Расчет оптимальных подвесок с винтовой пружиной

Содержание:                                               стр.

Введение                  3

1. Анализ существующих  конструкций подвесок легковых  автомобилей     6

1.1. Упругая характеристика  подвесок  легковых автомобилей                     11

1.2. Упругие элементы подвесок легковых автомобилей                                13

2. Проектирование  рассматриваемых подвесок ВАЗ-2115                              17

3. Расчет оптимальных  подвесок с винтовой пружиной                                  21

3.1. Предварительное определение размеров пружины                                   22

3.2. Расчет пружины подвески на прочность                                                    24

3.3. Выбор и  расчет стабилизаторов поперечной  устойчивости                     26

3.4. Проверочный расчет характеристик подвески автомобиля                      32

Заключение                          36

Список используемой литературы              38

Приложение № 1                 39 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение.

     Конструкции автомобилей непрерывно совершенствуются. Тенденции развития конструкций автомобилей обусловлены как экономическими, так и социальными причинами. Экономические причины определяют тенденцию повышения топливной экономичности как легковых, так и грузовых автомобилей, что в настоящее время стало одним из ведущих направлением современного автомобилестроения. Социальными причинами обусловлена тенденция повышения безопасности автомобиля.  
Автомобиль - объект повышенной опасности. Поэтому необходимо совершенствование активной и пассивной безопасности автомобиля. Автомобиль является источником загрязнения окружающей среды отравляющими газами (окись углерода, окиси азота). Это определяет непрерывное повышение требований экологической безопасности автомобиля. Следует отметить тенденцию автоматизации управления автомобилем, которая обеспечивается современными средствами электронной, микропроцессорной техники и направлена на повышение топливной экономичности и динамики автомобиля.  
     Одним из важнейших элементов автомобиля является подвеска.

Проектирование  подвески  включает  определение  характеристик,  конструктивных  ее параметров и  элементов, обеспечивающих  выполнение  требований плавности хода, а также конструктивную проработку деталей и сборочных единиц с необходимыми прочностными расчетами.

     Исходными данными для оптимального проектирования являются: полная

масса  транспортного  средства  mаx; параметры компоновочной схемы, ходовой части, дорожный просвет, число и диаметр колес, модуль  жесткости подвески в статическом положении, выбранный на основании оценки плавности хода.

      Современная  теория  подрессоривания   транспортных  средств  располагает  аппаратом,  который  позволяет   оценить  параметры   плавности   хода  по  заданным параметрам  и характеристикам элементов подвески. В проектном расчете жесткость и сопротивление  амортизаторов выбирают приближенно, их  значения  уточняют  после  расчетной  оценки  плавности  хода  в  заданных  условиях эксплуатации.

     В  качестве  оценочного  параметра  выбирают  критерий,  характеризующий плавность  хода,  и  сравнивают  ее  различные  варианты.  Подвеска,  у  которой критерий имеет min, считается наилучшей.

     В настоящее время еще не выработано единое мнение относительно критерия  оптимальности  подвески  транспортных  средств. Предлагаются  различные  критерии и разные допускаемые  значения, например, принимают скорость перемещений,  ускорение,  третью  производную перемещений, мощность  колебаний и т.п.  Это связано с тем,  что одним параметром  очень трудно  учесть  все  особенности  восприятия  вибраций  человеческим  организмом. Иногда при этом предлагаются очень сложные критерии, для определения которых необходимо фиксировать биологические реакции человека.

     К подвеске автомобиля, которая  обеспечивает упругое соединение несущей системы с колесами автомобиля, предъявляют следующие требования:

- обеспечение  плавности хода;

- обеспечение  движения по неровным дорогам  без ударов в ограничитель;

- ограничение  поперечного крена автомобиля;

- кинематическое согласование перемещений управляемых колес, исключающее их колебания относительно шкворней;

- обеспечение  затухания колебания кузова и  колес;

- постоянство  колеи, углов наклона колес,  постоянство углов наклона шкворней;

- надежная  передача от колес к кузову продольных и поперечных сил;

- снижение  массы неподрессоренных частей.

     В качестве прототипа проектируемого  автомобиля выбран автомобиль  ВАЗ-2115.

     Габаритные размеры проектируемого  автомобиля, размеры колеи, базы  и другие, принимаются в соответствии с выбранным прототипом:

- габаритная  длина – 4330 мм;

- габаритная  высота – 1415 мм;

- габаритная  ширина – 1620 мм;

- колесная  база – 2460 мм;

- колея  по передним колесам – 1400 мм;

- колея  по задним колесам – 1370 мм

   Целью настоящей работы является расчет подвески автомобиля, проектирование подвески для автомобиля ВАЗ-2115. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Анализ существующих  конструкций подвесок  легковых автомобилей.

     Подвеской автомобиля называется совокупность устройств, обеспечивающих упругую связь между несущей системой и мостами или колёсами автомобиля, уменьшение динамических нагрузок на несущую систему и колёса, и затухание их колебаний, а также регулирование положения кузова автомобиля во время движения. Подвеска, является промежуточным звеном между кузовом автомобиля и дорогой, поэтому она должна быть лёгкой и наряду с высокой комфортабельностью обеспечивать максимальную безопасность движения. Для этого необходимы точная кинематика колёс, высокая информативность управления (не только рулевого), а также изоляция кузова от дорожных шумов и жесткого качения радиальных шин (особенно с низким профилем). Кроме того, надо учитывать, что подвеска передаёт на кузов силы, возникающие в контакте колеса с дорогой, поэтому она должна быть прочной и долговечной. Применяемые шарниры должны легко поворачиваться, быть мало податливыми и вместе с тем обеспечивать шумоизоляцию кузова. Рычаги должны передавать силы практически во всех направлениях, а также тяговые и тормозные моменты, и быть при этом не слишком тяжелыми. Упругие элементы при эффективном использовании материалов должны быть простыми и компактными, и допускать достаточный ход подвески [3].

     Подвесок существует огромное множество, они классифицируются по типу:

- характеристики (постоянной жёсткости, переменной жёсткости, прогрессивная);

- направляющего аппарата (зависимые и независимые);

- способу передачи сил и моментов от колёс (рессорная, штанговая, рычажная (одно- и двухрычажные));

- наличию шкворней (шкворневая и бесшкворневая);

- типу гасящего элемента (амортизатора): с рычажным амортизатором (механический, гидравлический) и с телескопическим амортизатором ( одно- и двухтрубным);

- упругих элементов (пружинные, торсионные, рессорные, пневматические и т.д.).

     Каждая подвеска имеет свои недостатки и преимущества. Зависимая проще, дешевле, имеет постоянную колею, но в тоже время балка не является подрессоренной, поэтому назвать лёгкой эту подвеску нельзя. Кроме этого, при противоположных ходах левого и правого колёс одной оси, наблюдается значительный их наклон, следствием чего являются автоколебания колёс (т.н. эффект шимми). Независимые, имеют гораздо больше преимуществ, поэтому и распространены сейчас больше. Они различаются по расположению плоскости качания колёс: продольная, поперечная, диагональная на косых рычагах. И по количеству рычагов: однорычажные, двухрычажные, многорычажные и свечные.

     Чуть подробнее остановимся на двух типах передних подвесок автомобилей.

     Подвеска типа «МакФерсон»(рис 1.1). Примера такого типа подвески являются автомобили ВАЗ-2108-15. Впервые подвеска «МакФерсон» была применена в 1965 году на автомобиле «Пежо-204», через год – на Форде, а в 1969 году на «Фиат-128». Настоящее широкое использование началось в начале 70-х годов. Почти все новые переднеприводные автомобили оснащены такой подвеской. Ввиду некоторых своих преимуществ «МакФерсон» завоевал себе место и в автомобилях с иным приводом. Малые затраты на изготовление, небольшое по объёму занимаемое пространство (соответственно большое подкапотное пространство и, как следствие, возможность разместить большой двигатель), значительное расстояние по высоте между опорными узлами, определяющее возникновение меньших по величине сил в местах присоединения к кузову, возможность осуществления больших ходов, являются, пожалуй, основными преимуществами и причиной того, что большинство появляющихся в последние годы крупносерийных автомобилей имеют на переднем мосту подвеску такого типа. К её недостаткам можно отнести: несколько худшие кинематические параметры, чем у подвески на двойных поперечных рычагах, большие трудности, связанные с обеспечением изоляции от дорожных шумов и вибраций, неблагоприятно длинные рулевые тяги при верхнем расположении реечного рулевого механизма, меньшая компенсация продольного крена при торможении, высокие изнашивающие нагрузки между штоком и направляющей[9]. 

 
 
 
 
 
 
 

Рис 1.1

     Подвеска на двойных поперечных рычагах (рис 1.2). В этой конструкции есть два поперечных рычага, имеющих поворотные опоры на раме, поперечине или кузове. Наружные концы рычагов – в случае передней подвески (пример ВАЗ-2101-07) – соединяются посредством шаровых шарниров с поворотной цапфой или кулаком. Чем больше может быть расстояние между поперечными рычагами, тем меньше силы, действующие в рычагах и их опорах, т. е. тем меньше податливость всех деталей и точнее кинематика подвески. Надо отметить, также, эластичное восприятие жесткого качения радиальных шин верхними рычагами (что возможно только при этой конструкции независимой подвески). Хотя продольные силы, вызываемые сопротивлением качению, на верхнем рычаге лишь незначительно меньше, однако нижний рычаг и его опоры выполняются с расчётом на явно большие нагрузки. Последние возникают под действием боковых сил или при торможении. Главное преимущество подвески на двойных поперечных рычагах – её кинематические свойства: взаимным положением рычагов можно определить высоту, как центра поперечного крена, так и центра продольного крена. Кроме того, за счёт разной длины верхнего и нижнего рычагов можно влиять на угловые перемещения колёс при ходах отбоя и сжатия, т. е. на изменение развала и, независимо от этого, на изменение колеи. При более коротких верхних рычагах колёса при ходе сжатия наклоняются в сторону отрицательного развала, а при ходе отбоя – в сторону положительного. За счёт этого можно противодействовать изменению развала, обусловленному боковым креном кузова. Также, изменив угол плоскости качания верхнего рычага относительно нижнего, можно добиться антиклевковкового эффекта[9]. 
 
 
 
 
 
 
 
 

Рис 1.2

     Обычно при оценке подвески автомобиля обращают внимание на такие её потребительские свойства как комфортность, управляемость и устойчивость . Большинству людей абсолютно всё равно, какого типа подвеска стоит на их автомобилях, сколько рычагов, и тем более всё равно по какой оси проходит центр крена кузова. И это практически правильно. Это удел заводов изготовителей: выбор типа подвески, подбор ее геометрических параметров и технических характеристик отдельных её элементов. При разработке, автомобиль проходит огромное количество расчётов, испытаний и тестов. Поэтому, подвеска стандартной машины имеет приемлемые потребительские характеристики и удовлетворяет требованиям большинства водителей.