Шасси автомобиля. 
Конструкции подвесок

Цель данного курсового проекта заключается в модернизации задней подвески автомобиля ВАЗ 2123, с целью устранения поперечных перемещений кузова при движении по неровным дорогам. Устранение указанного недостатка приведет к повышению безопасности движения на этом автомобиле. Главным фактором следует выбрать минимальные затраты на доработку, т.к. внедрение в серийное производство самой дешевой конструкции не так сильно повлияет на себестоимость автомобиля.

Описание существующей конструкции

На автомобиле ВАЗ 2123 зависимая задняя подвеска с телескопическими гидравлическими амортизаторами и витыми пружинами (рис. 1).

Рис. 1. Задняя подвеска ВАЗ 2123 стандартный вариант.

Балка заднего моста соединяется с кузовом четырьмя продольными штангами и одной поперечной (тягой Панара). Как продольные штанги, так и поперечная штанга одним концом шарнирно соединяются с кронштейнами кузова посредством болтов, другим с кронштейнами балки. Шарнирные соединения одинаковы по устройству и отличаются только размерами. Каждый шарнир состоит из резиновой втулки, через отверстие которой проходит металлическая распорная втулка.

Упругим элементом подвески являются пружины. Нижний конец пружины опирается на опорную чашку через пластмассовую изолирующую прокладку, верхний конец опирается на опорную чашку через резиновую изолирующую прокладку. Гасящее устройство состоит из двух гидравлических амортизаторов.

Продольные штанги, работая совместно, воспринимают продольные силы и реактивные моменты, действующие на балку моста. Поперечная же штанга воспринимает только боковые силы.

Преимущества: простота конструкции, низкая стоимость, высокая надежность и прочность.

Недостатки: большие, чем при независимой подвеске, неподрессоренные массы, появление гироскопического момента, при разноименном ходе колес, поперечные перемещения кузова при движении по неровным дорогам.

Точка крепления поперечной тяги (тяги Панара) к кузову описывает дугу (рис. 2), т. е. при колебаниях подвески кузов испытывает некоторое боковое смещение? b.

Рис. 2. Поперечное перемещение

Смещение задней части кузова, приводит к мгновенному повороту автомобиля вокруг вертикальной оси. Это может привести к смене направления движения, к заносу. Главное свойство автомобиля заключается в его предсказуемости. Так внезапный занос, появившийся по причинам описанным выше, может привести к ДТП. Т.к. это совсем небезопасно, от этой особенности автомобиля надо избавляться. Конструктивно этого можно достичь разными способами, а можно и просто ослабить указанный эффект путем горизонтального расположения поперечной тяги (тяги Панара) и максимального увеличения ее длины.

Конструкции подвесок без поперечного смещения кузова

Перекрестные рычаги

В данном варианте отсутствует поперечная тяга (тяга Панара) и все поперечные силы воспринимают перекрестно установленные рычаги (рис. 3).

Рис. 3. Перекрестные рычаги

Эти рычаги также воспринимают продольные силы и реактивные моменты, действующие на балку моста. Конструкция задней части кузова такова, что разместить верхние рычаги под большим углом не получится. Это связанно с довольно малым расстоянием между балкой моста и дном кузова, а также с необходимостью сохранения кинематики задней подвески. Размещение верхних рычагов под малым углом приведет к значительному увеличению нагрузки на них.

При стандартном кузове, балке моста, сохранением мест крепления к кузову верхних рычагов, невозможно достижение больших углов между рычагами. При малых углах, боковые силы, действующие на балку моста, нагружают рычаги силой в несколько раз выше.

Подвеска с треугольным рычагом

В данном варианте продольные силы и реактивные моменты, действующие на балку моста воспринимаются нижними рычагами и верхним треугольным рычагом, который также воспринимает боковые силы. Треугольный рычаг связан с балкой моста посредством шаровой опоры, с кузовом шарнирно посредством болтов. Конструкция представлена на рис. 4.

Рис. 4. Подвеска с треугольным рычагом

При сохранении стандартных мест крепления, применение такой конструкции вызывает изменение кинематики задней подвески, что приведет к различным углам наклона карданных шарниров. Работа карданной передачи с различными углами в шарнирах приведет к пульсации передаваемого крутящего момента, что вызовет дополнительные нагрузки на элементы трансмиссии. При применении треугольного рычага места под выхлопную трубу, проходящую над мостом в стандарте, просто не остается. Придется изменять выхлопную систему, что повлечет за собой большие затраты на переделку. Размещение шарового шарнира над балкой моста занимает место, что приведет к уменьшению хода сжатия. Шарнирное соединение треугольного рычага к кузову будет испытывать большие нагрузки (к продольным силам добавятся продольные составляющие поперечных сил).

Подвеска с механизмом Уатта

В данном варианте продольные силы и реактивные моменты, действующие на балку моста воспринимаются нижними рычагами и верхними рычагами, боковые силы воспринимает механизм Уатта. Верхние и нижние рычаги остаются стандартными, кинематика подвески не нарушается. По сравнению с другими схемами, это самый дешевый вариант. Поперечные тяги шарнирно соединяются с поворотным устройством размещенным на балке моста. Конструкция представлена на рис. 5.

Рис. 5. Подвеска с механизмом Уатта

Оценка конструкций

Для определения наиболее пригодного для модернизации варианта, введем следующие параметры оценок в баллах: простота реализации, сохранность кинематики подвески, использование стандартных деталей, внесение изменений в конструкцию других систем автомобиля, стоимость. Оценка показателя от 0 до 10. Чем лучше параметр, тем выше балл. Оценка производилась по субъективному мнению студента, выполнившего данный курсовой проект.

Таблица 1.

Исходя из представленной выше таблицы оценок, механизм Уатта является наиболее приемлемым, т.к. его применение не потребует внесения значительных изменений кузова, этот вариант предполагает использование стандартных рычагов, не влияет не кинематику подвески и является наиболее дешевым.

Конструкции шарниров подвески

В задней подвеске для всех рычагов применяются идентичные по конструкции сайлент-блоки. Сайлент-блок состоит из втулки и привулканизированной к ней резины. Конструкция представлена на рис. 6.

Рис. 6. Сайлент-блок

Данный вид шарнира хорошо зарекомендовал себя на стандартной конструкции. В механизм Уатта поперечные рычаги работают в тех же условиях, что и поперечная тяга (тяга Панара). Исходя из этого и из минимизации затрат имеет смысл оставить для модернизации стандартные сайлент-блоки.

Расчет задней подвески

Схема действия сил

Рассмотрим силы действующие за балку заднего моста. Для расчета берем максимальные силы, действующие на задний мост. Действие сил показано на рис. 7.

Рис. 7. Схема действия сил

При движении автомобиля в пятне контакта колеса с дорогой могут действовать три вида сил: продольные, поперечные, вертикальные. Вертикальная сила R — это сила реакции дороги на колесо, численно равная произведению ускорения свободного падения на часть массы автомобиля, приходящейся на данное колесо. Продольная сила F включает в себя силу сопротивления качения и силы реакции дороги при движении автомобиля (разгоне/торможении). Максимальная величина силы реакции дороги в пятне контакта определяется только весом, приходящимся на колесо, и коэффициентом сцепления колес с поверхностью дороги. Сила S возникает при движении автомобиля в повороте или при заносе. Ее предельное значение также определяется весом приходящимся на колесо и коэффициентом сцепления колес с поверхностью дороги.

Указанные выше, силы, нагружая балку моста и элементы подвески, передаются на кузов. Происходит это следующим образом: сила F передается через продольные рычаги, сила R передается через пружины, сила S передается через механизм Уатта.

На боковые перемещения кузова влияет только сила S, поэтому значение этой силы будет иметь определяющее значение для последующего расчета всего механизма.

Рассмотрим действие поперечной силы S на элементы подвески автомобиля. Действие этой силы показано на рис. 7.

Рис. 7. Действие боковых сил На каждое колесо действует сила S/2, которые в сумме дают силу S. Эта сила нагружает весь механизм Уатта. В этом механизме два одинаковых рычага находящихся на равном расстоянии, что приводит к тому, что каждый из них воспринимает силу Sт = 0,5*S. Один рычаг испытывает напряжения растяжения, другой — сжатия. Сила S передается на рычаги через поворотный элемент и ось этого элемента. Действие силы на ось показано на рис. 8.

На мост действует сила S, которая передается на рычаги. Возникает сила реакции S', которая воздействует на ось поворотного механизма. Эта сила создает изгибающий момент. Таким образом, изгибающий момент испытывает ось и сварочный шов оси.

Исходя из представленного выше анализа действия сил, для расчета следует принять во внимание только силу S, вес автомобиля приходящийся на заднюю ось и примерные размеры элементов. Это послужит основой для всего расчета механизма.

Рис. 8. Действие силы S на ось поворотного механизма

Определение сил и усилий

Определение сил будем производить для полностью груженного автомобиля.

Полная масса автомобиля 1760 кг

Допустимая нагрузка на заднюю ось 960 кг

Коэффициент сцепления (сухого асфальтобетонного покрытия) 0,8

Боковая сила S

Боковая сила S передается на балку моста и механизм Уатта. Такое значение силы S достигается при максимальной загрузке автомобиля, при которой механизм Уатта принимает положение элементов, указанных на рис. 7.

Сила Sт = S*0,5 и для одного рычага является сжимающей, а для другого растягивающей. При указанном выше положении рычагов, сила Sт создает на сам рычаг нагрузку в виде силы K

где? угол между рычагом и горизонтальной плоскостью.

Расчет рычагов

Для нормальной работы узла должно выполняться условие

где, А — поперечное сечение тяги.

Задаемся пределом текучести материала и коэффициентом запаса прочности. Выбираем материал Сталь 40 как наиболее удовлетворяющий по прочностным и экономическим соображениям.

для материала сталь 40 (стр. 50[1])

Находим допускаемое напряжение:

Находим диаметр тяги, исходя из максимально допустимых напряжений

По ГОСТ 6636–69 выбираем из ряда нормальных линейных размеров D=20мм (стр. 312[1])

При расчете тяги на сжатие следует учитывать коэффициент уменьшения допускаемого напряжения на сжатие с учетом возможности продольного изгиба ?.

Коэффициент выбирается по таблице в зависимости от значения гибкости? материала (стр. 412[2])

где? — коэффициент приведения длины, l — длина тяги, ix — радиус инерции. Принимаем? = 1, так как концы тяги закреплены шарнирно.

Значению ?=85,25 соответствует значение ?=0,77

Находим диаметр тяги

По ГОСТ 6636–69 выбираем из ряда нормальных линейных размеров D=20мм (стр. 312[1])

Расчет оси поворотного рычага

Расчет будем вести согласно схеме представленной на рис. 9.

Рис. 9.

Для расчета задаемся размерами шпильки L=55мм, тогда L/2=27,5 мм. Расчет производим при действии нагрузки возникающей при ударе, для чего вводим коэффициент динамичности kд. Принимаем kд=1,8, т.к. автомобиль повышенной проходимости.

Сила удара

Определяем диаметр шпильки из условия прочности

Расчет сварного шва шайбы

Шпилька вкручивается в шайбу, которая приваривается к балке заднего моста. Силы, действующие на сварной шов, показаны на рис. 10

Рис. 10.

Находим диаметр сварочного шва при К=4 (катет шва)

Находим коэффициент соотношения диаметров

Находим напряжение

подвеска автомобиль кузов рычаг

Список используемой литературы

1. Шейнтблит А. Е. Курсовое проектирование деталей машин: Учеб. Пособие. Изд-е 2-е перераб. и дополн. — Калининград: Янтар. сказ, 1999. — 454с.: ил.

2. Ицкович Г. М., Минин Л. С., Винокуров А. И. Руководство по решению задач по сопротивлению материалов: учебное пособие для вузов/ Под ред. Л. С. Минина — 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Высш. шк. 2001. 592 с.:ил.

3. Раймпель Й. перевод с немецкого В. Г. Агапова Шасси автомобиля Конструкции подвесок. М.: Машиностроение, 1989.-328 с.: ил

4. Мой автомобиль Chevrolet Niva. Издательский дом «Третий Рим» 2005 г.