Расчет оптимальных подвесок с винтовой пружиной

1.1. Упругая характеристика подвесок легковых автомобилей.

     Для удовлетворения требованиям плавности хода подвеска должна обеспечивать определенный закон изменения вертикальной реакции на колесо Rz в зависимости от прогиба (рис 1.3) - эта зависимость называется упругой характеристикой подвески.

     В некотором диапазоне изменения нагрузок, близком статической Rzст, характеристики подвески должны обеспечивать оптимальную частоту колебаний: для легковых автомобилей 0,8...1,2 Гц, а для грузовых 1,2...1,9 Гц, что соответствует уровню колебаний человека при ходьбе. Частота собственных колебаний подрессоренной массы зависит от статического прогиба подвески fст:

     При движении по неровным дорогам с увеличением амплитуды колебаний подвески относительно статического положения для предотвращения ударов в ограничитель жесткость подвески должна увеличиваться. При этом Rzд = (2,5...3)Rzст. Отношение динамической нагрузки к статической характеризует коэффициент динамичности

Кд= Rzд / Rzст

     Площадь под кривой упругой характеристики определяет динамическую энергоемкость подвески, которая эквивалентна работе, необходимой для полной деформации упругого элемента. Для увеличения динамической энергоемкости упругая характеристика подвески должна быть прогрессивной, т. е. обеспечивать прогрессивное возрастание реакции Rzд при меньшем прогибе. Такой же коэффициент динамичности может быть получен при линейной характеристике, но при этом динамический прогиб f́΄д чрезмерно увеличивается, что трудно обеспечить конструктивно. 
 
 

Рис 1.3

     При изменении полезной нагрузки автомобиля от минимума до максимума нагрузка от подрессоренной части, определяющая f'ст, меняется на передней подвеске на 10...30 %, на задней подвеске легковых автомобилей на 45...60 %, грузовых на 250...400%, автобусов на 200...250 %. Для сохранения оптимальной частоты собственных колебаний кузова при переменной нагрузке необходимо поддерживать постоянство статического прогиба подвески, изменяя ее жесткость, т. е. жесткость подвески должна изменяться пропорционально приходящейся на нее нагрузке.

     Существуют различные способы обеспечения постоянства статического прогиба. Например, регулирование давления воздуха в пневматической подвеске или применение упругих дополнительных элементов, включающихся в работу при увеличении нагрузки[4]. 
 
 
 
 
 
 
 
 

1.2. Упругие элементы подвесок легковых автомобилей.

     Главной частью упругого устройства подвески являются упругие элементы. К упругим металлическим элементам относятся: листовые рессоры, спиральные пружины и торсионы. Для зависимых подвесок чаще используют рессоры, а для независимых — пружины и торсионы.

     Листовые рессоры. Они имеют широкое применение, так как одновременно выполняют три функции: упругого элемента, а также направляющего и гасящего устройств. К недостаткам листовых рессор относятся:

- высокая металлоемкость (энергия, запасаемая единицей объема листовой рессоры, в 4 раза меньше, чем у пружин и торсионов);  

- наличие межлистового трения, отрицательно влияющего на упругую характеристику рессоры и на ее долговечность.

     Часты случаи поломки листов вследствие микротрещин, возникающих при межлистовом трении.

     Для увеличения долговечности листовых рессор их разгружают от скручивающих напряжений, иногда от передачи толкающих усилий; уменьшают напряжения в листах, ограничивая амплитуду или вводя дополнительные упругие элементы. Для снижения межлистового трения предусматривают смазку листов, устанавливают прокладки и др.

     Межлистовое трение в рессоре особенно усиливается при попадании между листами абразивных частиц, что приводит к местному поверхностному износу, задирам и образованию микротрещин, а в конечном

итоге к поломке листов. Наименьшее межлистовое  трение имеет малолистовая рессора  щелевого типа с необходимым зазором  между листами, наименьшую массу — одно-листовая рессора.

     Долговечность рессор зависит от чистоты поверхности листов и точности проката, а также от их прочности. Введение дробеструйной обработки листов, применение биметаллических листов позволяют упрочнить рессоры. Износостойкость листов может быть повышена при применении покрытий из порошков самофлюсующихся сплавов на основе никеля. При использовании листов несимметричного профиля также увеличивается долговечность и снижается их масса. При больших деформациях листы рессор прямоугольного профиля принимают вогнутую форму. На поверхности листа, испытывающей растягивающие напряжения, возникают дополнительные «мембранные» напряжения. При применении листов несимметричного профиля влияние мембранных напряжений уменьшается. При смещении нейтральной оси Х—Х поперечного сечения происходит перераспределение напряжений между сторонами профиля, испытывающими в работе напряжения растяжения и сжатия. В результате повышается прочность и долговечность рессоры.

     Пружины. Винтовые пружины с постоянными толщиной проволоки и шагом навивки, а также обусловленной этим линейной характеристикой по всему ходу подвески, как и прежде, применяются в передней и задней подвесках. Требуемая характеристика обеспечивается в таких случаях дополнительным упругим элементом. Нужная прогрессивность задней подвески может быть создана цилиндрическими и фасонными пружинами с переменной толщиной проволоки. Пружины имеют большую удельную энергоемкость, чем рессоры. Однако при применении пружин  в качестве упругих элементов подвески необходимо иметь автономное направляющее устройство, что усложняет конструкцию подвески в целом, несмотря на простоту упругих элементов[10].

     Пружинные упругие элементы могут применяться как в рычажной независимой подвеске, так и в рычажно-телескопической. При применении пружины в рычажных подвесках она подвергается не только сжатию, но и изгибу, так как один конец пружины закреплен на подвижном рычаге. Это оказывает влияние на жесткость подвески и на напряжения в пружине. В пружине возникает большая неравномерность напряжений как в отдельных витках, так и по длине каждого витка.

     Основные требования, предъявляемые к рессорным сталям после термической обработки:

- предел текучести, предел прочности, удлинение и сжатие в соответствии с техническими условиями;

- стойкость к образованию трещин;

- для этого на поверхности не должно быть обезуглероженного слоя, трещин, пленок, волосовин;

- предел выносливости поверхностных слоев ниже, чем средних слоев;

- для выравнивания их применяют поверхностное упрочение — наклеп, пластическую осадку и др.

     Глубина обезуглероженного слоя составляет примерно 2...1,5 % в зависимости от наличия кремния и толщины листа. Шлифование после термообработки, дробеструйная обработка и другие методы упрочнения повышают прочность рессоры.

     Торсионы. Цилиндрические торсионы, изготовленные из круглой стали, применяются для подрессоривания кузова или в качестве стабилизатора. Для передачи упругого момента на концах торсиона имеются полученные горячей высадкой головки со шлицами и четырехгранником. При использовании торсиона в качестве стабилизатора к нему в стык приваривается U-образные пластины, которые очень просто крепятся к рычагам. Недостатком упругих элементов этого типа является большая длина: монтажное основание не должно выходить за пределы основания кузова. Указанным недостаткам противостоят преимущества оптимального использования материала и чрезвычайной компактности по диаметру. Кроме того, при наличии регулировки можно изменять конструктивную высоту кузова, а два рядом расположенных торсиона использовать в качестве стабилизатора.

     Также торсионы имеют большую  массу и стоимость. Преимущество составного плоского торсиона заключается в том, что он дополнительно может воспринимать изгибающий момент в плоскости большого размера сечения торсиона. При таком нагружении могут устанавливаться только плоские торсионы.

     Пневматические упругие элементы. В настоящее время пневматические подвески устанавливаются на всех автобусах , грузовых автомобилях и прицепов к ним. Причиной этого является более мягкое подрессоривание и связанные с ним преимущества повышенной комфортабельности. Сохранности грузов и значительно меньших динамических колебаний колесных нагрузок, что снижает нагруженность дорожного полотна. К ним добавляется возможность регулирования уровня кузова, которая обеспечивает на автобусах постоянство высоты подножки, а на грузовых автомобилях позволяет дополнительно регулировать высоту грузовой платформы[10]. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2. Проектирование рассматриваемой подвески ВАЗ-2115.

     В данном разделе курсовой работы будут рассмотрены конструкции передней и задней подвески автомобиля ВАЗ-2115.

     Передняя подвеска независимая, с телескопическими гидравлическими амортизаторными стойками, с винтовыми цилиндрическими пружинами, поперечными рычагами с растяжками и стабилизатором поперечной устойчивости (рис 2.1).

     Амортизаторная стойка состоит из телескопической стойки, витой цилиндрической пружины, пенополиуретанового буфера хода сжатия, защитного чехла штока и верхней опоры стойки в сборе с подшипником. Амортизаторная стойка соединена с поворотным кулаком двумя болтами. Верхний болт, проходящий через отверстие кронштейна стойки, имеет эксцентриковый поясок и эксцентриковую шайбу. Поворотом этого болта регулируется угол развала переднего колеса.

     Верхняя опора крепится тремя самоконтрящимися гайками к стойке брызговика кузова. За счет своей эластичности опора дает возможность стойке качаться при ходах подвески и гасит высокочастотные колебания. Запрессованный в нее подшипник позволяет стойке поворачиваться вместе с управляемыми колесами.

     В корпусе стойки смонтированы детали телескопического гидравлического амортизатора. При выходе его из строя в корпус стойки можно установить ремонтный картридж.

     Нижняя часть поворотного кулака соединена с рычагом подвески через шаровую опору. Опора закреплена двумя болтами, ввернутыми в глухие отверстия. Тормозные и тяговые силы воспринимаются продольными растяжками, соединенными через резинометаллические шарниры с рычагами и с кронштейнами. В местах соединения (на обоих концах растяжек) установлены регулировочные шайбы угла продольного наклона оси поворота.

     В поворотном кулаке двумя стопорными кольцами закреплен двухрядный радиальноупорный шариковый подшипник ступицы закрытого типа. Внутренние кольца подшипника установлены с натягом на ступицу колеса. Подшипник затягивают гайкой на хвостовике корпуса наружного шарнира привода колеса и в процессе эксплуатации не регулируют. Гайки подшипников ступиц одинаковые, с правой резьбой. Стабилизатор поперечной устойчивости — штанга из пружинной стали. Концы стабилизатора через стойки с резинометаллическими шарнирами соединены с рычагами подвески. Средняя часть штанги крепится к кузову кронштейнами через резиновые подушки[7].

Рис 2.1. Передняя подвеска: 1 — шаровая опора; 2 — ступица; 3 — тормозной диск; 4 — защитный кожух; 5 — поворотный рычаг; б — нижняя опорная чашка; 7 — пружина подвески; 8 — защитный кожух, 9 — буфер сжатия; 10 — верхняя опорная чашка; 11 — резиновый элемент верхней опоры; 12 — защитный колпак; 13 — подшипник верхней опоры; 14 — шток; 15 — опора буфера сжатия, 16 — телескопическая стойка; 17 — гайка; 18 — эксцентриковый болт; 19 — поворотный кулак; 20 — вал привода переднего колеса; 21 — защитный чехол шарнира; 22 — наружный шарнир вала, 23 — рычаг 

     Задняя подвеска(рис 2.2) — полузависимая, на связанных продольных рычагах, с цилиндрическими витыми пружинами 12 и гидравлическими телескопическими амортизаторами 10 двустороннего действия.

     Основной несущий элемент подвески — балка, состоящая из продольных рычагов 14 и соединителя 13, сваренных между собой через усилители. Сзади к рычагам подвески приварены кронштейны 15 с проушинами для крепления амортизаторов 10 и фланцы для крепления осей задних колес и щитов тормозных механизмов. Спереди в рычаги 14 вварены втулки с запрессованными в них сайлент-блоками 3. Через центральную втулку сайлент-блока проходит болт, соединяющий рычаг с кронштейном 2. Для крепления кронштейна к кузову в лонжерон вварены три болта. Пружина 12 подвески опирается нижним концом на чашку, приваренную к резервуару амортизатора, а верхним — через резиновую прокладку 11 — на опору арки кузова. Нижняя проушина амортизатора крепится болтом к кронштейну 15 рычага подвески, а его шток закреплен на верхней опоре пружины подвески через две резиновые подушки 8 (одна — снизу опоры, другая — сверху) и опорную шайбу 7 (под гайкой).