Расчет оптимальных подвесок с винтовой пружиной

     Пружины задней подвески по длине в свободном состоянии и под нагрузкой делятся на два класса жесткости А (более жесткие, «высокие») и В (менее жесткие, «низкие»). На передней и задней подвесках должны устанавливаться пружины одного класса. Но в исключительных случаях, если в передней подвеске установлены пружины класса А, допускается установка пружин класса В в задней подвеске (но не наоборот!). Качество пружин в полной мере можно оценить по работе подвески на автомобиле. Если подвеска часто «пробивается» до отбойников на неровностях дороги или проседает под нагрузкой, следует установить более жесткие пружины. При замене пружин не забудьте проверить исправность амортизаторов: ведь именно пара амортизатор-пружина во многом определяет характеристики подвески. В ступице установлен двухрядный радиально-упорный шариковый подшипник, аналогичный подшипнику ступицы переднего колеса, но меньшего размера. Посадка подшипника на оси — переходная (с легким натягом или зазором). В процессе эксплуатации подшипник не требует регулировки и пополнения смазки. Не допускается устранять возникший люфт подтяжкой гайки — подшипник следует заменить. При демонтаже ступицы подшипник разрушается, поэтому разбирать ступицу при исправном подшипнике не рекомендуется[7].

Рис 2.2. Детали задней подвески: 1 — ступица колеса; 2 — кронштейн крепления рычага подвески; 3 — сайлент-блок; 4 — кожух амортизатора. 5 — буфер хода сжатия; 6 — крышка кожуха, 7 — опорная шайба 8 — подушки амортизатора; 9 — распорная втулка; 10 — амортизатор: 11 —резиновая прокладка; 12 — пружина задней подвески; 13 —соединитель рычагов; 14 — рычаг балки задней подвески; 15 -кронштейн крепления амортизатора; 16 — нижняя опорная чашка пружины, 17 — шток; 18 — верхняя опорная чашка пружины 
 
 

3. Расчет оптимальных подвесок с винтовой пружиной.

     Винтовая цилиндрическая пружина, вследствие простоты конструкции и высокой удельной энергоемкости, является самым распространенным упругим элементом в подвесках современных автомобилей. Однако методика расчета пружинной подвески очень мало освещена в технической литературе. Особенность расчета винтовой цилиндрической пружины заключается в том, что в процессе работы подвески она в большинстве современных конструкций испытывает три вида деформаций: сжатие в результате действия осевой силы F, изгиб от действия боковой силы Q и изгиб под влиянием момента М. Такой вид деформации пружины создает большую не-

равномерность напряжений как в отдельных витках пружины, так и по длине

каждого витка.

     Поэтому при конструировании подвески с винтовой цилиндрической пружиной особое внимание должно быть уделено устранению неравномерности распределения напряжений в пружине. Весь процесс проектирования рычажной пружинной подвески может быть условно разбит на четыре этапа:

1. выбор конструктивной схемы подъема;

2. предварительное определение основных размеров винтовой цилиндрической пружины;

3. расчет пружины и рычагов подвески на прочность и долговечность;

4. определение характеристики подвески[2]. 
 
 
 
 
 
 
 

3.1. Предварительное определение размеров пружины.

     Энергоемкость винтовой цилиндрической пружины так же, как и энергоемкость торсиона, должна быть равна работе деформации подвески, при этом максимальные напряжения в пружине должны находиться в допустимых пределах. Исходя из этого положения, можно определять основные размеры винтовой цилиндрической пружины. Для вывода всех расчетных формул используем два общеизвестных выражения:

                        

                     

где F – сила, действующая  на пружину;

Сср – средняя жесткость подвески;

Sп – максимальная деформация подвески;

К – коэффициент, учитывающий кривизну витка;

D/d – индекс пружины;

f – деформация  пружины; 

D – средний  диаметр пружины;

d – диаметр  проволоки, из которой изготовлена  пружина; 

G – модуль  упругости второго рода;

Z – число рабочих  витков пружин;

V – объем пружины 

А – работа деформации подвески.

     Рассмотрим четыре варианта расчета,  которые наиболее часто могут встретиться при оптимальном проектировании подвески[2].     

     1 вариант. Предварительно выбраны диаметр проволоки d и отношение

d/β = D; требуется определить число рабочих витков пружины и передаточное отношение подвески:       

     2 вариант. Предварительно выберем передаточное число подвески и отношение β = D/d; требуется определить диаметр проволоки пружины и число ее витков:

Число витков Z определяется в этом случае по формуле (3.3).

     3 вариант. Предварительно выбрано число витков пружины и отношение β. Требуется определить диаметр проволоки пружины и передаточное отношение подвески. Используя выражение (3.3), получим:

Используя выражение (3.4), получим:

     4 вариант. Предварительно выбраны число витков пружины и передаточное отношение; требуется определить d и D. Используя выражения (3.6) и (3.7), получим:

Использую выражение (3.4), получим:

 

3.2. Расчет пружины подвески на прочность.

     При расчете пружины на прочность необходимо определить максимальные в ней напряжения, которые возникают, как правило, при максимальном сжатии пружины.

     В общем случае на пружину  подвески действуют сжимающая  сила F, боковая сила Q и изгибающий  момент M, которые могут быть определены, если, используя чертеж подвески, найти следующие величины: высоту пружины в сжатом состоянии Н, боковую деформацию пружины х и угол перекоса. Направления силы, момента и деформаций за положительные, можно найти значения силы Q и момента M. Осевая сжимающая сила F определится из выражения:

где Н₀ – высота пружины в свободной состоянии;

Н – высота пружины при максимальном ходе колеса вверх (обычно этот ход считают при сбитом верхнем буфере ограничителя).

     Максимальные касательные напряжения возникают в плоскости действия

силы Q и  момента M (плоскость чертежа на рис. 3.1 и 3.2). Они могут быть определены из выражения:

             

где W_р – полярный момент сопротивления сечения проволоки пружины;

Н_х – расстояние от точки приложения силы Q до центра сечения, в котором определяются напряжения;

K₁ – коэффициент, учитывающий влияние кривизны витка пружины и напряжения среза;

К₂ – коэффициент, учитывающий только влияние кривизны витка на напряжения кручения в пружине.

     Максимальные напряжения, как известно, возникают в той части сечения

проволоки пружины, которая ближе расположена  к оси пружины. Величины

коэффициентов К₁ и К₂ могут быть определены из выражений:

     Выбор знака перед вторым членом выражения (3.10) следует сделать так,

чтобы получить максимальное значение τ_max.

     При одношарнирном закреплении  пружины на нее действуют лишь  две силы: осевая F и боковая Q (изгибающий  момент равен нулю). Методика определения  осевой силы остается прежней,  боковая сила определится из

выражения:

                                    

     Максимальные касательные напряжений  в пружине в этом случае  определятся из выражения:

                            

     Наибольшие напряжения в пружине в этом случае возникнут в витках, лежащих у ее основания, т.е. на противоположном шарниру конце.

     При двухшарнирном закреплении пружины напряжения в витках пружины будут создаваться только осевой силой F и определяются по известной методике[2]. 
 
 
 
 
 
 
 
 

3.3. Выбор и расчет стабилизаторов поперечной устойчивости.

     Поперечные крены вызываются моментом боковой силы, возникающий при движении по кривой, под действием бокового ветра или поперечного на

клона дороги. Поперечный крен влияет на управляемость, устойчивость, плавность хода и износ шин. Для снижения крена применяют стабилизаторы. Поперечный крен автомобиля ограничен определенными пределами. Угол крена β оценивается как отношение момента, вызывающего крен Tβ к угловой жесткости упругих элементов (2:C_β): β= T_ß/2·С_ß.

     Момент T_β зависит прежде всего от плеча крена – перпендикуляра, опущенного из точки приложения боковой силы на ось, вокруг которой совершается крен кузова.

     Эта ось (ось крена) представляет собой прямую, соединяющую центры крена передней и задней подвесок. Центром крена называется мгновенный центр перемещений, т.е. точки, остающиеся в покое при поперечных кренах кузова. Найдем положение центра для подвесок основных типов.

     При зависимой подвеске на продольных полуэллиптических рессорах положение центра крена зависит от конструкции рессор и их крепления к кузову (раме) и будет лежать в точке О. В современных рессорах расстояние О`О обычно невелико. При двухрычажной независимой подвеске, когда рычаги под статической нагрузкой параллельны дороге, положение центра

крена будет лежать в плоскости дороги.

     У независимых однорычажных подвесок с перемещением колес в продольной плоскости центр крена лежит в плоскости дороги. У свечных подвесок небольшое смещение центра крена возможно лишь вследствие наклона направляющей на угол γ, уменьшающий перемещений колес (рис3.1).

рис 3.1

     У зависимых подвесок в случаях  применения поперечной штанги  центр крена лежит в точке  пересечения штанги с плоскостью  симметрии кузова.

Определив центры крена передней и задней подвески и зная, следовательно, положение  оси крена, находят плечо крена[2]. Для этого необходимо предварительно найти координаты центра тяжести подрессоренной части (кузова). Зная положение центра тяжести автомобиля (рис 3.2), для координат центра тяжести подрессоренной части напишем:

     Центр тяжести автомобиля лежит ниже центра тяжести подрессоренной

части так, что h_ga < h_g.

рис 3.2

     Введем  понятие удельной боковой силы, одинаковой для автомобиля в  целом, его подрессоренной части или неподрессоренных частей:

Тогда для  момента, вызывающего поперечный крен кузова, можем записать: