Диссертация (1025303), страница 4
Текст из файла (страница 4)
На Рис. 1.21 представлена подвеска МЗКТ 6001, стальнаяпружина такой подвески имеет большую длину, что вызывает компоновочныесложности. При использовании пружин из ПКМ в таких автомобилях можносущественно уменьшить длину таких пружин за счет уменьшения количестварабочих витков, при этом энергоемкость можно оставить на прежнем уровне.Рис. 1.21. Подвеска МЗКТ 600128Вышесказанное можно продемонстрировать на примере сравнения стальнойпружины и ее стеклопластикового аналога КМ полной массы 42 тонны, с массой,приходящейся на одно колесо 5,25 тонн. Параметры пружин приведены вТаблице 1. Из таблицы видно, что при использовании стеклопластиковой пружинытакой же жесткости и с одинаковым ходом и наружным диаметром, свободнаядлина композитной пружины меньше на 168 мм, масса пружины меньше почти в 4раза, максимальные напряжения меньше почти в 2,5 раза.
При расчетестеклопластиковой пружины использовались упругие параметры материала,расчет которых приведен в следующих главах диссертации.Таблица 1.Сравнение параметров стальной и стеклопластиковой пружины для автомобиляполной массы 42 тонныЗначение параметраПараметрДиаметр прутка пружины, d пжПараметр пружины, c Dсрd пжЧисло рабочих витков, iпжСтальная пружинаКомпозитная пружина46 мм60 мм3,62,512,5 шт.6 шт.maxМаксимальные напряжения, пж653 МПа267 МпаМаксимальная деформация190 мм190 ммпружины, maxпжДлина пружины в свободном878 мм710 ммсостоянииМасса пружины95 кг25 кгПомимо этого, преимущество композиционных материалов по сравнению сметаллами в их высокой прочности и легкости, кроме того, ПКМ не подверженыкоррозии, работают в широких диапазонах температур, имеют хорошую стойкостьк кислотным и щелочным средам – все это позволяет их эксплуатировать вэкстремальных погодных условиях.Пружины из ПКМ пока применяются редко из-за особенностей процессаизготовления, а также сложностей, возникающих при их проектировании.29Основная проблема при проектировании таких пружин заключается в том, чтоПКМ обладают свойствами анизотропии, как следствие, в зависимости отприменяемойтехнологиипроизводствавозможенсущественныйразбросфизических свойств пружин.
Кроме того, при расчете таких пружин возникаетсложность прогнозирования их упругих характеристик из-за необходимости учетареологических свойств. Несмотря на такой недостаток пружины из ПКМ обладаютрядом преимуществ, которые металлические упругие элементы иметь не могут.С развитием современных технологий и с появлением цифровых системконтроля, появляется возможность изготавливать пружины из ПКМ с высокойточностью,атакжеснизкимиматериальнымизатратами.Оправка,предназначенная для изготовления пружин из ПКМ, должна быть подвергнутажесткому инструментальному контролю для минимизации рассеивания размеровпружин.
Кроме того, геометрия оправки должна учитывать возможную усадкуматериала. По данным [13] разброс геометрических значений пружин из ПКМ непревышает 0,13%, а разброс нагрузочной характеристики такой пружины непревышает 1,09%.Когда пружина нагружена, происходит скручивание прутка, поэтомунаружные слои пружины, представляющие собой нити стекловолокна, намотанныепод углом близким к 45°, находятся под действием растягивающих усилий. Пределпрочности стеклянных волокон в почти в 40 раз превосходит прочностьэпоксидного связующего. Внешние слои действуют сжимающими силовымифакторами на оставшиеся слои пружины, в результате чего, они препятствуютполомке пружины, препятствуя разрушению связующего и расслоению. Такоеповедение армирующего материала в витке пружины обеспечивает хорошуюусталостную выносливость. Согласно данным [13] композиционный материалпружины фактически увеличил свою несущую способность на 9% в результате егоусталостного нагружения, тогда как несущая способность стальных пружин падаетс накоплением циклов усталости.
Помимо этого, пружины, выполненные из ПКМс высокой степенью армирования, обладают очень малой ползучестью в отличииот рессор, выполненных из ПКМ.30Другая особенность композитов проявляется в вязкоупругом гистерезисномдемпфировании, возникающем в слоях композита. Гистерезисное демпфированиене зависит от частоты колебаний, поэтому такое поведение композита даетвозможность поглощать частично высокочастотные вибрации от дорожнойповерхности, что особенно актуально для современных автомобилейснизкопрофильными шинами высокой жесткости. Высокочастотные колебанияпередаются через пружины на несущую конструкцию и человека, при этомобычный амортизатор не способен погасить эти вибрации, т.к. демпфирование вамортизаторе имеет практически линейный характер, что не позволяетобеспечивать необходимый уровень демпфирования на всем диапазоне частотвозмущающего воздействия.
Все это позволяет снизить шум и вибрации вавтомобиле в целом и повысить виброзащиту экипажа.Стеклопластиковые пружины могут быть установлены на легковые икоммерческие автомобили без внесения изменений в конструкцию подвески, вотличии от стеклопластиковых рессор, для которых требуется разработкаспециальных закреплений, при этом простая замена металлической пружины настеклопластиковую позволяет снизить неподрессоренную массу на 4-6 кг взависимости от конструкции подвески, а в случае грузовых КМ и машинспециального назначения разница становится на порядок больше.Необходимо также отметить возможность применения стеклопластиковыхвинтовых пружин для колесных вездеходных транспортных средств на шинахнизкого давления, предназначенных для освоения Арктических зон РФ, районовКрайнего Севера и Дальнего Востока.
При эксплуатации вездеходов в этихусловиях необходимо обеспечить длительное функционирование системыподрессоривания колес при очень низких температурах окружающей среды, вплотьдо -60ºС. Такие природно-климатические условия, в частности температураэксплуатации, является одним из определяющих условий работоспособностиматрицы композиционного материала. Физико-механические свойства, в частностипрочность стеклопластика на основе эпоксидной матрицы, даже несколькоувеличиваются при понижении температуры вплоть до -250ºС [15].Это31обстоятельство открывает новую область применения предлагаемых упругихэлементов и еще больше повышает актуальность данной работы.Производство стеклопластиковых пружин в масштабе крупносерийногопроизводства будет сопоставимо по стоимости, чем производство стальныхпружин из-за отсутствия необходимости высокотемпературной обработки.
Кромеэтого, возможно изготавливать пружины из ПКМ с нелинейной нагрузочнойхарактеристикой. Технологический процесс изготовления композитных пружин, вотличии от стальных, позволяет создавать пружины с различными угламиармирования и переменным диаметром прутка, что открывает возможности дляболее тонкой настройки нагрузочной характеристики пружины. Технологияпроизводства пружин из ПКМ позволяет изготавливать пружины со смещениемдействия силы относительно оси пружины, такие пружины могут найти своёприменение в подвесках автомобилей типа Макферсон.Анализ применения ПКМ в автомобильной отрасли устанавливает тенденциик росту использования деталей из ПКМ с каждым годом. Стеклопластиковыепружины позволяют добиться не только снижения масс, но и ряда другихпреимуществ по сравнению со стальными: обеспечение больших ходов подвески,высокая прочность, отсутствие коррозии, экономически выгодное производство,хорошая усталостная выносливость, малая ползучесть, хорошие вибро- ишумоизолирующие свойства, возможность установки на место стальной пружины,возможность получения сложных форм и нагрузочных характеристик, болеевысокая частота собственных колебаний, наличие демпфирующих свойств,благодаря этому использование пружин, выполненных с применением ПКМ, вкачестве упругих элементов автомобиля является логическим и актуальнымнаправлением работ в данном направлении.
Широкое применение композитныхпружинвавтомобилестроениитребуетизученияновыхподходовкпроектированию, т.к. в таких элементах необходимо учитывать внутренние потери,поэтому актуальным вопросом является создание метода расчета таких пружин.321.2. Способыдинамическогомоделированияупругогоповеденияконструкционных материалов с учетом реологических процессов.Дляописанияупругодемпфирующегоповедениятелразработанызакономерности и сформулированы понятия, которые используются в реологии –науке о деформациях и текучести вещества.
Реологическое поведение характернодля ряда материалов: полимеров, стекла и других. Такое поведение материаловдает множество возможностей для промышленного их использования. В результатеприменения различной обработки можно придать изделиям из ПКМ различныесвойства:демпфирующие,прочностные,повышеннойвыносливостиитермоустойчивости, пониженной ползучести и т.д.Одно из направлений, в котором развивается реология, связано с теориеймикропроцессов и основано на дискретных моделях современной физики;результаты исследований внутренней структуры материала используются дляописания внутренних процессов, протекающих в материале на уровне межатомныхи молекулярных взаимодействий.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
