Разработка СТОА с участком диагностики и регулировки передней подвески

Преимущества  подвески "МакФерсон":

• колеса не связаны между собой;
• неподрессоренная масса низкая;
• очень хорошее соотношение пружины и колеса, а также амортизатора и колеса (близкое к 1);
• эластокинематика имеет хорошую недостаточную поворачиваемость.

Недостатки  подвески "МакФерсон":

Главный недостаток стоек МакФерсона - неверная кинематика. Колесо, двигаясь вверх, не остается перпендикулярным дороге, как, например, у двухрычажной. Однако этот недостаток не слишком сильно сказывается на хороших дорогах. Компактность и легкость конструкции для большинства нынешних моделей важнее. 

В современном мире, подвеска Макферсон  устанавливается на большинстве легковых автомобилей в качестве передней.

Рисунок 5.5. Подвеска Макферсон

1 – гайка  крепления верхней опоры стойки;  2 – болт;  3 – верхняя опора  стойки передней подвески;  4 –  подшипник верхней опоры стойки;  5 – верхняя изолирующая прокладка пружины;  6 – пружина передней подвески;  7 – защитный кожух;  8 – телескопическая стойка в сборе;  9, 10 – гайки крепления стойки к поворотному кулаку;  11 – болт с эксцентриком;  12 – болт;  13 – поворотный кулак;  14 – вал привода переднего колеса;  15 – штанга стабилизатора;  16 – рычаг;  17 – растяжка;  18 – шаровая опора;  19 – ступица;  20 – гайка крепления ступицы;  21 – тормозной диск;  22 – буфер хода сжатия передней подвески;  23 – верхняя чашка пружины;  24 – ограничитель хода сжатия верхней опоры стойки;  25 – ограничитель хода верхней опоры стойки

Основным  элементом подвески является гидравлическая телескопическая амортизаторная стойка 8, нижняя часть которой соединена с поворотным кулаком 13 двумя болтами 11 и 12. Верхний болт 11, проходящий через овальное отверстие кронштейна стойки, имеет эксцентриковые поясок и шайбу. При повороте верхнего болта изменяется развал переднего колеса.

На  телескопической стойке установлены  витая бочкообразная пружина 6, пенополиуретановый буфер 22 хода сжатия и верхняя опора 3 стойки в сборе с подшипником 4.

Верхняя опора крепится тремя самоконтрящимися гайками к стойке брызговика кузова. За счет своей эластичности опора обеспечивает качание стойки при ходах подвески и гасит высокочастотные вибрации. Вмонтированный в нее подшипник дает возможность стойке поворачиваться вместе с управляемыми колесами. В корпусе стойки смонтированы детали телескопического гидравлического амортизатора.

Нижняя часть поворотного кулака соединена шаровой опорой 18 с  нижним рычагом 16 подвески. Тормозные  и тяговые силы воспринимаются продольными  растяжками 17, которые через резинометаллические  шарниры соединены с нижними  рычагами и с передними опорами  поперечины передней подвески. В местах соединения растяжки с рычагом и передней опорой установлены регулировочные шайбы, которыми регулируют угол продольного наклона оси поворота.

 

3. Расчет подвески типа Макферсон

Рисунок 5.6. Расчетная схема подвески типа Макферсон

Расчет  пружины:

Исходные данные:

Средний диаметр пружины – D = 120 мм

Диаметр прутка – d_п = 14 мм

Данные  взяты для среднестатистического  автомобиля семейства AUDI.

Расчет  параметров:

Статический прогиб передней подвески – f = 20 см

Собственная низкая частота колебаний кузова, 1/с

              (5.1)

 

Число колебаний в минуту (техническая  частота):

           (5.2)

 

Величина  жесткости подвески – C_п = 35 кН/м

Величина  жесткости шин – C_ш = 300 кН/м

Неподрессоренная  масса одного колеса – G_к = 20 кг (196,2 Н)

Модуль  упругости при кручении – G = 8,5*10⁴ МПа

Передаточное  отношение подвески

Нормальная реакция на колесо:

 

M₁ – масса на переднюю ось (599,5 кг).

Нагрузка на упругий элемент:

                (5.3)

 

Индекс пружины:

 

Коэффициент, учитывающий кривизну витка:

 

Напряжение кручения пружины:

           (5.4)

 

[τ] = 600…700 МПа.

Расчет  показал, что пружина удовлетворяет  заданным требованиям

Геометрические  параметры пружины

Максимальное  перемещение подвески - S_п = 145 мм

Число рабочих витков пружины

          (5.5)

 

Прогиб пружины:

         (5.6)

 

 

Жесткость пружины:

 

Полное число витков:

Z_п = 10 + 1,5 = 11,5

Длина нагруженной пружины:

 

Шаг ненагруженной пружины:

 

Длина ненагруженной пружины

 

Расчет  амортизатора на теплонагруженность

Относительный коэффициент апериодичности – ψ₀ = 0,2

Частота свободных колебаний с  вязким трением:

 

Подрессоренная масса на одно колесо:

 

Рассчитываем жесткость:

      (5.7)

 

Рассчитываем коэффициент затухания амортизатора:

              (5.8)

 

Расчетная скорость поршня амортизатора – V_п = 0,2 м/с

Скорость  потока воздуха принимаем равной скорости движения автомобиля

V_в = 22,2 м/с

Основная расчетная формула:

           (5.9)

Определяем мощность:

 

Принимаю  наружный диаметр амортизатора D = 40 мм

Длина амортизатора в сжатом состоянии  l = 280 мм

Тогда, поверхность теплового рассеяния:

 

Коэффициент теплоотдачи стенок в  воздух:

       (5.10)

 

Изменение температуры стенок амортизатора:

 

Максимально допустимый нагрева амортизатора 100º  С. Следовательно, расчет показал, что амортизатор удовлетворяет заданным требованиям.

Ход штока – l_ш = 140 мм

Диаметр поршня – d_п = 36 мм

Диаметр штока – d_ш = 0,5 * d_п = 18 мм

Расчет  стабилизатора поперечной устойчивости

Стабилизатор поперечной устойчивости рассчитывается на кручение.

Принимаем диаметр стабилизатора равным d = 14 мм

Основная расчетная формула:

            (5.11)

где T_max – максимальный крутящий момент

          (5.12)

где l - расстояние от оси качения рычага подвески, к которому крепится стойка стабилизатора, до стойки стабилизатора l = 200 мм. Тогда:

 

Проверочный расчет

Выражаем из основной формулы τ:

 

[τ]_D = 950…1200 МПа.

Расчет  показывает, что стабилизатор удовлетворяет заданным требованиям.

Расчет  буфера

Материал  буфера – пенополиуретан.

Модуль  упругости для данного материала  равен E = 12 МПа.

Рассчитываем буфер на сжатие, основная расчетная формула:

                (5.13)

где Р_р – нагрузка на упругий элемент; E – модуль упругости; F – площадь сжатия; h – высота упругого элемента; f – величина сжатия.

Конструктивно принимаем следующие параметры:

• высота упругого элемента h = 70 мм;
• наружный диаметр упругого элемента D = 50 мм;
• внутренний диаметр упругого элемента d = 20 мм.

Далее рассчитываем площадь сжатия:

 

Выражаем из формулы (5.13) величину сжатия f:

,               (5.14)

 

Рассчитываем напряжение сжатия:

 

Допустимое  значение для полиуретана [σ_сж] = 4,5 МПа.

Данный  расчет справедлив при В нашем же случает

Исходя из расчета видно, что буфер удовлетворяет заданным требованиям.

 

4. Методы диагностирования подвески

В современных условиях многие СТОА являются автоматизированными и имеют огромное количество оборудования для диагностирования подвески. Но так же многие до сих пор используют дедовские методы диагностирования (раздел 5.5.). В данном разделе мной будут описаны методы диагностирования с помощью различных устройств.

Люфтомер

Это наиболее известное и распространенное устройство для диагностики подвески. Этот прибор способен охарактеризовать общее состояние узлов рулевой системы автомобиля и его подвески с помощью точных числовых значений.

Принцип действия люфтомера основан на определении в начальный момент поворота колеса угла, на который к этому времени успело повернуться рулевое колесо. Естественно, подавляющее большинство современных приборов — электронные. Механические приспособления, хотя и продолжают выпускаться в нашей стране, для нужд автосервиса практически не используются.

Электронный люфтомер состоит из двух связанных между собой частей. Основной элемент, включающий непосредственно измерительный блок, устанавливают на обод руля, одновременно на диск колеса крепят датчик поворота колеса. Механику для проведения испытания потребуется лишь поочередно провернуть руль в обе стороны, после чего результат измерения отразится на дисплее люфтомера. Импортные приборы предусматривают еще и распечатку результатов.

  Главное преимущество люфтомера как диагностического прибора в том, что он позволяет получить числовое значение суммарного люфта в узлах подвески и рулевого управления. При этом устройство обладает высокой степенью мобильности и универсальности: оно не требует никакой предварительной установки и монтажа; как правило, люфтомеры имеют автономный источник питания. Поэтому прибор может быть использован в любых условиях, в том числе и за пределами гаража. Один и тот же люфтомер может применяться для диагностики подвески разного типа автомобилей (ограничения накладывают лишь размеры рулевого колеса). Сам же замер занимает минимальное количество времени: при определенном навыке механику для того, чтобы продиагностировать состояние подвески, понадобится не более одной минуты. Недостаток же люфтомера заключается в том, что он не позволяет определить точное место поломки, поэтому для выявления причины неисправности потребуется дальнейшая диагностика.

  Говоря о работе с люфтомером, стоит отметить еще и такой момент: для оценки результатов лучше ориентироваться не на единый ГОСТ, принятый у нас в стране, а на рекомендации заводов — производителей автомобилей. Дело в том, что конструкция современных машин с реечной системой рулевого управления допускает разве что самые минимальные люфты, и требования ГОСТа по отношению к ним откровенно устарели. Даже находясь в аварийном состоянии, нынешние автомобили с запасом уложатся в официальный норматив.

  В случае же обнаружения неисправности  дальнейшую диагностику целесообразно  проводить на другом устройстве  — люфт-детекторе.

Люфт-детектор

В отличие от люфтомера это устройство требует предварительного монтажа. Оно устанавливается на краях осмотровой канавы или на полозьях платформенного подъемника и представляет собой одну или две подвижные пластины. В момент, когда автомобиль наезжает на них передней осью, специальный механизм заставляет пластины колебаться в горизонтальной плоскости. Их усилие передается на подвеску. И механик получает возможность визуально или на ощупь, аналогично тому, как это происходит при ручной диагностике, локализовать люфт. При этом применение люфт-детектора не только существенно упрощает и убыстряет работу, но также дает возможность выявлять те люфты, которые во время обычного осмотра не обнаружены. Более качественная диагностика возможна за счет того, что, во-первых, к узлам подвески прикладывается большее усилие, а во-вторых — благодаря диагностике под нагрузкой на стоящем на земле автомобиле удается обнаружить те дефекты, которые в вывешенном состоянии проявляться не будут.

Тестер  подвески

Тестер  подвески позволяет выявлять те неисправности, которые влияют на демпфирующие свойства подвески. К таким в первую очередь относятся поломки амортизаторов.

Имитация  работы подвески в дорожных условиях производится при помощи двух платформ, колеблющихся в вертикальной плоскости  с переменной частотой. Устройство прибора обеспечивает плавное изменение частоты в диапазоне от 0 до 24 Гц. Платформы соединены с датчиком, позволяющим измерить силу давления колеса на платформу в любой момент времени. Путем изменения частоты достигается резонансная частота колебаний подвески. Критериями измерения работоспособности подвески становятся минимальная вертикальная сила, измеренная при резонансной частоте (Fmin), а также нагрузка на платформы, измеренная в состоянии покоя — до начала колебаний (Fstat). На их основании высчитывается коэффициент сцепляемости с дорогой (А). Для расчетов применяется следующая формула:

А (%) = Fmin/Fstat x 100             (5.15)

Расчет производится автоматически, а результат отображается в % в диапазоне 0–100 %. Этот показатель позволяет сделать вывод о работоспособности подвески. В целом значения коэффициента от 80 до 100 свидетельствуют об исправности подвески, от 60 до 80 говорят о наличии незначительных неисправностей, от 40 до 60 — показывают необходимость срочного ремонта. Значения же ниже 40 свидетельствуют об аварийном состоянии автомобиля. На эти цифры можно ориентироваться при диагностике большей части серийных легковых машин. Исключения встречаются, но нечасто. Но все же перед тем, как ставить окончательный диагноз, имеет смысл удостовериться в правильности выводов, сверив результат с технической документацией к автомобилю. Последнее особенно важно при диагностике автомобилей с нестандартными типами подвески. Также важно помнить о том, что на результаты исследования влияет не только состояние амортизаторов. Определяющими факторами могут быть тип шин и давление воздуха в них, загрузка и распределение загрузки по автомобилю. На результат может повлиять также и износ пружин, особенно в том случае, если подвеска оборудована цилиндрическими (винтовыми) пружинами. Так что информация, полученная с помощью тестера подвески, должна быть дополнена дополнительной диагностикой.