Конструкторский семинар №11

Подвеска: разложение и сложение сил.

Конструкция машины F-J/500

 Как видите, мы пропускаем семинар №10 из второго декабрьского номера за 1971 год. Хорошая новость в том, что до финиша мы теперь будем продвигаться без остановок, так как все оставшиеся выпуски у нас в библиотеке есть.

На этот раз мы исследуем силу, приложенную к элементам подвески. Очевидно, что величина самой силы меняется в зависимости от расположения элементов, поэтому здесь мы рассмотрим, как разложить и суммировать приложенную нагрузку.

§ Классификация сил

Существует четыре типа сил, которые применяются в разборе нагрузок на компоненты подвески, в зависимости от их природы. Это растяжение, сжатие, изгибающий и крутящий (вращающий) моменты. Позвольте мне объяснить это шаг за шагом.

 

 

Например, как показано на рисунке 1-a, когда к обоим концам рычага прилагается осевая сила, величина будет одинаковой на обоих концах, если только не будет силы, исходящей от кронштейна в середине. Это основано на том же принципе, что и перетягивание каната, но в противоположном направлении. Даже когда сила приложена посередине, сумма сил, направленных вправо, и сумма сил, направленных влево, всегда имеют одинаковую величину (рис. 1-б)

 

 

Сила сдвига. Как показано на рисунке 2а, силы, которые не прилагаются точно по одной прямой линии, называются силой сдвига. Величина поперечной силы, передаваемой внутрь элемента, меняется в зависимости от места приложения внешней силы, но остается постоянной вплоть до точки опоры (рис. 2-б).

Изгибающий момент. Поперечная сила, действующая на элемент, обычно приводит к попытке его согнуть. Эта изгибающая сила вызывает изгибающий момент. Изгибающий момент в какой-либо точке становится тем больше, чем дальше точка действия силы находится от этой точки. Величина изгибающего момента – умножение расстояния до внешней силы на величину этой силы. Если это показать наглядно, то это будет выглядеть так, как показано на рисунке 2-c в текущем примере. Само собой разумеется, что чем выше нагрузка, тем прочнее требуется внутренняя конструкция элемента.

 

 

Вращающий момент. Сила, которая пытается скрутить элемент, и ее величина является произведением величины силы и расстояния до нее (рис. 3-а). Стабилизатор (торсион) – хороший пример, на котором видно, как действует этот момент. К круглому стержню прикладывается сила, вызывающая в торсионе крутящий момент (рис. 3-б). Кроме того, к стойкам задних колес также приложены крутящие моменты (рис. 3-в).

§ Баланс сил

・Тип соединения

 

 

Для соединения элементов подвески часто используются сферические шарниры (рис. 4-а). Его особенность в том, что элементы могут свободно вращаться относительно этой точки. Если торец элемента имеет конструкцию, позволяющую ему свободно вращаться таким образом, внешние силы не будут передаваться оттуда в виде изгибающего момента. В отличие от торца, закрепленного сваркой, изгибающий момент вообще не прикладывается (рис. 4-б)

• Синтез и разложение сил

Для подвесок, состоящих из нескольких звеньев, невозможно четко понять силу, приложенную к одному звену, если не учитывать, как сила, приложенная к определенной части, распределяется по различным звеньям. Поэтому возникает необходимость объединения и разложения сил. На рисунке 5 показан графический метод.

 

Как разложить силы
Нарисуйте схему рычага на миллиметровой бумаге. Запишите направление и величину внешней силы в соответствующем масштабе. Если вы нарисуете параллелограмм, как показано на рисунке, длина сторон будет указывать силы, приложенные к элементу. Для синтеза просто сделайте обратные построения.
Пример слева. Если к узлу приложена сила 60 кг (масштаб - 30 мм), то сила, приложенная к рычагам, составит 15 мм = 30 кг (сила сжатия) 22 мм = 44 кг (сила сжатия).
Пример справа, Если 150 кг — это 50 мм, то 25 мм = 75 кг (сила натяжения), 49 мм = 147 кг (сила сжатия)

 

• Баланс сил

При исследовании сил, действующих внутри различных структур, существенное значение имеет идея «баланса сил». В силовом соотношении, которое можно объяснить в одной плоскости, если мы рассмотрим условия баланса сил в двух перпендикулярных направлениях и внутренний момент, мы можем легко определить силу, приложенную к каждому элементу.

 

 

Например, когда к стойке прикладывают силы в различных направлениях, как показано на рисунке 6-a, они делятся на силы в двух направлениях, как показано цветными линиями. Здесь следует учитывать три вещи: ① Баланс сил в левом и правом направлениях. ② Баланс сил в направлениях вверх и вниз. ③ Баланс моментов вокруг определенной точки (в статике он должен быть равен нулю). Если это выразить символически, это станет формулой расчета, показанной на рисунке 6-b.

Если на основании данных испытаний можно узнать силу, действующую на шину во время движения, то можно определить составляющую силы, которая передается кузову. Давайте посмотрим на силы, которые на самом деле действуют на элементы подвески.

Во время гонки на шины действуют различные силы, но давайте разобьем их на три типа: верхние/нижние, левые/правые и передние/задние, и рассмотрим каждую из них.

§ Сила в подвеске

・Сила, приложенная к рычагу подвески

Вес кузова поддерживается левой и правой подвесками. Следовательно, величина силы, приложенной к элементу подвески, значительно варьируется в зависимости от того, как установлен узел. Пружина с амортизатором, прикрепленные к корпуса снаружи, будет выглядеть как на рис.7.

 

 

На этой схеме верхний и нижний рычаги параллельны поверхности дороги. Если вы разделите верхние и нижние шарниры стойки и учтете баланс сил, вы сможете понять силу, действующую на каждый элемент. Это рисунок 7-б.

Силы в горизонтальном направлении — это сила Х со стороны верхнего рычага, сила Y со стороны нижнего рычага и горизонтальная составляющая силы пружины Z. Сила в вертикальном направлении представляет собой силу N в пятне контакта и вертикальную составляющую Z силы со стороны пружины. Что касается момента, вы можете установить его вокруг любой точки, но если вы выберете нижнее соединение (амортизатор крепится к стойке), где учитывается меньше всего сил, то момент против часовой стрелки составит N*d, а момент по часовой стрелке будет X*c. На рисунке в) рассмотрен баланс сил. Отсюда можно найти величины каждого из неизвестных X, Y и Z (рис. 7-d). Как видно из первого уравнения, горизонтальная составляющая пружины прикладывается к нижнему рычагу. Кроме того, даже если нагрузка и одинакова, чем больше угол наклона «пружинного блока», тем больше будет сила, воспринимаемая нижним рычагом.

 

 

・Сила, действующая на рычаг

Теперь мы определили силу, действующую на верхний и нижний шарниры стойки. Однако даже среди четырехрычажного типа одного и того же вида подвесок существуют варианты с разным расположением элементов, если смотреть сверху. Например, продольный рычаг + поперечный рычаг + A-образный. Для вычислений мы можем дополнительно разделить силу, приложенную к рычагу, которую мы только что нашли, в осевых направлениях. Для этого используется метод, показанный на рисунке 5, который был объяснен ранее. Обратите внимание, что если нагрузка передается на весь элемент, как показано на рисунках 9-a и b. По мере увеличения угла между элементами рычага, как показано на рисунке 9-c, сила, постепенно увеличивается. При расположении рычага, показанном на рисунке 9-d, силы, приложенные к двум элементам, почти одинаковы. Угол такого элемента определяется тем, можно ли найти хорошие точки опоры со стороны кузова. Однако даже если подходящего положения нет, лучше не открывать его слишком далеко, как показано на рисунке 9-e, поскольку это чрезмерно увеличит силу, воспринимаемую элементом.

 

 

§ Боковая сила

Чтобы исследовать силу, действующую на элементы подвески от приложенной к шине нагрузке, нам необходимо заменить вертикальную силу в точке контакта шины, которую мы рассматривали до сих пор, на силу в поперечном направлении. Чтобы вычислить силу, мы продолжим рассматривать моменты в двух направлениях: вверх и вниз, влево и вправо и вокруг определенной точки. Рисунок 10 представляет собой пример, когда верхний и нижний рычаги параллельны поверхности дороги.

 

 

Как видите, когда рычаг расположен горизонтально, к пружине не прилагается боковая сила. Вам следует обратить внимание на то, что боковая сила зоны контакта шины + сила верхнего рычага прикладывается к нижнему рычагу. Это связано с тем, что нижний рычаг расположен на определенной высоте от поверхности дороги. При нормальном расположении рычагов нижний воспринимает почти в три раза больше силы, чем верхний, даже учитывая только боковую силу. Другими словами, даже если используется одинаковый материал, прочность нижнего рычага должна быть намного выше, чем у верхнего.

Чтобы исследовать силу, приложенную к каждому рычагу, найденная только что сила в шарнире далее делится в соответствии с расположением звеньев на виде сверху, но она также разлагается с использованием того же метода, что и на рисунке 5 выше.

§ Тормозная сила, движущая сила

*напомним, что речь идет о начале 70х, когда такие схемы были распространены широко, и не только в гонках.

Существует два типа тормозов: внешний тип, прикрепленный к стойке, и внутренний, который располагается внутри кузова. Тормозное усилие, приложенное к рычагу подвески, у этих двух типов совершенно различно.

При использовании подвесных тормозов диск, тормозные колодки и суппорты, которые прижимают и останавливают вращение, обычно крепятся к стойке. Что произойдет, если тормозные колодки и т. д. полностью сомкнутся на диске? При нажатии на тормоза стойки «соединяются» с шинами и пытаются вращаються вместе с ними. На самом деле диски и колодки скользят друг по другу, но когда задействуются тормоза, этот узел фактически подвергается воздействию силы, которая пытается вращаться вместе с шиной. Рычаг подвески затягивает и предотвращает вращение. Сила натяжения в этот момент представляет собой тормозную силу, приложенную к рычагу. При исследовании этой силы лучше всего изолировать только вертикальное положение и учитывать баланс сил. Это выглядит как на Рисунке 11. Теперь, когда мы знаем горизонтальный компонент, применяемый к шарниру, мы можем просто разложить его по направлению рычагов на виде сверху. При этом примечательно, что на нижний рычаг опять приходится большая нагрузка.

 

 

А как насчет бортовых тормозов? Поскольку тормозная поверхность расположена внутри кузова, вращающая сила шин передается непосредственно на элементы шасси. Следовательно, элемент подвески должен только поддерживать продольную силу, приложенную к вертикальному элементу. В этом случае обратите внимание на рисунок 12. При использовании внутренних тормозов тормозная сила, приложенная к рычагам, хорошо распределяется между верхними и нижними рычагами, поэтому нагрузка намного меньше.

Во время ускорения движущая сила, приложенная к задней подвеске, противоположна, но идея аналогична тому, что мы вычислили для бортового тормоза.

Они абсолютно одинаковы (рис. 13).

§ Функция тяг

Центр зоны контакта шины с землей и стык стойки расположены довольно далеко друг от друга, в результате чего действует сила, заставляющая колесо раскачиваться из стороны в сторону (рис. 14-а). Рулевая тяга на переднем колесе и тяга схождения на заднем колесе хорошо комбинируются с А-образным рычагом или параллельными рычагами. Поговорим о тормозной силе, приложенной к этим звеньям.

 

 

Для передних колес тормозную силу, передаваемую на рулевую тягу, можно приблизительно определить, учитывая баланс моментов, как показано на рисунке 14-b. Если рулевая тяга находится перед центром шины, она будет прикладывать растягивающую силу, а если позади нее, то будет действовать сжимающая сила.

Что касается заднего колеса, внимательно отнеситесь к вычислениям в точке опоры на стороне, которая не соединена с диагональной тягой. Эта тяга, обозначенная цветной линией на рисунке 14-c, несет те же нагрузки, что и рулевая. Таким образом, поворот колеса подавляется этим элементом. Силу в этот момент можно определить, исследуя баланс моментов вокруг шарнира, соединенного с поперечным рычагом.

***

До сих пор мы рассматривали случай, когда силы действуют на шину в разных направлениях, например вверх и вниз, влево и вправо, спереди и сзади, причем каждая из них действует независимо. Диагональную силу, обычно прикладываемую к шине, всегда можно разбить на компоненты в этих трех направлениях. Следовательно, в этом случае сила, приложенная к элементу подвески, представляет собой сумму воздействий разложенных компонентов.

• < Назад
• Вперёд >