Упругие резиновые элементы

Упругие элементы

В качестве упругих устройств в подвесках современных автомобилей используют металлические и неметаллические элементы. Наибольшее распространение получили металлические устройства: пружины, листовые рессоры и торсионы.

Пружина подвески автомобиля с переменной жесткостью

Наиболее широко (особенно в подвесках легковых автомобилей) применяются витые пружины, изготавливаемые из стального упругого стержня круглого сечения.
При сжатии пружины по вертикальной оси, ее витки сближаются и закручиваются. Если пружина имеет цилиндрическую форму, то при ее деформации расстояние между витками сохраняется постоянным и пружина имеет линейную характеристику. Это значит, что деформация цилиндрической пружины всегда прямо пропорциональна приложенному усилию, а пружина имеет постоянную жесткость. Если изготовить витую пружину из прутка переменного сечения или придать пружине определенную форму (в виде бочонка или кокона), то такой упругий элемент будет иметь переменную жесткость. При сжатии такой пружины вначале будут сближаться менее жесткие витки, а после их соприкосновения в работу вступят более жесткие. Пружины переменной жесткости широко применяются в подвесках современных легковых автомобилей.
К достоинствам пружин, применяемых в качестве упругих элементов подвесок, следует отнести их малую массу и возможность обеспечения высокой плавности хода автомобиля. В то же время пружина не может передавать усилия в поперечной плоскости и ее применение требует наличия в подвеске сложного направляющего устройства.

Задняя рессорная подвеска:
1 — проушина рессоры;
2 — резиновая втулка;
3 — кронштейн;
4 — втулка;
5 — болт;
6 — шайбы;
7 — палец;
8 — резиновые втулки;
9 — пружинная шайба;
10 — гайка;
11 — кронштейн;
12 — втулка резиновая;
13 — втулка;
14 — пластина серьги;
15 — болт;
16 — штанга стабилизатора;
17 — коренной лист;
18 — листы рессоры;
19 — резиновый буфер хода сжатия;
20 — стремянки;
21 — накладка;
22 — балка заднего моста;
23 — амортизатор;
24 — хомут;
25 — лонжерон рамы;
26 — кронштейн стабилизатора;
27 — серьга стабилизатора

Листовая рессора служила упругим элементом подвески еще на гужевых экипажах и первых автомобилях, но она продолжает применяться и в наши дни, правда в основном на грузовых автомобилях. Типичная листовая рессора состоит из набора скрепленных между собой листов различной длины, изготовленных из пружинной стали. Листовая рессора обычно имеет форму полуэллипса.

Способы крепления рессор:
а — с витыми ушками;
б — на резиновых подушках;
в — с накладным ушком и скользящей опорой

Листы, из которых состоит рессора, имеют различную длину и кривизну. Чем меньше длина листа, тем больше должна быть его кривизна, что необходимо для более плотного взаимного прилегания листов в собранной рессоре. При такой конструкции уменьшается нагрузка на самый длинный (коренной) лист рессоры. Листы рессоры скрепляют между собой центровым болтом и хомутами. С помощью коренного листа рессора прикрепляется шарнирно обоими концами к кузову или раме и может передавать усилия от колес автомобиля на раму или кузов. Форма концов коренного листа определяется способом крепления его к раме (кузову) и необходимостью обеспечения компенсации изменения длины листа. Один из концов рессоры должен иметь возможность поворачиваться, а другой поворачиваться и перемещаться.
При деформации рессоры ее листы изгибаются и изменяют свою длину. При этом происходит трение листов друг о друга, и поэтому они требуют смазки, а между листами рессор легковых автомобилей устанавливают специальные антифрикционные прокладки. В то же время наличие трения в рессоре позволяет гасить колебания кузова и в некоторых случаях дает возможность обойтись без применения в подвеске амортизаторов. Рессорная подвеска имеет простую конструкцию, но большую массу, что и определяет наибольшее ее распространение в подвесках грузовых автомобилей и некоторых легковых автомобилях повышенной проходимости. Для уменьшения массы рессорных подвесок и улучшения плавности хода иногда применяются малолистовые и однолистовые рессоры с листом переменного по длине сечения. Довольно редко в подвесках применяются рессоры, изготовленные из армированной пластмассы.

Торсионная подвеска. В задней подвеске автомобиля Peugeot 206 используются два торсиона, соединенные с продольными рычагами. В направляющем устройстве подвески применяются трубчатые рычаги, установленные под углом к продольной оси автомобиля

Торсион — металлический упругий элемент, работающий на скручивание. Обычно торсион представляет собой сплошной металлический стержень круглого сечения с утолщениями на концах, на которых нарезаны шлицы. Встречаются подвески, в которых торсионы изготовлены из набора пластин или стержней (автомобили ЗАЗ). Одним концом торсион крепится к кузову (раме), а другим к направляющему устройству. При перемещениях колес торсионы закручиваются, обеспечивая упругую связь между колесом и кузовом. В зависимости от конструкции подвески торсионы могут располагаться как вдоль продольной оси автомобиля (обычно под полом), так и поперек. Торсионные подвески получаются компактными и легкими и дают возможность регулировки подвески путем предварительного закручивания торсионов.
Неметалические упругие элементы подвесок делятся на резиновые, пневматические и гидропневматические.
Резиновые упругие элементы присутствуют практически во всех конструкциях подвесок, но не в качестве основных, а как дополнительные, используемые для ограничения хода колес вверх и вниз. Применение дополнительных резиновых ограничителей (буферов, отбойников) ограничивает деформацию основных упругих элементов подвески, увеличивая ее жесткость при больших перемещениях и предотвращая удары металла по металлу. В последнее время резиновые элементы все чаще заменяются устройствами из синтетических материалов (полиуретан).

Упругие элементы пневматических подвесок:
а — рукавного типа;
б— двойные баллоны

В пневматических упругих элементах используются упругие свойства сжатого воздуха. Упругий элемент представляет собой баллон, изготовленный из армированной резины, в который подается под давлением воздух от специального компрессора. Форма пневмобаллонов может быть различной. Получили распространение баллоны рукавного типа (а) и двойные (двухсекционные) баллоны (б).
К преимуществам пневматических упругих элементов подвесок следует отнести высокую плавность хода автомобиля, небольшую массу и возможность поддержания постоянным уровня пола кузова, независимо от загрузки автомобиля. Подвески с пневматическими упругими элементами применяют на автобусах, грузовых и легковых автомобилях. Постоянство уровня пола грузовой платформы обеспечивает удобство погрузки и разгрузки грузового автомобиля, а для легковых автомобилей и автобусов — удобство при посадке и высадке пассажиров. Для получения сжатого воздуха на автобусах и грузовых автомобилях с пневматической тормозной системой используются штатные компрессоры, приводимые в действие от двигателя, а на легковых автомобилях устанавливают специальные компрессоры, как правило, с электроприводом (Range Rover, Mercedes, Audi).

Пневмоподвеска. На новых автомобилях Mercedes Е-класса вместо пружин стали применяться пневматические упругие элементы

Использование пневматических упругих элементов требует применения в подвеске сложного направляющего элемента и амортизаторов. Подвески с пневматическими упругими элементами некоторых современных легковых автомобилей имеют сложное электронное управление, которое обеспечивает не только постоянство уровня кузова, но и автоматическое изменение жесткости отдельных пневмобаллонов на поворотах и при торможении, для уменьшения крена кузова и клевков, что в целом повышает комфортабельность и безопасность движения.

Гидропневматический упругий элемент:
1 — сжатый газ;
2 — корпус;
3 — жидкость;
4 — к насосу;
5 — к амортизаторной стойке

Гидропневматический упругий элемент представляет собой специальную камеру, разделенную на две полости эластичной мембраной или поршнем.
Одна из полостей камеры заполнена сжатым газом (обычно азотом), а другая жидкостью (специальным маслом). Упругие свойства обеспечиваются сжатым газом, поскольку жидкость практически не сжимается. Перемещение колеса вызывает перемещение поршня, находящегося в цилиндре, заполненном жидкостью. При ходе колеса вверх поршень вытесняет из цилиндра жидкость, которая поступает в камеру и воздействует на разделительную мембрану, которая перемещается и сжимает газ. Для поддержания необходимого давления в системе используется гидравлический насос и гидроаккумулятор. Изменяя давление жидкости, поступающей под мембрану упругого элемента, можно изменять давление газа и жесткость подвески. При колебаниях кузова жидкость проходит через систему клапанов и испытывает сопротивление. Гидравлическое трение обеспечивает гасящие свойства подвески. Гидропневматические подвески обеспечивают высокую плавность хода, возможность регулировки положения кузова и эффективное гашение колебаний. К основным недостаткам такой подвески относится ее сложность и высокая стоимость.

2.1. Упругие элементы подвесок

Упругие элементы подвесок смягчают толчки, снижают вертикальные ускорения и динамические нагрузки, передаваемые на несущую конструкцию при движении автомобиля. В результате работы упругого элемента исключается «копирование» кузовом профиля дорожных неровностей и улучшается плавность хода автомобиля. Хорошей плавностью хода считается такая, при которой кузов совершает колебания частотой 1—1,3 Гц.

Применяют следующие типы упругих элементов подвески:

  • металлические: листовые рессоры, спиральные пружины, торсионы (стержни, работающие на скручивание);
  • неметаллические: пневматические, гидропневматические и резиновые (обеспечивают упругость подвески за счет упругих свойств резины, воздуха и жидкости).

Листовые рессоры. Рессорная подвеска является основной для грузовых автомобилей. Она содержит минимальное число структурных элементов — рессору с узлами крепления и амортизатор (не всегда).

Рессора состоит из стальных листов, имеющих одинаковую ширину и различную длину выгнутой формы, собранных вместе. Кривизна листов не одинакова и зависит от их длины. Она увеличивается с уменьшением длины листов, что необходимо для плотного прилегания их друг к другу в собранной рессоре.

Взаимное расположение листов в собранной рессоре обеспечивается стяжным центральным болтом или посредством специальных выдавок, сделанных в средней части листов. Кроме того, листы скреплены хомутами, которые исключают боковой сдвиг одного листа относительно другого и передают нагрузку от коренного (верхнего) листа на другие листы при обратном прогибе рессоры. Коренной лист имеет наибольшую длину. С помощью коренного листа концы рессоры крепятся к раме или кузову автомобиля. От способа крепления рессоры зависит форма концов коренного листа. Они могут быть плоскими, отогнутыми под углом 90°, загнутыми в форме ушков, со съемными коваными или литыми ушками.

Рессора устанавливается вдоль автомобиля и по способу заделки и форме может быть полуэллиптическая, кантилеверная или четвертная.

Полуэллиптическая рессора способна воспринимать и передавать на несущую конструкцию автомобиля не только нормальные, но и продольные и боковые реакции дороги, а также моменты от тормозного механизма или главной передачи (при ведущем мосте), следовательно, не требует специального направляющего устройства.

Четвертная и кантилеверная рессоры плохо приспособлены для передачи толкающих усилий, т. е. требуют направляющих устройств.

В целях уменьшения напряжений растяжения применяют профили листов специальной несимметричной формы — трапециевидного или Т-образного сечения. Рессорные профили со специальной формой сечения не только повышают долговечность листов, но и обеспечивают экономию металла.

Пружины. Спиральные (витые) пружины изготовляются из прутка круглого сечения и могут быть цилиндрическими, коническими или бочкообразными. Для изготовления пружин используются рессорно-пружинные стали (что и для листов рессор). Энергоемкость и долговечность пружины больше, чем у листовой рессоры, а масса меньше. Но возникает необходимость в направляющем устройстве подвески, поэтому значительного выигрыша в массе обычно не получается, хотя экономия пружинных сталей очевидна.

В качестве основного упругого элемента спиральные пружины применяются главным образом для легковых автомобилей. Решающим фактором является удобство установки пружины соосно амортизатору или стойке подвески, либо между рычагом и кузовом.

Торсионы применяются при независимой подвеске колес на многоосных автомобилях, прицепах и на некоторых легковых автомобилях. Торси-он представляет собой стальной упругий стержень, работающий на скручивание. Он может быть сплошным круглого сечения, а также составным — из круглых стержней или прямоугольных пластин. На концах торсиона имеются головки (утолщения) с нарезанными шлицами или выполненные в форме многогранника. С помощью головок торсион одним концом крепится к раме или кузову автомобиля, а другим — к рычагам подвески. Упругость связи колеса с рамой обеспечивается скручиванием торсиона. Торсионы, как пружины, требуют направляющих и гасящих устройств.

Читайте также:  Устройство балансирной подвески

Упругие пневматические элементы целесообразно применять на автомобилях, масса подрессоренной части которых меняется значительно (грузовые автомобили), или требования к плавности хода которых высоки (автобусы). Путем изменения давления воздуха в пневматическом элементе можно регулировать жесткость подвески. При этом появляется возможность регулировать высоту пола (автобусы), грузовой платформы или прицепного устройства относительно дороги либо величину дорожного просвета (при независимой подвеске).

Упругие пневматические элементы изготовляются обычно в виде резинокордных оболочек, содержащих прорезиненный каркас из двухслойного корда диагональной конструкции. Корд выполняется обычно из синтетических нитей (нейлон, капрон и т. п.). Наружный слой оболочки изготовляется из маслостойкой, а внутренний — из воздухонепроницаемой резины Толщина оболочки 3—5 мм. Пневмобаллоны тороидальной формы бывают одно- и двухсекционными. Односекционные встречаются редко. Наиболее распространенными являются двухсекционные (двойные) пневмобаллоны, которые состоят из оболочки с двумя бортами, усиленными стальными проволочными кольцами, которыми баллон присоединяется к опорным фланцам с помощью стальных фасонных колец. В средней части оболочка перетянута стальным бандажным кольцом.

Максимальное давление внутри пневмобаллона не превышает 0,8 МПа, рабочее давление — 0,3—0,5 МПа, минимальное давление не ограничивается.

Упругие гидропневматические элементы. В гидропневматических элементах, также как и в пневматических, рабочим телом является газ, но под более высоким давлением (до 20 МПа), которое обеспечивается жидкостью, поскольку герметизацию резервуара с жидкостью вследствие ее более высокой вязкости осуществлять проще. Основное достоинство упругих гидропневматических элементов определяется их характеристикой жесткости — при больших коэффициентах использования объемов пневмоэлемента и высоких давлениях газа характеристика жесткости может бьпь приближена к идеальной.

Гидропневматический элемент включает в себя гидравлический цилиндр с поршнем и толкателем (штоком) и упругий пневматический элемент (пневмокамеру), который размещается в самом цилиндре или отдельно от него.

Упругие резиновые элементы. Резина, особенно работающая на сдвиг, обладает большой энергоемкостью. Это ее свойство можно было бы использовать, применяя резину как рабочее тело упругих элементов. Однако из-за ряда существенных недостатков в настоящее время резина применяется для упругих вспомогательных элементов (буферов), шарниров и шумо-виброизолирующих прокладок.

Металлические, резиновые и пневматические элементы подвески

Избегая технических терминов, можно сказать, что подвеска необходима для того, чтобы снизить влияние неровностей дорог на кузов автомобиля. Для этого в конструкции подвески предусмотрены упругие элементы. К ним относятся пружины, рессоры, и резиновые элементы (отбойники, буфера, сайлент-блоки). Так же существуют пневматические и гидропневматические упругие элементы.

Металлические упругие элементы

Пружины

Пружины, как упругий элемент подвески, на сегодняшний день используются в подавляющем большинстве легковых автомобилей. Выполненные из металлического прутка круглого сечения, они имеют постоянную характеристику жесткости и прекрасно справляются с возложенной на них задачей. Витки равномерно сближаются по мере того, как возрастает нагрузка, и возвращаются в исходное положение при ее снятии.

Если есть необходимость в переменной жесткости, тогда пружины выполняются из прутка различного диаметра (на определенных участках), или в форме бочонка (некоторые витки уже). В этом случае, когда пружина будет получать нагрузку, первыми будут сближаться витки меньшего диаметра (толщины).

Плюсом пружины, как упругого элемента, является простота изготовления, а значит конечная стоимость продукта, и ее малый вес. Но поскольку ей не под силу передавать усилия в поперечной плоскости, она требует от подвески автомобиля наличия сложных направляющих устройств. Что в свою очередь сказывается как на цене, так и на весе всего узла.

Рессоры

Ещё одним упругим элементом подвески автомобиля являются листовые рессоры. По причине большого веса, в сравнении с теми же пружинами, рессоры в основном используются в подвеске грузовых автомобилей. Рессора состоит из металлических листов (в очень редких случаях из армированной пластмассы), различной длины и формы, соединенных между собой болтом по центру, и хомутами ближе к краям. Будучи равными по ширине, каждая пластина, в зависимости от длины, имеет различную степень выгнутости. Это обеспечивает рессоре необходимые характеристики. Самая длинная (коренная) пластина крепится к кузову или раме автомобиля.

Существует несколько основных способов крепления рессоры к кузову:

  • с помощью витых ушек;
  • скользящая опора и накладные ушки;
  • резиновые подушки.

Каждый из способов крепления имеет свои особенности и характеристики. Общее требованию к любому из перечисленных методов крепления — концы пластин должны иметь возможность перемещаться и поворачиваться. В процессе работы рессорной подвески, происходит трение листов друг о друга. Это требует применения дополнительной смазки, или наличия антифрикционных прокладок.

Резиновые упругие элементы подвески автомобиля

Данные элементы играют вспомогательную роль в работе подвески, тем не менее, их так же можно отнести к упругим элементам. Они в первую очередь помогают избегать ударов металлических частей подвески друг о друга, тем самым максимально снижая уровень шума. Так же увеличивают жесткость основных элементов и ограничивают степень их деформации.

Резиновые элементы отлично справляются с работой, как на сжатие, так и на отбой. Так, к примеру, полиуретановые отбойники, установленные в стойке амортизатора, прекрасно работают на отбой.
Различная форма, как и в случае с пружиной, задает рабочие характеристики резинового элемента. Форма конуса позволяет обеспечить плавные характеристики, сначала сжимается тонкая, верхняя часть, чем ближе к толстой части, тем более упругой становится резина.

Сегодня часто встречаются отбойники ступенчатой формы, имеющие чередующиеся тонкие и толстые части. Это позволяет в значительной степени увеличить его рабочий ход.

Пневматика и гидропневматика

Пневмоподвеска используется как в легковом, так и в грузовом и пассажирском транспорте. Пневматический упругий элемент, позволяет изменять жесткость подвески в зависимости от дорожной ситуации, загруженности автомобиля. В современных автомобилях, пневматической подвеской управляет электроника, которая способна самостоятельно следить за ее работой, и изменять ее жесткой в зависимости от ситуации.

Пневматические элементы

Пневматические элементы (пневмобаллоны), изменяют свою жестокость за счет давления воздуха, создаваемого внутри компрессором. Баллоны выполнены из маслостойкой и воздухонепроницаемой резины, содержат корд и металлические нити, что придает им большую жестокость и надежность. Отсюда и название — резинокордные упругие элементы. Толщина стенок такого баллона обычно составляет от 3 до 5 мм.

Гидропневматические элементы

Данный упругий элемент обеспечивает наибольший комфорт для водителя и пассажиров автомобиля, так как отлично справляется с функцией гашения колебаний подвески. Гидропневматический упругий элемент — это камера, имеющая две полости. Одна из них наполнена газом, а другая жидкостью, которые, как известно, имеют различную степень сжатия. Через сложную систему мембран и клапанов, жидкость и газ взаимодействует в различной степени (в зависимости от ситуации), что и обеспечивает необходимый комфорт и упругость подвески автомобиля.

Повсеместное распространение данной подвески ограничено, пожалуй, лишь ее высокой стоимостью.

Прогресс не стоит на месте, а инженеры с каждым годом все ближе и ближе к тому, чтобы создать идеальную по всем характеристикам подвеску, которая будет отвечать всем необходимым требованиям. Возможно не за горами тот день, когда нахождение в салоне автомобиля (при езде по самому жуткому бездорожью), по комфорту можно будет сравнить с сидением на мягком диване.
” alt=””>

§ 3. Резиновые упругие элементы

Резиновые упругие элементы применяют в кон­струкциях упругих муфт (см. рис. 25.5), вибро- и шумоизо-лирующих опорах и других устройствах для получения боль­ших перемещений. Такие элементы обычно передают нагрузку через металлические детали (пластины и трубки и т. п.).

Преимущества резиновых упругих элементов следующие: а) электроизолирующая способность; б) высокая демпфирую­щая способность (рассеяние энергии в резине достигает 30-80%); в) способность аккумулировать большее количество энергии на единицу массы, чем пружинная сталь (до 10 раз).

В табл. 34.1 приведены расчетные схемы и формулы для приближенного определения напряжений и перемещений для резиновых упругих элементов.

Материал элементов — техническая резина с пределом проч­ности σB>8 МПа; модуль сдвига G = 500/900 МПа.

В последние годы получают распространение пневмо-эластичные упругие элементы.

Пример. Рассчитать пружину кулачковой предохранительной муф­ты (рис. 34.9). Усилия в пружине F2 = 3000 Н и F1 = 2500 Н обеспе­чивают работу и выключение муфты, ход пружины δ = 25 мм.

Материал проволоки — сталь 60С2А, твердость HRC 46 — 52, до­пускаемое напряжение [τк] = 560 МПа.

Решение. Назначим индекс пружины с = 8 и вычисляем

По формуле (34.9) находим диаметр проволоки пружины

принимаем d = 11 мм.

Средний диаметр пружины D = cd = 8 • 11 = 88 мм.

Податливость одного витка

необходимое число витков

округляем до полувитка, п = 11,5.

Полное число витков п1 = n + 1,5 = 11,5 + 1,5 = 13. Длина пружины, сжатой до соприкосновения:

Н3 = (п1– 0,5) d = (13 – 0,5) • 11 = 137,5 мм. Полная осадка пружины

Полная длина ненагруженной пружины

ОСНОВЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Глава 35

СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

§ 1. Общие сведения

Последние десятилетия характеризуются колоссаль­ным ростом производительных и созидательных возможностей техники (использование атомной энергии в мирных целях, освоение космического пространства и т. д.). Такой пора­зительный прогресс человеческого интеллекта явился результа­том содружества человека с электронной вычислительной ма­шиной (ЭВМ), которое, сочетая в себе лучшие качества каж­дого из «партнеров», изменило облик науки и техники и ныне оказывает на них все возрастающее влияние.

Сказанное относится в первую очередь к использованию электронных вычислительных систем для проектирования слож­ных объектов. Это позволит не только сократить сроки разработки и снизить трудоемкость проектирования, но и найти более выгодные технические и экономические решения.

Автоматизация проектирования началась с наиболее просто­го—с чертежных, графических работ, а также с2耀ыполнения на ЭВМ стандартных инженерных расчетов.

Хотя автоматизация этих операций и важна, но она не дала качественного улучшения и существенного ускорения всего процесса проектирования сложных конструкций.

Если мы проанализируем проект какой-нибудь машины или устройства, то увидим, что наиболее труден первый шаг — завязка проекта, исходный замысел, эскиз. Чтобы выб­рать лучший вариант, проектировщик должен представить себе будущий объект в целом, увидеть, как он функциони­рует, оценить его слабые и сильные стороны.

Раньше конструктор мог справиться с этим самостоя­тельно. По мере усложнения создаваемых изделий станови­лось все труднее оценивать конкретный вариант проекта, его соответствие исходным требованиям; увеличивалось и число вариантов проекта, которые необходимо анализировать. Но производительность конструктора осталась практически неиз­менной и время проектирования возросло.

Выход из создавшегося положения дает изменение и упо­рядочение технологии проектирования. Усложнению конструк­ции и, как следствие, увеличению объема используемой кон­структором информации противопоставляют новые методы ее обработки, т. е. автоматизацию проектирования. В этом случае конструктор ставит задачу для ЭВМ и принимает окончательное решение, а машина обрабатывает весь объем информации и делает первичный отбор.

Для такого «общения» человека с машиной созданы и соз­даются системы автоматизированного проектирования (САПР), представляющие собой комплекс вычислительных устройств, средств связи, средств отображения, а также комплекс ма­тематических моделей, специальные языки программиро­вания и др.

Читайте также:  Устройство автомобиля УАЗ

Автоматизированное проектирование позволяет инженеру:

а) быстро проверить гипотезу и соответствующую ей модель (теоретическое или аналитическое представление проекта);

б) увидеть и немедленно исправить любые грубые ошибки в чертеже или в исходных утверждениях; в) оценить (путем сравнения с заданием) характеристики модели и модифици­ровать ее в многошаговом процессе совершенствования (оп­тимизации) конструкции; г) принять решение в критических точках ветвления и выбрать путь, по которому ЭВМ про­должит решение; д) управлять продвижением в решении задачи (окончить прогон, изменить входные данные и др.) и т. д.

Автоматизированноепроектирование избавляет проектиров­щика от трудоемких расчетов, позволяет больше времени от­давать творчеству, отысканию новых инженерных и научных решений.

В результате автоматизированного проектирования создает­ся эскизный проект изделия, содержащий его основные па­раметры, характеристики, схему конструкции и математическую модель изделия.

Автоматизированное конструирование осуществляет опти­мальный синтез конструктивных элементов с помощью ЭВМ.

При конструировании за основу принимается схема кон­струкции, полученная на этапе автоматизированного проекти­рования. Схема дополняется конструктивной разработкой от­дельных элементов (соединительных и переходных элементов, уплотнений и т. п.), проводится определение размеров, до­пусков и посадок и т. п.

В результате автоматизированного конструирования выпускается техническая документация, необходимая для технологи­ческой подготовки производства. Техническая документация содержит чертежи, получаемые на чертежных автоматах по раз­работанным программам, и технические условия (условия сбор­ки, контроля и т. п.). Вместе с тем в производство передается «машинный образ» конструкции в виде перфолент, содержащих программы для станков с ЧПУ (числовым программным управлением) для изготовления элементов конструкции.

Таким образом, новая технология проектирования — это система, которая начинается от замысла и кончается вы­дачей проектной документации или опытного образца.

В заключение отметим, что широкое применение ЭВМ при изготовлении и испытании изделий приведет со временем к автоматизированному производству, включающему в себя и первые его стадии: автоматизированное проектирование и автоматизированное конструирование.

УПРУГИЕ ЭЛЕМЕНТЫ. КОЛЬЦЕВЫЕ, ТАРЕЛЬЧАТЫЕ, РЕЗИНОВЫЕ, ПНЕВМАТИЧЕСКИЕ РЕССОРЫ

Кольцевые рессоры

Кольцевые рессоры представляют собой жёсткий упругий элемент, способный воспринимать достаточно высокие нагрузки при незначительных деформациях. В связи с этим кольцевые рессоры находят своё применение в поглощающих аппаратах автосцепных устройств.
Кольцевая рессора (рис.а) состоит из набора термически обработанных колец 1 и 2, соприкасающихся коническими поверхностями. Под действием нагрузки, несмотря на значительные силы трения на конусных поверхностях колец, препятствующие их относительному скольжению, они вдвигаются одно в другое. Кольца, передавая усилия своими коническими поверхностями, деформируются: внешние подвергаются упругому растяжению, а внутренние – упругому сжатию. В результате общая высота рессоры уменьшается. Так как угол конусности больше угла трения, после снятия нагрузки рессора восстанавливает свои прежние размеры за счёт сил упругости. Взаимное перемещение колец обычно незначительно (1,5–4,5 мм), вследствие чего для получения достаточного прогиба необходимо иметь большое количество колец.

Кольцевая рессора: а – рессора; б – силовая
характеристика; 1 – внутреннее кольцо; 2 – наружное кольцо

Величина работы сил трения между кольцами (рис. б), совершаемая при загружении рессоры, зависит от точности их изготовления и наличия смазки. Смазка применяется для обеспечения стабильного трения при отсутствии заклинивания.

Тарельчатые рессоры

Подобно кольцевым рессорам высокой жёсткостью при малых габаритах обладают тарельчатые рессоры (рис. а, б). Сопротивление деформации у них складывается из упругих сил и сил трения между тарелками.
Как видно из рисунка, тарельчатые рессоры состоят из упругих элементов, имеющих вид усечённого конуса с углом подъёма и внутренней высотой, соединённых попарно (рис. а) в секции так, чтобы они соприкасались точно по периметру (внутренняя и наружная кромки совпадают). Возможен и другой вариант сборки рессоры (рис. б), когда тарелки рессоры накладываются одна на другую. В результате действия силы стенки тарелок изгибаются, и угол подъёма уменьшается.
При наличии определённого числа секций можно получить необходимую величину осевой деформации (прогиб) тарельчатой рессоры. Секции тарельчатых рессор собираются обычно на центрирующих оправах или гильзах. Между тарелками иногда устанавливают шайбы (применительно к сборке по варианту рис. 9, а), которые способствуют увеличению жёсткости за счёт сил трения, развиваемых при скольжении кромок тарелок по шайбам.

Рис. 9. Тарельчатая рессора: а, б – варианты сборки рессоры

Тарелки изготовляют методом холодной или горячей штамповки из листовой кремнистой стали толщиной 0,5–10 мм с последующей термической обработкой (закалка и отпуск).
Силовая характеристика тарельчатых рессор имеет такой же вид, как и для кольцевых рессор (рис.б).

Торсионные рессоры

Торсионные рессоры представляют собой прямой стержень (торсион) 1, один конец которого укреплён на втулке 2, установленной, например, на раме тележки, а другой жёстко связан с рычагом 4, который соединяется с обрессоренной частью, например, с надрессорной балкой. Возможно соединение через торсион буксы, с рамой тележки. Второй опорой стержня 2 служит подшипник 3, также укреплённый на раме тележки. Стержень к втулке и рычагу крепится с помощью шлицевых соединений. Так как один конец вала жёстко закреплён на раме, то нагрузка, передаваемая на рычаг от надрессорной балки или буксы подвергает вал скручиванию. Вследствие деформации вала вертикальные перемещени надрессорной балки или буксы относительно рамы тележки совершаются упруго.
Торсионы изготовляются из специальной хромоникельмолибденовой стали и подвергаются тщательной термической обработке.
Следует отметить, что в отличие от витых пружин торсион испытывает деформацию чистого кручения, поэтому материал торсиона используется лучше, чем у пружины. По сравнению с винтовой пружиной из круглого прутка масса эквивалентного торсиона существенно меньше. Однако стоимость изготовления торсиона и устройств для его крепления выше, чем у пружины. Торсионные рессоры применяются в некоторых тележках заграничных вагонов.

Рис. 10. Торсионная рессора: 1 – торсион; 2 – втулка; 3 – подшипник; 4 – рычаг;
L – длина торсиона; а – плечо рычага; f – линейное перемещение
конца рычага; Р – нагрузка на торсион

Резиновые рессоры

Вследствие высокой удельной энергоёмкости и значительного внутреннего трения резины, во многих случаях целесообразно использовать её в рессорном подвешивании. В вагонах используют резиновые рессоры с различными видами деформации: сжатия (рис. а), сдвига (рис. б), а также сложного сопротивления (рис.в), когда действующая сила вызывает одновременно деформации сжатия и сдвига.
Резиновые рессоры изготовляют с металлическими армировочными пластинами 1 (рис. а), которые прочно скрепляют с резиной 2 (рис.а) вулканизацией или склеиванием.
На рис. а представлена резиновая рессора сжатия. Такие рессоры используются в тележках вагонов в виде прокладок в буксовом подвешивании и скользунах для гашения высокочастотных колебаний и уменьшения шума, в поглощающих аппаратах пассажирских вагонов.

Резиновые рессоры и их силовые характеристики: а – рессора,
работающая на сжатие; б – работающая на сдвиг; в – работающая на сжатие и сдвиг;
г, д – силовые характеристики; 1 – армировочная пластина; 2 – резиновый элемент

Применение резиновых рессор позволяет существенно снизить уровень динамических нагрузок необрессоренных масс ходовых частей.
Резиновая рессора при малых деформациях (до 20 % при сжатии и до 35 % при сдвиге) имеет линейную силовую характеристику (рис. г, д), которая при больших прогибах становится нелинейной. Вследствие сил внутреннего трения резиновой рессоры жёсткость её при нагружении и разгрузке неодинакова. Поэтому диаграмма работы такой рессоры (рис. д) представляет замкнутую кривую, верхняя часть которой показывает зависимость между нагрузкой и прогибом рессоры при её нагружении, а нижняя часть – при разгрузке.
Резиновые рессоры, работающие на сдвиг (рис. б) также имеют нелинейную характеристику жёсткости, которая с увеличением деформации уменьшается.
Резиновая рессора (рис.в), воспринимающая одновременно нормальные и касательные силы, имеет вертикальную деформацию, равную геометрической сумме деформаций сжатия и сдвига.

Пневматические рессоры

Одним из современных направлений в улучшении динамических и ходовых качеств подвижного состава является применение пневматических рессор. Такими рессорами оборудованы, например, тележки ТСК-1 высокоскоростных пассажирских вагонов РТ-200. Эти рессоры способны поддерживать положение кузова на одном уровне относительно головок рельсов независимо от величины нагрузки, что достигается за счёт изменения движения воздуха в рессоре. Кроме того, они имеют высокую выносливость, малую массу и обладают вибро- и шумогасящими свойствами. Недостаток пневмоподвешивания – сложность конструкции, так как его работа требует наличия источника питания рессор воздухом, системы трубопроводов и арматуры.
В рессорном подвешивании вагонов применяются пневматические рессоры баллонного (рис. а), диафрагменного (рис. б) и смешанного (рис. в) типов.

Пневматические рессоры: а – баллонного типа; б – диафрагменного типа; в – смешанного типа;
1 – резинокордная оболочка; 2, 3 – нижняя и верхняя опоры; 4 – узлы соединения с опорами; 5 – патрубок;
6 – кольцо; 7 – корпус; 8 – диафрагма; 9 – рессора; 10 – опора; 11 – трубопровод; 12 – соединительный узел;
13 – надрессорная балка; I – диафрагменная часть; II – баллонная часть

Пневморессора баллонного типа (рис. а) состоит из резинокордовой оболочки 1, нижней 2 и верхней 3 опор, опоясывающего кольца 6, узлов соединения 4 баллонов с верхней и нижней опорами. В верхней опоре имеется патрубок 5 для подвода сжатого воздуха.
На рис. б показана пневморессора диафрагменного типа, которая состоит из металлического корпуса 7, диафрагмы 8, резиновой рессоры сжатия 9, опоры 10, трубопровода подачи сжатого воздуха 11, узлов соединения диафрагмы с корпусом 12. На диафрагму 8 опирается надрессорная балка 13 тележки. В случае отказа системы подачи сжатого воздуха надрессорная балка 13 будет опираться на опору 10 через резиновую рессору 9, что предотвращает разрушение диафрагмы 8. Пневморессоры диафрагменного типа получили наибольшее распространение, так как они имеют регулируемые параметры вертикальной и горизонтальной жёсткости.
Пневморессоры смешанного типа (рис. в) имеют диафрагменную часть I и баллонную часть II.
Система пневматического подвешивания вагона (рис.ниже) обычно состоит из пневморессоры 3 с дополнительным резервуаром 1, который снабжён дросселем (калиброванным отверстием) 2, регулятора положения кузова 4, трубопровода 5, главного резервуара 6 и компрессора 7.

Пневматическое подвешивание вагона:
а – общая схема; б – положение золотника при повышении нагрузки; в – положение золотника при уменьшении нагрузки; 1 – дополнительный резервуар; 2 – дроссель; 3 – пневморессора; 4 – регулятор положения кузова; 5 – трубопровод; 6 – главный резервуар; 7 – компрессор; а – канал к пневморессоре; б – канал в золотнике; в – выемка в золотнике

При увеличении нагрузки происходит сжатие пневморессоры 3. При этом отверстие в золотнике регулятора положения кузова соединяется с каналом и сжатый воздух из главного резервуара 6 поступает в пневморессору. Кузов вагона приподнимается пневморессорой на прежнюю высоту. При уменьшении нагрузки кузов вагона поднимается вверх, при этом выточка в золотнике регулятора положения кузова соединяет пневморессору с атмосферой. Давление в пневморессоре уменьшается и кузов опускается на заданную высоту, при которой все отверстия в золотнике перекрываются (положение «перекрыша»). Таким образом, происходит автоматическое регулирование давления воздуха в пневморессоре и поддержание кузова вагона на определённой высоте при изменении его загрузки.
В пневматическом рессорном подвешивании с регулированием давления статический прогиб – понятие условное, так как высота пневморессор, благодаря работе регулятора положения кузова, остаётся неизменной, независимо от нагрузки. Поэтому в качестве этого параметра для пневматического подвешивания и упругих пневмоэлементов используется так называемый эквивалентный статический прогиб, определяемый как отношение номинальной грузоподъёмности к его номинальной жёсткости.
Для рассмотренных конструкций пневморессор характерно наличие диссипации энергии колебательного процесса при вертикальных деформациях. При колебаниях кузова вагона, во время движения по неровностям пути золотник регулятора находится в положении «перекрыша», так как перемещения кузова незначительны. Однако внутренний объём пневморессоры будет меняться. Так, например, при сжатии воздух из рессоры 3 перетекает в дополнительный резервуар 1 через дроссельное отверстие 2 и наоборот. Это обеспечивает некоторое рассеивание кинетической энергии, аналогичное гидравлическому гасителю колебаний.

Читайте также:  Устройство задней подвески автомобиля

Устройство автомобилей

Упругие элементы подвески

К наиболее распространенным упругим элементам автомобильной подвески относятся рессоры, пружины, торсионные валы и пневматические баллоны. Возможно выполнение упругих элементов и других типов – пневматических цилиндров, резиновых демпферов, гидропневматических устройств и т. п., но такие упругие элементы в конструкции современных автомобильных подвесок практически не применяются, если не считать таковыми резиновые буферы, отбойники, сайлентблоки и подушки рессор, которые тоже предназначены для снижения жесткости при взаимодействии элементов подвески с частями неподрессоренных масс и несущей системы.

Рессоры

Автомобильная рессора представляет собой пакет стальных листов выгнутой формы и различной длины, скрепленных между собой. Листы могут иметь прямоугольное, трапециевидное, Т-образное сечение и сечение в виде короба с полками.

Изгиб рессорных листов чаще всего выполняется плавной эллиптической конфигурации, поэтому такие рессоры называют полуэллиптическими. Встречаются рессоры и других форм, некоторые из которых предствлены на рисунке параграфа.
Кривизна разных листов рессоры не одинакова и зависит от их длины – она увеличивается с уменьшением длины листов, чем обеспечивается их плотное прилегание в собранном виде и разгрузку крайнего (самого длинного) листа 1, который называется коренным.

Листы рессор в собранном виде фиксируются с помощью стяжного болта 2 (рис. 1, а) и хомутов 3. В конструкции некоторых автомобильных рессор стяжной болт не предусматривается. Фиксация рессорных листов от взаимного относительного перемещения может осуществляться посредством специальных бобышек и углублений, выполненных в листах.

Коренной лист 1, имеющий наибольшую длину и толщину, крепится своими концами к кузову, а средней частью – к мосту. Как правило, один конец коренного листа крепится к кузову жестко, а другой свободно опирается на специальный кронштейн несущей системы (рамы или кузова) или крепится посредством серьги, что позволяет ему перемещаться при деформации рессоры.
Иногда оба конца рессоры крепятся к раме или кузову автомобиля посредством кронштейнов с массивными резиновыми подушками, что позволяет обоим концам рессоры перемещаться при ее деформации.

Поскольку конструкция рессорной подвески предотвращает продольное перемещение мостов с колесами относительно несущей системы автомобиля (рамы, кузова), такая подвеска не нуждается в направляющих элементах. Исключение составляют балансирные рессорные подвески, удерживающие на двух рессорах два моста, образующих тележку. При этом жесткая связь рессоры с мостами отсутствует и возможно их продольное перемещение относительно рамы автомобиля.
Поэтому в балансирных рессорных подвесках в качестве направляющих элементов применяют специальные штанги, шарнирно соединенные с мостами балансирной тележки и рамой автомобиля.

Поскольку между листами рессоры во время работы присутствуют силы трения, способствующие гашению колебаний, рессора выполняет часть функции гасящего элемента подвески. Трение между рессорными листами приводит к из интенсивному изнашиванию и потере упругих свойств, что может вызвать поломку отдельных листов и даже всей рессоры. Поэтому листы рессор при сборке смазывают графитной смазкой, обеспечивающей снижение сил трения и стойкой к неблагоприятным дорожным условиям (грязь, влага).
На легковых автомобилях для уменьшения трения между листами могут устанавливаться антифрикционные (чаще всего – полимерные) прокладки или шайбы, которые крепятся к листам посредством специальных технологических выступов, отверстий или ниш.

Рессорные листы изготавливают из высококачественной пружинной стали, обладающей повышенными упругими свойствами. Тем не менее, в процессе длительной эксплуатации, особенно, в тяжелых дорожных условиях, рессора теряет свои упругие свойства и эллипсоидную форму. В таких случаях рессора подвергается ремонту – разбирается на листы и каждый из них прокатывается в специальных станках для восстановления эллиптичной формы, которая обеспечивает надлежащую упругость.

Рессорные стали

Для изготовления рессор применяются специальные пружинно-рессорные стали, обладающие рядом свойств, среди которых следует отметить упругость и твердость. Марки сталей, наиболее широко применяемые для изготовления рессорных листов отечественных автомобилей, приведены ниже.

  • ГАЗ-24 Волга, Москвич (412, 2140 и др.) – Сталь 50ХГА
  • ГАЗ (52, 53 и др.) – Сталь 50ХГ
  • МАЗ, ЗИЛ-130 и модификации – Сталь 60С2
  • КамАЗ – передние – Сталь 60С2, задние – Сталь 60С2ХГ

Достоинства и недостатки рессорных подвесок

К преимуществам листовых рессор можно отнести следующие свойства:

  • способность одновременно выполнять функции упругого, направляющего и гасящего элементов;
  • простота изготовления и хорошая ремонтопригодность.
  • повышенная масса;
  • сравнительно небольшая долговечность;
  • наличие сухого трения между листами, требующего применения смазки и, соответственно, технического обслуживания;
  • сравнительно невысокий диапазон вертикальных перемещений мостов относительно несущей системы и, соответственно, ограниченное обеспечение плавности хода автомобиля.

К недостаткам рессорной подвески следует отнести, также, опасные последствия, к которым может привести поломка рессоры при движении автомобиля, поскольку она выполняет функции направляющего элемента моста.

Пружины

Пружины (рис. 1, б) в качестве упругого элемента применяются, как правило, на независимых подвесках. Наибольшее распространение получили цилиндрические витые пружины, изготавливаемые из стального прутка круглого сечения. Поскольку особенности конструкции пружины позволяют получать более широкий диапазон перемещений элементов подрессоренных и неподрессоренных масс автомобиля, пружинные подвески способны обеспечивать лучшую плавность хода по сравнению с рессорной подвеской.
Упругий элемент в виде пружины состоит из одной детали, поэтому отсутствует трение, присущее листам рессоры. Благодаря этому пружина не нуждается в каком-либо уходе в период эксплуатации.
Тем не менее, как и рессорные листы, пружина способна терять форму (проседать) и упругость, поэтому после определенного периода эксплуатации может быть отремонтирована восстановлением первоначальной высоты путем растяжки.
Пружинные упругие элементы менее подвержены поломкам по сравнению с рессорными листами, поэтому их можно считать более надежными.

При установке на автомобиль пружины в качестве упругого элемента, она верхним концом упирается в специальные элементы несущей системы (рамы, кузова), выполненные в виде колпака или чашки, а нижним концом – опирается на аналогичные элементы моста или нижних рычагов подвески.

Демонтаж пружины из подвески, как и ее монтаж, требуют соблюдения определенных мер предосторожности, поскольку сжатая пружина при высвобождении может травмировать работника.

Технология изготовления пружин подвески

Поскольку пружина являются ответственным элементом подвески, от работы которого зависят не только комфорт, но и безопасность движения, при изготовлении пружин используют специальные стали и технологии.
В качестве примера ниже приведена технология изготовления пружин для подвески отечественных автомобилей марки «ВАЗ».

Для изготовления пружин подвески автомобилей марки «ВАЗ» используют прокатанный пруток круглого сечения из пружинной стали марки 60С2ГФ. Сначала прутки обрабатывают на токарном станке до нужного диаметра, затем нагревают и навивают спиралью.
После этого заготовку закаливают, отпускают и подвергают дробеструйной обработке в специальной камере, очищая от окалины, упрочняя поверхность и повышая усталостную прочность.

После дробеструйной обработки пружину подвергают холодной осадке (заневоливанию) – трижды сжимают до соприкосновения витков. Заключительный этап изготовления заключается в нанесении на пружину защитного эмалевого или эпоксидного покрытия для предотвращения коррозии.
Готовую пружину обязательно подвергают контрольному испытанию статической нагрузкой. При этом нагружают пружину определенным усилием (в соответствии с моделью пружины) и измеряют ее длину после сжатия – осадка пружины от контрольной нагрузки должна находиться в пределах установленных заводским стандартом требований.

Достоинства и недостатки пружинных подвесок

  • небольшая масса;
  • сравнительно высокая долговечность;
  • высокая плавность хода;
  • относительная простота в изготовлении;
  • отсутствие потребности в смазочных материалах и техническом обслуживании.

Недостатком пружины по сравнению с рессорой является невозможность использовать ее в качестве направляющего элемента подвески, поэтому в пружинных подвесках необходимы отдельные направляющие элементы в виде тяг, распорок и т. п., удерживающие колеса от продольных перемещений при движении. Это приводит к усложнению конструкции подвески. Кроме того, из-за отсутствия в пружине трения в составе пружинной подвески обязательно применяются специальные гасящие элементы – амортизаторы, поскольку колебания в пружине затихают значительно дольше, чем, например, в рессоре.

Торсионы

Торсионные подвески находят применение на многоосных автомобилях с независимой подвеской, на легковых автомобилях малого и большого класса, а также на некоторых типах автомобильных прицепов. На многих моделях спортивных и гоночных автомобилей этот тип подвески применяется из-за малых габаритов и массы.
Широко применяются торсионные подвески на военной технике и машинах высокой проходимости.

Торсион представляет собой стальной упругий стержень, работающий на скручивание, который может быть выполнен сплошным или пустотелым.
Для крепления торцов торсиона на его концах выполняются утолщения со шлицами или в форме шестигранника.
Одним концом торсион входит в ответные шлицы на несущей системе (раме или кузове) автомобиля, а другим – в шлицы рычага подвески. При перемещении колеса по неровностям дороги торсион закручивается, обеспечивая упругую связь колеса с рамой или кузовом автомобиля.

Торсионы имеют те же преимущества, что и пружины, однако они более компактны, что позволяет размещать их в различных местах автомобиля. Кроме того, они лучше защищены от механических повреждений.
Тем не менее, они менее долговечны, чем пружины и дороже в изготовлении, чем листовые рессоры.

Пневматические подвески

Пневматической называется подвеска, в которой роль упругого элемента выполняет сжимающийся газ, обычно воздух, но могут применяться и другие газы, например, азот. Рабочий газ заключен в резинотканевый баллон – пневмобаллон (рис. 1, г), который может иметь различную форму и конструкцию.
Кордная ткань выполняется из полиамидных волокон (нейлона или капрона) и защищена от повреждений поверхностными слоями резины.

Положительным качеством пневмобаллонной подвески является возможность изменения давления рабочего газа в баллонах, что позволяет изменять несущую способность и упругие свойства подвески в автоматическом режиме, в зависимости от степени загрузки транспортного средства. Давление в баллонах регулируется специальным регулятором положения несущей системы (кузова или рамы) в зависимости от статической нагрузки (количества пассажиров или груза).

При увеличении нагрузки, кузов проседает и воздействует на датчик или чувствительный элемент регулятора, после чего впускной клапан регулятора открывается и подает в пневмобаллоны дополнительно сжатый воздух (или газ) из пневмосистемы автомобиля (или из емкости для хранения запаса газа), повышая давление в пневмобаллонах, после чего несущая способность подвески увеличивается. При уменьшении нагрузки на кузов регулятор выпускает часть воздуха из пневмобаллонов, уменьшая жесткость подвески.

Преимущества пневматической подвески:

  • возможность изменения жесткости при различных нагрузках в кузове;
  • сохранение постоянства ходов подвески;
  • получение переменного и поддержание постоянного дорожного просвета;
  • небольшая масса;
  • относительно высокий срок службы (в три-пять раз выше, чем у листовых рессор).

Тем не менее, такие подвески применяются ограниченно по причине сложности и, соответственно, стоимости изготовления.
Пневматические подвески находят применение в некоторых марках автобусов, грузовых автомобилей средней и большой грузоподъемности, а также прицепах и полуприцепах.
По понятным причинам, пневматическая подвеска применима на транспортных средствах, оборудованных компрессором для получения сжатого газа. Перевозка запаса сжатого газа в отдельных баллонах приводит к существенному усложнению конструкции транспортного средства.

Ссылка на основную публикацию