ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИЧИН РАЗРУШЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ПОДВЕСКИ ТРАНСПОРТНЫХ МАШИН

Маломыжев О.Л.¹, Федотова Н.Е.², Скутельник В.В.³

¹ORCID: 0000-0001-9964-4567, Кандидат технических наук,

²ORCID: 0000-0001-7719-6812, Кандидат экономических наук,

³ORCID: 0000-0003-4478-2983, Кандидат технических наук,

Иркутский национальный исследовательский технический университет

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИЧИН РАЗРУШЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ПОДВЕСКИ ТРАНСПОРТНЫХ МАШИН

Аннотация

Исследованы причины разрушения деталей подвески транспортной машины. Тенденция развития современных транспортных машин направлена на уменьшение их веса и габаритных размеров. В результате, большинство элементов подвески выполняется с минимальным запасом прочности. Это в полной мере относится к направляющему аппарату подвески, в том числе рычагам. Одновременно стремление производителей к совершенствованию подвесок приводит к применению принципиально новых конструкционных решений вызывающих. При этом, производители зачастую сохраняют конструкцию отдельных деталей подвески, прочность и надёжность которых подтверждена опытом эксплуатации. Однако, изменение схем нагружения этих деталей может приводить к снижению запаса их прочности и даже разрушению. При внесении конструктивных изменений в подвеску автомобиля, даже при полном сохранении прочих характеристик транспортной машины, необходимо выполнять поверочный прочностной расчёт деталей, у которых изменяется распределение нагрузки.

Ключевые слова: подвеска, упругий элемент, амортизатор, стабилизатор поперечной устойчивости, гидравлическая стабилизация кузова.

Malomyzhev O.L.¹, Fedotova N.E.², Skutelnik V.V.³

¹ORCID: 0000-0001-9964-4567, PhD in Engineering,

²ORCID: 0000-0001-7719-6812, PhD in Economics,

³ORCID: 0000-0003-4478-2983, PhD in Engineering,

Irkutsk national research Technikal University

A STUDY ON THE CAUSES OF THE DESTRUCTION OF THE ELEMENTS UNDER STRONG VEHICLES

Abstract

Investigated the causes of the destruction of parts of the vehicle suspension machine. based on the conducted analysis it was found that the trend of development of modern transport vehicles is aimed at reducing their weight and dimensions. As a result, most of the suspension components you receive with a minimal margin of safety. This fully considers the guide vanes of the suspension, including control arms. The simultaneous desire of manufacturers to improve the suspensions leads to the use of a fundamentally new structural solutions causing. Thus, manufacturers often keep the design a separate suspension components, durability and reliability have been confirmed by experience that operation. However, the change of schemes of loading of these parts can lead to a decrease in margin of strength and even destruction. When making structural changes to its suspension, even at half-strength preserving other characteristics of the traffic machine, you should perform the verification strength calculation of parts, which changes the load distribution.

Keywords: suspension, elastic element, shock absorber, stabilizer bar, hydraulic stabilization of the body.

 

Приведён анализ причин разрушения деталей подвески, на примере автомобиля Infiniti QX56, и в результате получена возможность на стадии проектирования предусмотреть и избежать разрушения деталей подвески.

У рассмотренного, в качестве примера, автомобиля марки INFINITI QX56, выпуска 2013 г. разрушен нижний передний рычаг задней подвески (рис. 1). Разрушенный рычаг заменён новым (рис. 2).

Рис. 1 – Разрушенный рычаг подвески

Рис. 2 – Точка крепления стабилизатора (кронштейн) поперечной устойчивости к рычагу задней подвески

Для определения причины разрушения рычага подвески был проведён анализ конструкций подвесок автомобилей Infiniti QX56 с целью выяснения их различий. По данным [1, С. 118], [2. С.137] с 2010 г. по 2013 г. задняя подвеска автомобилей Infiniti QX56 оснащалась стабилизатором поперечной устойчивости. Назначением стабилизатора поперечной устойчивости является снижение крена кузова автомобиля при движении на повороте. Устройство стабилизатора поперечной устойчивости [3, С. 89] обеспечивает снижение крена кузова автомобиля при движении на вираже, а также при наезде одним из колёс на относительно высокое препятствие. При своей работе стабилизатор поперечной устойчивости передаёт усилие от одного рычага подвески к другому и создаёт на них знакопеременную нагрузку. При этом стабилизатор препятствует крену автомобиля только в поперечном направлении и связывает между собой рычаги одной оси автомобиля.

С 2013 г. автомобили Infiniti QX56 стали оснащать гидравлической системой стабилизации кузова – Hydraulic Body Motion Control (далее по тексту HBMC), которая обеспечивает плавность хода автомобиля, снижает крен кузова, как в поперечном, так и в продольном направлениях, а следовательно выполняет функцию стабилизатора поперечной устойчивости, как задней, так и передней подвесок. В основе HBMC лежит гидравлическая система. В стойке каждого колеса имеется гидроцилиндр со штуцерами выше и ниже поршня. Верхние штуцеры правых цилиндров подключены к нижним штуцерам левых цилиндров и наоборот. В каждый из двух гидравлических контуров встроен гидроаккумулятор, принимающий или отдающий часть жидкости при синхронной работе цилиндров. При движении автомобиля на вираже, давление жидкости над поршнями внешних гидроцилиндров (наиболее отдалённых от центра поворота) растет, вследствие воздействия центробежных сил. Жидкость переходит во внутренние цилиндры и толкает их поршни вверх, сжимая подвеску и препятствуя разгрузке внутренних (расположенных ближе к центру поворота) колес. Вся подвеска в целом становится жестче, активно противодействуя крену автомобиля. Интенсивность работы системы зависит от скорости и крутизны поворота, то есть всегда органично соответствует ситуации. Важнейшее преимущество гидравлической подвески над пружинной заключается в следующем: жесткость пружины возрастает пропорционально ходу подвески. В Infiniti пружины и гидроцилиндры работают сообща. Система HBMC позволяет применить очень мягкие пружины, которые обеспечивают отличную плавность хода. Кроме того, чем мягче пружины, тем больше ход подвески, что положительно сказывается на езде по бездорожью.

Стабилизатор поперечной устойчивости, при выполнении своих функций, создаёт нагрузку на передних рычагах задней подвески в точках его крепления (кронштейнах). Точка крепления стабилизатора (кронштейн) поперечной устойчивости к рычагу задней подвески приведена на рис. 2. При этом, на рычаг подвески прикладывается знакопеременная нагрузка F_c от стабилизатора поперечной устойчивости в точке, расположенной в непосредственной близости от точки соединения рычага со ступицей колеса и нагрузка F_y от упругого элемента подвески приложена в точке, расположенной в средней части рычага (рис. 3).

Рис. 3 – Распределение нагрузки рычаг подвески при наличии стабилизатора поперечной устойчивости

Для данной схемы нагружения переднего рычага задней подвески, наибольшее значение изгибающего момента M_i в зоне разрушения можно определить ка сумму моментов сил, действующих на рычаг относительно точки А при повышении нагрузки на колесо можно рассчитать по формуле

,

где R_z – вертикальная реакция дороги в момент повышения нагрузки на колесо;

b и a – расстояния от мест воздействия на рычаг подвески сил R_z и F_c до точки A, соответственно.

В итоге, воспринимаемая рычагом нагрузка, распределена по двум его частям, что в соответствии с [4, С. 267] обеспечивает его достаточную прочность.

При установке на автомобили системы HBMC её гидроцилиндры объединены в один узел с упругими элементами подвески. Динамические нагрузки, воспринимаемые рычагами подвески, обусловлены работой как упругих элементов, так и гидроцилиндров системы HBMC, что способствует увеличению нагрузок на кронштейны крепления амортизаторов к нижним передним рычагам задней подвески (рис. 4, (позиция 1 рис. 1)).

Рис. 4 – Нагружение нижнего рычага подвески при наличии системы HBMC

При этом, изгибающий момент M_i в зоне разрушения составит

Очевидно, что изгибающий момент в зоне разрушения имеет значительно большее значение, что требует повышения прочностных свойств рычага в зоне его разрушения.

У исследуемого автомобиля Infiniti QX56 выпуска 2013 г. нижние передние рычаги задней подвески не имеют конструктивных отличий от соответствующих рычагов автомобилей, не имеющих систему HBMC, что подтверждается наличием на рычагах кронштейнов крепления стабилизатора поперечной устойчивости (рис. 2), не предусмотренного в конструкции исследуемого автомобиля. Иначе говоря, при установке гидравлической системы, снижающей крен кузова автомобиля, инженеры-конструкторы не внесли изменение в конструкцию нижнего переднего рычага подвески, основываясь на том, что практический опыт эксплуатации подтвердил его высокую надёжность, а также на том, что масса машины практически не изменилась.

Таким образом, нижние передние рычаги задней подвески автомобиля Infiniti QX56, выпуска 2013 г. подвержены воздействию дополнительных динамических нагрузок в местах расположения кронштейнов крепления амортизаторов подвески, что создаёт существенный изгибающий момент в зоне разрушения, указанной на рис. 4 и в итоге разрушение рычага подвески. Возникновение изгибающего момента подтверждается тем, что рычаг разрушился возле места крепления кронштейна амортизатора (рис. 1). Если бы в конструкцию рычага были внесены изменения – усиление зоны возле кронштейна крепления упругого элемента и гидравлического стабилизатора HBMC, то разрушения рычага не произошло бы.

Разрушение рычага подвески рассмотренного автомобиля вызвано усталостным разрушением вследствие возникновения воздействия на рычаг дополнительного изменяющегося по величине изгибающего момента в зоне кронштейна крепления амортизатора и упругого элемента подвески.

Дополнительный изменяющийся по величине изгибающий момент на рычаге подвески является следствием изменения схемы его нагружения после применения в подвеске системы гидравлической стабилизации кузова HBMC.

При внесении конструктивных изменений в подвеску автомобиля, даже при полном сохранении прочих характеристик транспортной машины необходимо выполнять поверочный прочностной расчёт деталей у которых изменяется распределение нагрузки.

Список литературы / References

1. Infiniti QX56 2004 – 2010 гг с бензиновым двигателем VK56DE (5,6). Ремонт. Эксплуатация. ТО. [Текст] – Новосибирск: Автонавигатор, 2012. – 504 с. – ISBN  978-5-98410-073-1
2. Infiniti QX56 модели Z62 выпуска 2010 – 2013 гг с бензиновым двигателем VK56VD Руководство по эксплуатации, устройство, техническое обслуживание, ремонт. [Текст] – Новосибирск: «Автонавигатор», 2015. – 470 с. – ISBN 978-5-98410-111-0
3. Раймпель Й. Шасси автомобиля [Текст]: Т. 1 под редакцией И.Н. Зверева / Й. Раймпель – М.: Машиностроение, 1983. – 356 с.
4. Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя [Текст]: Т.1 / В.И. Анурьев – 8-е изд. – М.: Машиностроение, 2001. – 920 с.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Infiniti QX56 2004 – 2010 gg s benzinovym dvigatelem VK56DE (5,6). Remont. Ehkspluataciya. TO. [Infiniti QX56 2004 – 10 jj with a petrol engine VK56DE (5,6). Repair. Operation.] [Tekst] – Novosibirsk.: Avtonavigator, 2012 – 504 p. – ISBN  978-5-98410-073-1 [in Russian]
2. Infiniti QX56 modeli Z62 vypuska 2010 – 2013 gg s benzinovym dvigatelem VK56VD Rukovodstvo po ehkspluatacii, ustrojstvo, tekhnicheskoe obsluzhivanie, remont. [Infiniti QX56 Z62 model release 2010 – 2013 with a petrol engine VK56VD the user Manual for the device, maintenance, repair.] [Tekst] – Novosibirsk: "Avtonavigator", 2015 – 470 p. – ISBN 978-5-98410-111-0 [in Russian]
3. Rajmpel J. Shassi avtomobilya [Car chassis] [Текст]: 1 pod redakciej [V. 1, edited by] I. N. Zverev / J. Rajmpel – M.: Mashinostroenie, 1983 – 356 p. [in Russian]
4. Anur'ev V.I. Spravochnik konstruktora-mashinostroitelya [Reference designer-mechanical engineer] [Tekst]: T.1 / V.I. Anur'ev – 8-e izd. – M.: Mashinostroenie, 2001. – 920 p. [in Russian]