Проверочный расчет на прочность резинометаллических шарниров


Введение

Сайлентблок представляет собой узел, состоящий из двух металлических втулок и упругой вставки (чаще всего резиновой) между ними. За счет этого элемента происходит гашение колебаний и дребезжаний в соединениях деталей. На сайлентблок приходится львиная доля ударных нагрузок, получаемых подвеской. Ему приходится сдерживать значительные деформации одновременно в различных плоскостях и направлениях. Он должен обеспечивать не только угловую, но и радиальную и осевую податливость. Эластомеры - это полимеры, обладающие в диапазоне эксплуатации высокими эластичными свойствами. Обычно в качестве эластомера в резинометаллических шарнирах используется полиуретан.

Резинометаллический шарнир

Рисунок 1. Резинометаллический шарнир

Автомобиль не может обойтись без сайлентблоков, это:

· Сайлентблоки рычагов передней подвески

· упругие узлы крепления амортизаторов

· элементы крепления реактивных тяг

· элементы крепления стабилизатора поперечной устойчивости

· опоры балок крепления двигателя и коробки передач

· сайлентблоки штанг задней подвески

На сайлентблоки рычагов и штанг подвески приходится больше всего нагрузок, поэтому они выходят из строя чаще. Сайлентблоки выдерживают до100-200 тысяч километров эксплуатации. Но на практике из-за экстремальных дорожных условий срок службы сильно сокращается. Сайлентблок, при своей малозаметности и простоте является важной деталью подвески автомобиля и играет не последнюю роль в ней.

Сайлентблок служит для соединения деталей подвески и гасит вибрации, передаваемые от одной детали к другой. Он состоит из 2 металлических втулок, между которыми находится резиновая вставка. В процессе движения сайлентблок постоянно подвергается сильным нагрузкам и деформации.

Сайлентблоки используются как в передней части автомобиля, так и в задней. Несвоевременная замена сайлентблоков приводит в преждевременному выходу из строя более важных и дорогих деталей и узлов автомобиля, разрушению посадочных мест. Кроме того при движении на скорости автомобиль будет постоянно уводить с траектории.

Состояние сайлентблоков можно контролировать самостоятельно. Сначала производится осмотр детали. Это позволяет убедится в ее целостности либо наличии на ней каких-либо дефектов. Наиболее часто дефекты появляются на резиновой втулке: ее вспучивает, она может треснуть, на ней может отслоиться резина. После визуального осмотра следует проверить люфт в сайлентблока.

Однако не все сайлентблоки владелец автомобиля способен заменить сам. Для замены деталей в узлах креплений коробок передач и двигателей необходимо обратиться к специалистам. Это объясняется тем, что операции эти трудоемки и требуют применения специального оборудования. Самостоятельность в их замене может стоить очень дорого.

автомобиль резинометаллический шарнир подвеска

1. Состав Сайлентблоков

Резинометаллические шарниры изготовлены из предварительно напряженного эластомера, что достигается с помощью пластической деформации (калибрования) внутренней втулки или обоймы после вулканизации. Поэтому, при радиальной нагрузке, в допустимых пределах, резина только незначительно работает на растяжение. Срок службы при этом, существенно увеличивается. Так как, за счет вулканизации, сцепление между резиной и металлом очень прочное, между ними при нагрузке не возникает скольжения. А вследствие небольшой предварительной деформации резины в обойме, посадка у них более надежная.

Резинометаллические шарниры не требуют технического обслуживания, так как вода и грязь практически не оказывают влияния на их свойства, и, в отличие от подшипника скольжения, они не нуждаются в смазке. Они обеспечивают шумоизоляцию благодаря эластомерному слою, и компенсируют допуски изготовления других конструкционных элементов. Типичным случаем применения сайлентблоков являются эластичные карданные шарниры на вибрирующих храповых механизмах или эластичные опоры для валов, осей и рулевого управления. При применении сайлентблоков для связи элементов конструкции с "почти замкнутой силовой системой" используют различную жесткость сайлентблоков в различных направлениях.

2. Исходные данные

В = 2,8 м. - база подвески; 1= 0,4 м. - длина нижнего рычага; 2= 0,24 м. - длина верхнего рычага; С = 44600 Н/м - жесткость подвески; m1 = 855 кг. - масса автомобиля приходящаяся на переднюю ось.

3. Материалы

Втулки сайлентблоков изготавливаются из стали марки 7-НО-68-1 ГОСТ 252-53. Контактирующие с резиной поверхности металла должны обладать высокой чистотой поверхности. Марка резины 7-6-163 ГОСТ 25105-82. Для улучшения сцепления между резиной и металлом и создания в резине предварительного натяжения шарнир вулканизируют в пресс-форме.

Стойку отливают из чугуна марки СЧ12.

4. Конструкция и характеристика резинометаллического шарнира

Развитием конструкции резинометаллических втулок являются резинометаллические шарниры. Цилиндрические шарниры представляют собой подшипниковый узел (рисунок 1), наружная и внутренняя посадочные поверхности, которого образованы металлическими втулками; между втулками плотно запрессован резиновый цилиндр. Между резиной и металлом создается давление около 30 кг/смІ, что при коэффициенте сцепления 0,7 обеспечивает передачу напряжений сдвига до 20 кг/смІ. Внутреннюю обойму можно повернуть по отношению к наружной на угол до 40° без нарушения сцепления. Шарниры этого типа обладают большой радиальной и осевой жесткостью и допускают лишь незначительные углы перекоса.

Резинометаллический цилиндрический шарнир

Рисунок 2 - Резинометаллический цилиндрический шарнир.

Опыт изготовления таких шарниров показал, что контактирующие с резиной поверхности металла должны обладать высокой чистотой поверхности; шероховатые и рифленые поверхности оказываются менее пригодными. Иногда для улучшения сцепления между резиной и металлом и создания в резине предварительного напряжения шарнир вулканизируют в пресс-форме.

5. Определение статической нагрузки на одно колесо подвески

Определим нагрузку на переднюю ось:

G1= m1•g [Н] (1), G1= 855•9,81 = 8387,55 [Н]

Нагрузка, приходящаяся на одно колесо, будет определяться по формуле:

G = G1/2 [Н] (2), G = 8387,55/2 = 4193,77 [Н] (3)

6. Влияние резинометаллических шарниров на жесткость рычажной подвески

В общем случае подвеска может иметь резинометаллические шарниры во всех

Схема подвески с резинометаллическими шарнирами

Рисунок 3 - Схема подвески с резинометаллическими шарнирами

Жесткость резинометаллических шарниров, отнесенная к колесу автомобиля, может быть определена из следующих соображений. Если обозначить через Тк ту часть полной вертикальной силы на колесе, которая расходуется на деформацию резиновых шарниров, то при перемещении колеса в вертикальном положении на величину dsк, баланс работы может быть выражен уравнением:

Tк•dsк = Ма•dца + Мb•dцb + Мd•dцd + Мe•dцe (4)

Дифференцируя уравнение (4), получим уравнение жест к ости подвески:

=?+?+?+?+? (5)

где

Ma, Мb, Мd, Мe - скручивающие моменты, действующие соответственно на шарниры А, В, D, Е; ца, цb, цd, цe - углы закручивания резиновых шарниров, расположенных соответственно в точках А, В, D и Е. Жесткость резинового шарнира (при закручивании) может быть определена из уравнения:

?G?b? [Н•м] (6)

где G - модуль упругости резины второго рода;

G = 35·10і - Н/мІ при твердости резины (по Шору) 30 - 60;

bz - длина резиновой втулки;

Dн и Dвн - соответственно наружный и внутренний диаметры резиновой втулки.

Определим жесткость шарниров A и D:

?G?b? [Н•м] (7)

Так как размеры резинометаллических шарниров одинаковы можно сделать вывод: Н·м? [Н·м] (8) Величину для любого шарнира подвески целесообразнее всего определять из выражения:

·= [Н·м] (9)

где Pхш - сила, создающая момент, скручивающий шарнир;

- плечо приложения силы Рхш (Рис.2). Расчетные формулы для определения величины для вариантов.

Отношение сил определяется построением соответствующих силовых треугольников. Для определения силы Ра откладываем в определенном масштабе вертикально расположенную силу Тк. Через ее верхний и нижний концы проводим линии, соответственно параллельные силе Ра и реакции Qн, действующей вдоль нижнего рычага.

Силовой треугольник для определения силы Pa

Рисунок 4 - Силовой треугольник для определения силы Pa

Из силового треугольника видно:

=0,61

Так как = G = 4193,77 Н., то сила скручивающая шарнир А будет вычисляться по формуле:

= G/0,61 [Н] (10), = 4193,77/0,61= 6875 [Н]

Для определения силы Рd строим аналогичный силовой треугольник. Через верхний и нижний концы силы Тк проводим соответственно линии, параллельные оси верхнего рычага и силе Рd, которая, проходя через шарнир Е на плече ld создает момент, скручивающий резинометаллический шарнир D.

Силовой треугольник для определения силы Рd

Рисунок 5 - Силовой треугольник для определения силы Рd.

Из силового треугольника видно:

=0,39

Сила, скручивающая шарнир D будет вычисляться по формуле:

Рd= G/0,39 [H] (11)

Рd= 4193,77/0,39= 10753,3 [Н].

Геометрическими вычислениями находим, что плечо la=0, 203 м., а плечо ld= 0,257 м.

Подставляя полученные значения в формулу (6) найдем деформацию шарниров А и D:

= []

= []

Величина момента Мш, скручивающего резино-металлический шарнир, для любого положения колеса может быть подсчитана по формуле:

=- (12)

где - угловая деформация резинового шарнира, измеряемая от его нейтрального положения.

Величина для шарниров А и D может быть определена по изменению угла между осями вертикальной стойки и соответствующего рычага. Нейтральное положение зависит от того, в каком положении подвески были зажаты или установлены втулки резино-металлического шарнира. Поэтому в дальнейших расчетах следует учитывать, что упругий момент шарнира может иметь и положительное и отрицательное значения, в зависимости от того, в какой области относительно нейтрального положения происходит деформация шарнира. Если при перемещении колеса вверх относительно кузова автомобиля момент, скручивающий шарнир, возрастает, то он будет иметь положительное значение; если убывает, - то отрицательное. Знаки моментов следует учитывать при подстановке в формулу (4).

Определим угловую деформацию шарниров А и D в статическом режиме:

=/=1,76

=/=/=2763,59/795=3,48

Определим величины:

:

Жесткость подвески после установки резино-металлических шарниров будет находиться из следующего выражения:

С== [] (13)

Из данного анализа можно сделать вывод, что жесткость подвески увеличилась в 1,2 раза.

7. Проверочный расчет сайлент-блоков на прочность

(14)

где Т-момент, скручивающий сайлентблок;

Заключение

При сильном износе сайлентблоков может появиться увод автомобиля на скорости. Т.е. автомобиль будет как бы швырять из стороны в сторону. Еще один неприятный признак износа резинометаллических шарниров - это неравномерный износ покрышек. Вообще-то, неравномерный износ шин говорит о неправильном сходе-развале, что в свою очередь может намекать на неисправность подвески автомобиля. Также следует помнить, что после замены сайлентблоков на новые следует восстановить углы схождения и развала колес. К слову, данную операцию следует делать при любом вмешательстве и ремонте подвески автомобиля. Сайлентблоки получили самое широкое применение в автомобильной промышленности. Они встречаются как в передней подвеске автомобиля, для крепления рычагов, стабилизатора поперечной устойчивости, реактивных тяг, так и для крепления штанги в задней подвески. Также резинометаллические шарниры применяют для крепления амортизаторов, коробки передач, двигателя. За всеми этими резинометаллическими шарнирами нужен постоянный и своевременный контроль.

Список используемых источников

1. Успенский И.Н. Мельников А.А. Проектирование подвески автомобиля М., 1976

2. Гаспарянц Г. А Конструкция, основные теории и расчеты автомобиля М., 1978

3. Ротенберг Р. Подвеска автомобилей, М., 1980

11. Список информационных источников

1. http://www.bibliofond.ru/view. aspx? id=477967

2. ru. wikipedia.org/wiki/%D7%CC%DD3