жестко­сти и конструкции обода;

2. надежное крепление к ступице, обеспечивающее легкость мон­тажа и демонтажа колеса;

3. высокие прочность, долговечность и коррозионная стойкость;

4. минимальные биение и дисбаланс;

5. общие требования.

Основным элементом колеса является шина. Классификация шин производится по следующим основным параметрам:

Основные требования к шинам:

1. хорошее сцепление с дорогой;

2. малое сопротивление качению;

3. соответствие упругих свойств параметрам автомобиля и усло­виям движения;

4. низкий уровень шума при движении автомобиля;

5. высокие прочность и долговечность;

6. малое давление на грунт (для автомобилей повышенной и вы­сокой проходимости);

7. общие требования.

Хорошее сцепление с дорогой обеспечивается в основном под­бором состава резины в шине, оптимальным для данных условий эксплуатации рисунком протектора, поддержанием требуемого давления в шине. Однако увеличение коэффициента сцепления шины с дорогой за счет изменения состава резины в некоторых случаях может привести к значительному сокращению срока служ­бы шины из-за ее быстрого износа.

Малое сопротивление качению обеспечивается в основном теми же мероприятиями, что и хорошее сцепление с дорогой, но умень­шение сопротивления качению может в некоторых случаях сопро­вождаться уменьшением коэффициента сцепления шины с доро­гой.

Высокие прочность и долговечность включают в себя и требова­ния безопасности, а именно:

1. исключение разрыва шины от повышения давления свыше за­данного – обеспечивается в основном конструкцией каркаса шины;

2. исключение разрыва шины от центробежных сил, возникаю­щих при высоких скоростях движения – обеспечивается в основ­ном конструкцией каркаса шины; при этом на шинах проставля­ется маркировка, соответствующая максимальной скорости, при которой может применяться данная шина;

3. надежность герметичного и прочного прилегания бортов шины к бортам обода – обеспечивается в основном высоким качеством изготовления обода и отсутствием на нем дефектов, возникаю­щих в процессе эксплуатации;

4. замедление или предотвращение резкого падения давления при проколе шины – обеспечивается применением бескамерных шин, т.к. герметизирующий слой заполняет прокол.

Малое давление на грунт обеспечивается увеличением поверх­ности контакта за счет увеличения ширины, диаметра шины и снижения в ней давления. Последнее наиболее эффективно и применяется в виде систе­мы регулирования давления в шинах.

Значение перечисленных требований не одинаково для автомоби­лей различного типа и назначения. Это объясняет большое разно­образие в конструкции и пропорциях существующих шин.

Автомобильные шины выпускаются в России в соответствии со стандартами, в которых приведены основные параметры автомобильных шин, в том числе максимальная допустимая нагрузка и давление, соответствующее этой нагрузке, а также максимальная допустимая скорость авто­мобиля с этими шинами. По указанной причине при проектировании задача конструктора ограничивается выбором параметров колес, отвечающих требованиям технического задания и компоновки автомобиля.

Тип шин при проектировании машины определяют исходя из условий эксплуатации и нагрузок, приходящихся на колесо. Нагрузки на колесо обусловлены техническим заданием на проек­тирование, где указывают общую массу машины, число осей, распределение массы по осям.

Необходимый диаметр обода колеса определяют ориентиро­вочно, исходя из компоновочных и конструктивных соображений (в зависимости от наличия в колесе бортовой передачи, размеров тормозного барабана, необходимого пространства для установки вентилирующего устройства и создания условий для охлаждения и вентиляции тормозного механизма). Размер обода колеса уточ­няют, принимая во внимание действующий ГОСТ.

По размеру обода колеса определяют профиль шины. Выбран­ные размеры шин должны удовлетворять требованиям в отношении критической скорости, температуры нагрева, упругих характе­ристик и грузоподъемности.

 

12.2. Расчет подшипников ступиц

Подшипники ступиц управляемых колес устанавлива­ют с максимально возможным расстоянием между их центрами для уменьшения усилий, действующих на подшипни­ки от боковых сил. При этом внутренний подшипник обычно имеет большую грузоподъемность, чем наружный.

Расчет подшипников ступиц колес, как и в предыдущих случаях, состоит в определении их долговечности. Для этого необходимо знать значения усилий, действующих на подшипники.

При расчете рассматривают прямо­линейное и криволинейное (R = 50 м) движение автомобиля со скоростью 40 км/ч. При этом считают, что автомобиль движется прямолинейно 90% пути, а на поворотах вправо и влево – по 5% пути, причем влия­нием силы тяги и углами установки управляемых колес пренебрегают.

При прямолинейном движении автомобиля вертикальную реакцию, действующую на ступицу управляемого колеса, определяют по формуле:

,                            (12.1)

где  – масса, приходящаяся на мост.

Боковую реакцию, действующую на ступицу колеса, рассчитывают по формуле:

.                       (12.2)

Под действием реакций  и  при прямолинейном движении радиальные нагрузки на внутренний 1 и наружный 2 подшипники соответственно, будут равны:

;                     (12.3)

,                  (12.4)

где a и l – расчетные размеры.

Действием осевой нагрузки на подшипники на этом режиме пренебрегают.

При криволинейном движении автомобиля вертикальную реакцию, действующую на ступицу колеса, определяют по формуле:

,                                  (12.5)

где «+» – для внутреннего по отношению к центру поворота колеса, «–» – для внешнего колеса.

Боковую реакцию, действующую на ступицу колеса, рассчитывают по формуле:

.                                                 (12.6)

Нагрузки на внутренний и наружный подшипники наружного и внутреннего колес автомобиля при криволинейном движении определяются сле­дующим образом.

Радиальные нагрузки на подшипники ступицы наружного колеса определяют по формулам:

;                                      (12.7)

,                                  (12.8)

Радиальные нагрузки на подшипники ступицы внутреннего колеса рассчитывают по формулам:

;                                       (12.9)

,                                (12.10)

Осевые нагрузки на подшипники ступицы наружного колеса будут, соответственно, равны:

;                                               (12.11)

.                                                 (12.12)

Для подшипников ступицы внутреннего колеса:

;                                                 (12.13)

.                                             (12.14)

РУЛЕВОЕ УПРАВЛЕНИЕ

 

Назначение. Классификация. Требования

Рулевое управление предназначено для изменения направления движения автомобиля и поддержания заданной траектории его движения.

Рулевое управление автомобиля состоит из руле­вого механизма с рулевым валом и рулевым колесом и рулевого привода.

В рулевой привод входят рулевая сошка, рулевые тяги, рычаги маятниковый и поворотных цапф, а также рулевой усилитель, устанавливаемый на ряде автомобилей. При этом рулевые тяги и рычаги поворотных цапф образуют рулевую трапецию, которая определяет тип рулевого привода.

На автомобилях изменение направления движения осуществ­ляется преимущественно поворотом передних колес.

Применение левого или правого рулевого управления зависит от принятого в той или иной стране направления движения транс­порта, что обеспечивает лучшую видимость при разъезде с транспортными средствами, движущимися навстречу.

Применение рулевого управления различной конструкции (без усилителя или с усилителем) зависит от типа и назначения авто­мобиля.

Рулевые управления без усилителя обычно устанавлива­ются на легковых автомобилях особо малого и малого классов и грузовых малой грузоподъемности. Рулевые управления с усилителем применяются на других ав­томобилях.

При этом значительно облегчается их управление, улуч­шается маневренность и повышается безопасность движения. Наибольшее распространение на современных автомобилях получили гидравлические усилители.

Рулевой механизм служит для увеличения усилия водителя, прилагаемого к рулевому колесу, и передачи его к рулевому при­воду. Рулевой механизм при этом преобразует вращение ру­левого колеса в поступательное перемещение деталей рулевого привода, вызывающее поворот управляемых колес автомобиля.

Червячные рулевые механизмы широко применяются на легковых, грузовых автомобилях и автобусах. Наибольшее распрос­транение получили червячно-роликовые рулевые механизмы.

Винтовые рулевые механизмы используют на тяжелых грузовых автомобилях. Наибольшее применение получи­ли винтореечные механизмы («винт – гайка-рейка – сектор»).

Зубчатые рулевые механизмы применяются в основном на легковых автомобилях малого и среднего классов. Из них наибольшее применение имеют реечные рулевые меха­низмы.

Рулевым приводом называется система тяг и рычагов, служащая для передачи усилия от рулевого меха­низма к управляемым колесам, а также для обеспечения необходимой кинематики поворота колес.

Основной частью рулевого привода является рулевая трапеция, которая может быть передней или задней. Передней называется рулевая трапеция, которая располагается перед осью передних управляемых колес; задней – за осью.

Применение на автомобилях рулевого привода с передней или задней рулевой трапецией зависит от компоновки автомобиля и его рулевого управления. При этом рулевой привод может быть с неразрезной или разрезной рулевой трапецией. Использование рулевого привода с неразрезной или разрезной трапецией зави­сит от подвески передних управляемых колес автомобиля.

Неразрезной называется рулевая трапеция, имеющая сплош­ную поперечную рулевую тягу, соединяющую управляемые коле­са.Неразрезная рулевая трапеция применяется при зависимой подвеске передних уп­равляемых колес на грузовых автомо­билях и автобусах.

Разрезной называется рулевая трапеция, которая имеет многозвен­ную поперечную рулевую тягу, со­единяющую управляемые колеса. Разрезная рулевая тра­пеция используется при независимой подвеске управляемых колес на легковых автомобилях.

Рулевое управление оказывает существенное влияние на уп­равляемость, маневренность, устойчивость и безопасность дви­жения автомобиля. Поэтому, кроме общих требований, к нему предъявляются спе­циальные требования, в соответствии с которыми рулевое управ­ление должно обеспечивать:

1. возможно меньшее значение минималь­ного радиуса поворота для обеспечения хорошей маневренности автомобиля;

2. малое усилие на рулевом колесе, обес­печивающее легкость управления;

3. силовое и кинематическое следящее действие, т.е. пропорциональность между усилием на рулевом колесе и моментом сопротивления повороту управляемых ко­лес и заданное соответствие между углом поворота рулевого колеса и углом пово­рота управляемых колес;

4. минимальное боковое скольжение колес при повороте;

5. минимальная передача толчков на ру­левое колесо от удара управляемых колес о неровности дороги;

6. оптимальная упругая характеристика рулевого управления, определяющая его чувствительность и исключающая воз­можность возникновения автоколебаний управляемых колес;

7. кинематическая согласованность эле­ментов рулевого управления с подвеской для исключения самопроизвольного по­ворота управляемых колес при деформа­ции упругих элементов;

8. минимальное влияние на стабилизацию управляемых колес;

9. повышенная надежность.

Высокая маневренность (малый радиус поворота и малая шири­на габаритного коридора) обеспечивается в основном уменьшением базы и увеличением угла поворота управляемых колес. Маневренность существенно улучшается, если, кроме передних управляемых колес, используются еще и задние управляемые колеса.

Удобство и легкость управления, как и для любого органа уп­равления, определяются обычно удобным расположением рулевого колеса, величиной его полного хода, невысокими значениями усилия, необходимо­го для перемещения рулевого колеса. Удобство расположения определяется в част­ности соответствием расположения плоскости рулевого колеса по­садке водителя.

При увеличении угла поворота усилие на рулевом колесе должно возрастать, что позволяет води­телю определять положение, занимаемое управляемыми колесами. Достигается это выбором типа рулевого привода, передаточного числа рулевого управления (в основном – руле­вого механизма) и закона его изменения.

Соответствие радиуса поворота управляющему воздействию во­дителя обеспечивается в основном использованием жесткой кинематической связи между управляемыми колесами и рулевым колесом.

Кроме того, в обоих случаях суммарный люфт рулевого колеса должен находиться в заданных минимальных значениях.

Минимальное боковое скольжение колес при повороте автомобиля обеспечивается в основном правильным выбором параметров рулевой трапеции, а при трех и более осях, кроме того, рас­положением осей, обеспечивающим минимальное боковое сколь­жение.

Минимальная передача толчков на ру­левое колесо от удара управляемых колес о неровности дороги достигается выбором такого рулевого механизма, у которого прямой КПД (при передаче усилия от рулевого колеса к управляемым колесам) больше обратного (при передаче усилия от колес к рулевому колесу). Однако для стабилизации управляемых колес рулевое управление проектируют с предельной обратимостью, т.е. так, чтобы почти вся энергия, идущая от управляемых колес, гасилась в рулевом механизме.

Для снижения или ис­ключения возможности передачи толчков на рулевое колесо принимают также следую­щие меры: увеличивают передаточное число руле­вого механизма в нейтральном положении управляемых колес; уменьшают плечо обкатки управляемых колес; до определенных пределов увеличивают податливость рулевого управления; применяют амортизирующие устройст­ва в рулевом механизме или приводе; устанавливают усилитель, воспринимающий и поглощающий толчки и удары от управляемых колес.

Оптимальная упругая характеристика рулевого управления, определяющая его чувствительность и исключающая воз­можность возникновения автоколебаний управляемых колес определяется жесткостью деталей рулевого управления и зазорами между ними.

При малой угловой жесткости рулевое управление обладает большой податливостью, что снижает чувствительность управления автомобилем. Но в этом случае толчки и удары, воспринимаемые управляемыми колеса­ми от неровностей дороги, эффективно амортизируются руле­вым управлением. Однако малая угловая жесткость рулевого управления может привести к нежелательным колебаниям (вилянию) управляемых колес и снижению устойчивости автомо­биля.

Кинематическая согласованность эле­ментов рулевого управления с подвеской для исключения самопроизвольного по­ворота управляемых колес при деформа­ции упругих элементов достигается правильным выбором центров колебаний управляемых колес на рычагах подвески и относительно шарового пальца рулевой сошки.

Высокая надежность рулевого управления обеспечивается в основном достаточно большими запасами по напряжениям в де­талях рулевого управления. Применение дублирующих систем в рулевом управлении, как и в тормозном управлении, пока не пред­ставляется возможным.