Подвеска переднего ведущего моста грузового автомобиля

Белорусский Национальный Технический Университет

 

Автотракторный  факультет

Кафедра «Автомобили»

 

 

 

 

 

 

КУРСОВАЯ  РАБОТА

по дисциплине «Автомобили »

 

Тема работы:

«Подвеска переднего ведущего моста грузового автомобиля»

 

 

                                                                                 

 

 

 

 

 

       Выполнил:                                                                          студент гр.301458

                                                                                                       М.Д.Корень

 

      Принял:                                                                                       Н.Р.Михальцевич                                                                       

 

 

 

                                                                  Минск-2012

 

Содержание

 

1.Введение (функции  подвески, ее основные элементы)…………………………………………4

2.Исходные данные  к расчетам элементов подвески  …………………………………………...9

3.Расчет и построение упругой характеристики рессорной подвески ………………………..10

4.Определение  основных параметров рессоры…………………………………………………...12

     4.1 Расчет конструктивных параметров рессоры…………………………………….………..12

    4.2 Оптимизация конструктивных параметров рессоры………………………………….14

5.Условная замена рессоры пневмоэлементом…………………………………………………...15

6. Построение упругой характеристики пневмоподвески…………………………………………17

7.Расчет и построение характеристики гидравлического амортизатора для пневмоподвески…………………………………………………………………………………..21

Заключение……………………………………………………………………………………….24

Литература……………………………………………………………………………………………..25

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

1.Введение (функции подвески, ее основные  элементы)

 

         Совокупность устройств, обеспечивающих упругую связь между подрессоренной и неподрессоренными массами, называется подвеской. Подвеска уменьшает динамические нагрузки, действующие на подрессоренную массу. Она состоит из трех устройств: упругого, направляющего и демпфирующего.

         Упругим устройством 1 (рис. 1) на подрессоренную массу передаются вертикальные силы, действующие со стороны дороги, уменьшаются динамические нагрузки и улучшается плавность хода.

         Направляющее устройство 3 — механизм, воспринимающий действующие на колесо продольные и боковые силы и их моменты. Кинематика направляющего устройства определяет характер перемещения колеса относительно несущей системы. Демпфирующее устройство 2 предназначено для гашения колебаний кузова и колес путем преобразования энергии колебаний в тепловую и рассеивания ее в окружающую среду.

 

 

                                        Рисунок 1 - Подвески автомобиля:

 

а - задняя зависимая пружинная  подвеска;

б - передняя рессорная подвеска.

 

В подвесках легковых автомобилей, автобусов и некоторых грузовых автомобилей применяется дополнительное устройство-стабилизатор поперечной устойчивости. Он способствует уменьшению бокового крена и поперечных угловых колебаний кузова автомобиля.

            Основные требования, предъявляемые к подвескам, следующие:

            1) упругая   характеристика  подвески  должна  обеспечить  высокую плавность хода, отсутствие ударов в ограничители хода, противодействовать кренам при повороте, «клевкам» при торможениях и «приседаниях» при разгоне автомобиля;

             2) кинематическая схема должна создать условия для возможного минимального изменения колеи и углов установки шкворней и управляемых колес; соответствие

4

кинематики перемещения  колес кинематике рулевого привода, исключающее колебания управляемых колес вокруг шкворней;

             3) оптимальная величина затухания колебаний кузова и колес;

             4) надежная передача от колес кузову или раме продольных и поперечных усилий и их моментов;

             5) малая масса элементов подвески и особенно неподрессоренных частей;

             6) достаточная прочность и долговечность деталей подвески и особенно упругих элементов, относящихся к числу наиболее нагруженных деталей автомобиля.

           В зависимости от типа направляющего устройства все подвески делятся на зависимые и независимые.

            Зависимая подвеска характеризуется зависимостью перемещения одного колеса от перемещения другого. Передача сил и моментов от колес на кузов при такой подвеске может осуществляться непосредственно упругими элементами - рессорами (рис. 2) или с помощью штанг - штанговая подвеска (рис. 3).

                                                    Рисунок 2  Рессорная подвеска.

Рисунок 3 - Задняя зависимая  пружинная подвеска.

              Независимая подвеска обеспечивает независимость перемещения одного колеса моста от перемещения другого колеса. По типу направляющего устройства независимые подвески делятся на рычажные, телескопические и подвески Макферсона. Рычажная подвеска - подвеска, направляющее устройство которой представляет собой рычажный механизм. В зависимости от количества рычагов могут быть двухрычажные и однорычажные (рис. 4), а в зависимости от плоскости качания рычагов - поперечно-рычажные, диагонально-рычажные (рис. 4) и продольно-рычажные. Телескопическая

5

подвеска включает в качестве направляющего устройства телескопический  механизм.

Рисунок 4 – Задняя однорычажная независимая пружинная подвеска.

Конструкция подвески Макферсон показана на рис.5

Рисунок 5 - Передняя подвеска Макферсон.

           По типу упругого элемента подвески делятся на подвески с металлическими Упругими элементами - рессорные, пружинные, торсионные (рис 6) и с неметаллическими - пневматические, гидропневматические и резиновые (рис.7). Иногда используют и комбинированные подвески с несколькими типами упругих элементов, например рессорно-пружинные, рессорно-пневматические и др.

 

 

 

6

Рисунок 6 - Подвеска фирмы "Рено" с короткими торсионами.

 

Рисунок 7 - Передняя пневматическая подвеска автомобиля «Магирус-дойтц  М2000».

       

        По типу демпфирующего устройства подвески подразделяются на подвески с гидравлическими амортизаторами и без них. В последнем случае демпфирование колебаний осуществляется за счет сил трения в упругом и направляющем устройствах подвески.

От схемы подвески зависит  компоновка автомобиля, параметры плавности  хода, устойчивости и управляемости, массы автомобиля и др.

Рисунок 8 – Характерные  схемы подвесок

 

7

          Зависимая (а) и однорычажная независимая (б) отличаются тем, что вертикальное перемещение колеса сопровождается изменением угла X, что вызывает гироскопический эффект, возбуждающий колебания колеса относительно шкворня.

          В двухрычажной подвеске с рычагами равной длины - параллелограммной (рис.8,в) угловое перемещение отсутствует, но значительно поперечное перемещение ∆L колеса, что ведет к быстрому изнашиванию шин и уменьшению боковой устойчивости.

          В двухрычажной подвеске с рычагами разной длины (рис.8,г) при λ=5...6 и p/pl =0.55...0.65 гироскопический момент гасится моментом сил трения в системе, а поперечное перемещение ∆L=4...5 мм компенсируется упругостью шин.

          Рычажно-телескопическая подвеска передних колес легковых автомобилей - качающаяся свеча (рис.8,д) обеспечивает незначительные изменения колеи, развала и схождения колес, при этом замедляется изнашивание шин, улучшается устойчивость автомобиля. Подвеска имеет один поперечный рычаг внизу, ее основной элемент — амортизаторная стойка, имеющая верхнее шарнирное крепление под крылом, что обеспечивает большое плечо между опорами стойки.

           Независимая двухрычажная с торсионом подвеска (рис.8,е) имеет преимущество перед другими подвесками - максимальное использование материала упругого элемента, то есть является самым миниатюрным упругим элементом с меньшей материалоемкостью.

           На (рис.8,ж) представлена двухрычажная параллелограммная подвеска с продольным качанием. Для нее характерно продольное перемещение колес ∆L при отсутствии поперечного перемещения и наклона.

           В настоящее время все чаще встречаются подвески с электронным управлением. Электронная подвеска за счет изменения демпфирующих свойств амортизаторов увеличивает характеристики управляемости и устойчивости автомобиля на трассе. Существует три ( на некоторых моделях два ) уровня жесткости амортизаторов:

           - мягкий - электроника выключена и машина идёт по трассе мягко, "проглатывая" неровности дорожного покрытия. В условиях обычной езды рекомендуется использовать именно этот режим, потому что через мягкую подвеску удары, передаваемые через сайлент-блоки и шаровые опоры на кузов, гораздо меньшей силы.

           - спортивный - электроника получает информацию от датчиков и адекватно реагирует, изменяя жесткость отдельных амортизаторов в ту или иную сторону, тем самым, обеспечивая машине лучшую управляемость и устойчивость на трассе.

           - автоматический - этот режим как бы объединяет два предадущих - при спокойной плавной езде подвеска работает в мягком режиме, но если увеличить скорость, то автоматически включится спортивный режим. Этот режим так же включается  при значительных  кренах  в поворотах и при раскачивании автомобиля, а так же при резком разгоне или торможении.

           На современных дорогих автомобилях применяется система электронного управления подвеской на пьезокристаллах . В отличии от обыкновенных подобных систем, датчики, изготовленные на пьезокристаллах мгновенно реагируют на характер движения автомобиля и быстродействие таких систем существенно увеличивается.

           Существуют системы не только изменяющие жесткость амортизаторов, но и величину давления масла в них, за счёт чего устраняются крены автомобиля и, при движении по ухабистой дороге, увеличивается дорожный просвет.

           Несмотря на все преимущества, которыми обладают электронные подвески, есть существенные недостатки таких подвесок: на наших дорогах такие подвески ходят меньше, чем обычные; амортизаторы и стойки таких подвесок примерно в 1,5-2 раза дороже простых.

 

 

 

8

2.Исходные  данные к расчетам элементов  подвески

 

Техническая характеристика автомобиля УРАЛ-4320

 Нагрузка на переднюю ось:

- в снаряженном состоянии  – 25400 Н

- в груженом состоянии  - 40000 Н

-масса передней оси  - 3600 Н

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

9

3.Расчет и построение упругой характеристики рессорной подвески

 

        В данном случае, когда нагрузка на переднюю подвеску грузового автомобиля в не гружёном (снаряженном) и груженом состоянии различаются не значительно, применяют малолистовую рессорную подвеску. Построение упругой характеристики для таких подвесок начинают с выбора частоты собственных колебаний (υ_осн) подрессоренной массы снаряженного автомобиля и определения величины статического прогиба (∆_сн) рессор под нагрузкой от этой массы:

 

         υ_осн = 1,2—2,1 Гц - для грузовых автомобилей.

          Принимаем    υ_осн =1,3 Гц:

 

           где F_CH - нагрузка, приходящаяся на переднюю подвеску от подрессоренной массы в снаряженном состоянии (М₀).

        Затем рассчитывается статический прогиб подвески под нагрузкой в груженом состоянии:

            где С_р - жесткость рессоры (С_р= F_CH/∆_CH=12700/0,098= =129064,617 Н/м);

            F_CT - нагрузка, приходящаяся на переднюю подвеску от подрессоренной массы в гружёном состоянии (F_CT=M₁*g/2=40000/2=20000Н);

            Задаемся значением коэффициента динамичности К_д (К_д= =1,75...2,5), и находим максимальную нагрузку на подвеску F_max=F_CT К_д , и рассчитываем динамический прогиб подвески:

             где К_с=0,8...1,1 для грузовых автомобилей, принимаем К_с=1 и К_д=1,8:

F_max=20000

2=40000 H;

∆_д =1

0,155=0,155 м.

∆_max =∆_ст+ ∆_д = 0,155 + 0,155 = 0,31 м

               Из конструктивных соображений, для устранения ударов рессоры о раму устанавливаем буфер сжатия. Найдем частоту колебаний:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.Определение  основных параметров рессоры

 

4.1 Расчет  конструктивных параметров рессоры

                      Находим активную длину рессоры:

  где b — ширина листа рессоры;

         δ — коэффициент, учитывающий отличие реальной рессоры от расчётной;

         h — толщина рессоры;

         n — количество листов в рессоре;

         — допускаемое напряжение на прочность, =950... 1050 МПа;

        F_max — максимальная нагрузка, приходящаяся на рессору;

        ∆_mах — максимальный прогиб рессоры.

        Исходя   из   подвесок   аналогичных      автомобилей   и   видами выпускаемых рессор выбираем:

n=3;   b=0,065м;   δ =2-(ho/h)³=2-(4/l 0)³=1,936м

 

 

 

          Максимальная толщина листа рессоры:

 

 

           где =F_max/n=40000 /3=13333 H

           Масса рессоры:

           где р=7800кг/м³ - плотность пружинной стали.

 

Определение активной длинны рессоры по статической нагрузке:

Напряжение в статическом  состоянии находится из пропорции:

                                                                                                                                                                         ₁₂

                                                                       

         где F_p^p=F_CT/n=20000/3=6666 H.

             Так как расчеты по максимальным и статическим напряжениям практически совпали (погрешность для активной длинны рессоры составила 2,6%, а для минимальной толщины листа рессоры составила 3%), окончательно принимаем рессору со следующими параметрами:

L_a=2840 мм;

n=3;

h_min=15 мм;

h_max = 95 мм;

b=65 мм.

 

Рисунок 10 - Схема установки  рессоры

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

13

4.2 Оптимизация конструктивных параметров рессоры

 

Оптимизированные параметры  рессоры сведены в таблицу 2

 

Таблица 2. Оптимизированные параметры рессоры

 

Масса активной части листов, кг	19,95
Максимальная толщина  листа, мм	82
Уточнённый статический  прогиб, мм	155
Количество листов	3
Ширина листа, мм	50
Активная длина рессоры, мм	2200
Минимальная толщина листа, мм	7
Напряжение в статическом  состоянии, МПа	600

 

Определим размер стремянки  согласно эмпирическому выражению:

l_стр=50+8,75G_гр,

l_стр=50+8,75*2,03=68 мм

 

Определим максимальную длину листов:

L=L_a+ l_стр=2840+68=2908 мм

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

14

 

5.Условная замена рессоры пневмоэлементом

 

          Замена рессоры на пневмоэлемент осуществляется для сверки результатов расчетов и выбора оптимального варианта. Пневматические упругие элементы имеют следующие преимущества:

           - нелинейность упругой характеристики, которую можно изменять в широких пределах;

           - возможность регулирования упругих характеристик подвески и регулирования уровня кузова;

           - небольшая масса упругого элемента;

           - высокая долговечность;

           - малое трение в подвески в сравнении с рессорной;

           - пневмоподвеска обеспечивает высокую плавность хода автомобилей и существенно более меньшую динамическую нагрузку на ось и на дорогу.

      Также имеется и ряд недостатков:

           - требуется пневмосистема;

           - нужен направляющий аппарат.

      Выбор пневмоэлемента.

          Так как в типоразмерном ряде имеется пневмоэлемент с нагрузкой 8,5 кН, то требуется приведение параметров этого пневмоэлемента к требуемым. Сместим пневмоэлемент от оси колеса к задней части автомобиля, причем приведения от места его установки проведем из условия равенства сил, приложенных к центру колеса вертикально, и силы деформации упругого элемента.

Приведем компоновочную  схему передней подвески с пневмоэлементом:

 

 

Рисунок 10 - Компоновочная  схема.

 

          Причем а - длина поперечной тяги подвески от центра колеса, принимаем

           Исходя из максимальной нагрузки, выбираем рукавный, упругий пневматический элемент из стандартного типоразмерного ряда со следующими параметрами:

         

            -диаметр поршня при давлении 0,6МПа.........................................................0,23м;

     -наружный диаметр при максимальном ходе сжатия элемента, не более…0,285м

            -статическая нагрузка при давлении 0,6МПа..........................................20,0+0,8 кН.

 

 

 

 

                                                                                                                                                       15

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6. Построение упругой характеристики пневмоподвески

                                         Рисунок 11 - Расчетаая схема пневмоэлемента.

 

     Статическая нагрузка на пневмоэлемент:

     где: р₁-давление воздуха в упругом элементе в положении статического равновесия. Принимается для груженного состояния (0,6)МПа, для снаряженного состояния (0,2)МПа.

        р_а- нормальное атмосферное давление, Па

        А_э1- эффективная площадь в положении статического равновесия, м²

     Объем воздуха в упругом элементе, при деформации его на ∆_yi (положительной на ходе сжатия)

     где V_i- объем воздуха в упругом элементе в положении статического равновесия, м^З.

        Давление воздуха

     где n — показатель политропы, зависящий от скорости деформации и теплообмена упругого элемента с окружающей средой. При статическом приложении нагрузки (изотермический процесс) n=1, а при динамическом нагружении его максимальное значение n=1,4 (адиабатический процесс). В подвесках автомобилей n=1,1-1,25, выбираем n=1,15.

Усилие, развиваемое упругим  элементом:

Характеристика упругого элемента:

         Зная закономерность изменения эффективной площади и объема воздуха в упругом элементе в процессе деформации, можно рассчитать характеристику любого резинокордного упругого элемента.

         Жесткость упругого элемента:

          Первое слагаемое формулы определяется давлением воздуха при заданной

17

деформации и обусловливается  такими конструктивными параметрами, как объем, эффективная площадь  и характер нагружения. Второе слагаемое определяется изменением эффективной площади при деформации, т. е. изменением конфигурации оболочки.

      Жесткость упругого элемента в положении статического равновесия:

       Элемент находится в положении статического равновесия. Статический объем в данном положении

V_ст=V₁

Принимаем ∆_сж=0,12 м, ∆_отб=0,12 м

 

Усилие, развиваемое упругим  элементом

 

 

     где p₁- давление в статическом положении. Принимается для груженного состояния (0,6)МПа.

      V₁ -объем в статическом положении.

       p_а =0,1 МПа - атмосферное давление.

       A_эi - эффективная площадь.

Т.к. эффективная площадь изменяется в пределах 3%, то принимаем её постоянной:

d_э -эффективный диаметр.

 

n - показатель политропы, зависит от скорости деформации и теплообмена упругого элемента с окружающей средой. При статическом приложении нагрузки(изотермический  процесс) n=1, а при динамическом нагружении его максимальное значение n=1,4 (адиабатический процесс).

V_i - текущий объем.

 

 

18

 

Результаты расчетов сведем в таблицу 3

 

Таблица 3. Результаты расчета подвески с пневмоэлементом

h	Vi	Fгр	Fсн
12	0,00563	42579,21	27459,16
10	0,006508	36274,14	23193,99
8	0,007386	31468,1	19942,88
6	0,008264	27683,32	17382,6
4	0,009142	24625,53	15314,11
2	0,01002	22103,62	13608,13
0	0,010898	19988,08	12177,04
2	0,011776	18188	10959,35
4	0,012654	16637,72	9910,637
6	0,013532	15288,62	8998,017
8	0,01441	14103,93	8196,61
10	0,015288	13055,31	7487,255
12	0,016166	12120,59	6854,953

 

Определим жесткость упругого элемента в груженом состоянии:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

19

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7.Расчет и построение характеристики гидравлического амортизатора для пневмоподвески

           В   качестве   демпфирующего   элемента   в   проектируемой   подвеске используется гидравлический амортизатор.

          Первой   стадией   расчета   является   оценка  значений   коэффициентов сопротивления амортизатора.

          Определяем среднее значение  коэффициента сопротивления за  цикл работы:

          где ψ -  коэффициент   апериодичности   (для   автомобилей   ψ=0,1…0,3), принимаем ψ = 0,2;

                  М-масса, приходящаяся на подвеску, приведенная к центру колеса;

                  С - жесткость подвески, приведенная к центру колеса в груженом состоянии.

Учитывая, что коэффициент  сопротивления на ходе отбоя  ,

           где -коэффициент сопротивления на ходе сжатия, ( ,принимаем )

           Определяем коэффициент сопротивления на ходе сжатия:

           Определяем коэффициент сопротивления амортизатора на ходе отбоя:

           По известным коэффициентам строится характеристика амортизатора, в

которой принимают: ,

          где принимают равным 0,52 м/с.

Характеристика амортизатора приведена на рисунке 13

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 13 - Характеристика амортизатора.

20

        Диаметр штока d_ш определим из формулы Эйлера, для расчета устойчивости сжатых стержней:

        где F_кр- критическая сила

               МПа - модуль упругости первого рода

             J- момент инерции для круглого сечения J= π- d_ш⁴/64,

              - приведенная длина стержня

              - длина стержня

              μ=0,5-  коэффициент приведенной длины (для стержня с жестко защемленными концами),