2755

2

УДК 629.33.001.6

Волков, В. С. Основы расчёта систем автомобилей, обеспечивающих безопасность движения [Текст] : методические указания к выполнению курсовой работы для студентов по направлению подготовки 190600 – Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов / В. С. Волков ; М-во образования и науки РФ, ФГБОУ ВПО «ВГЛТА». –

Воронеж, 2014. – 35 с.

Печатается по решению учебно-методического совета ФГБОУ ВПО «ВГЛТА» (протокол № 5 от 31 января 2014 г.)

Рецензент заведующий кафедрой электротехники и автоматики ФГБОУ ВПО Воронежский ГАУ д-р техн. наук, проф. Д.Н. Афоничев

Ответственный редактор заведующий кафедрой автомобилей и сервиса ФГБОУ ВПО «ВГЛТА» д-р техн. наук, проф. В.С. Волков

3

Введение

Для обеспечения оптимальных режимов эксплуатации автотранспортных средств с наибольшей эффективностью для народного хозяйства, необходимо наличие специалистов данного профиля с высоким уровнем подготовки, позволяющей решать сложные технические задачи. Работа в современных условиях требует от специалистов достаточно полных знаний в части протекания рабочих процессов в системах, агрегатах и узлах, обеспечивающих безопасность движения при осуществлении транспортной работы.

К системам автомобилей, обеспечивающих безопасность движения, в первую очередь относятся системы рулевого и тормозного управления, колёсного движителя, несущей системы, а также светотехническое оборудование. В меньшей степени в обеспечении безопасности движения участвуют также агрегаты трансмиссии: сцепление, коробка передач, главная и карданная передачи, подвеска.

1. Общие указания и порядок выполнения курсовой работы

Курсовая работа по дисциплине «Основы расчёта систем автомобилей, обеспечивающих безопасность движения» выполняется на протяжении 7 семестра после изучения дисциплин общепрофессионального цикла.

Целевое направление данной курсовой работы состоит в приобретении навыков расчёта и компетенций по оценке работоспособности систем автомобилей, обеспечивающих безопасность движения. Кроме этого выполнение работы способствует развитию творческой инициативы и дальнейшему совершенствованию навыков и стремлений студентов к работе с учебниками и техническим справочным материалом. Заданием предусмотрено научить студентов самостоятельно на основании теоретических рассуждений выводить общие и рабочие аналитические соотношения с целью получения практических выводов, а также находить объективные научно-обоснованные критерии, позволяющие оценивать работоспособность систем автомобилей по удовлетворению требований безопасности движения посредством аналитического расчета и проведения эксперимента.

Всоответствии с вариантом выданного задания курсовая работа включает проведение аналитического расчёта деталей и узлов систем рулевого и тормозного управления автомобиля.

Виндивидуальном задании на выполнение курсовой работы указывается прототип автомобиля, исходные данные для расчёта, рассчитываемый узел.

Исходные данные для расчёта могут отличаться от соответствующих данных технической характеристики прототипа, в том числе и по виду рассчитываемого узла. Например, в задании может быть указан прототип автомобиля

счервячным рулевым механизмом, а в задании на курсовую работу может содержаться расчёт для этого автомобиля реечного рулевого механизма. В этом случае необходимо осуществить подбор конструкции реечного рулевого меха-

4

низма по прототипу другого автомобиля аналогичного класса и провести расчёт оценки его работоспособности для заданных условий эксплуатации.

В случае если для расчёта требуются данные, которые не указаны в задании, эти данные можно брать из технической характеристики прототипа. Список литературных источников информации приводится в конце расчётнопояснительной записки. Ссылки на такие источники приводятся в тексте в виде их цифровых обозначений в квадратных скобках, например, [1], [5].

Оформление работы осуществляется на стандартных листах формата А4 в виде рукописи или печатного текста, текст с двух сторон листа, поля 2,5 см с каждой стороны. При необходимости схемы и рисунки могут быть выполнены на масштабной бумаге и приклеены к соответствующей странице. Решение каждой задачи должно сопровождаться соответствующим рисунком, иллюстрирующим схемудействиясилимоментов, нагружающихэлементырассчитываемогоузла.

Ксерокопирование или создание скан-копий рисунков не допускается. Выполнение рисунков может осуществляться вручную, либо посредством рисования в форматах MS Word или Paint. Каждый рисунок должен иметь номер, наименование и, при необходимости, спецификацию элементов. Страницы рукописи должны быть пронумерованы, нумерация страниц сплошная. Титульный лист оформляется в соответствии с прилагаемым образцом.

Расчётно-пояснительная записка должна содержать следующие разделы.

-Титульный лист: указываются данные по прилагаемому образцу.

-Задание на выполнение курсовой работы.

-Содержание: указывается наименование разделов и подразделов с номерами страниц.

-Введение: указываются основные предпосылки для выполнения работы – текст до одной страницы.

-Расчётная часть: содержатся все проводимые расчёты по оценке работоспособности узлов автомобилей в соответствии с заданием.

-Заключение: указываются основные данные о результатах расчётов и сравнительный анализ полученных расчётных характеристик в сравнении с аналогичными характеристиками прототипа.

-Библиографический список: указывается список использованной литературы по установленной форме.

Оформление работы может осуществляться в виде рукописного текста, либо в печатном виде с использованием редактора MS Word.

При выполнении работы в печатном виде, необходимо к текстовой части приложить её электронную версию на компакт-диске.

5

Образец титульного листа

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Воронежская государственная лесотехническая академия»

Кафедра автомобилей и сервиса

Курсовая работа

по дисциплине:

«Основы расчёта систем автомобилей, обеспечивающих безопасность движения»

Воронеж 201…

6

2. Расчёт рулевой системы

Исходной величиной для расчета рулевого управления является момент Мц на поворотной цапфе сопротивления повороту управляемых колес в наиболее неблагоприятных условиях: на месте на сухой шероховатой поверхности при полностью нагруженном автомобиле,

Мц = m1g (0,14ϕrк + fa),

ηц

где m1 – часть максимальной разрешенной массы автомобиля, приходящейся на управляемый мост, кг;

g – ускорение земного притяжения, g = 9,81 м/с2;

ηц – коэффициент, учитывающий потери на трение в узлах поворота цапф, обычно ηц = 0,9 … 0,95;

φ – коэффициент сцепления колес с дорогой, для рассматриваемых условий, находящийся в пределах φ = 0,75 … 0,85;

rк – радиус качения колеса, м;

f – коэффициент сопротивления качению колеса, для рассматриваемых условий находящийся в пределах f = 0,015 … 0,018;

а – плечо обкатки колеса, м.

Окружное усилие, прикладываемое водителем к рулевому колесу для преодоления момента Мц, может быть определено по выражению

Ррк = Мц η , RркUдру ру

где Rрк – радиус рулевого колеса, м; ηру – КПД рулевого управления,

ηру =ηрмηрп,

где ηрм – КПД рулевого механизма в прямом направлении, обычно находящийся в пределах ηрм = 0,75 … 0,85;

ηрп – КПД рулевого привода, обычно находящийся в пределах ηрп = 0,9 …

0,95;

Uдру – динамическое передаточное число рулевого управления,

Uдру =UрмUрп,

где Uрм – угловое передаточное число рулевого механизма; Uрп – передаточное число рулевого привода.

В соответствии с нормативными требованиями на проектирование автомобильных конструкций, усилие на рулевом колесе Ррк в условиях транспортной работы автомобиля не должно превышать 50 Н и при повороте колес на месте - 200 Н.

7

2.1. Рулевые механизмы

Рулевой механизм является механическим редуктором, осуществляющим передачу момента от рулевого колеса к валу сошки с требуемым угловым передаточным числом, определяемым по отношению угла поворота рулевого колеса αр к углу поворота вала сошки αс,

Uрм = αр .

αс

Всуществующих конструкциях величина углового передаточного числа

рулевого механизма обычно находится в пределах Uрм = 15 … 30, в отдельных случаях доходит до 40. При выборе Uрм должно обеспечиваться соответствие двух оборотов рулевого колеса из положения прямолинейного движения автомобиля (αр = 7200) повороту управляемых колес на углы θук = 35 … 40 0. С увеличением Uрм снижается усилие на рулевом колесе, однако при этом снижается чувствительность рулевого управления, что не всегда является целесообразным.

Рулевые механизмы могут быть как с постоянным, так и с переменным передаточным числом. Рулевой механизм с переменным передаточным числом

обеспечивает бóльшую величину Uрм и, следовательно, меньшую чувствительность рулевого управления при прямолинейном движении автомобиля. При по-

воротах автомобиля величина Uрм нелинейно уменьшается в зависимости от угла поворота рулевого колеса, что обеспечивает большее удобство управления автомобилем.

Конструкция рулевого механизма должна обеспечивать как можно более

высокий КПД в прямом направлении ηпр при передаче усилия от рулевого колеса к сошке и несколько меньший – ηобр в обратном направлении для снижения толчков от дороги на рулевом колесе.

Взависимости от конструктивного исполнения рулевые механизмы могут

быть:

- червячные: рабочая пара «червяк-ролик»; - реечные: рабочая пара «рейка-зубчатый сектор»;

- комбинированные: рабочие пары «винт-шариковая гайка» + «рейказубчатый сектор».

Червячные рулевые механизмы при наличии ведущего элемента в виде глобоидального червяка имеют переменное передаточное число, обладают КПД

впрямом направлении ηпр = 0,85 … 0,88 и в обратном направлении ηобр = 0,45 … 0,55. При этом из всех рассматриваемых типов рулевых механизмов червячные механизмы обладают наименьшей жесткостью, что предопределяет их работу в сочетании с относительно жесткими в боковом направлении шинами, как правило, с диагональным расположением корда.

Реечные рулевые механизмы имеют постоянное передаточное число, обладают КПД в прямом направлении ηпр = 0,8 … 0,85 и в обратном направлении

8

ηобр = 0,5 … 0,6. В сравнении с червячными рулевыми механизмами реечные механизмы обладают большей жесткостью, что предопределяет их работу в сочетании с более эластичными в боковом направлении шинами, как правило, с радиальным расположением корда.

2.1.1. Расчёт червячного рулевого механизма

Исполнительными элементами червячного рулевого механизма являются цилиндрический или глобоидальный червяк и двухили трехгребневый ролик, управляющий углом поворота вала сошки.

ось червяка

Мрк

ro

ось ролика

аωч

Рч

Qч

Ro

No

ось вала сошки

Рис. 2.1. Схема к расчету червячного рулевого механизма

Оценка работоспособности рабочих поверхностей червяка и ролика производится по контактным напряжениям сжатия

σсж = Qч , Fчр

где Qч – осевая составляющая силы на червяке, Н;

Fчр – площадь контакта зубьев червяка и ролика, м2. Осевая сила Qч может быть определена по формуле

Qч = Рчtgβч,

где Рч – поперечная составляющая силы на червяке, Н;

Рч = Мr0рк ,

9

где Мрк – момент, прикладываемый водителем к рулевому колесу, Нм;

rо – радиус делительной окружности червяка по наименьшему сечению, м; βч – угол наклона винтовой линии червяка к поперечной плоскости. Необходимым условием совместной работы червяка и ролика является

равенство их окружных шагов. При этом окружной шаг является постоянной величиной, а переменными являются радиус червяка rо и угол наклона винтовой линии червяка βч. В существующих конструкциях автомобилей отечественного производства угол βч обычно находится в пределах 8 … 10 0.

Передаточное число рулевого механизма с глобоидальным червяком является переменным и может быть определено по выражению

где аω - межцентровое расстояние между осями вращения червяка и вала сошки есть сумма радиуса червяка r0 и радиуса поворота ролика Ro

аω = R0 + r0 .

Площадь контакта зубьев червяка и ролика может быть определена по формуле

где iр – число гребней ролика, обычно iр = 2 или 3;

φч и φр – центральные углы контакта, соответственно, червяка и ролика,

обычно φч = 30 … 450; φр = 45 … 600;

rч и rр – наружные радиусы, соответственно, червяка и ролика, м. Наружный радиус червяка rч может быть определен по зависимости

rч = r0 +(0,2...0,25)tч,

где tч – шаг червяка, определяемый величиной передаточного числа рулевого механизма,

tч = 2πR0 .

Uрм

Радиус поворота ролика обычно находится в пределах Ro = 35 … 50 мм. Наружный радиус ролика обычно составляет

rр = (1,25...1,30)rч.

Для изготовления червяка и ролика применяются стали типа 20ХНМ; 12Х2Н4А; 20ХГНТР с последующей нитроцементацией рабочих поверхностей на глубину 0,7 … 1,6 мм, имеющие характеристику допускаемых напряжений сжатия [σсж] = 850 … 1000 МПа.

10

2.1.2.Расчёт рабочей пары «винт-шариковая гайка»

Всоединении рассматриваемого типа ведущим элементом является одно-

заходный винт с постоянным шагом, находящимся в пределах tв = 12 … 18 мм и углом подъема винтового канала βв = 10 … 15 0. Для передачи усилия на ведомую гайку используются шарики диаметром dш = 7 … 9 мм.

Гайка

d0 D

D1

Рис. 2.2. Схема к расчету рабочей пары «винт-шариковая гайка

Радиус желоба rж винта и гайки для исключения заклинивания шарика должен быть больше его радиуса и, так же, как в конструкции радиальноупорного подшипника, необходимо соблюдение зависимости

rж = (0,51 … 0,53)dш.

В соответствии с этим внутренний d1 и наружный d диаметры желоба винта, а также внутренний D и наружный D1 диаметры желоба гайки могут быть определены из следующих соотношений:

где hж – глубина желоба, м;

х – смещение центра профилей желобов винта и гайки относительно линии центров шариков и среднего диаметра винтового канала d0, м,

х = rж − d2ш cosαш,