- •Основы конструирования автомобилей
- •Введение
- •1. Основы проектирования автомобилей
- •1.1. Свойства автомобилей
- •1.2. Требования, предъявляемые к конструкции автомобилей
- •1.3. Стадии проектирования автомобилей
- •1.3.1. Техническое задание
- •Раздел 2 «Технические требования» определяет показатели качества и эксплуатационные характеристики автомобиля с учетом действующих стандартов и норм, в общем случае включает десять подразделов.
- •1.3.2. Эскизный проект
- •1.3.3. Технический проект
- •1.3.4. Рабочая документация
- •1.3.5. Порядок постановки автомобилей на производство
- •2. Нагрузочные и расчетные режимы. Методы расчета
- •2.1. Рабочие процессы агрегатов и систем автомобилей
- •2.2. Эквивалентная динамическая система трансмиссии автомобиля
- •2.3. Методы расчета элементов трансмиссии
- •3. Сцепления
- •3.1. Назначение. Классификация. Требования
- •3.2. Определение основных параметров сцепления
- •3.3. Рабочий процесс сцепления
- •3.4. Расчет на износ. Тепловой расчет
- •3.5. Расчет элементов сцепления
- •3.5.1. Расчет нажимных пружин
- •3.5.2. Расчет нажимного диска
- •3.5.3. Расчет ведомого диска
- •3.5.4. Расчет рычагов выключения
- •3.6. Расчет привода сцепления
- •4. Коробка передач
- •4.1. Назначение. Классификация. Требования
- •4.2. Определение основных параметров механической ступенчатой коробки передач
- •4.3. Расчет зубьев шестерен на прочность и долговечность
- •4.4. Расчет валов
- •4.5. Расчет подшипников
- •4.6. Расчет синхронизатора
- •5. Карданная передача
- •5.1. Назначение. Классификация. Требования
- •5.2. Рабочий процесс карданных шарниров
- •5.2.1. Кинематика карданных шарниров
- •5.2.2. Динамика карданного шарнира неравных угловых скоростей
- •5.3. Расчет элементов карданной передачи
- •5.3.1 Расчет карданной передачи с шарнирами неравных угловых скоростей
- •5.3.2 Расчет карданной передачи с шарнирами равных угловых скоростей
- •6. Главная передача
- •6.1. Назначение. Классификация. Требования
- •6.2. Нагрузки в главных передачах
- •6.3. Расчет шестерен главной передачи на прочность и долговечность
- •6.4. Расчет валов и подшипников главной передачи
- •7. Дифференциал
- •7.1. Назначение. Классификация. Требования
- •7.2. Кинематический анализ дифференциала
- •7.3. Расчет основных элементов дифференциала
- •8. Полуоси
- •8.1. Назначение. Классификация. Требования
- •8.2. Нагрузки, воспринимаемые полуосями
- •8.3. Расчет полуосей
- •9. Несущие системы
- •9.1. Назначение. Классификация. Требования
- •9.2. Расчет рамы автомобиля
- •9.3. Расчет кузова
- •10. Мосты
- •10.1. Назначение. Классификация. Требования
- •10.2. Расчет мостов
- •10.2.1. Расчет ведущего моста
- •10.2.2. Расчет управляемого моста
- •10.2.3. Расчет комбинированного моста
- •11. Подвески
- •11.1. Назначение. Классификация. Требования
- •11.2. Колебания и плавность хода автомобилей
- •11.3. Расчет упругих элементов подвески
- •11.4. Расчет направляющих устройств подвески
- •11.5. Расчет амортизаторов
- •12. Колеса. Шины
- •12.1. Назначение. Классификация. Требования
- •12.2. Расчет подшипников ступиц
- •13. Рулевое управление
- •13.1. Назначение. Классификация. Требования
- •13.2. Определение параметров рулевого управления
- •13.3. Кинематический расчет рулевого привода
- •13.4. Расчет элементов рулевого управления
- •14. Тормозные системы
- •14.1. Назначение. Классификация. Требования
- •14.2. Анализ тормозных механизмов
- •14.3. Расчет тормозных механизмов
- •14.4. Расчет тормозных приводов
- •Литература
9.2. Расчет рамы автомобиля
Рама автомобиля представляет собой пространственную несущую систему, нагруженную статическими и динамическими нагрузками. Напряжения в элементах рамы определяются: изгибом в вертикальной плоскости под влиянием симметричной системы сил; кручением вокруг продольной оси под влиянием кососимметричной системы сил; изгибом в горизонтальной плоскости; местными нагрузками (подвеска топливного бака, запасного колеса, усилия при буксировке и др.).
Статические нагрузки возникают под действием собственного веса рамы и веса механизмов, кузова и полезного груза и от реакций опор рессор. Уже после сборки автомобиля в его раме возникают напряжения изгиба, составляющие 10 15% предела текучести материала. При этом напряжения в лонжеронах в 2 2,5 раза превышают напряжения в поперечинах.
При движении автомобиля на раму действуют динамические нагрузки. Основной причиной возникновения симметричных динамических нагрузок являются силы инерции подрессоренных масс, действующие на раму при колебаниях автомобиля. Вертикальные и угловые колебания автомобиля в вертикальной плоскости обусловлены симметричными составляющими прогибов подвески. Эти колебания вызывают изгиб рамы, создавая напряжения в лонжеронах и незначительные напряжения в поперечинах.
Изгибающая динамическая нагрузка зависти от статической нагрузки и вертикальных ускорений в точках приложения вертикальной нагрузки:
. (9.1)
Динамические нагрузки существенно превышают статические и определяются с помощью коэффициента динамичности:
. (9.2)
Кососимметричные составляющие прогибов подвески вызывают бортовую качку и кручение рамы, создавая напряжения в поперечинах.
При кручении рамы возникают горизонтальные составляющие нагрузок. Они зависят от боковой жесткости рессор и смещения оси вращения от плоскости рамы, а также от угла закручивания. Чем больше жесткость рессор, смещение оси вращения и угол закручивания, тем больше горизонтальные усилия. Таким образом, элементы рамы при перекосе находятся в сложном нагружении под действием вертикального изгиба, стесненного кручения, горизонтального изгиба и др.
Для расчета рамы обычно рассматривают два режима:
движение с большой скоростью по дороге с мелкими неровностями (симметричное нагружение);
преодоление больших неровностей с вывешиванием некоторых колес (кососимметричное нагружение).
Для того чтобы не только оценить общую податливость рамы и действующие в ней напряжения, но и выявить опасные места резкого изменения деформаций и напряжений и темп их изменения по длине рамы, значения прогибов, углов закручивания и напряжений следует рассчитывать для ряда поперечных плоскостей, проходящих через характерные точки (места присоединения поперечин, изменения высоты или ширины сечения лонжерона, приложения нагрузок и т.д.). Результаты расчета целесообразно представлять в виде эпюр прогибов, углов закручивания и напряжений по длине рамы.
Расчет на симметричное нагружение (изгиб) простейшей лестничной рамы заключается в определении прогибов и напряжений в лонжеронах, представленных в виде элементарной балки на опорах.
Напряжение изгиба в каждом расчетном сечении лонжерона определяют по формуле:
, (9.3)
где – изгибающий момент.
Изгибающий момент в расчетном сечении лонжерона рассчитывают по формуле:
, (9.4)
где и– изгибающий момент и перерезывающая сила в предыдущем сечении, значения которых уже известны;– расстояние между сечениями.
Допускаемые напряжения при кратковременных динамических нагрузках можно приближенно определить как
, (9.5)
где – предел текучести материала лонжерона.
При расчете на кососимметричное нагружение (кручение) рама, состоящая из двух лонжеронов, связанных несколькими поперечинами, будет представлять собой статически неопределимую систему. Силовые факторы, действующие в элементах статически неопределимой системы (и углы закручивания), могут быть определены различными методами, излагаемыми в курсах сопротивления материалов, которые связаны с громоздкими и трудоемкими вычислениями. Однако при некоторых допущениях расчет может быть значительно упрощен. Если предположить, что деформации изгиба в элементах рамы малы по сравнению с деформациями кручения, то можно воспользоваться следующим приближенным методом.
При расчете на кручение рама рассматривается как плоская система, состоящая из прямолинейных тонкостенных стержней. Так как жесткость на изгиб у лонжеронов в сотни раз больше их жесткости на кручение, деформациями изгиба пренебрегают.
При прогибе поперечные сечения стержней остаются плоскими, а при кручении они искривляются (депланируют). Искривление сечений по длине стержня неодинаково. В узлах, усиленных косынками и приклепанных к полкам лонжеронов, искривление считают равным нулю, а в остальных сечениях оно может быть существенным. Такой характер деформации называется стесненным кручением.
При стесненном кручении кроме касательных напряжений кручения в сечениях лонжеронов из-за искривления появляются дополнительные нормальные напряжения.
В поперечинах рамы дополнительных нормальных напряжений не возникает из-за их более эластичного крепления к стенкам лонжеронов. Поэтому считают, что поперечины рамы испытывают свободное кручение.
Разрезав поперечины в плоскости симметрии рамы и приложив в местах разреза внутренние крутящие моменты и перерезывающие силы переходят от статически неопределимой системы к статически определимой, которую и принимают за расчетную схему (б). Строят эпюры изгибающих моментов (в) и бимоментов (г). По этим двум эпюрам определяют суммарные напряжения и строят их эпюру (д).
Момент, закручивающий раму, зависит от большого количества факторов, и может быть определен по формуле:
, (9.6)
где – высота преодолеваемых автомобилем неровностей;– колея колес;– угловая жесткость рамы;– угловая жесткость подвески.
Из формулы (9.6) следует, что чем меньше угловая жесткость рамы, тем меньше закручивающий момент и, следовательно, выше прочность рамы. Кроме того, более эластичная рама вместе с подвеской обеспечивает лучшую приспособляемость колесам автомобиля к дорожным неровностям и постоянный контакт колес с дорогой. Однако при слишком эластичной раме возможно нарушение взаимного положения и условий работы агрегатов и механизмов, установленных на раме. Оптимальная жесткость рамы на кручение окончательно определяется и выбирается при доводочных испытаниях.
Суммарные нормальные напряжения в сечениях лонжеронов при стесненном кручении рассчитывают по формуле:
, (9.7)
где и– изгибающий момент и момент сопротивления сечения изгибу;– биомомент;– секториальный момент сопротивления сечения.
Биомомент для наиболее распространенного швеллерного сечения лонжеронов определяют по формуле:
, (9.8)
где –угол закручивания рамы на длине базы автомобиля; –модуль упругости 1-го рода; – секториальный момент инерции сечения; – длина рассматриваемого отрезка лонжерона; – база автомобиля.
Результирующие касательные напряжения кручения при деформации лонжеронов рамы в общем случае складываются из касательных напряжений свободного кручения, касательных напряжений изгиба и касательных напряжений стесненного кручения.
Наиболее значительными из них являются касательные напряжения свободного кручения, которые составляют 85 90% от результирующих напряжений.
Для лонжеронов, имеющих швеллерное сечение, касательные напряжения свободного кручения определяют по формуле:
, (9.9)
где – толщина профиля лонжерона; – модуль упругости 2-го рода; – изгибно-крутильная характеристика поперечного сечения лонжерона.
Напряжения для рам грузовых автомобилей, имеющих швеллерное сечение, при закручивании на угол = 10 12° составляют = 5 20 МПа (меньшие значения для лонжеронов, большие – для поперечин), а суммарные нормальные напряжения = 100 300 МПа.
Во время движения автомобиля по неровной дороге при максимальном закручивании рамы напряжения в ее элементах в 3 5 раз больше напряжений, возникающих после установки на раме кузова, агрегатов и механизмов.
В рамах грузовых автомобилей с обычной грузовой платформой наибольшие напряжения в лонжеронах возникают в зоне третьей поперечины, примерно у переднего борта кузова. У седельных тягачей наибольшие напряжения в лонжеронах возникают в зоне пятой поперечины у кронштейнов подвески. Из поперечин наиболее нагруженной обычно является первая поперечина.
Слабыми местами рамы являются зоны присоединения к лонжеронам поперечин, кронштейнов и других деталей.
Заклепочные соединения работают при стесненном кручении и горизонтальном изгибе. Независимо от технологии клепки заклепки разрушаются от изгиба.
В предельном случае можно рассматривать изгиб стержня заклепки в условиях, когда стенки отверстия не препятствуют деформации изгиба под действием изгибающего момента
, (9.10)
где –усилие, создающее изгибающий момент; , – толщины соединяемых деталей.
Напряжение изгиба у головки заклепки рассчитывают по формуле:
, (9.11)
где d – диаметр заклепки.
Напряжение среза (оно почти в 2 раза меньше напряжения изгиба) определяют по формуле:
, (9.12)
где – усилие, создающее напряжение среза.
р
о
CN
ОО
+
со
т
Cs
о
л/,
и
р
о
*
в»
А/,
и