Дослідження характеристик гвинтових пружин систе-ми пружного підвішування рухомого складу

 

Мета роботи

 

Визначення експериментальної пружної характеристики гвинтових пру-жин, порівняння одержаних результатів з теоретичними та виконання розраху-нків на міцність.

 

Загальні положення

 

Пружні елементи є головною частиною системи ресорного підвішування, яка багато в чому визначає її конструкцію та ходові якості рухомого складу (ТЗ). Вони акумулюють енергію ударів коліс під час руху по нерівностях шляху та передають її кузову в процесі коливань.

 

Пружні елементи класифікуються за конструкцією, характером сприйман-ня навантаження демпфірування (гасіння) коливань. У ходових частинах ТЗ широке застосування одержали гвинтові циліндричні пружини, листові ресори, гумові й гумово-металеві, а також пневморесори. Ці пружні елементи утворю-ють центральне та буксове ресорне підвішування кузова, а тому можуть з’єднуватися послідовно і комбіновано.

 

Деякі пружні елементи володіють тертям (наприклад, листові між листами, гумові - між молекулами) і можуть виконувати роль гасителя коливань, а також розсіювання енергії коливальних процесів. Під час встановлення елементів, що не гасять коливання, таких як гвинтові пружини, до підвіски треба додавати спеціальні демпфери (гасителі) коливань.

 

Однією з головних характеристик пружних елементів є вертикальна, що показує залежність деформації від вертикального навантаження. Пружні влас-тивості елементів характеризуються коефіцієнтами жорсткості (жорсткістю) або гнучкості (гнучкістю).

 

Жорсткість Ж – це похідна від навантаження Р на пружний елемент з ви-кликаного прогину f, а гнучкість Г – похідна від прогину з навантаження:

 

Ж =	dP	;	Г =	df	=
	dP	Ж
	df

Під час паралельного з’єднання еквівалентна жорсткість Ж_е, кість комплекту ресор буде:

 

Ж_е = SЖ_i =Ж₁+Ж₂ +Ж₃ +... +Ж_i.

 

(4.1)

 

тобто жорст-

 

(4.2)

 

Під час послідовного з’єднання

 

=S

=

+

+

+....

(4.3)

^Же

^Жi

^Ж1

^Ж2

^Ж3

^Жi

або аналогічно

Ге = SГi =Г1 +Г2 +Г3 +...Гi.

(4.4)

 

Тоді еквівалентна жорсткість комплекту з двох послідовно з’єднаних ресор має вигляд:

 

Же =	Ж1×Ж2	(4.5)
Ж1+Ж2

Гвинтові циліндричні пружини для рухомого складу виготовляють з прут-ків круглого перерізу (ДСТ 1452-69) з пружинної сталі марки 55С, 60С2, де склад вуглецю складає 0.55-0.6 %, кремнію – у першому випадку 1%, а у дру-гому – 2% (ДСТ 2590-71). Для цих сталей напруження від статичного наванта-

 

ження складає τ_стат._max.= 450 МПа, динамічного t_д.max = 650 МПа, а межа міцнос-ті τ = 750 МПа.

 

Щоб забезпечити повне прилягання пружини до опорної площини, кінці заготівок відтягують на довжині ¾ витка. Кількість робочих витків n_p дорівнює на 1,5 витка менше загальної їх кількості. Для необхідної стійкості пружини відношення її вільної висоти до діаметра H_св / Д £ 3,5 (рис. 4.1).

 

Теоретичну жорсткість гвинтової пружини визначають за формулою:

 

Жm	=	P	=	Gd^4	(4.6)
	8D^3 n p
		f

 

де Р – прикладене зусилля, Н;

f – деформація пружного елемента, мм;

 

G- модуль пружності під час зсуву, приймають G= 8 ×10⁴ МПа; D і d – середній діаметр пружини й прутка відповідно, мм;

 

n _p - число робочих витків пружини.

 

 

Рис. 4.1 – Конструкція гвинтової ресори

 

Розрахунки на міцність пружин виконують за напруженнями, які виникають у витках. Кожний виток пружини працює на два основних види деформації – зріз та кручення.

 

Дотичне напруження під час кручення дорівнює:

tкр =	^К1^Моб	,	(4.7)
	W p

де К₁ - коефіцієнт, що враховує вплив кривизни витків і визначається так:

 

К₁ = 1 + 1,25 / С + 0,875 /С² +1/С³;

 

С – індекс пружини, С = D/d;

М_об.– обертальний момент, що дорівнює

 

М_об = ^{Рmax Д}, Н × мм; 2

Р_max - максимальне прикладене зусилля, Н.

 

Під час розрахунків для стендової ресори приймають Р_max = 5000 Н; W_p - полярний момент опору перерізу витка, мм³

Wp	= pd^3	(4.8)

 

Припускаємо, що дотичне напруження від перерізуючої сили рівномірно розподіляється по перерізу прутка. Значення цих напружень τ_зр дорівнюватиме

 

t		=	Р	=	4P	,	(4.9)
зр
		^Fnp	pd^2
де F пр - поперечний переріз прутка, мм^2
Сумарне дотичне напруження у витку пружини буде
t =tкр +tзр £ [t].	(4.10)

 

Лабораторний стенд

 

Стенд для знімання вертикальної пружної характеристики елементів під-вішування схематично поданий на рис. 4.2. Він являє собою гвинтовий прес, що складається з рами 1 і має зверху гайку 2 і гвинт 3 з рукояткою 4.

 

Гвинт крізь вимірювальний пристрій 5 опирається на траверсу 6 з покаж-чиком деформації 8 пружного елемента 9 по лінійці 10, або глибиноміру 7. Ви-мірювальний пристрій – це месдоза, за допомогою якої визначають зусилля на кожному кроці дії на пружний елемент. Вона складається з корпусу 11 з порож-ниною для мастила, що закрита діафрагмою 12 з мастилостійкої гуми і криш-кою 13. У кришці знаходиться поршень 14, що впливає на діафрагму і створює тиск у порожнині месдози, який пропорційний зусиллю гвинта. Знаючи тиск за манометром 15 і діаметр поршня месдози (дорівнює 125 мм.), можна знайти зу-силля впливу на пружний елемент.

 

 

 

Рис. 4.2 – Схема лабораторного стенду для знімання пружної характеристики пружини

 

Під час випробувань гумових пружних елементів, деформація яких незнач-на, для більш точних вимірювань використовують цифровий індикатор перемі-щення.

 

Порядок виконання роботи

4.1. Вивчити ці вказівки.

 

4.2. Накреслити ескіз стенду й пружини.

4.3. Виконати обмір свого варіанта пружини або комплекту й занести дані

у табл. 4.1.

 

Таблиця 4.1 – Геометричні параметри випробуваної гвинтової пружини

Дн, мм	Двн, мм	Д, мм	d, мм	n	n p	Нсв, мм	а, мм	h, мм

 

4.4. Задаючись допустимим максимальним напруженням витку [τ]_Дmax=650 МПа з рівнянь (4.7)-(4.10) визначити розрахункове значення сумарних дотич-них напружень.

 

4.5. Зробити поетапне навантаження і розвантаження пружини, записуючи показання манометра та покажчика деформацій у таблицю 4.2, а потім розраху-вати дійсне значення зусиль і переміщень.

 

Таблиця 4.2 – Результати експериментальних досліджень пружної характеристики пружини

Деформація	Зусилля
Показання пока- Дійсне значення	Показання мано- Дійсне значення
жчика	метра

Навантаження

 

Розвантаження

4.6. Побудувати графік вертикальної пружної характеристики.

 

4.7. Визначити теоретичну жорсткість пружини Ж_m і порівняти її з дійс-

ною Ж_д, що визначена за пружною характеристикою. Відношення Ж_m / Ж_д яв-

 

ляє собою поправочний коефіцієнт “ К”, що характеризує похибку теоретичної формули, яка з’являється внаслідок прийнятих припущень під час її виведення.

 

4.8. З вертикальної пружної характеристики дати оцінку енергорозсіюваної здатності пружин.

4.9. Самостійно сформулювати основні висновки за результатами роботи.

 

 

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 5