лист рессоры

Формула изобретения

ЛИСТ РЕССОРЫ, имеющий поперечное сечение в виде прямоугольника постоянного сечения по длине и примыкающей к нему своим большим основанием равнобедренной трапеции с высотой, уменьшающейся от средней части к концам листа, отличающийся тем, что, с целью повышения эксплуатационной надежности, меньшее основание трапеции выполнено с шириной, увеличивающейся от средней части к концам листа при постоянной или увеличивающейся от средней части к концам листа ширины большего основания.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к машиностроению, в частности к малолистовым рессорам транспортных средств.

Известны малолистовые рессоры, состоящие из листов постоянной ширины, с уменьшающейся от центра к концам по параболическому закону толщиной. Поперечное сечение таких листов имеет прямоугольную форму [1] .

Недостаток этих листов заключается в неэффективном использовании металла из-за прямоугольной формы поперечного сечения. В процессе эксплуатации под действием вертикальных нагрузок рессорные листы изгибаются и на их поверхности возникают напряжения растяжения и сжатия. При прямоугольной форме поперечного сечения эти напряжения равны по абсолютной величине. В то же время известно, что для рессорных сталей сжимающие напряжения могут превышать растягивающие до 20% и более. Перераспределение сжимающих и растягивающих напряжений может быть достигнуто при использовании рессорных листов, имеющих специальную форму поперечного сечения, например трапециевидную, Т-образную, П-образную, что позволяет повысить эффективность использования рессорной стали и, следовательно, снизить металлоемкость рессоры.

Известен лист рессоры, в котором использована специальная форма поперечного сечения, позволяющая перераспределять напряжения растяжения и сжатия и тем самым более эффективно использовать металл. Поперечное сечение рессорного листа состоит из прямоугольника постоянной толщины по длине листа и примыкающей к нему своим большим (нижним) основанием равнобедренной трапеции, высота которой убывает от средней части к концам листа по линейному закону. Ширина верхнего (меньшего) основания трапеции постоянна по длине листа, а ширина нижнего ее основания убывает от центра к концам листа [2] .

Недостаток известного рессорного листа - пониженная эксплуатационная надежность рессоры. Это связано с закономерностями изменения толщины листа при постоянстве ширины верхнего основания примыкающей трапеции приводит к значительной неравномерности распределения напряжений по длине листа при его изгибе в процессе эксплуатации. По мере удаления от центральной части листа к его концам напряжения возрастают и затем, достигая максимума, снижаются. Значительный перепад напряжений между максимальными и расчетными в центре листа приводит к снижению эксплуатационной надежности, поскольку в процессе эксплуатации рессоры в области максимальных напряжений происходит преимущественное зарождение усталостных трещин и разрушение листов.

Цель изобретения - повышение эксплуатационной надежности за счет уменьшения перепада напряжений между максимальными и расчетными в центре листа при воздействии на рессору вертикальных нагрузок в процессе ее эксплуатации.

Указанная цель достигается тем, что в листе рессоры, имеющем поперечное сечение в виде прямоугольника постоянного сечения по длине и примыкающей к нему своим большим основанием равнобедренной трапеции с высотой, уменьшающейся от средней части к концам листа, ширина меньшего основания трапеции, согласно изобретению увеличивается от срединной части к концам листа при постоянной либо увеличивающейся от срединной части к концам листа ширине ее большего основания.

Предлагаемый лист рессоры может быть получен путем периодической продольной прокатки заготовки, например между гладким и профилированным валками. Гладки (цилиндрический) валок формирует нижнюю поверхность листа, а профилированный валок формирует верхнюю профилированную поверхность листа.

На фиг. 1 изображен лист рессоры, вид сверху; на фиг. 2 - то же, вид сбоку; на фиг. 3 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 4 - разрез Б-Б на фиг. 1; на фиг. 5 - вариант выполнения листа с постоянной шириной нижнего основания трапеции.

Лист имеет центральный (срединный) участок 1 постоянной толщины, концевые участки 2 постоянной толщины и переходные участки 3 переменной толщины. Постоянство толщины на центральном участке обеспечивает удобство сборки листов в рессорный пакет. Поперечное сечение участков 1 и 2 состоит из прямоугольника и примыкающей к нему своим большим основанием трапеции. Поперечное сечение концевых участков имеет прямоугольную форму (фиг. 4). При изготовлении листа боковым сторонам трапеции можно придать закругленную форму, например, по параболе или дуге окружности. Лист получают путем периодической продольной прокатки.

Ширина верхнего основания трапеции постоянна по длине центрального участка и увеличивается от b_ц до b_п по мере удаления от центра листа на переходном участке. В частном случае увеличение ширины может осуществляться по линейному закону. Между шириной В листа и величинами b_ц и b_п выполняются следующие соотношения: b_ц < b_п В. Ширина нижнего основания примыкающей трапеции С постоянна в центральной части листа С_ц, а на переходном участке увеличивается от С_ц до С_п = b_п либо может быть постоянной С = С_ц, как показано на фиг. 5. Высота Н сечения листа имеет максимальное значение в центре листа Н_ц и убывает по линейнному закону на переходном участке от Нц до а по мере удаления от центра листа. Толщина концевых участков а постоянна по длине. Ширина В листа постоянна по его длине. Лист в рессоре жестко закреплен в центральной части, а на его концы на расстоянии L от центра действует вертикальная нагрузка Р (фиг. 2).

Распределение напряжений по длине листа под воздействием вертикальных сил следующее. Лист может использоваться в рессорной подвеске большегрузного автомобиля. Ширина листа В = 90 мм. Расчетная длина рессоры 2L = 1500 мм, соответственно расстояние от центра до опоры L = 750 мм. Статическая нагрузка на один лист составляет Р_л = 720 даН, а нагрузка на опору Р = Р_л/2 = 360 даН. По проектному расчету толщина листа в центральной части Н_ц = 19 мм, толщина концевых участков а = 8 мм. Ширина верхнего основания примыкающей трапеции в центре b_ц = 60 мм. Угол наклона боковых сторон трапеции к вертикальной оси = 20^о (такой угол наклона приведен для листа-прототипа). Отсюда С_ц = (Н - а) 2tg + b_ц = 68 мм. Длина центрального участка постоянной толщины (2lц) = 180 мм. Расстояние от центра до конца переходного участка l_п = 620 мм. На основании представленных исходных данных произведен проверочный расчет распределения растягивающих напряжений по длине переходного участка рессорного листа. Расчет произведен для трех вариантов выполнения заявляемого листа: 1) постоянство ширины нижнего основания трапеции, т. е. b_п = С_ц = С = 68 мм; 2) ширина в конце переходного участка bп = 78 мм, т. е. В > b_п > С_ц; 3) ширина в конце переходного участка b_п = В = 90 мм. Для сравнения приведены результаты расчета напряжений листа-прототипа, у которого b_п = bц = 60 мм, С_ц > С_п. Порядок расчета и вывод расчетных формул производится в следующей последовательности. Размеры элементов сечения H, b, C - определяются из известных соотношений аналитической геометрии; геометрические характеристики сечений и расчет напряжений - из соотношений сопротивления материалов.

Определение высоты Н сечения листа на переходном участке при линейном законе ее изменения производится по формуле

H = k_н Z + b_н, где Z - текущая координата - расстояние от центра листа до выбранного сечения;

k_н и b_н - постоянные коэффициента, определяемые из условия:

при Z = l_ц Н = Н_ц

при Z = l_п Н = а отсюда k_н= ; b_н = Н_ц - k_нl_ц.

Определение ширины b верхнего основания на переходном участке, задаваясь линейным за окном ее изменения

b = k_вZ + b_в, где k_в и b_в - коэффициенты, определяемые из условия:

при Z = l_ц b = b_ц

при Z = l_п b = b_п , откуда k_в= ; b_в = b_ц - k_вl_ц.

Определяем ширину нижнего основания трапеции

С = b + 2 (H - a) tg.

(В частном случае для первого варианта листа С = b_п = С_ц = 68 мм).

Определяем площадь поперечного сечения как разность между площадь прямоугольника размером B х Н и площадью дополняющей трапеции со сторонами (B - b), (B - с) и высотой (Н - а)

F = BH - (H-a) = BH - (H-a) (B - ).

Определяем плечо l_р растяжения и сжатия l_с (расстояние от нейтральной оси сечения до поверхности растяжения и сжатия):

l_с= ; l_p = H - l_c, где S_в - статический момент сечения относительно оси, проходящей через меньшее основание трапеции.

Для удобства расчетов определяем S_в как разность между статическим моментом прямоугольника размером В х Н и статическими моментами дополняющего прямоугольника размером (В - С)х(Н - а) и дополняющего равнобедренного треугольника с шириной основания (С - b) и высотой (Н - а)

S_в= - -

Определяем момент инерции сечения относительно нейтральной оси

I= I_в Fl_c², где I_в - момент инерции относительно оси, проходящей через верхнее основание, определяем из тех же геометрических построений, что и статический момент. I_в= - -

Определяем растягивающие напряжения

_р= , где W_p - момент сопротивления на растяжение = .

Расчет по приведенным формулам производился на программируемом микрокалькуляторе "Электроника МК 52" по специально составленной программе. Результаты расчета растягивающих напряжений для трех вариантов предложенного листа и листа-прототипа приведены в таблице. Приведены напряжения в центре листа, в начале и конце переходного участка (они одинаковы для всех рассматриваемых листов) и на длине переходного участка (в интервале 400-600 мм от центра, где наблюдается максимум напряжений, расчеты выполнялись через каждые 25 мм).

Анализ приведенных в таблице результатов свидетельствует, что у всех рессорных профилей максимум растягивающих напряжений находится на расстоянии 450-475 мм от центра. Однако, если у листа-прототипа превышения максимума растягивающих напряжений по сравнению с напряжениями в центре листа составляет 5,1 даН/мм² или 9,2% ( 100), то у предлагаемого листа это превышение находится в интервале 3,7 - 0,5 даН/мм² или 6,7-0,9% . Таким образом, предлагаемый лист при всех вариантах его выполнения обеспечивает снижение максимума напряжений по сравнению с прототипом, что подтверждает получение положительного эффекта.

Листы, полученные периодической прокаткой, подвергают порезке и последующей механической обработке, зависящей от конструкции рессоры. В частности, производится пробивка центрового отверстия и подгибка концов.

Подготовленные рессорные листы подвергаются термообработке, дробенаклепу, после чего производится сборка листов в рессорный пакет. Рессорный пакет стягивают центровым болтом. Контактирование листов в рессорном пакете осуществляется по центральной части и по концам, для чего производилась их подгибка. Рессора в транспортном средстве жестко крепится центральной частью к оси колеса. Концы рессоры опираются на специальные кронштейны рамы автомобиля и могут перемещаться в продольном направлении. В процессе работы рессора под действием вертикальной нагрузки изгибается, обеспечивая плавность хода автомобиля, при этом концы листов смещаются относительно друг друга в продольном направлении.

Благодаря повышению прочности и эксплуатационной надежности уменьшается вероятность поломок рессор, повышается эффективность использования автомобиля за счет снижения простоев, связанных с поломкой и заменой сломавшихся рессор. (56) 1. Горелик А. М. Малолистовые рессоры. М. : НИИНАвтопром, 1981, с. 191.

2. Авторское свидетельство СССР N 757353, кл. F 16 F 1/18, 1980.