Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ эксплуатационной надежности ходовой части автомобилей. Задачи исследования 11
1.1. Анализ стратегий обеспечения работоспособности систем и агрегатов автомобилей 11
1.2. Существующие проблемы повышения надежности и долговечности подшипников скольжения 16
1.3. Проблемы восстановления работоспособности подшипниковых узлов
1.3.1. Отказы автомобильных подшипников скольжения 19
1.3.2. Две идеи о движении без трения профессора Жуковского 20
1.3.3. Применение в узлах автомобилей идей профессора Жуковского 24
1.4. Анализ трибосопряжений в амортизаторах автомобилей и гидроцилиндрах 29
1.5. Уплотнительные кольца гидроцилиндров 40
1.6. Выводы по главе 1 41
Глава 2. Теоретическое обоснование возможности восстановления элементов подвески инновационным ремонтным комплектом 43
2.1. Совершенствование ремонтного комплекта подшипника скольжения для сайлентблока амортизатора 43
2.2 Определение элементов гладкого цилиндрического соединения пружинного вкладыша на валу и отверстии 47
2.2.1. Принцип действия подшипника скольжения с пружинным вкладышем для сайлентблока амортизатора 51
2.3. Геометрические параметры пружинного вкладыша
2.3.1. Упругие деформации и перемещения винтовых цилиндрических пружин 56
2.4. Математическая модель расчета конического пружинного вкладыша 59
2.5 Выводы по главе 2 67
Глава 3. Методика проведения экспериментальных исследований 68
3.1. Общая структура экспериментальных исследований 68
3.2. Объект и условия экспериментальных исследований 69
3.3. Характеристика используемого оборудования для проведения экспериментальных исследований 72
3.4. Методика проведения экспериментальных исследований 77
3.5. Выводы по главе 3 82
Глава 4. Результаты экспериментальных исследований работоспособности амортизаторов с инновационными поршневыми уплотнениями и сайлентблоками 84
4.1. Обработка и анализ результатов экспериментальных исследований режимов работы амортизатора 84
4.2. Результаты экспериментальных исследований амортизаторов с инновационным поршневым уплотнением 86
4.3. Снятие сравнительных характеристик амортизаторов на стенде СИА-04 «ЭНГА» и оценка результатов 92
4.4. Анализ полученных результатов по инновационному поршневому сопряжению 95
4.5. Совершенствование сайлентблока амортизатора применением
подшипника скольжения с пружинным вкладышем 96
4.6. Эксплуатационные испытания амортизаторов с инновационными ремонтными комплектами 101
4.7. Выводы по главе 4 103
Глава 5. Практические рекомендации и эффективность использования полученных результатов 105
5.1. Анализ узлов и агрегатов, где может быть применен инновационный подшипник скольжения с коническим пружинным вкладышем 105
5.2. Практическое применение инновационных ремонтных Комплектов 108
5.3. Технология восстановления амортизаторов подвески автомобиля применением инновационных ремонтных комплектов 115
5.4. Расчет экономического эффекта от внедрения амортизатора с инновационным ремонтным комплектом 118
5.5. Выводы по главе 5 120
Заключение 121
Библиографический список
- Отказы автомобильных подшипников скольжения
- Упругие деформации и перемещения винтовых цилиндрических пружин
- Характеристика используемого оборудования для проведения экспериментальных исследований
- Результаты экспериментальных исследований амортизаторов с инновационным поршневым уплотнением
Введение к работе
Актуальность темы. В задачи, закрепленные в стратегии автомобильной промышленности Российской федерации на период до 2020 года, входят работы по формированию базы инновационного развития автотранспортных средств. Рост численности подвижного состава автомобильного транспорта выдвигает новые задачи по обеспечению его эксплуатационной надежности и безопасности, которая в значительной мере определяется техническим состоянием узлов и механизмов ходовой части.
Анализ надежности ходовой части автомобилей показал, что её элементы не обладают одинаковой долговечностью в пределах эксплуатационного периода: одни из них служат весь жизненный цикл, другие значительную часть его, а третьи имеют частую сменяемость. К третьей группе относятся невосстанавливаемые элементы, в частности, сайлентблоки и амортизаторы. Характерная причина их отказа - износ и усталостные разрушения сайлентблока и поршневого уплотнения амортизатора. Повышение долговечности, равноизносостойкости узлов подвески в условиях эксплуатации можно достичь совершенствованием технологии восстановления их работоспособности путём замены изношенных элементов инновационными ремонтными комплектами, основанными на новых принципах и эффектах работы трибосопряжений. Такой подход к ремонтно-восстановительным операциям относится к функциональному тюнингу автомобилей.
Таким образом, данное исследование, направленное на разработку и внедрение в технологический процесс ремонта подвески инновационных ремонтных комплектов сайлентблоков и поршневых уплотнений амортизаторов, позволяющих повысить долговечность и равноизносостойкости элементов подвески автомобиля, а также снизить материальные и трудовые затраты на поддержание её работоспособности в процессе эксплуатации, следуетсчитать актуальным.
Исследования выполнены в соответствии с программой
госбюджетных НИР 12В.01.Н6(г/б)01 и 13В.01.Н3(г/б)02 Саратовского
государственного технического университета имени Гагарина Ю.А. и
отвечают паспорту специальности 05.22.10 – Эксплуатация
автомобильного транспорта в областях исследований 9 и 16.
Степень разработанности темы исследования. Исследования в области повышения надёжности и снижения затрат на поддержание работоспособности элементов подвески в процессе эксплуатации автомобилей ведутся в научных и образовательных учреждениях таких как МАДИ, НГАУ, ПГУАС, СПбГАУ, ВолгГТУ, и др., а также в ряде зарубежных стран. Однако исследований в области повышения эффективности работы трибосопряжений амортизаторов путём использования в них подшипников скольжения с пружинным вкладышем автору не известны.
Цель работы - снижение затрат на обслуживание и обеспечение работоспособности подвески автомобилей путём замены сайлентблоков и поршневых сопряжений амортизаторов на инновационные ремонтные комплекты, использующие новые принципы работы трибосопряжений.
Задачи исследования:
-выполнить анализ существующих методов повышения долговечности (сайлентблока и поршневого сопряжения амортизатора), а также других узлов подвески автомобиля;
- теоретически обосновать возможность восстановления работоспо
собности сайлентблока и поршневых сопряжений амортизаторов заменой
изношенных деталей инновационным ремонтным комплектом, соответ
ственно, с коническим и цилиндрическим пружинными вкладышами и
разработать математическую модель;
- выполнить экспериментальные исследования эксплуатационных
характеристик (скоростных, рабочих и ресурсных) амортизатора с иннова
ционными поршневым пружинным цилиндрическим сопряжением и кони
ческим пружинным вкладышем сайлентблока;
обосновать преимущества инновационного ремонтного комплекта и разработать технологию восстановления сайлентблоков и поршневых сопряжений амортизаторов в условиях сервисных предприятий;
оценить технико-экономическую эффективность результатов внедрения инновационных ремонтных комплектов при восстановлении работоспособности подвески автомобиля.
Научная новизна.
теоретическое обоснование возможности восстановления элементов подвески инновационным ремонтным комплектом и математическая модель пружинного вкладыша подшипника скольжения сайлентблока амортизатора;
принцип восстановления работоспособности амортизатора применением ремонтного комплекта, содержащего инновационное поршневое сопряжение;
новые методы восстановления элементов подвески автомобиля с помощью инновационных ремонтных комплектов;
технология восстановления сайлентблоков и поршневых сопряжений амортизаторов инновационным ремонтным комплектом.
Теоретическая значимость работы заключается в обосновании возможности восстановления элементов подвески автомобиля инновационным ремонтным комплектом с развитием теоретических положений и математической модели, отражающих характеристику пружинного вкладыша подшипника сайлентблока.
Практическая значимость:
- разработан ремонтный комплект, в котором применены инновацион
ные поршневое сопряжение и сайлентблок амортизатора, позволяющие
восстановить его работоспособность и повысить эксплуатационную долговечность;
получен патент на изобретение «Подшипник скольжения для возвратно-вращательного движения» № 2499920 от 03.07.12);
получено 1,5…2 кратное превышение ресурса при испытаниях амортизаторов автомобилей с использованием инновационного ремонтного комплекта, включающего усовершенствованный сайлентблок с подшипником скольжения и поршневое сопряжение, рекомендованного СГТУ имени Гагарина Ю.А. Результаты исследований могут быть использованы в другой предметной области - оборудовании для добычи нефти, газа и горных пород, для шарнирных соединений и опор скольжения, работающих в возвратно-вращательном и поступательном режиме;
опытный образец амортизатора с инновационным ремонтным комплектом прошёл апробацию в условиях ООО «Инженерно-технического центра «ТЕСТ» г. Энгельс, а также испытания в реальных дорожных условиях в ТОО «Технопарк «Алгоритм» г. Уральск Республика Казахстан;
положения и результаты внедрены в научную и проектную деятельность и учебный процесс СГТУ им. Ю.А. Гагарина по дисциплине «Основы технологий производства и ремонта транспортных и транспортных технологических машин и оборудовании» и ЗКАТУ им. Жангир хана по дисциплине «Технология машиностроения».
Акты внедрения получены в г. Уральск Республика Казахстан в ТОО «УралТехСервис» и «НИИ инжиниринга и ресурсосбережения».
Методология и методы исследования. Теоретические исследования возможности восстановления элементов подвески инновационным ремонтным комплектом и математическая модель характеристики подшипника скольжения сайлентблока осуществлялись с использованием методов теории вероятностей и математической статистики, методов моделирования на ЭВМ. Экспериментальные исследования стоек амортизаторов с инновационными поршневыми сопряжениями проводились с применением методов математической статистики и планирования эксперимента. Испытания проводились методом гармонических колебаний и построением рабочей диаграммы испытываемых телескопических стоек амортизатора на «усилие-перемещение» или скоростной характеристики - «усилие-скорость». В качестве средств исследования телескопических стоек амортизатора использовались современное оборудование - стенд СИА-04 «ЭНГА» и стенд самостоятельного изготовления.
Положения, выносимые на защиту:
математическая модель, отражающая характеристику пружинного вкладыша подшипника скольжения сайлентблока амортизатора применяемого в инновационном ремонтном комплекте;
усовершенствованная технология восстановления работоспособности амортизатора применением ремонтного комплекта, содержащего инновационные поршневое сопряжение, а также подшипник скольжения с ко-
ническим пружинным вкладышем для сайлентблока(патент № 2499920 от 03.07.12);
результаты экспериментальных исследований инновационного ремонтного комплекта амортизатора (сайлентблока и поршневого сопряжения) с применением новых методов восстановления их работоспособности и преимущества инновационного ремонтного комплекта;
технико-экономическое обоснование производственного применения результатов выполненных исследований.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается опытно-производственными исследованиями, выполненными с применением научно обоснованных средств измерений и обработки экспериментальных данных, а также соответствием результатов исследований современному уровню.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на научно-технических конференциях различного уровня: ежегодных конференциях кафедры «Автомобили и автомобильное хозяйство» СГТУ: «Технологические и организационные проблемы сервиса машин и пути их решения» (Саратов, СГТУ, 2010); VIII-ой Международной научно-практической конференции «Технические науки» (Польша, 2012); VIII-ой Международной научно-практической конференции«Технические науки» (Прага, 2012); II-ой Всероссийской научно-практической конференции «Развитие транспорта в регионах России: проблемы и перспективы» (Киров, 2012); I Международной научной конференции «Прикладные науки в Европе: тенденции современного развития» (Штутгарт, Германия, 2013); международная научно-практическая конференция Автомеханического факультета (Саратов, СГТУ, 2014); VII Международная научно-практическая конференция «Инновации в технологиях и образовании» (Белово, 2014); региональная научно-практическая конференция «Молодые ученые - науке и производству» (Энгельс, 2014).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 13 работ, в том числе 4 статьи в изданиях, включенных в перечень ВАК РФ, 1 патента.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложения. Основная часть работы изложена на 156 страниц текста, 6 таблиц и 85 рисунков. Библиографический список включает 103 наименований.
Отказы автомобильных подшипников скольжения
На долю телескопических стоек и задних амортизаторов приходится 25,8% и 17,2% отказов (табл.1.1). Причиной отказа стойки или амортизатора является стук в передней (задней) подвеске, проявляющийся как шум при езде по неровным дорогам, вызванный утечкой жидкости из резервуара. Течь стойки (амортизатора), прежде всего, обусловлена износом (разрушением) сальника штока и износом хромового покрытия штока, а также попаданием на уплотни-тельные кромки сальника посторонних частиц, усадкой или повреждением уплотнительного кольца резервуара. Нарушение работоспособности телескопической стойки и амортизатора также может быть вызвано недостаточным сопротивлением при ходе отдачи (сжатия) вследствие негерметичности клапана отдачи (сжатия) или перепускного (впускного) клапана, а также недостаточным уплотнением поршневого сопряжения в результате повреждения деталей. При этом возможно отсутствие затухания колебаний кузова, вызванных неровностями дороги и неэффективная работа подвески в целом. Для задних амортизаторов характерен дефект «обрыв проушины», на который приходится 10-15%. [53]. Кроме того, возможен разрыв сайлентблока заднего амортизатора в результате возникновения напряжений в резине сайлентблока, возникающих при изменении нагрузки на автомобиль, а также в результате разнонаправленных усилий, возникающих на неровностях дороги. Техническое состояние стоек (амортизаторов) оценивается субъективно или на стендах [10, 15, 16, 17, 18, 19, 20], причём проверка амортизаторов может осуществляться как со снятием их с автомобиля, так и непосредственно на автомобиле (без снятия амортизаторов). В последнем случае перед их диагностированием необходимо убедиться в исправности пружины подвесок, резиновых втулок и резинометаллических шарниров, состояние которых может существенно повлиять на достоверность характеристик амортизаторов. Верхняя опора телескопической стойки снабжена резиновым демпфирующим элементом и упорным подшипником для возможности поворота передних колёс. Потеря упругости резинового демпфера и (или) износ подшипника верхней опоры телескопической стойки (5,9% отказов) также приводит к появлению стука в передней подвеске. Как правило, подшипник верхней опоры изнашивается неравномерно – «выработка», а также вмятины от шариков на дорожках качения присутствует на тех участках, на которых они постоянно находятся при движении автомобиля. Поэтому, если при прямолинейном движении имеет место стук, который пропадает при повороте автомобиля, есть основание подозревать в неисправности подшипник верхней опоры телескопической стойки.
Основной причиной выхода из строя шарового шарнира (21,6% отказов) является изнашивание его рабочей поверхности. Допустимое значение осевого и радиального зазора в шаровой опоре составляет 0,7 мм [1, 8]. Износ рабочих поверхностей шарового шарнира можно определить по расстоянию между нижним рычагом и тормозным диском, которое при приложении нагрузки не должно изменяться более чем на 0,8 мм [1, 8]. Изношенный шарнир вызывает резкий стук при наезде на небольшие препятствия. Как показали проведённые исследования, значительная доля отказов шарнира (60-65%) обусловлены нарушением герметичности защитных чехлов, вызванные их усталостным разрушением, отслоением резины от металлической основы и механическим повреждением. Часто причиной появления стука в шаровой опоре является наличие следов грубой эксплуатации, например, «втыка», т.е. следов касания шарового пальца о корпус опоры.
Периодический стук в передней или задней подвесках движущегося автомобиля может означать износ втулок амортизаторов или стоек стабилизатора поперечной устойчивости, изнашивание в шарнирных соединениях, а также ослабление крепежных соединений.
Отклонение (увод) автомобиля при скоростях 50-90 км/ч в сторону свидетельствует о неправильной установке углов передних колёс или дисбалансе ко 15 леса. Как правило, автомобиль уводит в сторону большего «развала» колёс, либо в сторону колеса, имеющего меньший продольный угол наклона оси поворота. Внешними проявлениями неправильной установки колёс являются неравномерный износ протектора шин, их «визг» на крутых поворотах, а также увеличение усилия, прикладываемого к рулевому колесу при повороте. Результаты исследований [53] надёжности автомобилей ВАЗ показывают, что неисправности подвесок, колёс и шин, а также нарушение углов установки передних колёс приводят к повышению эксплуатационных расходов на топливо и шины на 20-30% [10, 146-148].
По статистике сервисных станций, ресурс штатных амортизаторов в зависимости от условий эксплуатации автомобиля и манеры вождения его владельца составляет не более 70 тыс. км (рис. 1.1). В автомобиле различные группы деталей и узлов не равнонадёжные, одни из них ходят весь эксплуатационный ремонтный цикл, другие часть его, а третьи работают совсем мало времени по сравнению со сроком службы всего автомобиля. Перед заводами ставятся задачи увеличения равнонадёжности деталей и узлов автомобилей. В эксплуатационный период возникают потребности различного рода услуг, в том числе в тюнингах: внешний тюнинг, внутренний (интерьер) тюнинг, чип-тюнинг, мотор-тюнинг [51]. Функциональный тюнинг предназначен для того, чтобы приблизить равнонадёжность различных деталей и узлов, которую конструкторы не обеспечили на стадии проектирования, например, у турбокомпрессоров, карданных шарниров, амортизаторов и т. д. Функциональный тюнинг предполагает также применение усовершенствованных узлов автомобилей, для восстановления их работоспособности, а зачастую и повышения их эксплуатационной долговечности применением инновационных ремонтных комплектов.
В особо сложных случаях, например, при эксплуатации полноприводного автомобиля ВАЗ в карданном шарнире, работающем в колебательном режиме, с малыми амплитудами и большими нормальными нагрузками на рабочих поверхностях чашки и шипа крестовины образуются вмятины от игл, называемые «ложным бринеллированием», и дальнейшая эксплуатация становится невозможной и опасной. Проблема надежности и износостойкости подшипников для возвратно-вращательного (колебательного) режима не решается [52].
Упругие деформации и перемещения винтовых цилиндрических пружин
В сайлентблоке амортизатора резиновая втулка работает на скручивание, в результате чего происходит ее разрыв. Усовершенствованный сайлентблок, содержащий подшипник скольжения для возвратно-вращательного движения с пружинным вкладышем, лишен этого недостатка. Предложен подшипник скольжения для возвратно-вращательного движения, в котором выполняются трибологические принципы - условия активации рабочей поверхности пластической деформацией и подавление окислительных процессов [29, 30, 31, 32, 59]. С этой целью подшипник снабжен подвижным вкладышем в виде винтовой цилиндрической пружины (промежуточным элементом), который в колебательном режиме принудительно поворачивается только в одну сторону и таким образом достигается равномерность износа и распределение смазки. Натяг пружины, необходимый для достижения микропластических деформаций, создается ее поджатием. В колебательном режиме за счет закручивания или раскручивания пружинного вкладыша возникает упругое натяжение соответственно на внутренней или наружной поверхности, и он принудительно поворачивается в одном направлении (эффект храповика). Подавление окислительных процессов в предложенной конструкции легко достигается сальниковым уплотнением. Положительный эффект получается также за счет снижения адгезионной составляющей трения (трения покоя) и частичной реализации идей Н.Е. Жуковского «о движении без трения» (вращением промежуточной опоры) без использования для этого внешнего источника энергии. Подшипник (рис. 2.1) может быть использован взамен игольчатых подшипников карданного вала, сайлентблоков подвески, шарнирах рулевого управления и других шарнирных узлах, работающих в возвратно-вращательном режиме.
В разработанном группой авторов устройстве, (рис. 2.1), задача повышения эксплуатационных характеристик достигается введением в подшипник упругого промежуточного элемента - подвижного вкладыша в виде винтовой цилиндрической пружины, регулированием усилия сжатия которого Рк, на рабочих поверхностях создается уплотнение, необходимое для ограничения окислительных процессов и возникновения активации поверхности микропластической деформацией.
Стабилизация режима и равномерность износа достигается тем, что при возвратно-вращательном движении вала или наружного кольца за счет закручивания или раскручивания при этом пружинного вкладыша возникает торможение соответственно на внутренней или наружной поверхностях, и пружинный вкладыш (благодаря возникающему при этом «эффекту храповика») принудительно поворачивается только в одном направлении, зависящем от направления навивки пружины. Кроме того, постоянно в процессе работы меняется линия контакта на рабочих поверхностях, что также ведет к снижению их износа.
Для подрегулировки уплотнения, например, с целью компенсации износа при ремонте, между одной из опорных шайб и торцом пружинного вкладыша при необходимости могут быть установлены регулировочные шайбы. Для возбуждения и поддержания режима безызносности могут быть использованы (при выполнении отмеченных выше условий) различные методы, описанные в специальной литературе: введение в смазку металлоплакирующих присадок, специальная обработка методами ФАБО, применение материалов, содержащих металлоплакирующие компоненты и др [70, 71, 73, 74, 75, 76].
На данный подшипник получен патент №2162552 (Приложение 2), а также данная разработка награждена золотой медалью IV Московского международного салона инноваций и инвестиций, состоявшегося на ВВЦ 25-28 февраля 2004г. (Приложение 3).
В предлагаемом шарнирном подшипнике [72, 77, 82, 83, 92, 93, 100, 101] активация рабочих поверхностей пластической деформацией выполняется за счет установки упругого пружинного вкладыша между наружной и внутренней втулками таким образом, чтобы на рабочих поверхностях вкладыша был бы незначительный натяг (рис. 2.2А). Причем, в процессе работы подшипника (при повороте в одну сторону) на одной из рабочих поверхностей натяг увеличивается, а на другой уменьшается до образования зазора и проскальзывания (рис. 2.2Б). При повороте в другую сторону (рис. 2.2В) на той из поверхностей, где был зазор - возникнет натяг и наоборот. Подавление (ограничение) окислительных процессов на рабочих поверхностях подшипников должно быть обеспечено конструктивно, т.е. устанавливаются сальниковые уплотнения, устраняющие доступ кислорода и других окислителей к рабочим поверхностям или технологически - введением ингибиторов в смазку [57,58].
Характеристика используемого оборудования для проведения экспериментальных исследований
Задаваясь последовательными значениями угла подъема можно подсчитать силу Р и соответствующее ей осевое перемещение концов пружины и построить нелинейную характеристику в координатах , Р, (рис. 2.11) [52].
Получив значение D, можно рассчитать величину натяга, образующегося при сдавливании пружины усилием Р, сопровождающееся изменением длины пружины Н. Так, необходимо в сопряжении внутренней рабочей поверхности наружного кольца и внешней поверхности пружинного вкладыша обеспечить нулевой натяг-зазор, а в сопряжении наружная поверхность внутреннего кольца – внутренняя поверхность вкладыша обеспечить натяг, величина которого при сдавливании вкладыша в процессе сборки уменьшится наполовину.
На рабочей поверхности наружного кольца и наружной поверхности вкладыша после сборки также образуется натяг (рис. 2.2А). Процесс изготовления деталей подшипника упрощается, а требуемые посадки рабочих поверхностей получаются в процессе сборки. Упрощается и сам процесс сборки.
Расчетная и экспериментальная характеристики пружинного вкладыша [52] Выполнение пружинного вкладыша конической формы более технологично, чем выполнение конических поверхностей у вала и кольца. Угол конуса от 1 до 5о необходим для создания предварительного натяга на половинах поверхностей вала и кольца, так как узкая часть конического вкладыша обхватывает с натягом вал, а широкая часть обеспечивает натяг по внутренней поверхности кольца. Причем, чем больше угол, тем больше натяг. Делать угол пружины более 5о нецелесообразно, т.к. он слишком велик, что негативно повлияет на собираемость подшипника, а делать угол менее 1о также нецелесообразно, поскольку натяг будет недостаточным для нормальной работы подшипника [52, 54, 67].
Поскольку теоретический расчет цилиндрического пружинного вкладыша справедлив и теоретическая характеристика пружинного вкладыша достаточно хорошо коррелирует с экспериментальной при малых значениях l, а при больших l появляются расхождения, то применение в подшипнике конического пружинного вкладыша приводит к необходимости корректировки расчетных формул.
При расчете конического пружинного конического вкладыша принимаем, что пружина изготавливается из пружинной проволоки 65Г квадратного сечения со стороной квадрата 1,4 мм, такая проволока выбрана потому, что она наиболее подходит для изготовления пружинного вкладыша сайлентблока заднего амортизатора автомобиля семейства ВАЗ который является объектом исследовании (рис 2.12). Рисунок 2.12. Инновационный сайлентблок амортизатора с пружинным вкладышем
При расчете конического пружинного вкладыша (рис. 2.12 и 2.13) из обоснованного материала изготовления - пружинной проволоки 65Г квадратного сечения со стороной 1,4 мм – приняты следующие допущения: - абсолютная линейная деформация пружины fx равна 1 мм из-за незначительности деформации пружинный вкладыша в сайлентблоке; - длина пружины в нагруженном состоянии Hx приравнена к H0, так как пружина не нагружена; - угол подъема витков пружинного вкладыша в ненагруженном (свободном) состоянии принят =1,83 - начальный угол подъема оси винтового бруса ненагруженной пружины =0; Поскольку пружинный вкладыш можно представить как жесткий брус, то жесткость бруса при изгибе можно вычислить по формуле
Возвратная сила при нагружении конической пружины с постоянным шагом до высоты Нх (2.28) где fx=H0-Hx ; x=1,2,3; r1 ,r2 – наименьший и наибольший номинальный средний радиус рабочей части витков конической пружины. Осадка под действием силы P конической пружины
Важное значение в расчете, влияющее на долговечность конического подшипника, имеет величина увеличения диаметра AD (радиуса [/]) пружин-ного кольца, которая в окончательном виде равна Определение параметров, необходимых для расчета посадок в подшипнике с коническим пружинным вкладышем для сайлентблока амортизатора представлено [66] в таблице 2.2. (Приложение 6).
Результаты экспериментальных исследований амортизаторов с инновационным поршневым уплотнением
Примеры выполнения некоторых узлов агрегатов автомобилей с использованием инновационного ремонтного комплекта приведены ниже.
Передняя подвеска большинства моделей ГАЗ и Газель – независимая, рычажного типа, на витых цилиндрических пружинах, работающих совместно с двумя телескопическими амортизаторами и стабилизатором поперечной устойчивости. Смонтирована она на отъемной поперечине и представляет собой самостоятельный узел. Для облегчения управления автомобилем шкворень поворотного кулака установлен на двух игольчатых подшипниках, защищенных от попадания грязи резиновыми кольцами, а осевое усилие воспринимается упорным шариковым подшипником, закрытым специальным уплотнителем [46, 47] (рис. 5.1.) При эксплуатации автомобиля шкворень, работающий в колебательном режиме, изнашивается с одной стороны в результате вдавливания иголок, появляется аномальный люфт и нарушается устойчивость в управлении [47]. По инструкции этот люфт можно устранить поворотом шкворня на 90 и тем самым нагрузить ранее не работавшие поверхности. Для этого на шкворне имеется вторая полукруглая лыска. Эти меры несколько повышают общий ресурс шкворневой подвески, но не устраняют принципиального недостатка игольчатого подшипника.
Игольчатые подшипники не вращаются, а лишь колеблются с небольшими амплитудами (в пределах контактной зоны) и фактически выполняют функцию муфты сцепления между валами с переменной несоосностью. Под действием возникающих при передаче через них крутящих моментов, высоких контактных напряжений, на рабочих поверхностях подшипников образуются вмятины, называемые «ложным бринеллированием», и происходит заклинивание наиболее нагруженного подшипника. В стандартном игольчатом подшипнике внутреннее кольцо отсутствует, дорожкой качения для игл служит поверхность шкворня.
На рисунке 5.2 представлена фотография части шкворня, по которой работали иголки подшипника, с явно выраженными вмятинами (ложным бринеллиро-ванием), образовавшимися при эксплуатации в тяжелых дорожных условиях.
В крестовинах карданных шарниров имеет место такой же износ, как и у подшипников шкворневой подвески. При колебательных движениях с малыми амплитудами Da (рис. 5.3) и большими нормальными нагрузками Рк на рабочих поверхностях кольца и шипа крестовины образуются вмятины от игл, и дальнейшая эксплуатация становится невозможной и опасной.
В литературе [48, 49, 50] описаны также опоры скольжения, содержащие неподвижные промежуточные элементы (вкладыши) в виде цилиндрических спиральных пружин с жестко закрепленными витками, которые могли бы быть использованы взамен игольчатых подшипников.
В игольчатых подшипниках качения [47] в качестве промежуточного элемента – вкладыша, снижающего трение, используются удлиненные ролики – иголки, которые хорошо работают при больших скоростях вращения и не предназначены для возвратно-вращательного движения. Для них соответственно выбраны материалы, конструктивные схемы, методы обработки и испытаний подшипников качения. Их применение является вынужденной мерой, так как более надежных подшипников для возвратно-вращательного режима до настоящего времени не создано.
Проблема надежности и износостойкости подшипников колебательного режима не решается и применением в них неподвижных вкладышей из антифрикционных материалов (металлических, полимерных, комбинированных и др.) из-за неравномерности износа и образования местной выработки. Этот недостаток не устраняется и применением подшипников с вкладышами в виде спиральных пружин со скрепленными витками с различными сечениями проволоки, в которых вкладыш остается неподвижным и лишь улучшает распределение смазки [52].
Инновационные ремонтные комплекты могут содержать подшипники скольжения как с коническими, так и с цилиндрическими пружинными вкладышами.
Необходимая точность изготовления традиционной посадки требует применения высокоточного оборудования и дорогостоящего инструмента, что экономически не выгодно для изготовления пружинного вкладыша и сопрягаемых с ним деталей. Поэтому было предложено выполнить пружинный вкладыш коническим, а остальные сопрягаемые с ним поверхности деталей – цилиндрическими.
Фотографии изношенных деталей подшипникового узла крестовины со следами «ложного бринелирования» представлены на рисунке 5.4. Усовершенствованная крестовина автомобиля ВАЗ «Нива» – на (рис. 5.5).
Подавление окислительных процессов в предложенной конструкции легко достигается сальниковым уплотнением. Положительный эффект получается также за счет снижения адгезионной составляющей трения (трения покоя) и частичной реализации идей Н.Е. Жуковского «о движении без трения» (вращением промежуточной опоры) без использования для этого внешнего источника энергии. Подобный подшипник может найти широкое применение взамен игольчатых подшипников карданного вала, сайлентблоков подвески, в шарнирах рулевого управления и других шарнирных узлах, работающих в возвратно-вращательном режиме.
В настоящей работе объектом исследованием являлся задний амортизатор автомобиля ВАЗ, (рис. 5.7.). В конструкцию поршня амортизатора внесены изменения, касающиеся поршневого кольца, выполненного по типу винтовой цилиндрической пружины с поджатыми витками. Материал такого кольца – проволока квадратного сечения из стали 65Г омеднённая.
Резинометаллические втулки работают за счет деформаций резинового вкладыша, (рис. 5.8 и 5.9) который со временем разрывается по внутренним волокнам и шарнир выходит из строя. Сайлентблоки амортизаторов работают в затянутом состоянии при определенной регламентированной нагрузке. При изменении нагрузки (изменении количества пассажиров или веса перевозимого груза) в них возникают деформации, скручивающие волокна резины, которые приводят к их разрушению. Применение комбинированных резинометаллических втулок с пружинным вкладышем помогает избежать разрушения резинового вкладыша, так как их периодическое колебательное движение компенсирует именно пружинный вкладыш [52]. Кроме узлов шкворневых подшипников подвески подобные шарнирные подшипники могут быть использованы взамен резинометаллических втулок – сайлентблоков.