VII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2015

Известно, что автомобильный подвижной состав разделяют на грузовой, пассажирский и специальный. К грузовому подвижному составу относятся грузовые автомобили, автомобили-тягачи, прицепы и полуприцепы; к пассажирскому - автобусы, легковые автомобили, пассажирские прицепы и полуприцепы; к специальному - автомобили, прицепы и полуприцепы, предназначенные для выполнения различных, преимущественно нетранспортных работ. Автомобильный подвижной состав подразделяется также на дорожный, предназначенный для работы по дорогам общей сети и на внедорожный, для использования вне дорог общей сети. Известно также, что легковой парк, как в нашей стране, так и за рубежом широко используется во всех сферах народного хозяйства, в том числе значительное количество легковых автомобилей эксплуатируется автолюбителями.

Несмотря на свое конструктивное совершенство, высокую надежность и безопасность в эксплуатационных условиях, последние имеют ряд недостатков. заключающиеся в сравнительно высокой металлоемкости несущих систем и экипажной части, недостаточно высоким КПД узлов и агрегатов, несовершенством подвесок и гасителей колебаний и т. д.

Понятно, что успешная эксплуатация легковых автомобилей на дорогах с различным покрытием и, следовательно, широким спектром проявления микро и макро неровностей возможна только при хорошем качестве подвески. Обычно параметры подвески выбирают из расчета допустимой интенсивности и характера колебаний кузова и колес автомобиля, возбуждаемых неровностями дорожного полотна. Практика эксплуатации автомобилей, а также многочисленные результаты исследований последних показывают, что колебания автомобилей, вызванные микро и макро профилем неровностей дорог оказывают серьезное влияние не только на их плавность хода, но и на все остальные эксплуатационно-технические качества автомобилей и поэтому для повышения плавности хода в подвесках колёс широко используют винтовые пружины, листовые рессоры, торсионы а также пневмобаллоны или пневмоцилиндры. Наиболее широкое распространение получили независимые подвески со стабилизатором поперечной устойчивости. Несмотря на свою эффективность работы на сегодняшний день такие подвески и их стабилизирующие устройства уже не отвечают требованиям сегодняшнего дня, так как не могут изменять ее автоматически в процессе проявления крена кузова в динамике [1].

Известны независимые подвески легковых автомобилей. Так на рис.1 показана независимая подвеска, обычно применяемая в конструкциях легковых автомобилей, которая состоит из поворотной цапфы с возможностью угловых поворотов закрепленная на верхнем рычаге подвески и на нижних рычагах подвески. Верхние и нижние рычаги подвески шарнирно установлены на поперечине рамы. Между нижними рычагами подвески и поперечиной рамы расположены винтовые пружины сжатия и амортизаторы. Не смотря на эффективность использования такой подвески, в части повышения плавности хода автомобиля, последняя обладает существенным недостатком, заключающимся в том, что она не

Рис.1

позволяет, при возникновении динамических погрузок, создаваемых микро и макро неровностями дорог, изменять в автоматическом режиме свои демпфирующие характеристики.

Учитывая вышеизложенное в ЕГУ им. И. А. Бунина на протяжении ряда лет на кафедре ПМиИГ проводится бюджетная НИР и НИРС на тему «Динамика, прочность и надежность транспортных, строительно-дорожных и сельскохозяйственных машин, а также стандартного и нестандартного промышленного оборудования применительно к Чернозёмному региону РФ» и одним из разделов которой является модернизация и совершенствование конструкции подвесок грузовых и легковых автомобилей. Анализ известных библиографических источников, а также отечественных и зарубежных патентов (SU1828813A1, EP0829383A2, US5797618A и др.) позволил разработать перспективную конструкцию независимой подвески автомобиля, позволяющую в автоматическом режиме менять свои демпфирующие характеристики (патент RU2499687)

Так на рис.2 показана адаптивная независимая подвеска вид с торца транспортного средства, а на рис.3 принципиальная схема ее в перспективе.

Адаптивная независимая подвеска состоит из шлицевых втулок 1 снабженных шлицами взаимосвязанными с шлицами 2 выполненных на упругих стержнях 3, которые имеют другие шлицы 4 контактирующие с ответными нарезными на подвижных втулках 5 связанными с рычагами подвески 6. Подвижные втулки 5 подпружинены винтовыми пружинами сжатия 7 установленными на упругих стержнях 3 между шлицевыми втулками 1 и подвижными втулками 5.

Рис.2 Рис.3

Рычаги подвески 6 снабжены сферической формы упорами 8 контактирующими с наклонно расположенными направляющими 9 и другим своим концом с помощью шарниров 10 соединены с поворотной цапфой 11 рулевого колеса 12. Рулевая цапфа 11 также с помощью шарниров 13 связана рычагами 14 с втулками 15 установленными с возможностью угловых поворотов на оси 16 жестко присоединённой к поперечине рамы 17. Шлицевые втулки 1 и наклонно расположенные направляющие 9 также жестко закреплены на поперечине рамы 17. Между рычагами подвески 6 размещены гидравлические демпферы 18, а рулевое колесо 10 взаимодействует с неровностью дорожного полотна 19.

Работает адаптивная независимая подвеска следующим образом. В статике, когда автомобиль (на рис. он не показан) под действием собственного веса кузова, его поперечина рамы 17 за счет того, что она жестко связана с осями 16 и шлицевыми втулками 1, а также за счет того, что колеса 12 оперты на дорожное полотно 19, обеспечили угловой поворот рычагов подвесок 6 и рычагов 14 по стрелкам А при этом, стержни 3 получили определенную упругую угловую деформацию являлась защемлёнными шлицами 2 и шлицами 4, и подвеска в итоге заняла такое положение, как это показано на рис.2 и рис.3. В движении, когда колеса 12 взаимодействуют с неровностями дорожного полотна 19 происходит резкое их перемещение в вертикальной плоскости, что способствует дальнейшему угловому повороту рычагов подвески 6 и рычагов 14 по тем же стрелкам А при этом, если втулки 15 свободно проворачиваются на оси 16, то подвижные втулки 5, за счет наличия шлицев на их внутренних поверхностях связанных с ответными шлицами 4 выполненными на упругих стержнях 3 упруго закручивают последние на еще большей угол. Одновременно рычаги подвески 6 перемещается и по стрелкам В, так как их сферической формы упоры 8, жестко закрепленные на поперечине рамы 17, проскальзывают по наклонно расположенным направляющим 9. Такое перемещение рычагов подвески 6 способствует и движению в этом же направлении подвижных втулок 5 так они жестко связаны с последними. А так как рабочая длина упругих стержней 3 уменьшается то это приводит к увеличению крутильной их жесткости, что позволяет демпфировать динамические нагрузки вызванные наездом колес 12 на неровности пути. Такое явление подтверждается известной зависимостью:

где, G- модуль упругости материала стержня;

J - полярный момент инерции сечения стержня;

l - длина стержня;

d - диаметр стержня.

После исчезновения указанной динамической нагрузки под действием винтовых пружин сжатия 7 подвижные втулки 5 совместно с рычагами подвесок 6 возвращаются в исходное положение, проскальзывая в обратном направлении своими сферической формы упорами 8 по наклонно расположенным направляющим 9. Далее описанные процессы могут повторяться неоднократно.

Технико-экономическое преимущество предположенного технического решения в сравнении с известными очевидно, так как оно направлено на повышение плавности хода автомобилей снабженных независимой подвеской колес за счет изменения в широких пределах в автоматическом режиме крутильной жесткости стержней, на которых размещены рычаги подвески.

Для расчёта основных геометрических параметров такой независимой подвески с возможной привязкой её, например, на легковой автомобиль ВАЗ 2107 принята следующая известная методика [1-3].

Предположим, что вместо серийной независимой подвески указанного автомобиля установлены предложенные подвески признанные изобретением Приведем пример численного расчета геометрических и кинематических параметров предложенного технического решения выполненного в следующей последовательности. Исходя из того, что полная масса автомобиля ВАЗ 2107 составляет 1460 кг, то на одно колесо автомобиля действует реальная статическая нагрузка N_ст = 3650 Н, следовательно, каждый из упругих стержней 3 передней подвески рулевых колёс под действием её рычагов 6 (см. рис.2 и рис.3) получит некоторый угловой поворот на определённый угол. Известно, что, рабочая нагрузка N_д (динамическая) при скорости V = 60 км/ч на подвеску в среднем при движении автомобиля по дороге с асфальтовым покрытием удовлетворительного качества не превышает 0,25% от статической нагрузки, т.е. в данном случае 912,5 Н. Тогда суммарная нагрузка на подвеску в этом случае составит N_Σ= N_CT+ N_д = 3650 + 912,5 = 4562,5 Н. Тогда момент, приложенный к упругому стержню, определится М_кр = N_Σl₁ = 4562,5·0,3 = 1368,8 Н·м. Вычислим диаметр упругого стержня по зависимости:

,

где: [τ] = 600 МПа согласно ГОСТ 14959-79 соответствующее материалу сталь 65С2ВА;

l₁ - длина рычага подвески равной 300 мм.

Согласно сортамента на прокат для изготовления стержня торсиона окончательно назначим его диаметр равный 20 мм. Исходя из конструктивных характеристик подвески автомобиля ВАЗ 2107 зададимся длиной рабочей части упругого стержня 3 ( см. рис.3) l = 280мм и тогда угол закручивания его при статическом нагружении составит:

.

Проверим упругий стержень по условию прочности на кручение по зависимости:

Следовательно, прочность торсиона обеспечена так как τ ≤ [τ]. Теперь определим перемещение рычага подвески, а, следовательно, и кузова автомобиля от действия статической нагрузки упругого стержня по формуле:

Как было отмечено выше, движение автомобиля, с учетом неровностей пути со скоростью 60км/ч, вызывает дополнительную нагрузку = 4562,5 Н на упругий стержень подвески, сопровождающуюся колебаниями его кузова. При этом за счёт поступательного движения подвижных втулок 5 (см. рис.3) длина упругого стержня снизится с 280 мм, например, до 230 мм и тогда угол его закручивания этом случае составит:

,

а перемещения от такого динамического нагружения будут:

Видно, что перемещения кузова автомобиля в динамике снизились на 32,7 мм. Это произошло за счёт увеличения крутильной жёсткости стержня торсиона, которая увеличилась с С_с до С_д в 2,8 раза, что видно из формул:

.

Возврат в исходное положение кузова происходит за счёт выравнивания его после исчезновения динамической нагрузки.

Для автоматизации выполнения расчётов по установлению оптимальных конструктивных параметров предложенного технического решения разработана методика выполнения расчетов на ЭВМ с использованием языка Delphi.

Результаты исследования рекомендуются к дальнейшему изучению и возможному внедрению предложенной разработки научным и производственным структурам автомобильной промышленности, как в нашей стране, так и за рубежом, проектирующим и выпускающим автомобили снабжённые независимой подвеской колёс.

Библиография

1. Ротенберг Р.В. Подвеска автомобиля и его колебания. М.: Машгиз., 1972.-355 с.

2. Феодосьев В.И. Сопротивление материалов. М.: Наука, 1982.-425 с.

3. Орлов П.И. Основы конструирования: Справочно–методичекое пособие. В 2-х кн. Под ред. П.Н. Усачева – 3-е изд., исправ. М.: Машиностроение, 1988.-544 с.

Код для цитирования: Скопировать