Колёса и шины автомобиля

2.2 Колёса и шины автомобиля

Колесный движитель представляет собой устройство, преобразующее работу двигателя в поступательное движение машины. Он состоит из трех основных частей: шины, обода и ступицы.

 

Анализ и оценка конструкции автомобильных шин и колес

Рисунок 21 - Радиальный разрез покрышки

1— каркас; 2 — брекер; 3 — протектор; 4 — боковина; 5 — борт; 6 — носок борта; 7 — основание борта; 8 — пятка борта; 9 — бортовая лента; 10 — бортовая проволока; 11 — обертка; 12 — наполнительный шнур; H — высота профиля покрышки; H₁ — расстояние от основания до горизонтальной осевой линии профиля; H₂ — расстояние от горизонтальной оси до экватора; В — ширина профиля; B₆ — корона; R — радиус кривизны протектора; D — наружный диаметр шины; d — посадочный диаметр шины; h — стрела дуги протектора; С — ширина раствора бортов; а — ширина борта.

 

2.3 Полуоси, балка и поворотный кулак автомобиля

Т.к. автомобиль ВАЗ-2108 является переднеприводным значит у него не заднего моста.

При прямолинейном движении значения моментов M и сил P принимаются максимальными. Рассмотрим изгиб балки вертикальной плоскости (рис. 22).

Рисунок 22. Расчетная схема балки ведущего моста и эпюры моментов

Изгибающий момент

 

М_и.в = R''_z1l = R''_z2l,

где R''_z1 и R''_z2 — нормальные реакции опорной поверхности за вычетом веса Колеса G_K.

Нормальные реакции опорной поверхности от нагрузки на мост G₂

 

R_z1 = R_z2 = m₂G₂/2,

где m₂ = 1,1...1,2— коэффициент перераспределения нагрузки по мостам.

Изгиб картера в горизонтальной плоскости под нагрузкой от силы тяги Р_т

 

М_и.г = P_т1l = P_т2l,

где Р_т1=Р_т2 = R_z1φ = R_z2φ, (φ = 0,8...0,9 — коэффициент сцепления шин с опорной поверхностью).

Момент, скручивающий балку, М_кр = P_т1r_к = R_т2r_к (r_к—радиус качения колеса).

Результирующее напряжение от изгиба и кручения для круглого трубчатого сечения

,

где W = 0,2(D⁴ — d⁴)/D — момент сопротивления трубчатого сечения.

Для прямоугольного и коробчатого сечения напряжения в вертикальной и горизонтальной плоскостях определяют раздельно и суммируют арифметически: σ_и = M_и.в / W_в + M_и.г /W_г. Напряжения кручения при этом не суммируют:

 

τ = M_кр / W_кр = Р_т1r_к / W_кр = Р_т2r_к / W_кр,

Максимальные напряжения изгиба относятся к крайним волокнам сечения, а напряжения кручения к средним волокнам сечения.

При заносе балку моста рассчитывают на изгиб в вертикальной плоскости, считая при этом Р_т1=Р_т2 = 0.

Изгибающие моменты в вертикальной плоскости

 

M_и1 = R"_z1l — P_y1r_K; M_и2 = R"_z2l + P_y1r_K.

R_y1 и R_y2 — боковые реакции при заносе:

 

R_y1 = R'_z1 φ; R'_z1 = 0,5 G₂ (1 + 2 φ H / В);

R_y2 = R'_z2 φ; R'_z2 = 0,5 G₂ (1 — 2 φ H / В);

где R'_z1 и R'_z2 — нормальные реакции опорной поверхности при заносе.

Условно принимается φ = 1.

Эпюры моментов от R'_z и P_y1 строятся раздельно, а затем складывают. Опасное сечение картера находится в месте крепления рессоры: здесь напряжение изгиба σ_и = М_и / W.

При динамическом нагружении изгибающий момент в вертикальной плоскости:

 

М_и = R_z1 K_дl,

где К_д=1,5...3 — коэффициент динамичности.

Напряжение изгиба σ_и = М_и / W.

Для балок мостов, литых из стали и чугуна, [τ_и] = 300 МПа, для штампованных из стального листа [τ_и] = 500 МПа.

Определение нагрузок и расчет переднего моста производят так же, как и заднего моста. При торможении коэффициент перераспределения нагрузки на передний мост m₁ = 1,1.„1,2. Необходимо учитывать переменное сечение балки: двутавровое в средней части и после рессорной площадки постепенно переходящее в круглое. Вертикальные реакции R_zl = R_z2 = m₁G₁/2, где G₁ — нагрузка на передние колеса.

Для балки управляемого моста жесткость важна для сохранения углов установки колес. Жесткость ведущего моста влияет на условия зацепления зубчатых передач, на нагрузку подшипников и на нагруженность полуосей.

Прогиб балки равен силе в заданном сечении, отнесенной к жесткости сечения f = P_и / (EJ_x). Балка нагружена в местах крепления рессор. Переменное сечение балки затрудняет расчет. В таких случаях или упрощают схему и ведут расчет по наиболее опасному сечению, или усложняют расчет, применяя метод конечных элементов.

Прогиб балки грузовых автомобилей достигает 2...3 мм.

Рисунок 23. Расчетная схема поворотной цапфы

 

Поворотный кулак (рис. 23). Расчет ведется для тех же трех случаев нагружения: торможения при прямолинейном движении, заноса и динамического нагружения.

При торможении суммарный момент изгиба в вертикальной плоскости

,

где R''_z1 = R_zl — G_к; Р_тор = R_zφ — тормозная сила на колесе, нагружающая цапфу.

Напряжение изгиба:

 

σ_и = М_и / W.

 

При заносе напряжение изгиба на цапфе при Р_тор = 0

 

σ_и1=(R''_z1 — R_y1r_к)/W; σ_и2=(R''_z2с — R_y2r_к)/W.

 

При динамическом нагружении напряжение изгиба

 

σ_и = R_z1с К_д / W,

где коэффициент динамичности К_д = 1,5...3.

Для стали 30Х и 40Х допускаемое напряжение [σ_и] = 500 МПа.

Рисунок 24. Расчетная схема шкворня

 

Шкворень. Расчетные режимы, применяемые при расчете шкворня, те же, что и при расчете цапф. Наклоном шкворня пренебрегаем.

При торможении реакции, нагружающие верхний R'_шк и нижний R''_шк концы шкворня, обусловленные действием:

реакции R_z:

R'_шк1 = R''_шк1 = R_zl / (a + b);

силы Р_тор :

 

R'_шк2 = Р_торb / (a + b); R''_шк2 = Р_торa / (a + b);

реактивной силы:

 

R'_шк3 = Р₁b / (a + b); R''_шк3 = Р₁a / (a + b),

где P₁ = Р_торl / l₁;

тормозного момента М_тор = Р_торr_к

 

R'_шк4 = Р_торr_к / (a + b).

Суммарная сила, действующая на нижний конец шкворня,

.

Суммарная сила, действующая на верхний конец шкворня:

.

На шкворень действуют напряжения:

 

изгиба σ_и = R''_шкΣd / W_и;

среза τ_cp = 4P''_шкΣ / (πd²_шк);

смятия σ_см = R''_шкΣ/(d_шкl_шк).

Для расчета принимают наибольшее из значений Р'_шкΣ, Р''_шкΣ.

При заносе действуют только поперечные силы.

От вертикальной реакции:

 

R'_шк1 = R''_z1 l / (a + b); R''_шк1 = R''_z1 l / (a + b),

 

где R''_z1(2) = = R''_z1(2) — G_к.

От боковой силы R_y и от момента, создаваемого этой силой:

 

левый шкворень R'_шк1 = R''_шк1 = R_y1 l / (a+b)

правый шкворень R'_шк1 = R''_шк1= R_y2 l / (а+b).

Суммарная нагрузка на левом шкворне:

 

R'_шкΣ = [R_y1(r_к—b) — R''_z1 l] / (a + b);

R''_шкΣ = [R_y1(r_к+ a) — R''_z1 l] / (a + b).

Суммарная нагрузка на правом шкворне:

 

R'_шкΣ = [R_y2(r_к—b) — R''_z2 l];

R''_шкΣ = [R_y2(r_к + a) — R''_z2 l] / (a + b).

Напряжения определяются так же, как и при торможении.

При динамическом нагружении напряжение изгиба в вертикальной плоскости

 

σ_и = R_z1с К_д / W.

Расчетные режимы полуосей. Полуразгруженную полуось рассчитывают на изгиб и кручение так же как балку моста для трех случаев нагружения: прямолинейного движения, заноса и динамического нагружения.

При прямолинейном движении — результирующий изгибающий момент полуоси в вертикальной и горизонтальной плоскостях

момент кручения полуоси:

 

М_кр = Р_тr_к;

сложное напряжение:

.

При заносе изгибающие моменты на правом и левом колесах

 

M_иl=R_y2r_к — R_z2b; M_и2 = R_y2 r_к + R"_z2b.

 

При динамическом нагружении

вертикальная нагрузка:

 

R_z1 K_д = R_z2 K_д;

горизонтальная нагрузка:

R_z1 K_д φ = R_z2 K_д φ;

скручивающая нагрузка:

 

Р_тr_к = М_кр = R_z1 K_д φr_к = R_z2 K_д φr_к.

При расчете полуразгруженной полуоси плечо изгиба b определяется как расстояние между плоскостями, проходящими через центр опорной площадки колеса и через центр опорного подшипника.

Полностью разгруженные и разгруженные на три четверти полуоси рассчитывают только на кручение и определяют их жесткость.

Касательное напряжение кручения:

 

τ = Р_тr_к / 0,2d³; М_кр = Р_тr_к.

Угол закручивания полуоси:

 

θ = (180 / π)(M_крl / GJ_кр);

здесь момент инерции J_кр = πd⁴/32, модуль сдвига G = 85 ГПа. Угол закручивания обычно ограничивается θ = 9...15° на 1 м длины полуоси. Меньшее значение угла закручивания характеризует повышенную жесткость, большее значение — склонность к колебаниям и резонансным явлениям.

Полуразгруженная полуось разрушается в опасном сечении под подшипником. Здесь полуось должна быть утолщена. Разгруженная полуось разрушается в месте начала шлицев. Рекомендуется осадка конца полуоси под шлицевой конец для увеличения диаметра опасного сечения.