Расчет подшипников ступиц колес.
Расчет подшипников ступиц колес заключается в определении долговечности (ресурса).
Параметрами нагрузочного режима подшипниковых узлов ступиц являются: вертикальная нагрузка Fz, боковая нагрузка Fy и относительный пробег γs.
1) прямолинейное движение
где mк — масса автомобиля, создающая нормальную нагрузку на одно колесо;
mн.к — неподрессоренная масса, отнесенная к рассматриваемому колесу;
Если 
, то 
Если 
, то 
Движение на повороте
Радиальная Fr и осевая Fa силы от внешней нагрузки прикладываются в центрах внутреннего I (FrI и FaI) и внешнего II (FrII FаII) подшипников.
Левый поворот 
Правый поворот 
Расчет сил Fr и Fa, действующих на подшипники ступиц ведущего моста с полуразгруженными полуосями, производится аналогично в соответствии со схемой.
Далее производится расчет эквивалентной динамической нагрузки подшипников:
,
где X, Y – коэффициенты радиальной и осевой нагрузки
V – коэффициент вращения
Расчет приведенной нагрузки подшипников:
, где
КД1=1 – коэффициент внутренних динамических нагрузок
КД2=1,75 – коэффициент внешних динамических нагрузок
КТ – температурный коэффициент
КМ – коэффициент материала
Р=3,33 – для роликовых подшипников, р=3 – для шарикоподшипников.
С – динамическая грузоподъемность
Если подшипник эксплуатируется на нескольких режимах, то
, где n – число режимов эксплуатации, γi – пробег.
Пересчет ресурса в километры пробега:
, где
— число оборотов подшипника за 1 км пробега
Unk – передаточное число от подшипника к колесу.
Билет 17 Билет 17
Дата добавления: 2018-10-27 ; просмотров: 830 ; Мы поможем в написании вашей работы!
Расчет подшипников ступиц колес
Подшипники ступиц колес устанавливают так, чтобы расстояние между центрами подшипников было достаточным для уменьшения прикладываемых к подшипникам усилий, которые создают изгибающие моменты от боковых сил. Центром подшипника называют точку на оси подшипника, через которую проходят линии действия сил, передаваемых телами качения. Внутренний подшипник, обычно имеющий большую грузоподъемность по сравнению с наружным, устанавливают ближе к центральной плоскости одинарного колеса или плоскости, равностоящей от центральных плоскостей сдвоенных колес.
Расчет заключается в определении долговечности подшипников. Для этого необходимо располагать значениями действующих на подшипники усилий.
Выбор размеров подшипников полуосей и колес производится для случая прямолинейного движения с учетом преобладающих эксплуатационных нагрузок. В качестве расчетного принимают усилие, соответствующее массе, приходящейся на колесо. Влиянием силы тяги и углом развала колес пренебрегают, поэтому способ определения усилий, действующих на подшипники ступиц колес управляемого и ведущего с разгруженными полуосями мостов, одинаков. Расчетное число оборотов подшипников колес определяется, исходя из средней скорости движения автомобиля.
Движение по прямолинейной траектории. Для упрощения принимают, что на ступицу колеса действует усилие, равное вертикальной реакции в точке контакта колеса с опорной поверхностью (рис.7.10)
Чтобы учесть боковые силы, возникающие от неровностей дороги, считают, что в точке контакта колеса с опорной поверхностью постоянно действует боковая реакция
 |
Рис. 7.10. Схема для расчета нагрузок, действующих на подшипники ступицы колеса управляемого и
Под действием этих сил (рис. 7.10) радиальные нагрузки, соответственно, на внутренний и наружный подшипники
Непосредственным действием осевой нагрузки на подшипники в этом случае пренебрегают
Движение по криволинейной траектории. Вертикальные реакции в точке контакта колеса с опорной поверхностью
R = 0,5man(3)g[1 ±2(hg /B)][v2 /(Rg)], где знак «плюс» относится к наружному, а знак «минус» к внутреннему по отношению к центру поворота колеса.
Под действием этих сил радиальная и осевая нагрузки на внутренний и наружный подшипники
Для подшипников ведущего моста с полуразгруженными полуосями (рис. 7.11) соответствующие формулы для определения нагрузок на подшипник колеса приведены также для двух расчетных режимов. Движение по прямолинейной траектории:
Fr = Rzl / а, Fa = 0. Движение по криволинейной траектории:
 Рис. 7.11. Схема для расчета нагрузок, действующих на подшипник колеса ведущего с |
Необходимая долговечность подшипников устанавливается на основе заданного ресурса автомобиля с учетом пробега между капитальными ремонтами.
Подшипники в автомобильных ступицах
Конструкторы-машиностроители, проводя некоторые расчёты, иногда цитируют своего знаменитого коллегу: «Правильно подобранный подшипник в узле с правильно рассчитанной нагрузкой – вечен»! Но на практике в автотранспортной отрасли, это, к сожалению, не всегда так.
В теории долговечность (как в часах, так и в миллионах оборотов) подшипников зависит от значений динамической грузоподъёмности и приведённой нагрузки. За расчётную долговечность группы подшипников принимается количество кругов вращений (часов при определённой неизменной скорости), за время которых 90% или более от всего количества подшипников обязаны работать исправно, без каких-либо признаков усталости материала, из которого они изготовлены.
На практике дорожные условия, ударные нагрузки, недостаток смазки и перегрев, а также неверная регулировка сокращают срок службы ступичных узлов автомобиля. Но чтобы продлить жизнь этим скромным шариковым и роликовым труженикам, о них надо просто помнить и изредка заботиться.
Нестареющая классика
В ведущих задних мостах большегрузной техники подшипники, отвечающие за вращение колеса, являются неотъемлемой частью монолитной конструкции, они служат долго и особого внимания в процессе эксплуатации не требуют. Их заменой, как правило, занимаются при среднем или капитальном агрегатном ремонте. Гораздо чаще напоминают о себе ступицы передних колёс, а не ведущие оси.
«Пассивная» ступица в большинстве случаев устанавливается на цапфу. В этом случае часто могут применяться парные роликовые конические подшипники. Такая классическая конструкция знакома не одному поколению автомобилистов. Её преимущества заключаются в доступности ремонта: для полной разборки и сборки не требуется специнструмент. Недостаток ступичных узлов с коническими подшипниками в том, что узел требует периодической регулировки преднатяга подшипников, а через определённый интервал – полной разборки, промывки и заложения свежей смазки. Параллельно в этот момент заменяют и сальники.
Для регулировки преднатяга конических роликовых подшипников используется два типа гаек: корончатая, которая стопорится шплинтом, или гайка с обминаемым пояском. Иногда конструкторы на левом борту предусматривают «обратную» резьбу, с направлением затяжки против часовой стрелки. Регулировка сама по себе не сложная, но требует определённого навыка. Перетянутый подшипник быстро выйдет из строя из-за перегрева, недотянутый начнёт усталостно разрушаться из-за ударных нагрузок. А для чуткого водителя люфтящие ступицы, особенно на передней оси, – вещь раздражающая.
Современность
Более современный вариант – закрытые двухрядные радиальные подшипники. Они используются для серьёзных нагрузок с высокой частотой осевого вращения. Шарик со своим точечным пятном контакта позволяет получить наибольшую скорость вращения в сравнении с другими типами подшипников. Двухрядные шариковые подшипники, по аналогии с их названием, имеют два ряда шариков, что позволяет использовать их при больших нагрузках, чем аналогичные однорядные тех же технических параметров, таких как диаметр внутреннего и наружного кольца.
Конструкция сферических двухрядных радиальных шариковых подшипников с внутренним кольцом позволяет им успешно работать в достаточно неблагоприятных точках нагрузок, при которых происходят перекосы осей наружного и внутреннего колец. Эти подшипники способны отлично держать радиальные нагрузки, но осевые нагрузки выдерживают немного хуже, чем роликовые.
Если говорить об автомобильных ступицах, то смазку в закрытые двухрядные радиальные подшипники закладывают при изготовлении на весь срок службы узла. Поэтому они не требуют подтяжки и дополнительного обслуживания за весь период эксплуатации. При установке такого подшипника на автомобиль ступичная гайка затягивается единожды достаточно большим моментом согласно руководству по ремонту, который в обязательном порядке контролируется динамометрическим ключом. Такого рода конструктив сплошь и рядом можно увидеть на переднеприводных автомобилях.
При ремонте ходовой части, если пришлось демонтировать подшипник такого типа, его повторная установка не рекомендуется, а иногда и вовсе не допускается производителем техники. Из практики можно сказать, что если ремонт, например, поворотного кулака не связан с ДТП, то нередко и незаменённый согласно инструкции подшипник вполне нормально доживает отведённый ему срок.
Теоретические рассуждения
Явные эксплуатационные преимущества шариковых или роликовых подшипников на автотранспорте выделить сложно из-за сильного разброса по качеству выпускаемых изделий, а также добротности, зрелости общей конструкции конкретного автомобиля. Но теоретически шариковый подшипник имеет меньший момент трения, так как пятно контакта у него точка, а не прямая как у роликового собрата, меньше шумит и почти не боится чрезмерной затяжки. Роликовый «коллега» более шумный, медлительный, но более грузоподъёмный, особенно в части пиковых нагрузок, зато требует более аккуратной регулировки преднатяга.
Сессия вопросов и ответов
Несмотря на то что эта работа требует определённого опыта и «чутья», особой сложности она не представляет. Ступичная гайка аккуратно затягивается при вывешенном колесе до тех пор, пока вращение колеса не начнётся с заметным усилием (туго). Затем очень медленно гайку отпускаем до тех пор, пока не восстановится лёгкое вращение и одновременно покачиванием колеса в осевом направлении контролируем отсутствие люфта. Появившийся люфт устраняем подтягиванием гайки с минимальным шагом. Эта процедура «аналоговая», надо потренироваться. Затем остаётся только законтрить гайку. Если ступица отрегулирована верно, то при отсутствии люфта она не должна сильно нагреваться (рука «терпит») даже после длительного движения.
Самое главное в этой операции, если нет специальных приспособлений, удалить изношенный подшипник, не повредив внутренние поверхности ступицы, и затем так же без повреждений установить новый. При наличии опыта мастер аккуратно инструментом из мягкого металла способен выбить негодный подшипник, но на это потребуется значительно больше времени, чем при использовании фирменной оснастки. Запрессовка нового подшипника осуществляется в нашем случае неспешно, с использованием наружного кольца демонтированного подшипника, самая главная ошибка – никогда для этой цели нельзя прикладывать усилия к внутреннему кольцу! Если эти условия будут выполнены, то ресурс нового подшипника не пострадает.
Для качественных изделий такой контроль не требуется, к тому же можно испортить уплотнитель. Однако из практики, мне попадались подшипники с неизвестной «родословной», под уплотнениями которых наблюдался явный дефицит смазочного материала.
На рынке огромный выбор различных пластичных (консистентных) смазок. Предпочтение следует отдать материалам на синтетической основе проверенных брендов, температурный диапазон работы смазки указан на упаковке, его необходимо сопоставить с требованиями производителя техники. Ещё необходимо убедиться, что резиновые уплотнения (сальники) совместимы с выбранным вами смазочным материалом.
Не только гул: почему ступичные подшипники такие дорогие и как они ломаются?
В Интернете слово «подшипник» часто коверкают до какого-то неведомого «подшибника». Я на месте подшипника, тем более ступичного, здорово на это обиделся бы. Деталь, может, и не слишком дорогая, но чрезвычайно важная, а её так обзывают… Это несправедливо. Поэтому сегодня будем восстанавливать доброе имя этой детали, вспоминая, зачем она нужна и почему она будет стоить всё дороже и дороже. И, конечно же, вспомним, как правильно проверить ступичный подшипник на автомобиле, и если он ещё цел, как продлить ему жизнь. Или хотя бы не сократить, ту, что отмерили ему на заводе.
Упереться и катиться
Есть ли смысл рассказывать о том, что такое ступичный подшипник и зачем он нужен? Наверное, нет. Все знают, что это тот подшипник, на котором крутится колесо. Конечно же, это подшипник качения, а не скольжения. А вот по типу эти подшипники бывают разными. Их можно поделить на две большие группы: цилиндрические и конические радиально-упорные. По типу тел качения эти подшипники тоже отличаются. Они могут быть и роликовыми, и шариковыми. В чём отличия этих двух типов?
Грубо говоря, в возможности их регулировки. Цилиндрические подшипники регулировать нельзя, а вот конические – можно. Если в таким подшипнике появился люфт, его можно подтянуть. С одной стороны, это хорошо. С другой, эта регулировка может доставлять массу проблем.
Например, на первых Шевроле Нивах передние подшипники приходилось регулировать чуть ли не каждые десять тысяч пробега, что знатно выматывало нервы владельцам этих Нив (хотя, если честно, там много что мотало нервы – и эти подшипники, и расширительные бачки, и много что ещё). С другой стороны, есть множество автомобилей прошлого, в которых такие же конструктивно подшипники служили сотни тысяч километров, а владельцы могли даже не догадываться о том, что их надо постоянно регулировать. Например, об этом редко задумывались владельцы старых Mercedes-Benz W124 или Toyota Land Cruiser 100. Так что у меня есть подозрение, что тут дело в Ниве, а не в конструкции подшипника.
Думаю, некоторые обратили внимание на фразу «множество автомобилей прошлого». Почему это прошлого? Потому что в настоящем подход к ступичным подшипникам изменился. В первую очередь именно из-за отказа от регулируемых конических радиально-упорных подшипников в пользу нерегулируемых цилиндрических. К сожалению, конические радиально-упорные подшипники – штука довольно дорогая, так что от неё стали постепенно отказываться. Кроме того, изменилась культура обслуживания автомобилей. Скажите честно, есть ли у вас привычка после каждого заезда по трассе щупать все колёса и проверять, не греется ли одно из них? А ведь для регулируемых подшипников такая процедура может считаться обязательной.
Если диск греется, пора приниматься за регулировку. Иначе подшипник может перегреться, рассыпаться, а худшем случае – и вовсе заклинить колесо. Сейчас щупать колёса руками уже совсем не модно, так что более дешёвые в производстве, неразборные и необслуживаемые цилиндрические подшипники одержали верх. Немного даже жаль, потому что они менее стойки к нагрузкам, которых по-хорошему надо избегать, но которые часто неизбежны. Например, к ударам по боковине колеса.
На отказе от регулируемых подшипников (правда, пока ещё не везде) дело не остановилось. Далее пришла вторая волна оптимизации, и теперь ступичные подшипники можно поделить на ещё два больших класса: устанавливаемые отдельно от ступицы и устанавливаемые в сборе с ней.
Ещё проще, ещё дешевле
Итак, появилось новое понятие – ступичный узел. Это такая штука, которая включает в себя не только сам подшипник, но и фланец, через который крепится колесо. Крепится оно стандартно – болтами или шпильками. Поэтому во фланце могут быть либо эти самые шпильки, либо резьба под болты. У этого решения есть два совершенно противоположных результата: это одновременно и дешевле, и дороже. Парадокс? К сожалению, в век эффективных менеджеров в автомобилестроении – нет. Это норма. Объясню, почему так получилось.
Раньше замена ступичного подшипника могла сильно затянуться из-за необходимости выпрессовывать его из ступицы. Ладно, если в сервисе есть пресс. А если его нет, то за эту работу лучше и не браться. Потому что одной газовой горелки и молотка с мускулистыми руками могло и не хватить. А вот заменить подшипник в сборе со ступицей намного проще: достаточно открутить несколько болтов. Кроме того, в случае замены ступичного узла в сборе нет такого страха напортачить с установкой подшипника. Как-то не так его затянуть, переложить или недоложить смазки. То есть, меньше ответственности.
Вроде всё прекрасно, но есть одно «но»: ступица в сборе с подшипником стоит намного дороже отдельно подшипника. Разумеется, это очень радует производителей и продавцов запчастей, но сильно огорчает тех, кто вынужден для замены одного подшипника менять всю ступицу.
Смирившись с тем, что придётся платить за замену «ступичного» больше, чем раньше, автовладельцы не сразу поняли, что доить их только начинают. Потому что почти сразу же догадались, что на ступичный узел можно поставить и ответную часть датчика ABS. Поэтому теперь иногда нужно менять дорогущий узел целиком в сборе не только из-за поломки подшипника, но и датчика ABS. Эффективные менеджеры торжествуют.
Хотя надо признать, что техническое преимущество у ступичного узла всё-таки тоже есть, и оно существенное: так как поверхность качения тут – сам корпус ступицы, узел в сборе стал заметно легче. А это приводит к снижению неподрессоренной массы. Да и радиальное биение при таком подходе всё же обычно ниже.
Станет ли когда-нибудь этот узел дешевле? Вряд ли. Сейчас уже вовсю планируется следующее поколение ступичного узла, в котором объединены не только ступица, подшипник и датчик ABS, но и ШРУС, и даже тормозной диск. И это, само собой, будет стоить ещё дороже. Не знаю, что в этом хорошего для конечного пользователя, но если эта система приживётся, я буду сильно расстроен.
Разумеется, классификацию и виды ступичных подшипников я перечислил далеко не полностью. Они отличаются ещё массой параметров, а их конструкции весьма разнообразны. Есть подшипники для ведущих управляемых осей, для ведомых управляемых, для неуправляемых ведущих и ведомых. Есть саморегулирующиеся и ещё многие другие. Тут можно говорить очень много, но это скучно и, скорее всего, не очень-то и надо. Лучше посмотрим, как проверить ступичный подшипник.
Руками и ушами
Начнём с обычного ТО. Если поставить машину на подъёмник, можно провести пару простых тестов. Самое простое – просто покрутить колёса в разные стороны. При этом слушать звук. Никаких хрустов или тресков быть не должно. Если они есть, то придётся искать причину: хрустеть или издавать другие звуки может и заклинивший суппорт, и просто грязь под защитными кожухами тормозных дисков.
Если колесо крутится хорошо, смотрим дальше. Рукой хватаемся за пружину подвески и крутим колесо. Часто при изношенном подшипнике пружина начинает вибрировать. Если рукой ничего необычного почувствовать не удалось, то всё прекрасно.
Конечно, в запущенных случаях не заметить гибель подшипника трудно. Передние обычно гудят в поворотах, задние – в каком-то диапазоне скорости, который постепенно растёт. Если дело совсем труба, то колесо вообще болтается. Но это уже надо быть совсем глухим пофигистом-самоубийцей, чтобы довести подшипник до такого состояния.
Можно ли ездить с воющим подшипником? Однозначно нет. Потому что он может выть и тысячи километров, а может очень быстро заклинить. Тут как повезёт, и если не повезёт, можно лечь отдыхать на крышу в кювете или выехать лоб в лоб с Камазом. Потихоньку съездить в сервис можно, а беззаботно кататься – нет. Ни в коем случае.
Хотя, конечно, бывает, что кто-то ездит поразительно бездумно – с люфтящим во все стороны колесом. Само собой, машина плохо управляется, но опаснее опять же возможный клин колеса. Ну, тут предупреждай – не предупреждай, всё бесполезно.
Долго и счастливо
У нас остался последний вопрос: почему подшипник умирает раньше срока? Есть несколько основных причин.
Первая – это, конечно, плохие дороги. Подшипник должен помогать колесу вращаться, а не скакать по ямам. Теоретически в хорошем подшипнике люфта нет, поэтому удары ему не слишком страшны, но это лишь в теории. На самом деле как только подшипник немного изнашивается, появляются зазоры. И после этого разрушение подшипника на плохих дорогах заметно ускоряется. Особенно сложно подшипники переживают удары в боковину колеса – они на это не рассчитаны абсолютно.
Вторая причина – езда по глубокой грязи и бродам. Без комментариев: если стоять по ступицы в луже, вымывается смазка, а в подшипник попадает вода.
Третья – это неправильный выбор дисков колёс. Слишком большой вылет диска – это практически приговор подшипнику. Но жертвам Need for Speed на это, конечно же, плевать. Нештатные шины и диски большого размера, увеличивающие нагрузку на ступицу, тоже сокращают ресурс подшипника. Так что сток – один из залогов долгой его жизни.
И обязательно проверяйте подшипники на каждом ТО. На раннем этапе они ещё не воют, а заклинить могут в любой момент. Так что в случае с ними лишнее внимание не помешает.
