Автосервис с участком ремонта ходовой части автомобиля

5. СПЕЦИАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

5.1. Расчет подвески

5.1.1. Назначение, требования к конструкции, классификация.

 

Подвеска осуществляет упругое  соединение рамы или кузова с мостами (колесами) автомобиля, воспринимая  вертикальные усилия и обеспечивая  необходимую плавность хода. Кроме того, она служит для восприятия продольных и поперечных усилий, а также реактивных моментов и состоит из упругих элементов, направляющих устройств и амортизаторов. Упругие элементы смягчают динамические нагрузки, воспринимают и передают на раму нормальные силы, действующие от дороги, обеспечивают плавность хода автомобиля. Для получения хорошей плавности хода собственная частота колебаний подрессорной массы автомобиля на подвеске во всем диапазоне эксплуатационных нагрузок должна быть малой:

• легковые автомобили:  50¸70 кол /мин (0,8¸1,2 Гц);
• грузовые автомобили:  70¸100 кол/мин (1,2¸1,9 Гц).

Это соответствует уровню биения человеческого пульса при  быстрой ходьбе.

Направляющее устройство воспринимает действующие на колеса продольные и поперечные (боковые) силы и их моменты. Кинематика направляющего устройства определяет характер перемещения колес относительно рамы и оказывает влияние на устойчивость и поворачиваемость автомобиля.

Амортизаторы гасят  колебания подрессорных и неподрессорных масс. В некоторых подвесках усиливаются стабилизаторы бокового крена, которые уменьшают поперечные наклоны кузова при повороте автомобиля.

Требования, предъявляемые  к подвескам, следующие:

• обеспечить оптимальные характеристики упругих элементов, направляющих устройств, амортизаторов и стабилизаторов;
• оптимальная собственная частота колебаний кузова, определяемая величиной статического прогиба fст, который, в свою очередь, определяет плавность хода при движении по дорогам с ровной и твердой поверхностью;
• достаточный динамический фактор fд, исключающий удары в ограничители прогиба. Этот параметр определяет предельную скорость движения автомобиля по неровным дорогам без ударов в ограничитель;
• наиболее рациональные конструктивные формы и размеры всех узлов и деталей подвески, достаточная прочность, надежность и долговечность деталей и других элементов подвески;
• обеспечение быстрого затухания колебаний кузова и колес;
• противодействие кренам при повороте, “клевкам” при торможении и “приседаниям” при разгоне автомобиля;
• постоянство колеи и углов установки шкворней управляемых колес соответствие кинематики перемещения колес кинематике привода рулевого управления, исключающее колебания управляемых колес;
• снижение массы неподрессорных частей автомобиля и приспособленности колес к неровностям пути при переезде через препятствия.

   

Классификация подвесок:

1. По типу упругого элемента:

• металлические (листовые рессоры, спиральные пружины, торсионы);

• пневматические (резино-кордные баллоны, диафрагменные, комбинированные);
• гидравлические (без противодавления, с противодавлением) ;
• резиновые элементы (работающие на сжатие, работающие на кручение).

2. По схеме управляющего устройства:

• зависимые с неразрезным мостом (автономные, балансирные для подрессоривания 2-х близко расположенных мостов);
• независимые с разрезанным мостом (с перемещением колеса в продольной плоскости, с перемещением колеса в поперечной плоскости, свечная, с вертикальным перемещением колеса).

3. По способу гашения колебаний:

• гидравлические амортизаторы (рычажные, телескопические);
• механическое трение (трение в упругом элементе и направляющем устройстве). Для получения мягкой подвески нужно, чтобы потери на трение не превышали 5%. Повышенная плавность приводит к ухудшению кинематики перемещения колес, ухудшению устойчивости и увеличения бокового крена колес.

4. По способу передачи сил и моментов колес:

• рессорная, штанговая, рычажная.

5. По наличию шкворня:

• шкворневая, бесшкворневая.

 

5.1.2. Упругая характеристика подвески

5.1.2.1. Основные параметры подвески

 

Качество подвески определяется с помощью упругой характеристики, представляющей собой зависимость вертикальной нагрузки на колесо (G)  от деформации (прогиба f) подвески, измеряемой непосредственно над осью колеса. Параметрами характеризующими упругие свойства подвески, являются:

• статический прогиб fст;
• динамический ход (прогиб) fД (fд^в и fд^н - до верхнего и нижнего ограничителей хода);
• коэффициент динамичности КД;
• жесткость подвески Ср;
• силы трения 2F.

На рис. 5.1. показана примерная характеристика подвески.

Кривые нагрузки и разгрузки не совпадают из-за трения в подвеске. За характеристику подвески условно принимают среднюю линию между кривыми сжатия и растяжения (отбоя).

Статический прогиб – это прогиб под действием статической нагрузки, приходящейся на колесо:

где n– собственная частота колебаний кузова, кол/мин.

Желательно, чтобы эффективный  статический прогиб соответствовал следующим данным:

для легковых автомобилей – 150¸300 мм;

для автобусов                       – 100¸200 мм;

для грузовых автомобилей  –   80¸140 мм.

Для обеспечения надлежащей плавности хода желательно также, чтобы  отношение статических прогибов задней и передней подвесок  fз/fп  находилось в следующих пределах:

легковые автомобили – 0,8¸0,9;

грузовые автомобили и автобусы – 1,0¸1,2.

Жесткость подвески равна тангенсу угла наклона касательной к средней линии характеристики подвески:

При статической нагрузке : Cp=Gст/fст, Н/мм

Полные динамические ходы отбоя  fд^в и fд^н,а также прогибы f’ox и f”ox, при которых вступают в работу ограничители хода, показаны на рис. 5.1.

Динамический прогиб подвески fд определяет динамическую емкость подвески (заштрихованная площадь на рис. 5.1). Чем выше динамическая емкость подвески, тем меньше вероятность ударов в ограничитель при движении автомобиля по неровной дороге. Динамический прогиб fд (включая прогиб резинового буфера) зависит от упругой характеристики подвески и от статического прогиба fст. Динамические прогибы сжатия fд можно принять в

следующих пределах:

• для легковых автомобилей fд^в=fд=(0,5¸0,6) fст;
• для грузовых автомобилей fд^в=fд=fст;
• для автобусов fд^в=fд=(0,7¸0,8) fст.

Динамические качества подвески оценивает  коэффициент динамичности КД по формуле:

 

Упругая характеристика подвески.

     рис. 5.1

 

При движении по неровным дорогам с увеличением амплитуды  колебаний подвески ее жесткость должна увеличиваться. При малых значениях КД наблюдаются частые удары в ограничитель и подвеска «пробивается».

Оптимальное значение КД равно 2,5¸3. Упругую характеристику подвески желательно иметь нелинейную, что достигается применением дополнительных, упругих элементов, резиновых буферов и другими методами.

5.1.2.2.Упругая характеристика с двумя упругими элементами.

 

Построение упругой  характеристики с 2-мя упругими элементами (рессорой и буфером) производим в  следующей последовательности (рис. 6.2):

• находим точку А по координатам fст и G2а, предварительно определив fст по формуле (2.1), а G2а–найдя полную массу автомобиля, приходящуюся на расчетную рессору автомобиля, и жесткость на этом участке будет равна:

 

• по найденному значению fст в зависимости от типа автомобиля и рекомендаций, приведенных выше, определяем fд=fст fд=81мм;
• жесткость подвески сохраняется постоянной и равной Cp1 до нагрузки G”=1,4G2a, т.е. до вступления в работу буфера (ограничителя хода). Тогда прогиб подвески на участке от G2a до G”составит:

 

а прогиб  при работе ограничителя хода:

 

• по координатам G”и fox строим точку В;
• задаваясь значением коэффициента динамичности КД=2,5¸3, найдем Gmax=kД*G2a и жесткость подвески с ограничителем хода (буфером) Cp2 по формулам:

 

наибольшее перемещение  колеса из нижнего крайнего положения  колеса вверх до упора найдем по формуле:

• по координатам Gmax и fmax строим точку С.

 

Упругая характеристика подвески с двумя упругими элементами.

рис. 5.2 .

5.1.3. Нагрузки на упругий элемент и прогиб.

 

От кинематической схемы  подвески зависит компоновка автомобиля, плавность хода, устойчивость и управляемость, масса автомобиля, его надежность и долговечность.

Нагрузка на упругий элемент:

где: Rz-нормальная реакция полнота дороги на колесо, Н;

       gk-нагрузка от массы колеса и моста ( неподрессорные массы), Н;

На расчетную рессору  ГАЗ-53А приходится неподрессорной массы:1/2 массы переднего моста и масса одного колеса.

gk=1/2*1380+840=1530 Н.

Rz=G2a=9050 Н.

Pp=9050-1530=7520 Н.

Прогиб упругого элемента равен перемещению колес относительно кузова.

                                                     fp=fk

 

Зависимая подвеска.

      рис. 5.3.

5.1.4.Упругие элементы подвески и их расчет. Листовые рессоры.

 

Наибольшее распространение среди упругих элементов имеют листовые рессоры. Их положительными свойствами являются относительно простая технология изготовления, удобство ремонта и возможность выполнять функцию направляющего устройства. Недостаток листовых рессор - высокая металлоемкость и недостаточный срок службы. Величина потенциальной энергии при упругой деформации у рессоры в 2 – 3 раза меньше, чем торсионов и пружин. Однако и пружины, и торсионы требуют рычажного направляющего устройства, что увеличивает вес подвески. Из листовых рессор наиболее распространенными являются:

• полуэллиптическая (качающаяся серьга) рис. 5.4.;

     рис. 5.4.

 

• кантилеверная (консольная);
• четвертная (защемленная).

Наибольшее распространение  из них имеет полуэллиптическая  рессора, серьга которой имеет наклон около 5°, а при максимальном прогибе до 40°. Листы растягиваются под действием сил S и за счет этого увеличивается жесткость рессоры. В настоящее время применяют рессоры в проушинах которых устанавливают резиновые втулки, что уменьшает скручивающие усилия при перекосе мостов. Отрицательно влияет на работу рессор трение между листами, поэтому их смазывают графитовой смазкой, а для легковых машин применяют неметаллические прокладки. По концам рессорных листов устанавливают вставки из пластмасс или пористой резины (против сухого трения).

Материалом для изготовления рессор служат стали 55ГС, 50С2, 60С2.

Для несимметричной полуэллиптической  листовой рессоры прогиб fp под нагрузкой Pp может быть найден по формуле:

где lэ - эффективная длина рессоры, равная lэ= l-lо (l -полная длина, lо -расстояние между стремянками, для ГАЗ-53А lо=100мм);

lэ=1450-100=1350мм

Рр-нагрузка от моста или расчетная нагрузка;

Е=2,15*10⁵Мпа – модуль, продольной упругости;

• суммарный момент инерции рессоры в среднем сечении (b и hi -ширина и толщина листов);

δ - коэффициент деформации, учитывает влияние последующих листов на предыдущие, который для рессор равного сопротивления изгибу (идеальная рессора) равен 1,45¸1,50 и для реальных – 1,25¸1,45; δ=1,35

        ε - коэффициент асимметрии, равный:

 

В существующих конструкциях коэффициент асимметрии ε=0,1¸0,3; ε=0,15.

где n–число листов рессоры.

Полученное значение fp должно быть меньше значения fmax (см. упругую характеристику подвески).это условие является обязательным для обеспечения нормальной работы подвески.

 

Длина рессор принимается  в зависимости от базы автомобилей:

l=(0,35¸0,5)Б – для легковых;

l=(0,25¸0,35)Б – для грузовых.

Проверку на прочность проводим по напряжениям изгиба:

 

где: Pmax=КД*РР;

 

[σ]=600¸700 ,Мпа

 

 

[σи]< [σ]

650Мпа<700Мпа

Жесткость определяем по формуле:

 

5.1.5. Расчет амортизаторов.

5.1.5.1. Расчет амортизаторов и быстрота затухания колебаний.

 

Устройство, гасящее колебание  в подвеске и называемое амортизатором, совместно с трением в подвеске создаёт силы сопротивления колебаниям автомобиля и переводит механическую энергию колебаний в тепловую. На автомобилях широко применяются гидравлические амортизаторы двухстороннего действия: рычажные и телескопические. Телескопические амортизаторы легче рычажных, имеют более развитую поверхность охлаждения, работают при меньших давлениях (2,5 – 5,0 МПа), технологичнее в производстве. В силу указанных преимуществ они получили широкое распространение на отечественных и зарубежных автомобилях. Основные параметры и размеры телескопических амортизаторов стандартизированы (ГОСТ 11728 – 76).