Диссертация (Метод расчета упругих элементов из композиционных материалов для систем подрессоривания колесных машин), страница 2

Рассмотрен способ учета структурных особенностей имеханических свойств стеклопластиков с учетом направления армирования и числамонослоев композита.Во второй главе описывается объект исследования, приводится описаниепроцесса изготовления пружины из стеклопластика.

Описывается процесснахождения конструктивных параметров композитной пружины, приводитсяспособ оценки прочностных свойств методом конечных элементов и приводятсятребования к построению конечно-элементной модели, определяется порядокнахождения упругих параметров композиционного материала для построениямодели. Выводится уравнение, описывающее упругую деформацию пружины иучитывающее вязкоупругие свойства материала. Представлена математическаямодель упругого элемента из полимерных композиционных материалов с учетомпринятыхдопущений.Модельпозволяетопределятьупругиесвойствакомпозитной пружины и прогнозировать демпфирующую характеристику.В третьей главе дается описание реального объекта – мотовездехода, длякоторого разрабатывается упругий элемент в виде композитной стеклопластиковойпружины.Представленаимитационнаямодельдвижениямотовездехода,позволяющая оценить спектр внешнего кинематического воздействия на егосистему подрессоривания со стороны опорной поверхности.

Математическаямодель движения КМ содержит уравнение, учитывающее гистерезисные потери вкомпозите.В четвертой главе приводятся результаты экспериментальных исследований.Дается подробное описание объекта исследований; на основе полученного спектракинематического воздействия формируются условия и методика проведенияэксперимента. Описывается аппаратурно-измерительный комплекс. На основаниисравнениярезультатовэкспериментаиматематическогомоделированияпроизведена оценка точности и адекватности математической модели.

Разработан9метод расчета упругой деформации пружин из полимерных композиционныхматериалов с учетом реологических процессов.В пятой главе анализируются гистерезисные потери в композитной пружинеи сравниваются с потерями в пневматической шине. Произведена оценка уровнядемпфирования композитной пружины путем имитационного моделированиядвижения колесной машины со стеклопластиковыми пружинами по асфальтабетонному покрытию. Разработан метод синтеза конструктивных параметроввитой цилиндрической композитной пружины на основе стеклопластика, которыйпозволяет прогнозировать на стадии проектирования упругую характеристикупружины и проводить оценку прочности разрабатываемой конструкции.В заключении приводятся основные результаты работы и делаются общиевыводы.На защиту выносятся положения научной новизны, а также результаты ивыводы по работе.10Глава 1.

Учетиподрессориваниямоделированиеколесныхвязкоупругихмашин.Анализпараметровсостояниясистемвопроса.Постановка цели и задач исследования. Актуальность рассматриваемоговопроса1.1. Анализ применения упругих и упругодемпфирующих элементов изкомпозиционных материалов в системах подрессоривания колесныхмашинВ современном автомобилестроении большое внимание уделяется вопросамбезопасности, топливной экономичности и высокому уровню комфорта за счетснижения общей вибронагруженности.

Одной из мер, направленных на улучшениеэтих качеств, является снижение массы автомобиля в целом, поэтому, всовременном автомобиле широко применяют полимерные композиционныематериалов(ПКМ).Композитывсечащезаменяютпривычныенамконструкционные материалы, обладая лучшей коррозионной стойкостью ипрочностью при меньшей массе.Система подрессоривания является одной из самых важных составляющихавтомобиля. Она является связующим звеном между опорной поверхностью (ОП)и несущей системой автомобиля, предназначена для снижения динамическихнагрузок и интенсивности вибраций, действующих на несущую систему ичеловека. Одним из основных элементов системы подрессоривания являетсяупругий элемент.

Он необходим для восприятия в основном вертикальных сил,действующих на автомобиль, снижения вертикальных виброускорений иобеспечения комфортного передвижения. Широко распространены металлическиеупругие элементы, массы которых вносят существенный вклад в общую массуавтомобиля. Актуальным вопросом является снижение массы автомобиля, поэтомузамена классических металлических упругих элементов на высокопрочныеполимерные композиционные элементы является перспективным направлением.Данное решение позволяет добиться ряда преимуществ: высокой прочности и11легкости, коррозионностойкости, возможности реализации различных сложныхнагрузочных характеристик.Среди композитных упругих элементов на сегодняшний день получилинаибольшее распространение композитные рессоры.

Первая такая рессора,установленная в задней подвеске легкового автомобиля Chevrolet «Corvette» в 1981году, позволила снизить неподрессоренную массу на 15 кг. Эта рессора изображенана Рис. 1.1.Рис. 1.1. Рессора Chevrolet Corvette 1981 годаНа сегодняшний день стеклопластиковые рессоры устанавливаются серийнокак на легковые, так и на коммерческие автомобили, среди них автомобили марок:Chevrolet (Рис. 1.2), Volvo (Рис. 1.3), Mercedes-Benz (Рис. 1.4). Кроме того, в 2014году на выставке коммерческих автомобилей – Международном автомобильномсалоне в Германии, была продемонстрирована композитная рессора, которая быларазработана для сорокотонного грузового автомобиля.Рис.

1.2 – Стеклопластиковая рессора автомобиля Chevrolet «Corvette» C512Рис. 1.3. Подвеска со стеклопластиковой рессорой автомобиля Volvo XC90Рис. 1.4. Стеклопластиковая рессора автомобиля Mercedes «Sprinter»В 1960-е годы начали проводиться различные работы [1, 2, 3] поисследованию свойств и внедрению рессор из ПКМ в систему подрессориванияколесных машин. Первый патент на такие упругие элементы появился в 1969 годув США [4].Присозданиирессоры,выполненнойсприменениемполимерныхкомпозиционных материалов, перед разработчиками были сформулированытребования, которым должна удовлетворять такая рессора.

Рессора из ПКМ должнабыла быть:- легкой, достаточно прочной и долговечной (при этом рессора имеетвысокую потенциальную энергию деформации);- иметь низкую себестоимость изготовления;- коррозионностойкой к воздействию внешних атмосферных факторов.13Кромеэтого,разрабатываемаярессорадолжнаотвечатькритериюравнопрочности, т.е. напряжения в такой рессоре должны быть распределеныравномерно по её длине.Для того чтобы разрабатываемая рессора удовлетворяла поставленнымтребованиям, был разработан новый материал Liteflex. Этот материал представляетсобой композит, в котором в качестве армирующего материала использовалисьнепрерывные стеклянные волокна, а в качестве матрицы была выбрана эпоксиднаясмола.

При разработке данного материала были проанализированы различныесочетания связующих составов и материалов армирующих волокон, среди них вкачестве арматуры были рассмотрены стеклянные, углеродные, арамидные,борные и другие виды волокон, а в качестве матрицы – полиэфирные смолы,фенолформальдегидные смолы, эпоксидные смолы, а также различные смолы,отверждающиеся при воздействии высоких температур.В 1981 году рессора, изображенная на Рис. 1.1, была изготовлена из этогоматериала и установлена на заднюю подвеску автомобиля «Chevrolet Corvette».Благодаря этому, металлическая рессора, которая использовалась ранее и состоялаиз пакета металлических пластин из десяти листов, была заменена наоднолистовую композитную рессору. Такое решение позволило существенноснизить массу с 18,6 кг до 3,6 кг.

Такая рессора используется на современныхавтомобилях «Chevrolet Corvette С7» до сих пор. На Рис. 1.5 изображен общий видтакой подвески со стеклопластиковой рессорой.Помимо перечисленных выше производителей автомобилей рессора из ПКМприменялась или применяется в автомобилях других производителей. Наиболеекрупные производители автомобилей с такими рессорами:- Chevrolet Corvette: в передней подвеске модели C4, выпускалась с 1984 по1996 года, в передней и задней подвесках моделей C5–C7, выпускалась с 1997 понастоящее время;- General Motors автомобили платформы W: Chevrolet Lumina, Pontiac GrandPrix, Buick Regal, Oldsmobile Cutlass Supreme;14- General Motors автомобили платформы E: Cadillac Eldorado, OldsmobileToronado, Buick Riviera, Buick Reatta, Cadillac Allante;Рис. 1.5.

Общий вид задней подвески Chevrolet Corvette С7 состеклопластиковой рессорой- в задней подвеске Volvo 960, позже переименнованного в Volvo S90 (седан),V90 (универсал) (Рис. 1.6);- Volvo XC90 в моделях второго поколения с 2016 года (Рис. 1.7);- Mercedes-Benz Sprinter в передней подвеске для автомобилей с 1995 года(Рис.

1.8);- Smart ForTwo Mk1-Mk3 (Рис. 1.9);- Volkswagen XL1 (прототип);- в передней подвеске Indigo 3000 (Рис. 1.10).15Рис. 1.6. Стеклопластиковая рессора автомобиля Volvo 960Рис. 1.7. Стеклопластиковая рессора автомобиля Volvo XC90Рис. 1.8. Передняя подвеска автомобиля Mercedes Sprinter16Рис. 1.9.

Передняя подвеска Mercedes Smart ForTwoРис. 1.10. Передняя часть автомобиля Indigo 3000 со стеклопластиковойрессорой17Из анализа исследовательских работ, проводимых в этой областиисследователями: Панкай Сайни, Ашиш Гоель, Душант Кумар, ДабасахебГайквард, Рахи Санкусар, Самер Вах [5, 6, 7] в различных странах (США,Германия, Англия, Франция, Япония, СССР и др.) можно выделить рядпреимуществ упругих элементов, выполненных с применением ПКМ, передстальными:- существенное снижение массы на 50...80 %;- производство композитного упругого элемента существенно дешевле примассовом производстве;- высокая коррозионная стойкость к воздействию атмосферных факторов;- повышение комфорта при движении и снижение шума из-за отсутствиямежлистового трения, в связи с этим также повышается безопасность;- повышение долговечности в 3–5 раз за счет медленного разрушенияупругого элемента из-за постепенного разрушения армирующих волокон (а немгновенное разрушение, которое происходит с металлической рессорой) или приразрушении связующего армирующие волокна такой еще сохраняет своюработоспособность;- композитный упругий элемент имеет большую прочность по отношению кего плотности.- К недостаткам упругих элементов, выполненных из ПКМ можно отнестиследующее:- высокая стоимость при штучном производстве;- возможность выхода из строя из-за расслоения материала (в случае рессор)и из-за неправильной технологии изготовления;- нестабильностьмеханическихсвойствприизготовлении,из-занеоднородности материала, а также при использовании примитивных технологийизготовления.Вопросы конструкции, изготовления и расчета рессор из ПКМ подробнорассмотрены в диссертации Староверова Н.Н.