Элементы расчета 6 страница

Подобный эффект произойдет, если одно из колес находится на поверхности с низким сцеплением (грязь или лед). Другому колесу, стоящему на асфальте сателлит дифференциала будет сообщать точно такой же момент, как первому, т.к. силы по обе стороны сателлита могут быть только одинаковы.

Таким образом, общая сила тяги ведущих колес при работающем симметричном дифференциале определяется колесом, находящимся в худших условиях сцепления с дорогой.

Если сателлиту не позволить вращаться на пальце вокруг своей оси (заблокировать), то он сможет передавать усилие даже одной своей стороной на одно ведущее колесо (например, когда другое колесо повисло в воздухе). В этом случае заблокированного дифференциала кинематические и силовые взаимодействия будут, как если правое и левое ведущие колеса соединены одной жесткой осью. Проходимость автомобиля значительно повышается из-за полного использования сцепления с дорогой каждым ведущим колесом независимо от другого.

Принудительно заблокировать дифференциал (исключить возможность проворота сателлита) можно, используя, например такую конструкцию:

Блокирующая муфта

Привод включения муфты

Зубчатые венцы

ω

Р >> 0

В этой конструкции блокирующая муфта установлена на полуоси с помощью шлицев. Она имеет зубчатый венец, которым может соединиться с зубчатым венцом, закрепленным на ведомой шестерни ГП. При зацеплении зубчатых венцов с помощью привода исключается возможность вращения сателлита вокруг своей оси (см. рисунок справа снизу и сверху) – принудительное блокирование дифференциала.

Существуют принципиально другие конструкции, повышающие проходимость автомобиля. В них провороту сателлита на пальце препятствует трение. Такой дифференциал называются дифференциалом повышенного трения (самоблокирующийся). Пока трение не позволяет провернуться сателлиту, дифференциал вообще заблокирован, как в предыдущем случае. Например, если одно колесо в воздухе, то сателлит давит на полуосевую шестерню другого колеса силой трения, мешающей ему проворачиваться на пальце. Момент трения продолжает действовать и далее, после того, как сателлит начал вращаться вокруг пальца. Момент трения всегда передается сателлитом отстающему колесу (стоящему неподвижно или вращающемуся медленнее другого, забегающего), потому что именно надавливая на его полуосевую шестерню сателлит преодолевает трение, начиная проворачиваться. По этой причине, в случае буксования одного колеса на другое (отстающее) идет момент больший, чем на буксующее (забегающее) на величину момента трения в дифференциале.

Конструктивно получить трение, мешающее повороту сателлита вокруг пальца можно, например, так:

Корпус дифференциала

Фрикционные прокладки

ω

М_Т

Р > 0

В обычных дифференциалах (не повышенного трения) также имеется некоторый момент трения, обусловленный касанием сателлита и полуосевых шестерен корпуса дифференциала.

Все выше сказанное относится и к межосевому дифференциалу с той разницей, что вместо ведущих колес у него ведущие мосты.

Классификация дифференциала

1. По расположению в трансмиссии.

1) Межколесные (рассмотрен выше).

2) Межосевой:

2. По кинематике.

1) Симметричный (рассмотрены выше).

2) Несимметричный:

Этот дифференциал вперед отправляет одну часть момента, а назад – две, соответственно количеству ведущих мостов.

3. По способу распределения момента между ведомыми звеньями.

1) Неблокируемые.

2) Самоблокирующиеся (повышенного трения).

3) С принудительной блокировкой.

4. По конструкции.

1) Шестеренчатые конические (из набора конических шестерен, как показано выше на схемах и чертежах).

2) Шестеренчатые цилиндрические (на рисунке – межосевой):

Ведомая шестерня раздаточной коробки

Сателлит

К переднему мосту

К задним двум мостам

3) Червячные.

4) Кулачковые.

5) С муфтами свободного хода.

Кинематические и силовые аспекты работы дифференциала

ω_заб, М _заб

ω_д, М _д

ω_от, М _от

В общем случае движения по множеству причин одно из колес имеет угловую скорость отличную от другого. Допустим, сейчас, нижнее на рисунке колесо – отстающее (либо вращается медленнее другого, либо стоит на месте), а верхнее – забегающее.

Для симметричного дифференциала зависимость, связывающая угловые скорости колес ω_от, ω_заб и корпуса дифференциала ω_д выглядит так:

(ω_от + ω_заб) / 2 = ω_д

А в идеальном случае, когда скорости колес равны, они вращаются со скоростью корпуса дифференциала:

ω_от = ω_заб = ω_д.

Момент с корпуса дифференциала распределяется по колесам так:

М _от + М _заб = М _д.

В то же время, о чем говорилось выше, на отстающее колесо действует такой же момент, как на забегающее и еще добавляется момент трения в дифференциале - М _т:

М _от = М _заб + М _т.

В идеальном случае момент распределяется между колесами поровну.

Величина момента трения в дифференциале говорит о степени его заблокированности. Определяется эта величина коэффициентом блокировки:

К_б = М _от / М _заб.

Поскольку по условиям сцепления: М _от = Р_{К от}∙ r_К = φ_от∙ G_K ∙ r_К,

М _заб = Р_{К заб}∙ r_К = φ_заб∙ G_K ∙ r_К, то получим выражение для коэффициента блокировки:

К_б =φ_от /φ_заб. Здесь r_К – радиус качения колеса, G_K – вес, приходящийся на ведущее колесо (принят одинаковым на оба колеса), φ - коэффициент сцепления между колесом и дорогой.

Если под одним колесом асфальт (φ = 0,8), а под другим – лед (φ = 0,1), то коэффициент блокировки потребуется: К_б = 0,8 / 0,1 = 8, чтобы колеса полностью использовали сцепление с дорогой. Применив записанные выше выражения можно определить, какой требуется для такого случая момент трения в дифференциале:

К_б = М _от / М _заб = (М _заб + М _т) / М _заб = 1 + М _т / М _заб =

= 1 + М _т / φ_заб∙ G_K ∙ r_К.

Подставив сюда К_б = 8 и φ_заб = 0,1 получим выражение для момента трения: М _т = 0,7∙ G_K ∙ r_К. Это очень высокое внутреннее трение и его может обеспечить только дифференциал специальной конструкции (самоблокирующийся), например, червячный.

Несмотря на лучшую проходимость автомобиля с дифференциалом повышенного трения, имеются существенные недостатки:

- из-за потерь на трение падает КПД трансмиссии;

- увеличивается расход топлива;

- ухудшается управляемость и устойчивость автомобиля на твердой дороге;

- увеличивается износ шин.

Обычно у большинства дорожных автомобилей К_б = 2…2,5;

у кулачкового (повышенного трения) – 3…4;

у червячного – 6…12;

у принудительно заблокированного - К_б = ∞.

Основы расчета дифференциала

r _ср

r ₁

ω_д

Р _Д

Р _С

Ось сателлитов

l ₂

l ₁

d

В этом дифференциале два сателлита расположенных на одной оси.

На каждый сателлит от корпуса дифференциала действует сила:

, где М _еmax – максимальный момент двигателя, u _К1 – передаточное число КП первой передачи, u ₀ – передаточное число главной передачи, r _ср – средний радиус приложения силы к сателлиту, r ₁ – радиус приложения силы в корпусе, Z – число сателлитов.

От этой силы ось под сателлитом испытывает напряжение смятия:

, d – диаметр оси, допускаемое напряжение МПа.

Напряжение среза пальца по основанию сателлита:

, S – площадь среза, допускаемое напряжение МПа.

В корпусе дифференциала на ось действует сила смятия:

.

Под действием этой силы ось в корпусе испытывает напряжение смятия:

, допускаемое напряжение МПа.

ЛЕКЦИЯ № 14

Полуоси

Полуоси предназначены для передачи потока мощности от дифференциала на ведущие колеса. Полуоси могут частично или полностью воспринимать силы и моменты, действующие на колеса.

Классификация полуосей

1. По условиям нагружения.

1) Полностью нагруженная:

Сейчас такая конструкция не применяется, поскольку поломка полуоси между подшипником и корпусом дифференциала приводит к разрушению балки моста и главной передачи.

2) Полуразгруженная:

Такая конструкция применяется в легковых автомобилях классической компоновки.

3) На 3/4 разгруженная полуось:

Конструкция применялась раньше на грузовых автомобилях. Теперь не применяется.

4) Полностью разгруженная полуось:

Применяется на современных грузовых автомобилях.

2. По конструктивным особенностям (по назначению).

1) Безшарнирные.

2) Шарнирные (у переднеприводных).

3. По способу связи с ведущими колесами.

1) Фланцевые.

2) Безфланцевые.

Основы расчета полуосей

Разгруженные полуоси рассчитываются по напряжению кручения:

, где:.

Коэффициент 0,7 перед моментом двигателя говорит о том, что из-за трения в дифференциале на отстающее колесо может передаваться больше половины момента (70% в данном случае).

Для расчета других полуосей нужно кроме крутящего момента учитывать все силовые факторы, действующие на колесо.

М_К

Р _К

Р _Т

G _K или G _КД

R_Y

r _К

М_Т

– величина статической нагрузки на колесо, m - коэффициент перераспределения нагрузки по осям при разгоне и торможении (1,1…1,4 – большие значения у легковых автомобилей).

G _КД = G _К∙К_Д – динамическая нагрузка на колесо при движении по неровной дороге. К_Д = 2 для дорожных автомобилей, для автомобилей повышенной проходимости – 3…4.

- момент на колесе, он же момент на полуоси - повторение формулы из начала раздела,

Р_К, Р_Т – тяговая и тормозная силы на колесе, r_К – радиус качения колеса принимается равным радиусу качения в свободном режиме, φ_max – коэффициент сцепления колеса с дорогой.

R_Y – боковая сила:

, здесь h_g – высота центра тяжести автомобиля, В – колея автомобиля.

Поскольку эти силовые факторы действуют не одновременно, а в определенном сочетании, расчет полуосей, а также балок мостов производится по четырем расчетным режимам поочередно. В результате выбирается наиболее напряженный режим:

1. Движение с максимальной тяговой силой.

Учитываются силовые факторы: G_K, М_К, Р_К.

2. Движение с предельным торможением:

G_K, Р _Т, М_Т – если тормозной момент через полуось не передается (с колеса через тормозной механизм воспринимается балкой), то он и не учитывается в этом режиме.

3. Движение с боковым заносом:

G_K, R_Y.

4. Движение по неровной дороге с высокой скоростью:

G _КД.

Пример расчета полуоси (полуразгруженной)

R_Y

G _К

a

Р_Т

Р_К

r _К

М_К

1. По первому расчетному режиму:

2. По второму расчетному режиму:

3. По третьему расчетному режиму:

4. По четвертому расчетному случаю:

Материал полуосей – сталь 40ХН, закалка с нормализацией.

Балки мостов

Балка служит для жесткой связи между собой ведущих или управляемых колес автомобиля, а также для передачи силовых факторов на подвеску.

Классификация балок

1. По выполняемым функциям (назначению) бывают балки мостов:

1) Поддерживающих.

2) Ведущих.

3) Управляемых.

2. По технологии изготовления:

1) Кованные.

2) Литые.

3) Комбинированные.

3. По особенностям конструкции:

1) Неразъемные.

2) Разъемные.

Основы расчета балок

Наиболее нагруженным сечением является зона крепления упругого элемента подвески. Расчет производится на сложнонапряженное состояние по четырем расчетным режимам, как у полуосей:

1. Движение с максимальной тяговой силой.

G_K, М_К.

2. Движение с предельным торможением:

G_K, Р _Т, М_Т

3. Движение с боковым заносом:

G_K, R_Y.

4. Движение по неровной дороге с высокой скоростью:

G _КД.

При расчете балки ведущих мостов необходимо учитывать тип полуосей. У балок разгруженных и на 3/4 разгруженных полуосей расчет изгибных напряжений в сечении 1-1 от сил, действующих в плоскости качения колеса производится на плече а. Определяются изгибающие моменты в вертикальной и горизонтальной плоскостях и крутящий момент от тормозной силы. Затем определяется результирующий момент М _из (в отличии от полуосей в первом расчетном режиме не будет крутящего момента, а во втором режиме появляется тормозной момент, который передается на балку с тормозного щита). Результирующий момент делится на момент сопротивления изгибу W_X и так определяется напряжение изгиба.

G_К

а

Р_Т

Р_К

r _К

М_Т

R_Y

Крутящий момент тоже воспринимается балкой, но он расположен по другую сторону опасного сечения (в данном случае) или вообще не достигает места крепления упругого элемента (с ним работает отдельный узел направляющего элемента подвески – реактивные штанги).

При расчете балок управляемых мостов надо учитывать наличие шарнира поворотного устройства колеса (например – шкворень в данном случае) и изогнутость балки в вертикальной плоскости:

r _К

Р _К или Р _Т

G _К

f  

а

в

с

R_Y

Расчет изгибающего напряжения в горизонтальной плоскости от тяговых (если мост еще и ведущий) или тормозных сил производится с переносом действия этих сил на ось шарнира (т.е. силы будут действовать на плече в). Это происходит потому, что на плече а до шкворня момент от указанных сил уравновешивается рулевой трапецией. В ней возникают силы растяжения и сжатия, мало влияющие на саму балку.

При расчете балки на кручение в опасном сечении необходимо уменьшить плечо r _Д на величину с:

Расчет цапфы поворотного кулака производится в опасном сечении на плече f и только при действии боковой силы:

М_из = G _К∙ f + R_Y∙r_д.

Шкворень (стержень шарнира поворотного кулака, как показано на рисунке) рассчитывается на изгиб, срез и смятие по нижней, наиболее нагруженной части, входящей в нижнюю проушину поворотной цапфы. Нижняя часть шкворня нагружена сильно при торможении, потому что ее отгибают назад и тормозная сила и тормозной момент. На верхнюю часть шкворня эти силовые факторы действуют в разные стороны (тормозная сила также – назад, а сила от тормозного момента – вперед).

ЛЕКЦИЯ № 15

Подвеска автомобиля

Подвеска служит для снижения динамических нагрузок на автомобиль при его движении по неровной дороге.

Требования к подвеске

1. Обеспечение собственных частот колебаний автомобиля в зоне комфортабельности при различных весовых состояниях.

2. Минимальное изменение дорожного просвета при различных весовых состояниях.

3. Минимально возможная амплитуда колебаний кузова при движении по неровной поверхности.

4. Быстрое затухание колебаний (80…90% энергии за одно колебание должен рассеивать амортизатор).

5. Сохранение заданных углов установки колес при амплитудах колебаний.

6. Отсутствие жестких пробоев подвески (высокая энергоемкость).

7. Согласованность кинематики рулевого привода и направляющего устройства подвески.

8. Минимально возможный поперечный крен при движении на повороте и косогоре.

9. Обеспечение необходимой управляемости и устойчивости автомобиля.

Всякая подвеска выполняет три функции:

· направляющего устройства – воспринимает все, кроме вертикальных, нагрузки и обеспечивает кинематическую связь колеса с кузовом автомобиля;

· упругого элемента – смягчает динамические вертикальные нагрузки;

· гасителя колебаний – превращает кинетическую энергию колебаний в тепловую и рассеивает в атмосферу.

Классификация подвесок

1. По характеру связи между колесами одной оси.

1) Зависимые.

2) Независимые.

2. По количеству рычагов направляющего устройства.

1) Одно рычажные.

2) Двух рычажные на рычагах равной (продольные рычаги) и неравной длины (поперечные рычаги).

3) С многорычажным направляющим устройством.

3. По типу упругого элемента.

1) С металлическим упругим элементом.

2) С неметаллическим упругим элементом.

4. По конструкции металлического упругого элемента.

1) Рессоры.

2) Пружины.

3) Торсионы.

4) Комбинированные упругие элементы.

5. По конструкции неметаллического упругого элемента.

1) Резиновые.

2) Пневматические.

3) Гидравлические.

6. По типу гасящего устройства.

1) С фрикционным гасителем.

2) С гидравлическим амортизатором.

3) С пневматическим амортизатором.

Зависимая подвеска

На полуэллиптических рессорах

Направляющим устройством такой подвески являются рессоры в сочетании с картером моста.

Упругий элемент – полуэллиптическая рессора.

Гаситель колебаний – межлистовое трение или гидравлический амортизатор.

Рессора представляет собой балку равного сопротивления изгибу, разрезанную на продольные полосы (листы рессоры), которые присоединены в середине стремянками к балке моста, а по концам кронштейнами к раме автомобиля.

Фактически передняя рессора выглядит так:

Листы передней рессоры узкие и тонкие, поэтому межлистового трения недостаточно для гашения колебаний. В помощь межлистовому трению установлен гидравлический амортизатор. Большой ход сжатия ограничивает дополнительный упругий элемент (резиновый), размещенный на балке моста. При большом ходе подвески дополнительный упругий элемент упирается в раму и увеличивает общую вертикальную жесткость подвески.

На задние рессоры приходится больший вес груженого автомобиля и там стоят более "мощные" рессоры со значительным межлистовым трением. Дополнительным упругим элементом в задней подвеске является подрессорник – короткая жесткая рессора, которая вступает в работу при загрузке автомобиля или больших динамических прогибах задней подвески. Крепиться к раме задняя основная рессора может, как передняя или с помощью кронштейнов, показанных на рисунке:

Подрессорник просто упирается по концам в упоры на раме. Когда прогиб основной рессоры небольшой, между подрессорником и упорами на раме имеются зазоры. В этом случае работает только основная рессора.

Недостатком листовой рессоры является межлистовое сухое трение. Недостаток выражается в том, что пока сила трения между листами не преодолена, листы не прогибаются (при прогибе листы меняют свою кривизну, скользя друг по другу). Таким образом, вертикальная нагрузка от неровностей дороги меньшая, чем требуется для преодоления трения проходит через негнущуюся рессору, как через абсолютно жесткую и действует не смягчаясь на раму и кузов автомобиля.

Зависимая пружинная подвеска

Такая задняя подвеска у автомобилей "Жигули", "Нива":

Тормозная и тяговая силы передаются от колес на кузов через продольные штанги (снизу у левого и правого колеса). Реактивные (сверху слева и справа) штанги совместно с продольными создают реакцию крутящему и тормозному моментам. Поперечная штанга (правый рисунок) передает боковые силы. Пять штанг совместно с балкой моста составляют направляющее устройство подвески.

Упругими элементами являются пружины и дополнительные резиновые ограничители хода, увеличивающие вертикальную жесткость подвески при динамических прогибах (на рисунке не показаны).

Гасят колебания колес и кузова гидравлические телескопические амортизаторы. Они же могут ограничивать ход колеса вниз.

Независимая подвеска на поперечных рычагах и рычажно-телескопическая подвеска

На рисунке слева – подвеска на поперечных рычагах, справа - рычажно-телескопическая. Все рычаги на виде сверху имеют треугольную форму, что позволяет им передавать продольные силы.

Чертеж подвески на поперечных рычагах показан на рисунке:

Рычажно-телескопическая подвеска выглядит на чертеже так:

В этой подвеске направляющим эле-

ментом является рычаг и амортизаторная

стойка. Упругим элементом – пружина и

резиновые ограничители в конструкции

амортизатора. Гасителем – гидравлический

телескопический амортизатор.

Подвеска на поперечных рычагах

применяется в автомобилях "Нива",

"Жигули", "Волга" и др.

Рычажно-телескопическая подвеска

установлена на современных легковых

переднеприводных автомобилях.

Упругая характеристика подвески

Биологические исследования показали, что если собственная частота колебания кузова автомобиля на подвеске составляет 0,8…1,5 Гц (50…90 мин^-1), то она очень хорошо переносится организмом, являясь частотой вертикальных колебаний тела человека при ходьбе, и автомобиль с такой подвеской считается комфортабельным.

Преобразуя зависимости собственных частот колебаний подрессоренных масс (рама автомобиля с закрепленными на ней узлами и агрегатами, груз и т.д.; неподрессоренные массы – колеса, балки мостов, часть от направляющих и упругих элементов и т.д.), можно получить простую зависимость: или, что почти то же самое:. Здесь Ω – собственная частота колебаний, Гц; f _сm – статический (при неподвижном автомобиле) прогиб подвески, м.

С позиции сохранности перевозимых грузов (перевозка грузов в незакрепленном виде без отрыва его от опорной поверхности грузовой платформы) верхняя граница может быть поднята до 1,6…1,9 Гц (100…110 мин^-1). Частоты выше указанных приводят к повышенной утомляемости, а ниже 0,8 Гц – может вызвать укачивание.

Если взять самую комфортабельную частоту в 1,0 Гц (60 мин^-1) и определить статический прогиб подвески, выразив его из последней формулы, то получим очень большие значения: метра.

Но, так как при движении по дорогам даже удовлетворительного качества, коэффициент динамичности вертикальных сил на колесе достигает 2,0…2,5, а на плохих – 3,0…3,5, то легко можно понять – для устранения частых пробоев надо иметь метра! По компоновочным соображениям такого прогиба обеспечить нельзя. Кроме того, собственный вес автомобиля меняется в зависимости от его загрузки (до 250% у грузовых автомобилей), а значит требуется другая (большая) жесткость упругого элемента подвески, чтобы сохранить те же собственные частоты колебаний кузова.

В связи с отмеченными причинами задачи плавности хода решают компромиссным путем. При амплитудах колебаний, близких к положению статического равновесия стремятся поддержать потребную собственную частоту. При росте динамических и статических нагрузок – увеличивают вертикальную жесткость упругого элемента подвески (плавно или ступенчато). Жесткость подвески можно увеличить, подключая параллельно к основному упругому элементу дополнительный, но тогда в момент подключения возможны неприятные ощущения (резкое изменение ускорений, шум). Упругая характеристика такой подвески представляет собой ломаную линию:

f_cm

f_д

А

В

С

G_Кcm

G_КД

Прогиб

Нагрузка

При отсутствии дополнительного упругого элемента полный прогиб подвески под действием динамической нагрузки мог бы достигать точки С. Однако, в точке А дополнительный упругий элемент вступил в работу и значительно увеличил общую жесткость подвески (жесткость – тангенс угла наклона характеристики относительно оси абсцисс), уменьшив полный прогиб до точки В.

Дата добавления: 2014-01-15