Mechanizmy nośne i jezdne
Osią samochodu nazywamy zespół elementów połączonych
samochodu i jest połączona z ramą lub samonośnym nadwoziem za pomocą elementów sprężystych zawieszenia. Mosty napędowe (patrz rozdział 14) są osiami, których koła są napędzane. Osie nienapędzane nazywamy ostami nośnymi.
W przypadku zależnego zawieszenia kół oś nośna może stanowić wyraźnie wyodrębniony zespół. Najczęściej jest to oś przednia z kołami kierowanymi. Przy zawieszeniu niezależnym zadania osi mogą spełniać czopy (połączone z elementami zawieszenia), na których ułożyskowane są piasty kół.
Na rys. 15.1 przedstawiono przednią oś nośną samochodu ciężarowego. Jest to typowe rozwiązanie stosowane w większości samochodów ciężarowych i autobusów oraz w niektórych starszych typach samochodów osobowych. Oś składa się z belki o przekroju dwuteowym, do której przymocowane są resory łączące ją z ramą, oraz ze zwrotnic, połączonych przegubowo z belką za pomocą sworzni. Sworznie osadzone są w głowicach stanowiących zakończenie belki i w tulejkach brązowych (lub rzadziej w łożyskach igłowych) wciśniętych w otwory ramion zwrotnicy. Między belką a dolnym ramieniem zwrotnicy umieszczone jest łożysko oporowe przenoszące siły działające wzdłuż osi sworznia (np. obciążenia statyczne). Na
czopach zwrotnic ułożyskowane są piasty kół. Do ramion zwrotnic przykręcone są przeguby drążków mechanizmu zwrotniczego, dzięki czemu możliwe jest skręcanie kół na zakręcie. Belka jest wygięta w środkowej części ku dołowi, co umożliwia obniżenie środka ciężkości pojazdu. Jest ona wyposażona w dwa symetrycznie rozmieszczone płaskie siodła służące do mocowania resorów. W siodłach wywiercone są otwory do przykręcania obejm resorów oraz dla śruby ustalającej resor.
Piasty kół są ułożyskowane na czopach zwrotnic w podobny sposób jak piasty kół napędzanych. W samochodach ciężarowych stosuje się piasty osadzone na dwóch szeroko rozstawionych łożyskach stożkowych. W samochodach osobowych stosowane są także łożyska kulkowe. Łożyska piast z reguły montuje się z pewnym napięciem wstępnym.
Na rys. 15.2 przedstawiono rozwiązanie konstrukcyjne typowej osi przedniej lekkiego samochodu ciężarowego oraz sposób ułożyskowania piast.
Tylne sztywne osie spotyka się bardzo rzadko. Wynika to stąd, że napęd tylko na przednią oś stosowany jest niemal wyłącznie w małych samochodach osobowych. Samochody takie mają najczęściej niezależne zawieszenie tylnych kół. Przykładem konstrukcji tylnej sztywnej osi nośnej jest rozwiązanie zastosowane w samochodach FSO Syrena. Ponieważ tylne koła nie są kierowane, oś taka nie ma oczywiście zwrotnic i jest wykonana jako jednolita belka, na której końcach osadzone są na łożyskach koła.
W przypadku zawieszeń niezależnych piasty kół ułożyskowane są na czopach zwrotnic połączonych sworzniami z elementami zawieszenia albo — jeżeli są to koła niekierowane — piasty ułożyskowane są na czopach połączonych w sposób sztywny z elementami zawieszenia. Rodzaje zawieszeń niezależnych zostaną omówione w następnym rozdziale.
Na rys. 15.3 przedstawiono przykładowo sposób ułożyskowania piasty tylnego koła w samochodzie FIAT 128, z niezależnym zawieszeniem kół i napędem na koła przednie.
Na rys. 16.28 przedstawiono sposób osadzenia piasty na czopie zwrotnicy w przednim niezależnym zawieszeniu samochodu osobowego FSO Warszawa. Zwrotnica połączona jest sworzniem z łącznikiem wahaczy. Sposób ułożyskowania piasty na czopie zwrotnicy jest taki sam jak w przypadku sztywnej osi przedniej.
Belkę osi nośnej oblicza się w podobny sposób jak pochwę mostu napędowego, należy przy tym tylko pamiętać, że nie działają na nią siły wywołane przekazywaniem napędu. Obliczeń dokonuje się dla dwóch przypadków obciążenia — maksymalną siłą hamowania oraz maksymalną siłą poprzeczną. W obydwu przypadkach na belkę działają jednocześnie siły wywołane obciążeniem statycznym. Te same siły uwzględnia się także przy obliczaniu naprężeń w czopie zwrotnicy oraz w sworzniach. Sworznie oblicza się na zginanie, naciski jednostkowe oraz na ścinanie.
Materiały stosowane na belkę osi powinny być kowalne, odznaczać się dużą wytrzymałością na rozciąganie oraz dobrą udarnością. Zwykle stosuje się stale o zawartości węgla 0,3-^0,45% — np. stal 40H — poddawane obróbce cieplnej. Podobne materiały stosuje się na zwrotnice. Sworznie wykonuje się ze stali stopowych, najczęściej chromoniklowych, o zawartości węgla 0,18^-0,22%, poddawanych nawęglaniu. Twardość powierzchniowa sworzni powinna wynosić ok. 58 HRC.
Zawieszeniem samochodu nazywamy
zespół dementow sprężystych oraz
wiążących je łączników, łączący osie
lub poszczególne koła samochodu
z ramą albo wprost z nadwoziem
Cel i istota pracy pojazdu. Zadaniem zawieszenia jest
zawieszenia łagodzenie wstrząsów wywołanych
nierównościami nawierzchni, po której porusza się samochód, w celu zapewnienia maksymalnego komfortu jazdy przewożonym osobom oraz ochrony ładunków przed wstrząsami i szkodliwymi drganiami. Zabezpieczenie przed zbył: silnymi wstrząsami ma także istotny wpływ na trwałość mechanizmów samochodu.
Połączenie osi lub kół z pozostałymi zespołami za pomocą łączników sprężystych sprawia, że wszystkie masy pojazdu można podzielić na dwie grupy:
masy nieresorowane, podlegające bezpośrednio działaniu wstrząsów wywołanych nierównościami drogi — są to koła, bębny hamulcowe, osie itp.;
masy resorowane, jak rama, silnik, nadwozie i inne, których ruch jest znacznie bardziej płynny wskutek izolującego działania zawieszenia.
Masy nieresorowane, wbrew przyjętej nazwie, nie podlegają wszystkim ruchom dokładnie tak, jakby to wynikało z napotykanych nierówności drogi. Duże znaczenie ma tu bowiem sprężystość ogumienia kół, łagodząca w pewnym stopniu uderzenia wywołane przejeżdżaniem przez nierówności. Ogumienie spełnia takie zadanie w stosunku do mas nieresorowanych, jakie spełnia zawieszenie w stosunku do mas resorowanych.
Podczas przejeżdżania przez przeszkodę, np. kamień, w pierwszej kolejności ugięciu podlega ogumienie koła, co łagodzi uderzenie działające na masę nieresorowaną. Ruch tej masy powoduje ugięcie zawieszenia i pojawienie się sił sprężystości wywołanych ściśnięciem elementów sprężystych, znajdujących się między masą nieresorowaną i masą resorowaną. Siły te powodują dopiero przemieszczenie masy resorowanej. Dzięki pracy zawieszenia samochodu zmiana położenia masy resorowanej odbywa się w sposób płynny, mimo że impuls wywołany najazdem na przeszkodę działa na pojazd w sposób gwałtowny.
Zastosowanie miękkiego, sprężystego zawieszenia sprawiło, że niezależnie od złagodzenia bezpośredniego wpływu uderzeń pochodzących od nierówności drogi, samochód stał się układem podatnym na powstawanie drgań. Drgania te mogą być wywołane nierównościami drogi, podmuchami wiatru, siłami bezwładności itp. Wiąże się to z powstawaniem obciążeń dynamicznych elementów nośnych, sumujących się z obciążeniami statycznymi pochodzącymi od ciężaru pojazdu.
W przypadku niewłaściwego doboru własności zawieszenia (sztywność elementów sprężystych, ich rozmieszczenie itp.) powstające drgania wpływają niekorzystnie na komfort jazdy, stateczność ruchu, a także na trwałość niektórych zespołów. Dlatego konstruując zawieszenie należy dokładnie zbadać wpływ jego własności na mechanikę ruchu poszczególnych mas. Zjawiska te analizuje się, posługując się ogólnymi prawami teorii drgań.
Szczegółowa analiza drgań pojazdu jest zagadnieniem bardzo trudnym. Pewne praktyczne wnioski dotyczące konstrukcji zawieszenia można jednak wyciągnąć na podstawie analizy ruchu znacznie uproszczonych modeli.
Z punktu widzenia teorii drgań pojazd jest układem masowo--sprężystym, w którym różnego rodzaju wymuszenia (działające chwilowo lub przez pewien okres) wywołują drgania wokół położenia równowagi statycznej. Drgania każdej masy pojazdu można rozłożyć na sześć składowych ruchów: przesunięcia wzdłuż osi x, y i z oraz obroty wokół tych trzech osi (rys. 16.1). Tych sześć składowych ruchów, jakie może wykonywać każda masa, nazywamy sześcioma stopniami swobody.
Badając zawieszenie pojazdu nie wszystkie jego drgania interesują nas w równym stopniu. Najistotniejszy dla oceny zawieszenia jest ruch pionowy masy uresorowanej w kierunku osi z oraz jej obrót wokół osi y (kołysanie podłużne).
Ruchy w kierunku osi y, wokół osi x (kołysanie poprzeczne) oraz wokół osi z (zarzucanie pojazdu), a także niektóre drgania mas nieresorowanych, są istotne przy badaniu stateczności pojazdu.
Ruch pionowy (w kierunku osi z) można analizować posługując się modelem uproszczonym (rys. 16.2) o jednym stopniu swobody. Model taki składa się z masy m równej masie samochodu i sprężyny, której sztywność *) c jest równa sztywności całego zawieszenia (wraz ze sztywnością opon). Przedstawiony model może w następstwie jednorazowego chwilowego wymuszenia wykonywać drgania własne, o częstości ściśle określonej jego parametrami dynamicznymi (m i c) lub może drgać z częstością wymuszenia, jeżeli jest ono cykliczne. W takim przypadku mówimy o drganiach wymuszonych.
Jeżeli wymuszenie drgań jest jednorazowe, wówczas powoduje ono drgania własne układu o częstości co/ równej
Korzystając z definicji sztywności można napisać zależność
gdzie przez fJt oznaczono statyczne ugięcie sprężyny, stanowiące różnicę między długością sprężyny w stanie wolnym a jej długością po przyłożeniu obciążenia statycznego.
Podstawiając zależność 16.3 do 16.2 otrzymujemy
Wzór 16.4, opisujący zależność między częstością drgań własnych zawieszenia a statyczną strzałką ugięcia resorów, jest bardzo wygodny przy wstępnej analizie konstrukcyjnej zawieszenia.
W wyniku badań fizjologicznych stwierdzono, że organizm ludzki najlepiej znosi drgania własne zawieszenia samochodu w granicach 1-^-2 Hz. Na podstawie zależności 16.4 można więc określić dopuszczalny zakres statycznych strzałek ugięcia pojazdu przy różnych stanach obciążenia. Podczas dokonywania obliczeń należy pamiętać, że częstość