Амортизаторы автомобильные

Характеристика амортизаторов

Амортизаторы — это простые, чаще всего резинометалличе-ские конструкции, посредством которых через слой резины соединяются отдельные детали или агрегаты автомобиля [17, 116, 125, 143].

Различают два основных типа амортизаторов, выпускающихся во множестве модификаций: пластинчатые и втулочные. Однако независимо от типа и формы они принадлежат к группе податливых деталей, общей характерной особенностью которых является деформируемость, во много раз большая, чем у других деталей машины.

Жесткость амортизатора с (в Н/мм или Нм/рад) есть отношение приращения нагрузки к приращению деформации:

Величина и характер изменения жесткости определяют так называемую упругую характеристику амортизаторов. Различают амортизаторы с постоянной жесткостью, независимо от нагрузки (с = const) и с переменной жесткостью, уменьшающейся или возрастающей вместе с нагрузкой (рис. 338). Тангенс у угла наклона касательной к кривой Р = F (f) или М = F (ф) в каждой точке определяет жесткость амортизатора.

Наиболее часто используются детали этого типа с постоянной жесткостью ( с = const, кривая1 на рис. 338). Тогда

Однако во многих случаях предпочтительны амортизаторы, характеризующиеся зависимостью между нагрузкой и деформацией, представленной на рис. 338 (кривая 2). В этом случае облегчается гашение максимальных нагрузок, значительно превышающих обычные.

Работа Л, затрачиваемая на деформацию, равна площади под кривой Р = F (/) или М =F (ср) (рис. 339):

Для деталей с постоянной жесткостью:

Полезная работа, которую может совершить амортизатор, меньше работы Л, затраченной на его деформацию, поскольку часть этой работы использована на преодоление сопротивления силы трения A_t при нагрузке и разгрузке детали,

Эффективность затухания колебаний тем вьппе, чем больше отношение ^[93].

7.2. Пластинчатые амортизаторы

Конструкция. Пластинчатые амортизаторы (рис. 340) состоят из двух металлических пластинок, чаще всего стальных, и при-вулканизованной к ним резиновой прокладки. Они находят применение в качестве гасителей колебаний машин и устройств. В транспортных средствах они служат для эластичной подвески двигателей внутреннего сгорания, коробки скоростей и т. п. либо в качестве упругой прокладки между кузовом и рамой.

Рис. 340. Пластинчатые амортизаторы [59]

На рис. 341 показан глазковый амортизатор, работающий при нагрузках менее 100 Н и используемый для подвески контрольных или измерительных приборов, например часов в автомобильных кузовах.

Рис. 342. Пластинчатые круглые амортизаторы [59]

На рис. 342—344 изображены несколько удачных конструкций круглых амортизаторов и способы их установки. На рис. 345 показан сдвоенный пластинчатый амортизатор.

Амортизаторы, работающие при высоких нагрузках (рис. 346 и 347) состоят из стального или чугунного основания, оболочки из аналогичного материала и из расположенной между основанием и оболочкой системы пластинчатых упругих элементов.

Детали этого типа устанавливаются под тяжелые стационарные устройства, такие как двигатели внутреннего сгорания.

Пластинчатые амортизаторы изготавливают, как правило, из резины на основе натурального каучука с твердостью HSh 40—80, в особых случаях используются также маслостойкие резины из синтетических каучуков.

Расчет пластинчатых амортизаторов» Амортизаторы, работающие в условиях сжатия. Под влиянием сжимающей силы Р_с, действующей перпендикулярно торцевой поверхности резино-металлического элемента (рис. 348), возникает деформация резин f_c

Принимается, что при деформации сжатия до 20% начальной высоты резины она ведет себя в соответствии с законом Гука:

Рис. 345. Двойной пластинчатый амортизатор,
Рис. 346. Пластинчатый амортизатор «Мегуластик»

Рис. 350. Зависимость напряжения от деформации при сжатии и сдвиге круглого резинового элемента между металлическими пластинами:

1 — имеется слой смазки; 2 — 4 — поверхности привулканизованы, r/h ~ 0,5; 2,5; 5,25 соответственно [46 ]

где Р_с — сила сжатия, Н; f_c — деформация резиновой детали, см; А — площадь поверхности детали, перпендикулярной направлению силы— высота слоя резины, см; Е — модуль упругости, Н/см²; с — жесткость детали, Н/см.

Учитывая зависимостьжесткость амортизатора, ра

ботающего под воздействием сжимающей нагрузки, можно выразить формулой

где k — коэффициент жесткости, зависящий от коэффициента формы амортизатора К, G — модуль сдвига, зависящий от твердости резины согласно графику на рис. 13. Коэффициент определяется из графика (см. рис. 15).

 

Изменяя отношение высоты к площади сечения резины, можно в широких пределах изменять жесткость амортизатора, работающего на сжатие (рис. 349 и 350). Жесткость амортизатора можно также изменять, используя прокладки из стали толщиной не менее 2 мм и привулканизовывая их к резине (рис. 351 и 352).

 

В таких амортизаторах при нагрузке сжатия Р полная деформация f является суммой деформаций каждого резинового слоя, вызванных воздействием силы Р (рис. 353):

На каждый амортизатор будет действовать сила в соответствии с равенством Р_г = 2Р. Амортизаторы, связанные общей балкой, уже не могут деформироваться свободно под воздействием этих сил. Направление деформации каждого амортизатора, возникает принудительно и в соответствии с направлением силы Р. Оно, в свою очередь, является следствием реакции N, возникающей в результате взаимной связи косо расположенных соединительных деталей. Поэтому сила, приложенная к каждому амортизатору, равна Р'. Она является равнодействующей сил Р и N и раскладывается на силу Р_ь действующую параллельно поверхности соединения резина—металл и вызывающую сдвиг соединительной детали, и силу Р_с, действующую перпендикулярно торцевой поверхности детали и вызывающую ее сжатие.

Рис. 355. Система из двух плоских амортизаторов в условиях сжатия и сдвига

Под воздействием силы P_t возникает деформация f_h а под воздействием силы Р_с — деформация /_с. Равнодействующей этих деформаций является деформация амортизатора / под воздействием внешней силы Р. При этом

Жесткость системы описывается следующей зависимостью:

Приведенная выше формула относится к системе двух упругих деталей. При увеличении числа деталей вместо цифры 2 в формулу подставляют цифры 4 или 6.

При угле а = 61° данный тип амортизатора работает в оптимальном режиме.

Амортизаторы, работающие в условиях растяжения. Под влиянием растягивающей силы Р, действующей перпендикулярно

торцевой поверхности детали (рис. 357), возникает удлинение резины f_r.

В пределах малых удлинений, менее 30%, а только такие и допустимы в рассматриваемом случае, резина ведет себя приблизительно в соответствии с законом Гука:

Жесткость амортизатора выражается следующей зависимостью:

Таким образом, следует избегать нагружения амортизаторов растягивающей силой.

Амортизаторы, работающие при наличии крутящего момента. Если плоский амортизатор, состоящий, например, из двух круглых стальных пластин, соединенных между собой резиной, будет находиться под воздействием крутящего момента М (рис. 358), пластины повернутся относительно друг друга на угол ф.

Рис. 359. Амортизатор, нагруженный крутящим моментом, в котором возникают тангенциальные напряжения постоянной величины

напряжения постоянной величины. Угол ср (в рад или град) в этом случае можно рассчитать по формулам:

Вышеприведенные формулы справедливы для углов ср примерно до 20°.

Выбор плоских амортизаторов. В зависимости от способа установки амортизатора он может работать: на сжатие (рис. 348); на сдвиг (рис. 354); одновременно на сжатие и на сдвиг (рис. 355).

При сжимающей нагрузке (рис. 348) амортизатор проявляет тем большую работоспособность, чем тверже резина, чем больше площадь его поверхности и чем меньше высота. Амортизаторы этого типа характеризуются малой способностью к уменьшению вынужденных колебаний.

В случае, когда амортизатор работает в положении, показанном на рис. 354, он подвергается значительно большей деформации, которая, впрочем, возрастает пропорционально толщине резины и уменьшается с увеличением площади поверхности и твердости резины. С ростом деформации резины увеличивается способность уменьшать амплитуду колебаний, однако амортизаторы, работающие на сдвиг, могут эксплуатироваться при значительно меньших нагрузках, чем амортизаторы, работающие на сжатие.

Когда по условиям работы требуется, Чтобы амортизатор обладал работоспособностью при высоких нагрузках и одновременно имел значительную деформацию, используются мостичные амортизаторы (рис. 355), которые состоят из двух или более упругих деталей, подверженных сдвигу и сжатию.

Степень уменьшения амплитуды колебаний зависит от статической деформации резины амортизатора. Эта деформация может

Рис. 360. График для определения деформации амортизатора

быть определена по зависимости, представленной на рис. 360. Для этого на осй ординат отмечается точка, соответствующая окружной скорости или частоте колебаний изолируемого устройства, из этой точки проводят горизонтальную линию до пересечения с прямой, обозначающей степень изоляции, и из точки пересечения этих линий опускают перпендикуляр, который на оси абсцисс укажет требуемую деформацию детали.

Полное поглощение колебаний является недостижимым. На практике считается, что поглощение 80% колебаний — вполне удовлетворительный результат.

7.3. Втулочные амортизаторы

Конструкция. Прямые втулочные амортизаторы. Они (рис. 361) состоят из двух металлических втулок, чаще всего стальных, между которыми находится слой резины, привулканизованный к обеим втулкам. В отдельных случаях торцевые поверхности втулок могут быть снабжены зубцами (рис. 362) или вырезами. Внешние втулки могут иметь фланцы (рис. 363 и 364), с помощью которых они монтируются в устройство.

Модификацией амортизаторов является конструкция, содержащая только одну внутреннюю металлическую втулку (рис. 365). Ее помещают в кожух или устанавливают в гнезда (рис. 366).

Основные размеры прямых втулочных амортизаторов (рис.367) выбирают, исходя из нагрузки и деформации, которым они подвержены во время эксплуатации [58].

Амортизаторы, подверженные большим деформациям скручивания на угол(рис. 368), должны иметь толстый резиновый слой. Резина в этих деталях работает на сдвиг.

Допустимая величина осевой нагрузки (рис. 369) зависит от площади поверхности внутренней втулки, а допустимая осевая деформация тем больше, чем толще резиновый слой между втулками. Резина в деталях этого типа, нагруженных осевой силой, работает на сдвиг.

В случае радиальной нагрузки (рис. 370) подъемная сила амортизатора зависит от размеров внутренней металлической втулки, в основном от ее длины. Эти размеры следуют обычно из прочности шкворня, работающего на изгиб и сдвиг. Для больших нагрузок и малых деформаций скручивания подходят втулочные элементы с относительно тонким слоем резины, но с большой длиной.

Допустимая величина взаимного перекоса внутренней и внешней втулок (рис. 371) зависит от толщины слоя резины и длины втулок. При больших перекосах применяются короткие втулки с толстым слоем резины.

Допустимые нагрузки для стандартных втулочных амортизаторов типа «Мегуластик» приведены в табл. 48. Они относятся к втулкам, изготовленным с применением резины из натурального каучука с HSh 60. Изменяя твердость резины, а следовательно, и модуль G, можно менять характеристики этих элементов

в достаточно широком диапазоне, используя при этом поправочные коэффициенты, приведенные в табл. 49.

Максимальный скручивающий момент М остается неизменным для резин с разной твердостью, поскольку его величина зависит от площади поверхности внутренней втулки, а не от твердости резины. При определении допустимой осевой деформации / величины, выбранные из табл. 48, делят на поправочный коэффициент, найденный по табл. 49. Допустимые осевые нагрузки не зависят

 

от твердости резины, а определяются площадью поверхности внутренней втулки, поэтому они не подлежат коррекции. Допустимая радиальная нагрузка устанавливается путем умножения величины Р, взятой из табл. 48, на поправочный коэффициент (табл. 49). Допустимая радиальная деформация f остается неизменной, поскольку зависит она исключительно от толщины слоя резины. Величина перекоса не зависит от твердости резины и размера амортизатора и составляет не более 2—3°, или не более 16%, если ее выразить через деформацию на единицу толщины слоя резины,

Таблица 48

Характеристика стандартных прямых втулочных амортизаторов (рис. 367—370) типа «Мегуластик» [58, 60]

@@ ##

 

Втулочные амортизаторы должны быть установлены с натягом в гнездо и на шкворень. При этом пользуются допусками, приведенными в табл. 48.

Двухвтулочные конические амортизаторы. Эти амортизаторы, например типа «Мегуластик» (рис. 372), состоят из двух металлических втулок, чаще всего стальных, связанных между собой с помощью привулканизованного слоя резины. Обе втулки в средней части имеют форму конусов. Внешняя втулка снабжена фланцем с отверстиями для крепящих болтов. Амортизаторы характеризуются большой поперечной жесткостью и в 4—6 раз меньшей осевой жесткостью. Благодаря этому они могут работать при больших радиальных нагрузках в направлении В (рис. 373) и при сравнительно небольших деформациях, поскольку в этом случае резина подвержена исключительно сжатию.

При осевых нагрузках в направлении А (рис. 373) резина испытывает сдвиг со сжатием при значительной деформации, вследствие чего деталь интенсивно гасит вертикальные колебания.

Используемые в качестве элементов подвески автомобильных кузовов, например кабины водителя, втулочные конические амортизаторы обладают многими достоинствами. Силы инерции, возникающие в направлении В при резком торможении или ускорении автомобиля, не вызывают ощутимых перемещений кузова по отношению к раме, а вертикальные колебания, вызванные неровностями дороги или работой двигателя, интенсивно гасятся благодаря значительной вертикальной мягкости подвески.

Фирма «Фройденберг» выпускает четыре основных типоразмера амортизаторов, основные параметры которых приведены на рис. 374. Они могут эксплуатироваться при нагрузках в диапазоне 100—18 000Н. Их характеристика может меняться в соответствии с требованиями заказчика путем изменения твердости резины в пределах HSh 40—70. Амортизаторы изготовляются из резины на основе натурального каучука, а в случае необходимости — на основе синтетических каучуков, устойчивых к воздействию масел и смазок.

Амортизаторы выбирают, руководствуясь данными, приведенными на рис. 375 и 376. Из рис. 375 можно установить деформацию резины амортизатора для получения требуемой степени гашения колебаний, из рис. 376 можно выбрать амортизатор, зная деформацию и нагрузку.

Тип амортизатора на рис. 376 обозначен девятизначным кодом. Две последние цифры шифруют твердость в соответствии с табл. 50. Этими двумя цифрами дополняется обозначение детали на рис. 374.

В случае, когда необходима повышенная мягкость амортизатора в радиальном направлении, резиновой прокладке придается форма, показанная на рис. 377. Когда необходима увеличенная деформация в осевом направлении при сохранении значительной поперечной жесткости, применяется конструкция, изображенная на рис. 378. Примеры использования втулочных конических амортизаторов показаны на рис. 379—382.

Одновтулонные конические амортизаторы. Они состоят из внутренней металлической втулки и привулканизованной к ней резиновой втулки с конической внешней поверхностью (рис. 383). У резиновой втулки с одной стороны имеется фланец, который в отдельных типах может упираться во фланец внутренней металлической втулки.

Рис. 374. Основные размеры амортизатора типа «Мегуластик» (две последние цифры номера определяются по рис. 376)

Рис. 375. График для определения деформации амортизатора типа «Мегуластик»

Рис. 376. График для выбора амортизатора типа «Мегуластик» [58]

Рис. 377. Амортизатор с повышенной мягкостью в радиальном направлении [59]

Рис. 379. Подвеска кабины водителя на амортизаторах типа «Мегуластик» [58]

Рис. 380. Подвеска двигателя на амортизаторах типа «Мегуластик» [58]

Рис. 38L Подвеска резервуара цистерны на амортизаторах типа «Мегуластик» [58]

Рис. 382. Подвеска приводного блока на амортизаторах типа «Мегуластик» [58]

Рис.384. Монтажная комбинация двух од-новтулочных конических амортизаторов

Рис. 386. Амортизатор с фланцевой втулкой [58]

Детали попарно устанавливаются в конические гнезда с несколько меньшим диаметром так, чтобы после монтажа резина получила начальное сжатие (рис. 384). Величину этого сжатия выбирают таким образом, чтобы она превышала деформацию резины под влиянием радиальной нагрузки во время работы амортизатора.

Основные размеры и допустимые условия работы для конических амортизаторов (рис. 385 и 386) приведены в табл. 51 и 52. Резиновые фланцы придают узлу значительную осевую жесткость, поэтому допустимые осевые нагрузки составляют около 50% радиальной нагрузки.

Таблица 51

Характеристика одновтулочных конических амортизаторов с прямыми втулками (рис. 385)

@@ ##

Конические амортизаторы выполняются, как правило, из резины с HSh 55, хотя в отдельных случаях возможно использование резины с другой твердостью.

Эти амортизаторы находят применение в основном в элементах подвески в легковых автомобилях и прежде всего — в качестве балансиров подшипников (рис. 387).

Шаровые амортизаторы. Шаровые амортизаторы (рис. 388 и 389) состоят из внутренней и внешней втулок, соединенных с помощью привулканизованного слоя резины в форме усеченного шара. Вместо внутренней втулки может быть использован шаровой палец. Внешняя втулка иногда состоит из трех отдельных элементов, которые составляют одно целое только после установки втулки в гнездо, при этом слою резины придается начальное сжатие.

Таблица 52

@@ ##

Рис. 387. Одновтулочные конические амортизаторы в передней подвеске легкового автомобиля Д58]

Шаровые амортизаторы Предназначены для работы при высоких нагрузках и деформациях во многих направлениях. Они находят применение в системах подвески грузовых автомобилей, автобусов и др. (рис. 390).

Рис. 388. Шаровой амортизатор типа «Мегуластик»

Допустимые условия эксплуатации для типовых шаровых амортизаторов, на примере амортизаторов типа «Мегуластик» из резины с HSh 60 [58], приведены в табл. 53 и 54. Характеристики этих амортизаторов могут кардинально меняться с изменением твердости резины, что учитывают поправочные коэффициенты, приведенные в табл. 55. Для определения допустимых радиальных нагрузок и радиальной жесткости значения, приведенные в табл. 53, умножают на поправочный коэффициент-

Таблида 53

Характеристика шаровых амортизаторов типа «Мегуластик» [58]

@@ ##

 

Рис. 389. Основные размеры шарового амортизатора [58]

Рис. 392. Втулочный амортизатор с коническими торцевыми поверхностями, нагруженный осевой силой

(табл. 55). Чтобы установить допустимый угол скручивания или угол перекоса, значения из табл. 53 делят на поправочный коэффициент (табл. 55). Максимально допустимый вращающий момент рассчитывают, умножая угол скручивания на жесткость. Этот момент не зависит от типа резины. Максимальный угол перекоса ограничивается буферными поверхностями металлических деталей. Допустимая осевая нагрузка на шаровые амортизаторы составляет 20% от допустимой радиальной нагрузки.

Таблица 54

@@ ##

Таблица 55

Поправочные коэффициенты при выборе шаровых амортизаторов типа «Мегуластик» [53, 59]

@@ ##

Расчет втулочных амортизаторов. Амортизаторы, находящиеся под воздействием осевой силы. Если прямой втулочный амортизатор, состоящий из двух стальных втулок и слоя резины, будет нагружен осевой силой Р, втулки подвергнутся взаимному осевому передвижению на величину y и на угол у (рис. 391).

При небольших деформациях в этом случае справедливы следующие зависимости:

амортизатора, см; G — модуль сдвига резины, радиусы слоя резины амортизатора, см.

Формулы справедливы при

Амортизаторы, находящиеся под воздействием радиальной силы. Под воздействием направленной радиальной силы Р_г внешняя втулка детали будет перемещаться по отношению к внутренней втулке на величину деформации /_г (рис. 394).

Силу Р_г (в кгс), которая вызвала возникновение деформации /_г, рассчитывают по уравнению Гебеля

где Кг — коэффициент формы слоя резины втулочного амортизатора, который нагружен радиально. Его определяют по графику, представленному на рис. 395, в зависимости от отношения his (h — ширина амортизатора,

Радиальная жесткость

Как нетрудно установить, сравнивая формулы для расчета осевой и радиальной жесткостей, при коэффициенте Кг = 1 осевая жесткость амортизатора в 7,5 : 2 = 3,75 раза меньше радиальной жесткости.

Амортизаторы, находящиеся под воздействием силы, направленной под углом к его оси. Рассматривая амортизатор, нагруженный силой Р_а, направленной под углом к центральной оси, необходимо учесть два случая: первый, когда амортизатор может деформироваться только в направлении действия силы; второй, когда амортизатор имеет возможность свободно деформироваться. ' Разложение сил для первого случая представлено на рис. 396. Нагруженный под углом амортизатор можно заменить системой двух пружин, из которых одна подвержена деформации в осевом направлении, другая — в поперечном (радиальном). Деформация f_а амортизатора тогда может быть разложена на осевую составляющую f и поперечную f_г.

Рис. 396. Распределение сил и деформаций в ведомом втулочном амортизаторе, нагруженном силой, действующей под углом к оси [69]

Деформациям f и f_r соответствуют силы Р и Р_г. Равнодействующей этих сил будет Р'. Поскольку приложенная к амортизатору нагрузка Р'_а действует параллельно направляющим и не совпадает по направлению с Р\ возникает реакция N.

Учитывая зависимости

получаем уравнение Гебеля [70] для малых деформаций

где с — осевая жесткость; с_г — радиальная жесткость.

Примерная характеристика втулочного амортизатора с направленной деформацией, находящегося под воздействием сил, приложенных под разными углами к оси, приведена на рис. 397.

Во втором случае направление силы и деформации не совпадают, так как осевая и радиальная жесткости амортизатора различны. Силу Р_а уравновешивают осевая Р и радиальная Р_г силы (рис. 398). Им соответствуют деформации f и f_г.

Рис. 398. Распределение сил и деформаций в свободном втулочном амортизаторе, нагруженном силой, действующей под углом к оси [69]

Учитывая зависимости для с и с_п как и ранее, получаем уравнение Гебеля для малых деформаций

Деформация в направлении действия силы Р_а рассчитывается по формуле

Равнодействующей деформаций f и f_r является деформация направление которой не совпадает с направлением действия силы Р_а.

Амортизаторы, находящиеся под воздействием крутящего момента. Если на прямой втулочный амортизатор воздействует

крутящий момент М_ъ резина между втулками подвергнется деформации на угол ср (рис. 399).

В ней возникают напряжения сдвига т, величина которых зависит от радиуса г рассматриваемого резинового слоя,

Для небольших деформаций справедливы уравнения Ге-беля [70]:

угол ф в радианах

Контуром свободных поверхностей резины амортизатора с равномерным распределением напряжений сдвига является гипербола третьей степени (рис. 400).