Управляемый мост автомобиля: конструкция, требования и материалы

Общее устройство и принцип работы управляемого моста. Управляемый мост является ключевым узлом ходовой части автомобиля, обеспечивающим возможность поворота колес. Его конструкция включает в себя балку и поворотные кулаки, которые шарнирно соединены с ней посредством шкворней. Поворотные кулаки выполняются как единое целое с цапфами для установки подшипников ступиц колес и имеют фланцы для крепления элементов тормозных механизмов – опорных дисков или суппортов. Основная функция этого узла – восприятие и передача на балку, а далее на подвеску, всех сил и моментов, возникающих в зоне контакта колеса с дорогой.

Через поворотные кулаки на балку передаются вертикальные, боковые и продольные реакции, а также реактивные тормозные моменты. Эти нагрузки в конечном итоге передаются на подрессоренную часть автомобиля через элементы подвески, такие как листовые рессоры или другие направляющие устройства. Таким образом, управляемый мост не только обеспечивает поворот, но и является важным силовым элементом, влияющим на устойчивость и управляемость транспортного средства.

Ключевые требования, предъявляемые к управляемому мосту. Конструкция управляемого моста должна соответствовать ряду строгих технических требований. Первое требование – обеспечение стабилизации управляемых колес и наличие у них определенного угла развала. Второе – обеспечение необходимых максимальных углов поворота поворотных кулаков как вперед, так и назад для достижения требуемой маневренности автомобиля.

Третье требование касается компоновки: мост должен допускать пониженное расположение силового агрегата, что способствует снижению высоты центра масс и повышению устойчивости автомобиля. Четвертое – балка и все соединения должны обладать достаточной жесткостью, чтобы противодействовать деформациям от усилий рулевого механизма и реакций со стороны колес. Наконец, при минимальной массе весь узел должен обладать гарантированной прочностью и долговечностью на протяжении всего срока службы автомобиля.

Конструктивные особенности управляемого моста. На рис. 132 показана типовая конструкция управляемого моста. Его основой является балка, которая часто представляет собой поковку двутаврового сечения, обеспечивающую высокую жесткость при минимальной массе. В концевых частях балка имеет бобышки с отверстиями для установки шкворней. Средняя часть балки, где расположены площадки крепления рессор (поз. 5 на рис. 132), намеренно опущена относительно концов для обеспечения низкого расположения силового агрегата.

Рис. 132. Управляемый мост: 1 — опорный подшипник поворотного кулака; 2 — бобышка балки; 3 — регулировочные прокладки; 4 — шкворень; 5 — площадка крепления рессоры

Для обеспечения легкости поворота и восприятия осевых нагрузок, нижний торец бобышки балки (поз. 2) опирается на поворотный кулак через опорный подшипник (поз. 1). Этот подшипник может быть выполнен в виде пары "стальное кольцо – бронзовая шайба" или как упорный шариковый/роликовый подшипник. Важным элементом конструкции являются регулировочные прокладки (поз. 3), размещаемые между верхним торцом бобышки и поворотным кулаком, которые позволяют точно регулировать осевой зазор.

Углы установки управляемых колес и их стабилизация. Для обеспечения устойчивого движения и возврата колес в нейтральное положение после поворота оси шкворней устанавливаются с наклонами в двух плоскостях. Наклон в поперечной плоскости, известный как поперечный угол наклона шкворня, способствует стабилизации колес. Дополнительно для улучшения сцепных свойств и стабилизации управляемые колеса устанавливаются с определенными углами развала и схождения.

Угол развала – это наклон плоскости колеса относительно вертикали, а схождение – разница в расстояниях между передними и задними точками колес одной оси. Совместное действие развала и продольного угла наклона шкворня (кастера) создавает стабилизирующий момент, который стремится вернуть колеса в положение прямолинейного движения, что снижает усилие на руле и износ шин.

Материалы для изготовления основных деталей управляемого моста. Выбор материалов для деталей управляемого моста регламентируется высокими требованиями к прочности и износостойкости, особенно для узлов трения. Согласно данным таблицы 9, для изготовления балки применяются стали марок 45, 30Х, 40Х с твердостью сердцевины НВ 241—285. Поворотный кулак, испытывающий значительные циклические нагрузки, производится из сталей 30Х или 40Х и часто дополнительно упрочняется методом накатки галтели цапфы.

Наиболее критичная деталь – шкворень – изготавливается из сталей 45 или 50 и подвергается поверхностной закалке ТВЧ (токами высокой частоты) на глубину 1,5–2,0 мм до твердости HRC 57—65. Альтернативно, для шкворней могут использоваться цементуемые стали 20Х, 20ХН, 18ХГТ, которые после цементации на глубину 1,0–1,5 мм также достигают высокой поверхностной твердости HRC 58—62, что обеспечивает их исключительную износостойкость.

Методика определения размеров основных деталей моста. Основные геометрические параметры балки управляемого моста определяются из условий обеспечения прочности и жесткости. Рекомендуемые соотношения для двутаврового сечения балки показаны на рис. 133, где штриховой линией обозначено эквивалентное расчетное сечение. Моменты сопротивления такого сечения составляют примерно Wв = 20a³ в вертикальной плоскости и Wг = 5,5a³ в горизонтальной плоскости, где "a" – ключевой конструктивный размер.

Для предварительного расчета момента сопротивления изгибу балки (W) в зоне крепления рессоры используется эмпирическая формула: W = m_п l / 2200, где m_п – масса подрессоренной части, приходящаяся на мост (в кг), а l – расстояние от центра колеса до середины опоры рессоры (в см). Высота концевой бобышки обычно принимается равной высоте сечения балки, а диаметр шкворня составляет 0,35–0,45 от этой высоты. Длина втулок в поворотном кулаке обычно равна 1,25–1,50 от диаметра шкворня для обеспечения достаточной опорной поверхности и долговечности.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: П. П. Лукин; Г. А. Гаспарян; В. Ф. Родионов; К. Ю. Чириков.

Источник: Конструирование и расчет автомобиля. Необычные двигатели.

Данные публикации будут полезны студентам автомобилестроительных и транспортных специальностей, начинающим инженерам-конструкторам и технологам автопрома, а также всем, кто интересуется глубоким пониманием процессов проектирования и компоновки современных автомобилей.