Модернизация подвески автомобиля ЗАЗ1102 Таврия
СОДЕРЖАНИЕ
Введение и постановка задачи
Условные обозначения
1 Требования к подвеске
2 Подвеска на направляющих пружинах и амортизационных стойках
2.1 Преимущества и недостатки пружинных стоек
2.2 Кинематические свойства
2.3 Силы и трение
3 Силы в пятне контакта колеса с дорогой
3.1 Определение жесткости шин ЗАЗ – 1102 «Таврия»
3.2 Определение сил и коэффициентов
4 Определение статических нагрузок в пружине и шариках
5 Расчеты на прочность
5.1 Основные теоретические положения расчетов на прочность
5.1.1 Определение допускаемых напряжений
5.1.2 Напряжения при изгибе
5.2 Расчет на выносливость и сопротивление усталости
5.2.1 Определение верхних значений сил длительного действия
5.2.2 Определение нижних значений сил длительного действия
5.2.3 Определение сил в направляющей и на поршне амортизатора при верхних значениях сил длительного действия
5.2.4 Определение сил в направляющей и на поршне амортизатора при нижних значениях сил длительного действия
5.2.5 Преобразование знакопеременной нагрузки
5.2.6 Определение сил, действующих на резиновые шарниры рычага
5.2.7 Определение напряжений и деформаций резиновых втулок-шарниров
5.3 Расчет на прочность
5.3.1 Кратковременно действующие силы
5.3.2 Силы, возникающие при движении по дороге с выбоинами
5.3.3 Силы, возникающие при торможении
5.3.4 Силы, возникающие при преодолении железнодорожного переезда
5.3.5 Силы, действующие при полном ходе отбоя колеса
6 Подрессоривание передней оси
6.1 Вертикальные колебания, их действие на человека
6.2 Определение передаточных чисел
6.3 Построение кривой жесткости подвески
7 Расчет и проектирование стального упругого элемента
7.1 Пружинные стали и их свойства
7.2 Расчет винтовой пружины
8 Расчет характеристики амортизатора
9 Построение графика изменения колеи автомобиля в зависимости от хода колеса
10Охрана труда
10.1 Меры безопасности при эксплуатации автомобиля
10.2 Требования к рабочему месту водителя
10.3 Виброизоляция сиденья самоходной машины
10.4 Устойчивость легкового автомобиля
10.5 Противопожарная безопасность
Заключение
Список литературы
Введение и постановка задачи
Основными устройствами, защищающими автомобиль от динамических воздействий дороги и сводящими колебания и вибрации к приемлемому уровню, являются подвеска и шины.
Многолетний опыт показывает, что неровности дороги и вызываемые ими колебания кузова и колес автомобиля ведут, как правило, к ухудшению всех его эксплуатационно-технических качеств и к тем большему, чем хуже качество дороги.
Можно считать, что на дорогах с неровной поверхностью снижается производительность автомобиля вследствие уменьшения скоростей движения и увеличения простоев, возрастают расходы на техническое обслуживание и ремонты. Кроме этих прямых потерь есть и косвенные, вызванные, в частности, слабым использованием сети дорог с неровной поверхностью. Прямые и косвенные потери от эксплуатации различных автомобилей и автопоездов на дорогах с неровной поверхностью исчисляются значительными денежными суммами.
Есть два пути уменьшения этих потерь — строительство дорог с усовершенствованным покрытием и улучшение качества подвески. Оба направления дополняют друг друга, так как строительство дорог — процесс длительный и дорогостоящий. Кроме того, всегда требуется некоторое количество автомобилей повышенной и высокой проходимости, которым необходима совершенная подвеска.
Подвеской автомобиля называют совокупность устройств, связывающих колеса с рамой (кузовом) и предназначенных для уменьшения динамических нагрузок, передающихся автомобилю вследствие неровной поверхности дороги, а также обеспечивающих передачу всех видов сил и моментов, действующих между колесом и рамой (кузовом).
Разнообразные силы взаимодействия колеса и дороги можно свести к трем составляющим: вертикальной Z, продольной Х, поперечной или боковой У (рис.1). Передача этих сил и их моментов состоит из трех устройств: упругого, демпфирующего и направляющего.
Упругим устройством на подрессоренную массу передаются вертикальные силы, действующие со стороны дороги, уменьшаются динамические нагрузки и улучшается плавность хода.
Направляющее устройство — механизм, воспринимающий действующие на колесо продольные и боковые силы и их моменты. Кинематика направляющего устройства определяет характер перемещения колеса относительно несущей системы.
Демпфирующее устройство — предназначено для гашения колебаний кузова и колес путем преобразования энергии колебаний в тепловую и рассеивание ее в окружающую среду.
Кроме того задачи повышения плавности хода на автомобильном транспорте становятся актуальней потому как это связано не только с требованиями повышения ресурса динамически нагруженных узлов автомобиля, но и с причиной перемещения центра вопроса в область обеспечения высокой безопасности движения, комфортабельности водителя и пассажиров и защиты их от воздействия высокочастотных колебаний. Особенно это важно для легковых автомобилей, которые, как правило, эксплуатируются при более высоких скоростях, чем грузовые и значительно легче последних, а потому более полно воспринимают неровности дороги. Однако большая номенклатура существующих конструкций подвесок говорит об отсутствии, какой либо универсальной. Более того, зачастую, казалось бы, подходящая конструкция для конкретного типа автомобиля требует доработки, и переработки ввиду различного рода эксплуатационных факторов, морального старения, с учетом возможности дальнейшей модернизации, с целью повышения ресурса и уменьшения нагрузок на её детали и узлы. Последнее время распространение получают подвески с увеличенными ходами. Это способствует высокой плавности хода. Наиболее известной является подвеска на несущих пружинных стойках (типа «Макферсон»). При относительной простоте она позволяет приобрести массу положительных эффектов, о которых будет сказано ниже.
Целью настоящей работы является расчет силовых факторов подвески на направляющей пружинной стойке переднеприводного автомобиля ЗАЗ-1102 «Таврия» с введением изменений. А именно: смещения амортизатора относительно пружины на угол α=7º. Расчет основных геометрических параметров элементов и деталей, расчет их основных физических свойств, проведение кинематического и силового анализа, проверка адекватности используемой методики.
Условные обозначения
Силы, действующие в пятне контакта колеса с дорогой
F – сила упругости;
LА – сила тяги;
LВ – тормозная сила;
NV1 h – нагрузка от колеса (нормальная сила, равная половине допустимой нагрузки соответственно на переднюю или заднюю оси);
NV ′1h – нормальная нагрузка (вертикальная), действующая на кузов, в расчете соответственно на заднюю или переднюю оси;
± ∆N – колебания нагрузки на колесe;
± S1 – продолжительно действующая боковая сила;
± S2 – кратковременно действующая боковая сила;
U – вес неподрессоренных частей, отнесенный к оси.
Нижние индексы
h – задний;
v – передний;
о – верхний предел;
u – нижний предел;
ℓ – нагрузка продолжительного действия;
2 – при движении по железнодорожному переезду;
3, 4 – при движении по дороге с выбоинами;
5 – при торможении.
Моменты
Мbo – верхнее значение длительно действующего изгибающего момента;
Мbu – нижнее значение длительно действующего изгибающего момента;
Мbw – изгибающий момент при чистом знакопеременном изгибе.
Расчеты на прочность (по ДИН 1350 и ДИН 50100)
αА – соотношение напряжений;
αК – коэффициент концентрации напряжений;
βК – то же, обусловленный формат поверхности;
βN – то же, обусловленный посадкой;
γ – отношение предела текучести к временному сопротивлению;
δ – удлинение;
υ – запас прочности;
b1 – масштабный коэффициент, учитывающий влияние размеров;
b2 – масштабный коэффициент, учитывающий шероховатость обработанной поверхности;
σ – нормальное напряжение;
τ – касательное напряжение при срезе или кручении;
fw – коэффициент, учитывающий материал.
Нижние индексы
а – амплитудное значение действующих напряжений;
b – напряжение при изгибе;
m – среднее значение напряжений;
o – верхнее значение предельных напряжений;
t – напряжения при кручении;
u – нижнее значение предельных напряжений;
доп. – допускаемые напряжения;
А – допускаемое амплитудное значение напряжений (на испытуемом образце);
В – временное сопротивление.
Жесткость системы подрессоривания
С1 – жесткость шин при принятом для данного автомобиля давлении в шинах;
С2 – жесткость подвески кузова, приведенная к одному колесу, при равностороннем нагружении обеих (левой и правой) подвесок;
С2 А – жесткость подвески кузова, приведенная к оси, при равностороннем нагружении обеих подвесок;
С3 – жесткость стабилизатора, приведенная к одному колесу, при разностороннем нагружении подвесок;
СF – жесткость собственно упругого элемента, приведенная к месту его опоры;
CS – жесткость стабилизатора, измеряемая на концах рычагов при разностороннем нагружении подвесок.
Частота колебаний
nІ – частота недемпфированных колебаний оси в вертикальном направлении, мин.
nІ D – то же, демпфированных колебаний;
nІІ – частота недемпфированных колебаний кузова в вертикальном направлении;
nІІ D – то же, демпфированных колебаний.
Передаточные числа и числа витков пружин
if – число рабочих витков;
ig – общее число витков;
iw – передаточное отношение при поперечно-угловом подрессоривании;
ix – кинематическое передаточное число;
iy – силовое передаточное число.
1 Требования к подвеске
Подвеска, являясь промежуточным звеном между кузовом автомобиля и дорогой, должна быть легкой и наряду с высокой комфортабельностью обеспечить максимальную безопасность движения. Для этого необходимы точная кинематика колес, легкость поворота управляемых колес, а также изоляция кузова от дорожных шумов и жесткого качения радиальных шин. Кроме того, надо учитывать, что подвеска передает на кузов силы, возникающие в пятне контакта колеса с дорогой, поэтому она должна быть прочной и долговечной (рис. 1). Наиболее характерными требованиями к подвеске являются:
1. Обеспечение движения по неровным дорогам без ударов в ограничитель.
2. Ограничение поперечного крена автомобиля.
3. Обеспечение затухания колебаний кузова и колес.
4. Постоянство колеи и углов установки колес.
5. снижение массы неподрессоренных частей.
6. Общие требования.
Детали, соединяющие опоры подшипника колеса с кузовом (рычаги, штанги и упругие элементы), должны удовлетворять этим требованиям. Применяемые шарниры должны легко поворачиваться, быть малоподатливыми и вместе с тем обеспечивать шумоизоляцию кузова. Рычаги должны передавать силы во всех направлениях, а также тяговые и тормозные моменты и быть при этом не слишком тяжелыми или дорогими. Упругие элементы при эффективном использовании материала должны быть простыми и компактными и допускать достаточный ход подвески.
Рис. 1 Силы, действующие в точке контакта колеса с дорогой (левое переднее колесо):
Fb – сила сопротивления качению или тормозная сила;
Fn – вертикальная сила;
Fs – боковая сила.
Подвеска автомобиля и демпфирование в ней должны обеспечить комфортабельность движения (плавность хода); безопасность движения и устойчивость на поворотах.
Свойства самой подвески зависят от различных параметров и взаимодействия отдельных деталей, т. е. от типа и жесткости упругих элементов, стабилизаторов, шарниров рычагов, амортизаторов и их соединения, массы осей, типа подвески двигателя, колесной базы, колеи и особенно от шин.
· Тип и жесткость упругих элементов.
Мягкие пружины и большие хода подвески являются предпосылкой высокой плавности хода автомобиля, достаточной свободы продольных угловых колебаний кузова и хорошего держания, дороги шинами. Последнее условие необходимо и для обеспечения безопасности движения.
Если, например, колесо, нагруженное NV1 h = 2944 Н, попадает в выбоину глубиной 80 мм, то при мягкой подвеске с жесткостью упругого элемента С2 = 10 Н/мм в момент касания колесами дна выбоины остаточная сила
N′ = NV1 h - С2 f2 = 2944 – 10 х 80 = 2144 Н.
При жесткой («спортивной») подвеске с С2 = 20 Н/мм эта сила составила бы лишь 1344 Н. Более высокое значение остаточной силы означает лучшее сцепление с дорогой. Аналогичным образом можно рассмотреть переезд дорожной неровности высотой 40 мм. При более жесткой подвеске увеличение силы, передаваемой подвеской на кузов в виде удара, составит без учета демпфирования ∆N = 800 Н. При мягкой подвеске это увеличение нагрузки на колесо будет меньшим. Недостатком мягкой подвески будет больший крен кузова на поворотах и связанное с этим уменьшение способности шин воспринимать боковые силы. При независимой подвеске колеса наклоняются вместе с кузовом. Наружное по отношению к центру поворота колесо воспринимает основную часть боковых сил и приобретает положительный угол развала. В результате этого наклон шины увеличивается.
· Стабилизаторы.
Стремление автомобиля к крену может быть ослаблено благодаря применению стабилизаторов на обеих осях или только на передней. Недостатком в этом случае является большая жесткость подвески при воздействии неровностей с одной стороны автомобиля, когда уменьшается способность подвески к гашению ударов, создаваемых булыжной мостовой и неровностями дорожного покрытия.
· Шарниры рычагов.
К повышению жесткости подвески могут приводить также слишком жесткие шарниры рычагов направляющего устройства. Если речь идет о подшипниках скольжения, то в точках изменения направления колебаний необходимо учитывать появление силы сопротивления, которую следует рассматривать одновременно с повышением демпфирующего эффекта. Если же в качестве шарниров использованы резиновые элементы, запрессованные между внутренней и наружной втулками, то при повороте рычага в предварительно напряженной резине возникают напряжения сдвига, что приводит к увеличению общей жесткости подвески.
· Амортизаторы и их соединения.
Демпфирование оказывает на свойства подвески автомобиля аналогичное воздействие. «Жесткие» амортизаторы способствуют хорошему контакту колес с дорогой, но ухудшают плавность хода. Более «мягкие» амортизаторы делают движение более комфортабельным, но не способствуют повышению безопасности. Аналогичным образом слишком мягкие элементы соединения амортизаторов, хотя и способствуют изоляции от дорожного шума и обеспечивают необходимую свободу углового перемещения, но они приводят к запаздыванию срабатывания амортизатора, тем самым уменьшают его эффективность.
· Масса осей.
Для демпфирования колебаний легкой оси (т. е. для уменьшения колебаний колес) в большинстве случаев достаточно той регулировки амортизатора, которая предусмотрена для демпфирования колебаний кузова. Для тяжелого ведущего неразрезного моста, напротив, требуются более высокие силы демпфирования, которые в свою очередь снижают плавность хода.
· Подвеска двигателя.
Мягкая и по частоте собственных колебаний неправильно выбранная подвеска двигателя может привести к тому, что установленный без демпфирующих элементов силовой агрегат при определенных частотах вращения коленчатого вала будет колебаться с частотой собственных колебаний и вызовет неприятные вибрации кузова и рулевого управления. В таких случаях рекомендуется использовать гаситель колебаний двигателя.
· Колесная база.
Автомобиль с большой (по сравнению с общей длиной) колесной базой L имеет меньшую склонность опрокидывания в продольном направлении и продольным угловым колебаниям, чем автомобиль с малой базой.
· Колея.
Чем больше колея автомобиля, тем меньше крен кузова на поворотах и опасность опрокидывания при заносе.
· Шины.
Мягкие шины лучше поглощают толчки от коротких неровностей дороги. Однако недостатком таких шин является меньший коэффициент бокового сцепления на поворотах, а также замедленная реакция на резкий поворот рулевого колеса.
2 Подвеска на направляющих пружинных и амортизаторных стойках
Если упругие силы передаются вверху в зоне крепления штока, а внизу приходится на корпус амортизатора, то речь идет о направляющих пружинных стойках. Если же пружина установлена на нижнем рычаге либо с ним соединяется торсион или листовая рессора, такой вариант конструкции называется амортизаторной стойкой.
Применявшийся ранее термин «подвеска Макферсона» со временем был заменен термином «подвеска на направляющих и амортизаторных стойках».
2.1 Преимущества и недостатки пружинных стоек
Направляющая пружинная стойка представляет собой развитие подвески на двойных поперечных рычагах. Верхний рычаг здесь заменен точкой крепления на брызговике крыла кузова, где опирается шток стойки и пружина подвески. В этой точке воспринимаются силы во всех направлениях, которые, со своей стороны, вызывают нагружение штока на изгиб. Чтобы избежать нежелательного изменения развала и продольного наклона, обусловленных податливостью, диаметр штока должен быть увеличен с 11 мм хотя бы до 18мм; при сохранении прежнего диаметра поршня демпфирование осуществляется по двухтрубной схеме.
Основное преимущество направляющей пружинной стойки в том, что все детали, выполняющие упругую работу и направляющие функции, могут быть объединены в одну монтажную единицу. Имеются в виду следующие детали: чашка для опоры нижнего торца пружины, дополнительный упругий элемент или буфер сжатия, буфер отбоя, собственно демпфирующая часть и опора подшипника колеса (поворотный кулак).
Последняя деталь может жестко соединяться с корпусом посредством сварки, твердой пайки либо иметь разъемное болтовое соединение.
Другие преимущества, связанные с подвесками на направляющих стойках (рис. 2):
- меньшие усилия в точках крепления к кузову (A, D) за счет большого расстояния между ними;
- небольшое расстояние b между точками N и G, приложения нормальной реакции дороги и центра шаровой опоры соответственно;
- большие хода подвески;
- упразднение трех опорных точек;
- лучшая возможность создания передней зоны деформации.
Противостоящие им следующие неизбежные недостатки благодаря конструктивным мероприятиям в передних подвесках уже явно не проявляются:
- неблагоприятные кинематические характеристики;
- восприятие усилий и колебаний брызговиками, т. е. передней частью кузова;
- затрудненная изоляция от дорожных шумов;
- меньшая возможность достаточного противодействия продольному крену при торможении;
- трение между штоком и его направляющей, ухудшающее упругое действие;
- неблагоприятно длинные рулевые тяги при верхнем расположении реечного рулевого механизма;
- большая чувствительность передней подвески к дисбалансу и биению шин;
- иногда малый зазор между шиной и демпфирующей частью.
Последнее, однако, имеет значение только при переднем приводе, поскольку исключает возможность установки цепей противоскольжения. При ведомых колесах указанный недостаточный зазор не позволил бы лишь установку более широких шин. В случае безусловной необходимости таких шин следует применять колеса с меньшим вылетом С, которые, однако, неблагоприятно увеличивают плечо обкатки Ro (рис. 2.1)
В течение последних десяти лет направляющие пружины и амортизаторные стойки получили широкое применение в передних подвесках, однако их часто используют и для подвески задних колес переднеприводных автомобилей. Приподнятая из аэродинамических соображений задняя часть кузова позволяет использовать направляющую базу между направляющей штока и поршнем.
2.2 Кинематические свойства
Высокое расположение центра крена W может быть получено только за счет наклона стойки (т. е. нежелательно большого угла δо поперечного наклона оси поворота) или нежелательного наклона нижнего рычага (рис. 2). Таким образом, центр крена расположен не выше (как часто полагают), чем в подвеске на двойных поперечных рычагах; более того, при нагружении он опускается в большей степени. На изменение колеи, как и на изменение развала, здесь повлиять труднее, чем при двойных поперечных рычагах. Изменение развала становится особенно неблагоприятным, если для получения меньшего перераспределения колесных нагрузок на повороте центр крена (например на переднеприводном автомобиле) должен располагаться спереди низко или же для устойчивости прямолинейного движения желательно иметь лишь небольшое изменение колеи. Стойка располагается тогда почти вертикально, а нижний рычаг практически не имеет подъема от нагруженного шарнира к внутреннему (рис. 2.1).
Рис. 2. Направляющая стойка с соосной пружиной.
Чем больше наклон нижнего рычага GD, тем выше расположены наклон Р и центр крена W, который определяется соединением точек Р и N. Недостатком такого решения может считаться большое изменение колеи. Приложенная в точке N вертикальная сила Fn дает на плече b момент, который должен восприниматься в стойке двумя скользящими опорами С и К.
При сохранении высоты hw центра крена кинематические свойства могут быть улучшены удлинением нижнего рычага до точки D2 вместо D1. Однако такая возможность может быть осуществлена только в задних подвесках, спереди же наибольшую длину рычагов определяет ширина расположенных рядом двигателя и агрегатов.
Рис. 2.1 Схема для определения центра крена
Чем более отвесно установлена пружинная или амортизаторная стойка и чем ближе к горизонтали положение нижнего рычага GD, тем меньше высота hw центра крена W, следствием чего является неблагоприятное изменение развала при ходе сжатия. Удлинением нижнего рычага (GD2 вместо GD1) можно улучшить кинематические свойства. Для получения малого или отрицательного плеча обкатки Ro точка G должна быть смещена наружу, в пространство колеса; в результате благоприятно уменьшается плечо b действия вертикальной силы Fn (b = Ro + d tg δo). Чем короче отрезок b, тем меньше опасность заклинивания в направляющей и на поршне и меньше силы в опорных точках D, А, G.
Экономичнее всего поручить исполнение функций нижнего направляющего элемента в продольном направлении стабилизатору. Однако плечи стабилизатора перемещаются по дуговым траекториям и поэтому при ходах подвески смещают поперечные рычаги подвески вперед или назад в точках прикрепления. Эти отклонения могут быть компенсированы применением длинных плеч стабилизатора, однако это связано с увеличением диаметра, т. е. повышенной массой и стоимостью.
Если стабилизатор расположен перед осью колес, то его спинка для обеспечения требуемого дорожного просвета размещается высоко. Направленные назад плечи стабилизатора опускаются от спинки к концам, что приводит к расположению центра продольного крена перед осью колес. В результате передняя часть кузова при торможении дополнительно подтягивается вниз. Этот недостаток можно было бы устранить размещением стабилизатора, выполняющего и направляющие функции, позади колес. Если стабилизатор не исполняет направляющих функций, как показатель экономичности, он может иметь короткие плечи и при меньшем диаметре – более высокую приведенную жесткость.
Изменение развала под действием боковых сил на повороте, приложенных в точке контакта колеса, меньше, чем в подвеске на двойных поперечных рычагах. Массовые обследования, выполненные в лаборатории шасси Высшего технического училища г. Кельна, дали следующую среднюю величину (при исключении податливости диска колеса): ∆γ5 = 22′ на 1 кН боковой силы. В подвесках на двойных поперечных рычагах это значение несколько выше: 25′.
2.3 Силы и трение
Когда колесо совершает ход сжатия или отбоя, то неподвижно соединенный с опорой подшипника колеса рабочий цилиндр демпфирующего элемента перемещается относительно поршня и штока. Если упругим элементом служат продольные торсионы, поперечная рессора или в верхней опорной точке фиксируется только шток, а не пружина подвески, то при повороте руля происходит относительное вращение, которое уменьшает или почти полностью устраняет трение в направляющей штока и на поршне. Пружины должны при этом иметь возможность поворота на неподвижной верхней опоре, в противном случае в результате их деформации в них появились бы дополнительные напряжения изгиба и возник бы возвратный момент. Если пружина установлена соосно с амортизатором, то как в статике, так и при прямолинейном движении без внешних воздействий в точке крепления А к кузову действует поперечная сила FАУ (рис. 2.3.1). Она вызывает на поршне реакцию того же направления, а на направляющей штока – приблизительно вдвое большую силу FСУ:
FСУ= FАУ + FКУ.
Поршень имеет большой диаметр, что обусловливает малое давление на поверхности, и, кроме того, скользит в амортизаторной жидкости; шток же имеет меньший диаметр и испытывает большую боковую нагрузку. Чем больше FСУ, тем больше сила трения Fч в направляющей; соответственно возрастает и требуемое для ее преодоления изменение нагрузки на колесо.
Силу FСУ легко рассчитать по размерам, обозначенным на рис. 2.3.3, массе Мv, приходящейся на ось, и неподрессоренной массе Мuv. Вертикальная сила F′n в Ньютонах: F′n = (Мv - Мuv) / 2g, отсюда
Чем длиннее сама пружинная стойка (т.е. размер с) и чем короче размер b, тем меньше будет сила FСУ. Однако размер b складывается из двух отрезков: d tg δo и Ro, т. е. малое или отрицательное плечо обкатки позволяет уменьшить силу FСУ.
