Расчет сборочных единиц ходовой части

Ходовая часть является экипажной основой автомобиля. Она состоит из несущей системы, передней и задней осей, именуемых мостами, колес с шинами и подвески, соединяющей мосты с несущей системой (рамой или кузовом). Расчет производится в основном балки мостов, поворотного кулака, шкворня, рессор и подвески.

Расчет балки моста, поворотного кулака и шкворня производят для двух случаев нагружения моста: при торможении автомобиля с максимальным замедлением и при заносе. Расчетные схемысоставляют с допущениями: считают геометрические оси цапфсовпадающими, оси шкворней вертикальными, балку прямой (рисунок 6.10).

Во время торможения на передний мост действуют две группы сил. К первой группе относятся вертикальные нагрузки G' и G" и толкающие усилия Т и Т", приложенные к площадкам крепления рессор, ко второй группе – нормальные Z' и Z" и продольные Р'_τ1и Р''_τреакции дороги, приложенные к колесам. При упрощенных расчетах (где Z₁-нормальная реакция можно считать, что Z'= Z'' = 0,5 Z₁; Р'_τ1= Р''_τ= 0,5 φZ₁ дороги на переднюю ось автомобиля, соответствующая статическому распределению силы тяжести автомобиля по осям).

Рисунок 6.10 Схема для расчета балки переднего моста

и эпюры моментов.

При заносе силы Т и Р_τотсутствуют, но на переднюю ось через рессоры действует боковая сила Р_у1, приложенная на высоте h_g центра тяжести автомобиля, а на колеса, помимо нормальных реакций, – боковые реакции Y' и Y", препятствующие скольжению автомобиля вбок.

Балка моста при торможении изгибается в вертикальной плоскости моментом М_в, в горизонтальной – моментом М_r, а участки моста от головок до площадок для крепления рессор скручиваются моментом М_τ. Эпюры этих моментов представлены на рисунке 6.10. Максимальные значения моментов

М_в = 0,5Z₁l₂; М_r = 0,5φZ₁l₂; М_τ= P_τr = 0,5φZ₁l₂. (6.38)

Согласно эпюрам опасными при торможении являются сечения балки под площадками крепления рессор. Условия прочности этих сечений при изгибе и кручении следующие:

МПа; (6.39)

МПа, (6.40)

где W_ив, W_иг и W_к – моменты сопротивления опасных сечений балки соответственно при изгибе в вертикальной и горизонтальной плоскостяхи кручении (без учета наличия площадки крепления рессоры).

Во время заноса балка изгибается только в вертикальной плоскости поддействием момента Zl + Yr. Согласно эпюре этих моментов (рисунок 6.10)при заносе возможным опасным сечением для той половины балки, в сторону которой действует сила Р_у1, является сечение А–А по шкворневому отверстию в головке, а для противоположной половины балки – сечение Б–Б под площадкой крепления рессоры. Изгибающие моменты в

этих сечениях

М_нА = Z^′ l₁ – Y^′ r = Z^′ (l₁ – φ r) = (Z₁/2) [1+(2φh_g/B)](l₁ – φ_r) (6.41)

М_нБ = Z^′ l₂ + Y^′′ r = Z^′′ (l₂ + φ r) = (Z₁/2) [1+(2φh_g/B)](l₂ + φ_r)

Из опыта эксплуатации автомобилей известно, что у поворотного кулака опасным является сечение А–А (рисунок 6.11) в месте перехода цапфы 1 во фланец 2 крепления опорного диска тормоза. При торможении момент М_τвоспринимается этим диском, поэтому в сечении А–А возникает только напряжение от изгиба

< 550 МПа. (6.42)

При заносе изгибающие моменты в опасных сечениях правого и левого поворотных кулаков различны. Их определяют по формулам (6.41),в которые вместо l₁ и 1₂подставляют l₃.

Шкворень нагружен по концам силами, возникающими при взаимодействии с поворотным кулаком (рисунок 6.11, б и в). При торможении момент Z^′l₁ нормальной реакции дороги уравновешивается моментом пары силQ_z, действующих на кулак со стороны шкворня, т.е.

. (6.43)

Рисунок 6.11 Схемы для расчета поворотного кулака и шкворня:

а – расчетная; б и в – сил, действующих на шкворень

соответственно в поперечной и продольной плоскостях автомобиля.

Тормозная сила Р_τ, приведенная к оси цапфы поворотного кулака, уравновешивается силами Q_τ, действующими на кулак со стороны шкворня, а момент Р_τ r – действием пары сил Q_м. Исходя из этого

; . (6.44)

Из рисунка 6.11,б и в следует, что наиболее нагружен при торможении нижний конец шкворня, на который действует результирующая сила

. (6.45)

При повороте и заносе силы и моменты действуют только в поперечной плоскости. Условия равновесия правого и левого поворотных кулаков различны:

. (6.46)

Шкворень рассчитывают на изгиб и срез в сечении, совпадающем с нижним торцом головки балки моста, а втулку шкворня – на смятие. За расчетное значение берут наибольшую из нагрузок (Q_торм или Q_зан). Условия прочности следующие:

МПа; МПа; (6.47)

МПа. (6.48)

Расчет рессорной подвески. Его можно разделить на три части:

1) построение желаемой упругой характеристики подвески; 2) расчет рессоры; 3) расчет деталей крепления рессоры к несущей системе автомобиля. Ниже дается описание первых двух частей расчета.

Построение упругой характеристики рессорной подвески производят с упрощениями: пренебрегают трением в подвеске и действием неподрессоренных масс; считают упругую характеристику рессоры прямолинейной; исходят из того, что на колесо действует только нормальная реакция дороги Z; сила, деформирующая рессору, равна реакции Z, а прогиб рессоры равен ходу колеса.

Определяют статическое значение нормальной реакции для ненагруженного автомобиля Z^′_c. Задаются желаемой частотой собственных колебаний подрессоренных масс, определяют статический ход колеса h'_c, обеспечивающий необходимую плавность хода ненагруженного автомобиля. Откладывая полученные значения Z'_cи h'_c (рисунок 6.12,а), проводят прямую ОА, представляющую собой ориентировочную упругую характеристику проектируемой подвески.

Определяют нормальную статическую реакцию на колесо при полной нагрузке на автомобиль Z''_си находят по графику соответствующий ей ход h''_c колеса.

Рисунок 6.12 Упругие характеристики зависимой рессорной подвески:

а – одинарная рессора; б – двойная рессора

При нагрузке Z_max и линейной характеристике рессоры динамический ход колеса получается неприемлемо большим. Для его ограничения устанавливают деформируемый резиновый буфер. Это позволяет задаться величиной динамического хода. Для легковых автомобилей принимают h_д = 0,5 h_c; для автобусов h_д = 0,75 h_с; для грузовых автомобилей h_д = 1,0 h_с. Откладывая значения Z_max и h_д на графике находят точки D и С характеристики (рисунок 6.12).

Высокие динамические возможности подвески реализуются сравнительно редко, поэтому допускается значительное увеличение жесткости в конце хода сжатия. Учитывая это, задают деформацию буфера в пределах f_б = (0,35÷0,40) h_д. Отложив значение f_б на графике, находят точку В (рисунок 6.12), соответствующую динамическому ходу, при котором вступает в действие буфер. Соединив точки В и D получают желаемую упругую характеристику OBD проектируемой подвески. По ней определяют расчетные нагрузку Р_р и деформацию f_б для рессоры, а также необходимую жесткость буфера с_б= tg β.

Нагрузки, действующие на заднюю подвеску ненагруженного и нагруженного грузового автомобиля, различаются значительно, вследствие чего для нагруженного автомобиля статический прогиб получается неприемлемо большим. Это и вызывает необходимость применения дополнительной рессоры. Принимают, что дополнительная рессора включается в работу при нагрузке

, (6.49)

где – часть веса соответственно нагруженного и ненагруженного автомобиля, приходящаяся на задний мост.

На ориентировочной упругой характеристике (рисунок 6.12,б)отмечают точку В с ординатой Z_c''' , соответствующую началу вступленияв действие дополнительной рессоры.

Установлено, что жесткости дополнительной с_доп и основной с_осн = tgα рессор должны быть связаны зависимостью

, (6.50)

исходя из которой и строят участок характеристики, на котором обе рессоры должны работать совместно. Для этого через точку В проводят линию BE,пересекающую линию ОБ под углом γ = arctg c_дoп из построенного графика находят ход h''_c колеса при полной нагрузке на колесо и проверяют достигается ли необходимая плавность хода.

Последний участок характеристики, когда вступает в действие резиновыйбуфер, строят так же, как для передней рессоры.

Расчет рессоры производят только на изгиб по приближенным формулам, проверяя, выполняется ли условие необходимой упругости рессоры

(6.51)

и условие прочности рессоры

МПа, (6.52)

где δ – коэффициент деформации, учитывающий отклонение формы рессорыот балки равного сопротивления; δ = 1,25÷1,45(меньшие значения соответствуют рессорам с несколькими листами одинаковой длины);

Р_р и f_р – расчетная нагрузка (в МПа)и деформация, которые определяют по упругой характеристике;

l^′ – приведенная длина рессоры; ;

Е – модуль упругости первого рода; Е = 2 ∙ 10⁵ МПа;

l – длина рессоры, м; bи s – ширина (м) и толщина(м) листа;

i – число листов.

Длину рессоры выбирают в пределах l = (0,30÷0,35) Lгде L – база автомобиля. Размеры l₁и l₂ (рисунок 6.13)устанавливают при предварительной компоновке подвески. Затем определяют совместным решением уравнений (6.51) и (6.52) толщину листа, а по формуле (6.52) – ширину листа. Полученные значения sи bуточняют по сортаменту проката рессорных сталей. Число листов задают в пределах 6 – 14.

Рисунок 6.13 Расчетная схема рессоры