Расчет рулевых приводов
Расчет рычагов и тяг привода ведется с учетом их места рас положения и конструктивной формы. Наиболее интенсивно при вод нагружен (сошка, продольная тяга, рычаг поворотной цапфы
II др.) при установке усилителя в рулевом механизме (автомобили
ЗИ Л — рис. XVI.9, а). При расположении усилителя в конечном звене рулевого привода (рис. XVI. 12, а,б) многие элементы (сошка, продольная тяга, рычаг поворотной цапфы) нагружены только усилием водителя — Рштах.
Опыт эксплуатации показывает, что наиболее слабым звеном
привода является сошка и шарниры.
Типовая конструкция сошки была показана на рис. XVI.3. Опасное сечение х— х располагается у основания сошки. В этом сечении сошка от силы Ра, приложенной к пальцу, изгибается (на плече q) и скручивается (на плече р). Опасные напряжения возникают в точках а и б. Эквивалентные напряжения растяжения в точке а по третьей теории прочности равны:
(XVI.48а)
а напряжения кручения в точке б
_ PQP
(ХѴІ.486)
6 UVp ’
где 1ѴИЗІ„ WKp — моменты сопротивления поперечного, сечения соответственно при изгибе и кручении.
Поперечное сечение по форме близко к прямоугольнику или эллипсовидному. Способы и формулы для определения ІѴ!13'Г и ІѴкр приведены в учебниках по общеинженерным дисциплинам. Сила Ра, необходимая для расчетов, равна:
для рулевого управления с усилителем в приводе (ГАЗ-66, «Урал-375»)
п _ Рш max-fiiVp. м .
для рулевого управления с усилителем в рулевом механизме (ЗИЛ-130, ЗИЛ-131)
|
п |
__ |
Рш тах^шір. н ф" Р "Г" D2r2 |
|
|
|
|
|
* |
|
|
|
Применительно к |
|
автомобилям ЗИЛ |
при |
Лштах = 0,5 |
кН |
(50 кгс) и р = |
7 МПа (70 кгс/см2) напряжения сошки в опасном |
сечении равны |
оэ а = |
|
780 МПа (7800 кгс/см2), |
а тб = 400 МПа |
(4000 кгс/см2). |
При |
нормальных |
условиях эксплуатации |
(р — |
= 7 МПа; Ршсу |
0,07 кН) или |
вышедшем из строя |
усилителе, |
когда поворот осуществляется только усилием водителя |
(Рштах = |
= 0,5 кН = 50 |
кгс) |
напряжения |
в тех |
же точках будут сгэ а = |
= 350 МПа, а тб = 184 МПа. Предел прочности для стали 40Х, из которой отковывается сошка, ие менее сгв — 1000 МПа.
Шарниры, всех рычагов и тяг проверяются иа удельное давле ние. Оно не должно быть больше 25—30 МПа (250—300 кгс/см2) при пиковых нагрузках {Рштх = 0,5 кН и р = 7 МПа), а в нор мальных условиях эксплуатации — не более 15 МПа (150 кгс/см2).
Продольная и поперечная тяги рулевого привода должны обла дать достаточно высокой жесткостью, чтобы при передаче через них усилий сжатия они не выпучивались. Выбор поперечных се чений тяг ведется по формуле Эйлера
|
|
|
(XVI.49) |
где Рсжі — усилие сжатия, |
передаваемое |
і-й тягой; J ,■— эквато |
риальный момент инерции |
сечения [для трубчатых |
тяг |
= |
= -g ^ -(l — а 4); [а — - j j — |
отношение |
внутреннего |
диаметра |
трубы к наружному]; /,. — длина тяги, отсчитываемая между цен трами шарниров.
Значение Рсж/ определяется с* учетом места расположения рассчитываемой тяги (см. рис. XVI. 12) и способа нагружения ее усилителем.
По известному значению РсЖ, н /,• находятся J n а затем D и сі. Запас жесткости для тяг выбирается не менее 1,5—2,5.
Список литературы к гл. XVI
1.Л ы с о в М. И. Рулевые управления автомобилей. М., «Машинострое ние», 1972, 344 с.
2.Г и н ц б у р г Л. Л. и др. Сервоприводы и автоматические агрегаты авто
мобилей. М., «Транспорт», 1968. 191 с.
3. Вопросы расчета, конструирования и исследования автомобиля. Сб. статен под ред. проф. Кригера А. И. М., «Машиностроение», 1968, 180 с.
X
Г Л А В А XVII
РАМЫ И КУЗОВА
§ 81. ТРЕБОВАНИЯ К КОНСТРУКЦИИ. КЛАССИФИКАЦИЯ
Рама, кузов или рама, объединенная с кузовом автомобиля, выполняют функции несущей системы, на которой монтируются его агрегаты.
Все нагрузки, действующие на автомобиль в условиях эксплуа тации, передаются на его несущую систему. К ним относятся: вес агрегатов и полезной нагрузки, усилия, действующие от амор тизаторов, упругих элементов и направляющего устройства под вески, а также силы инерции, возникающие при колебаниях, разгоне, торможении и повороте автомобиля. При движении автомобиля с прицепом (полуприцепом) на несущую систему дей ствуют нагрузки от тягово-сцепного или опорно-сцепного устрой ства.
Классификация несущих систем дана в табл. XVI 1.1. Общие требования к несущим системам.
1. При минимальном весе несущая система должна обладать долговечностью, соответствующей сроку службы автомобиля.
2.Жесткость несущей системы должна быть достаточной, чтобы
еедеформации не нарушали условий работы агрегатов и механиз
мов автомобиля. При недостаточной жесткости в них при пере-
|
|
|
Т а б л и ц а XVI 1.1 |
|
Классификация несущих систем |
Тип |
несущей системы |
Конструктивные особенности и характеристика |
Рама |
|
|
Кузов установлен на раму при помощи |
|
|
|
упругих креплений (шарниров). Жесткость |
|
|
|
рамы больше чем кузова и он не восприни |
|
|
|
мает внешних нагрузок при деформациях |
|
|
|
рамы |
Несущий кузов (корпус) |
Кузов (без рамы) воспринимает все внеш |
|
|
|
ние нагрузки |
Кузов |
объединенный |
с ра |
Кузов жестко соединен с рамой (заклеп |
мой (интегральная) |
" |
ками, сваркой или болтами). Все нагрузки |
|
|
|
воспринимаются рамой совместно с верхним |
|
|
|
строением кузова |
косах несущей системы возникают дополнительные напряжения. Возможны поломки или обрывы крепления, а также заклинивание дверей и окон кузова.
3. Форма рамы должна обеспечивать удобство монтажа агре гатов, низкое положение центра тяжести автомобиля и малую, по грузочную высоту кузова. Требования к кузовам будут рас смотрены ниже.
Безрамные конструкции автомобилей при прочих равных усло виях легче рамных. Благодаря совмещению функций кузова и не сущей системы удается снизить общий вес.
Достоинство рамных конструкций в том, что на одном шасси можно выпускать различные модификации автомобиля по кузову,
а также в удобстве ремонта. |
" |
§ 82. |
РАМЫ |
На рнс. XVII. 1 показаны конструктивные схемы рам наиболее распространенных типов.
На легковых автомобилях преимущественно применяются пе риферийные рамы (а) и Х-образные (б).
Рис. XVII.1. Конструктивные схемы рам: а — периферийная; 6 — Х-образная; в — лестничная; г — с Х-образными попере чинами; д — хребтовая
Периферийная рама состоит из двух лонжеронов, связанных поперечинами. В средней части лонжероны имеют вставки, рас стояние между которыми увеличено. При установке кузова они располагаются на уровне порогов дверей. Это увеличивает сопро
тивление кузова при боковых ударах. Вставки свариваются с пе редними и задними частями лонжеронов или штампуются за одно целое.
Для снижения центра тяжести автомобиля и уровня пола ку зова лонжеронам над передней и задней осями придают выгибы в вертикальной плоскости с тем, чтобы средняя часть рамы рас полагалась ниже. Изгибающие моменты, действующие на раму, воспринимаются лонжеронами. Они создают необходимую жест кость рамы в продольной плоскости. Для лонжеронов применяют высокие открытые или закрытые профили, имеющие большой эква ториальный момент инерции.
При перекосах рамы на лонжероны и поперечины действуют крутящие моменты, которые распределяются между этими эле ментами пропорционально их полярным моментам инерции и об ратно пропорционально длинам. Поэтому основную роль в обес печении угловой (крутильной) жесткости рамы играют попере чины, которые значительно короче лонжеронов. Все поперечины или часть их выполняются из закрытых профилей (коробчатых или трубчатых), имеющих большой полярный момент инерции.
Х-образная рама (рис. XVI 1.1, б) состоит из средней балки, имеющей закрытый трубчатый профиль, передней и задней виль чатых частей. Для крепления кузова к средней части необходимы консольные кронштейны. Жесткость рамы при скручивании со здается средней частью и поперечинами вилок.
Рама с прямыми лонжеронами и поперечинами (е) применяется и на легковых и на грузовых автомобилях. Она получила название лестничной. Лонжероны изготавливают путем штамповки или выгибают из полосы углеродистой или малолегированной стали (см. гл. III).
Преимущественное распространение имеют лонжероны откры того профиля — швеллер с обращенными внутрь полками. Они имеют малую жесткость при кручении. Требуемая угловая жест кость рамы достигается применением для основных поперечин закрытых профилей. Поперечины, которые используются в ка честве опор для двигателя, радиатора, механизмов трансмиссии, опорно-сцепного устройства, могут иметь открытый профиль. Им придается форма, удобная для монтажа этих агрегатов.
Лонжероны с целью снижения веса, лучшего использования материала и достижения равнопрочности должны иметь перемен ное сечение в соответствии с характером распределения изгибаю щих и крутящих моментов по длине рамы. С той же целью уве личивают поперечное сечение элементов рамы за счет применения тонкого листового материала для их штамповки. Минимальная толщина стенки должна обеспечивать ее устойчивость против бо кового выпучивания при изгибе. При толщине материала до 5— 6 мм применяют холодную, а в остальных случаях горячую штам повку.
Сопротивление рамы продольному сдвигу лонжеронов увели чивается ’применением раскосов и косынок в местах присоедине ния поперечин. На некоторых прицепах и специальных автомоби лях применяют рамы с X-образными поперечинами (рис. XVII. 1, а). Стержни поперечин приваривают к лонжеронам. При переко сах рамы они работают на изгиб и кручение и обеспечивают вы сокую жесткость даже при применении открытых профилей.
Хребтовые рамы (рис. XVII. 1, д) на легковых автомобилях вышли из употребления, а на грузовых применяются крайне редко. Семейство автомобилей большой грузоподъемности с хребто вой рамой выпускает фирма «Татра» (ЧССР). На этих автомобилях рама состоит из картеров главных передач, картера раздаточной коробки и соединяющих их патрубков трубчатого сечения. Эле менты рамы соединяются болтами. При такой конструкции можно из одинаковых элементов делать рамы двух-, трех- и четырехосных полноприводных автомобилей; ремонт агрегатов, заключенных в раме, весьма затруднен.
Автомобильные рамы работают при высоких нагрузках и яв ляются ответственной частью автомобиля. Вес рам грузовых авто мобилей с буферами и кронштейнами в сборе составляет до 10— 15% от собственного веса. Верхний предел относится к автомоби лям большой грузоподъемности, в рамах которых применяют про катные профили.
На рис. XVII.2 показана конструкция рамы грузового авто мобиля. Лонжероны (/ и 6), поперечины (2— 5 и 7) и кронштейны рамы соединяются односрезными заклепочными соединениями. Не ослабленные заклепки работают на срез. В эксплуатации среза заклепок не наблюдается. Их разрушению обычно предшествует ослабление, связанное с износом стержня заклепки и соединяемых деталей по толщине и отверстию. Ослабленные заклепки работают на изгиб и разрушаются от напряжений усталости.
|
|
|
|
Т а б л и ц а |
X VII.2 |
Значение |
пределов выносливости материала |
и соединений рам |
|
|
|
|
Предел выносливости материала |
Вид образца |
Обозна |
Сталь 20кп |
Сталь 14Г2 |
чение |
|
|
|
|
|
|
|
МПа |
кгс/см5 |
МПа |
кгс/смг |
Лабораторные |
полирован- |
ст- і |
215 |
2150 |
300 |
3000 |
ные образцы |
|
° - 1 Л |
|
|
|
|
Профили гнутые из листово- |
170 |
1700 |
250 |
2500 |
го проката |
|
|
|
|
|
Профильный прокат . . . . |
° - 1 П |
120 |
1200 |
210 |
2100 |
Клепаные .соединения |
70 |
700 |
80 |
800 |
Сварные соединения |
°-1 К Л |
40—80 400—800 50—75 500—750 |
|
|
0_ісв |
|
|
|
|