Suspensia cu Arc Foi

Cap. 5 Suspensia cu arc foi

5.1 Rolul si conditiile impuse suspensiei

La deplasarea autovehiculului, neregularitatile drumului produc oscilatii ale rotilor care se transmit puntilor. Suspensia autovehiculului realizeaza legatura elastica cu amortizare intre puntile acestuia si cadru sau caroserie, miscorand sarcinile dinamice si amortizand vibratiile rezultate in urma actiunii componentelor verticale ale fortelor de interactiune dintre roti si drum.

Viteza de deplasare a automobilului pe drumuri cu suprafata neregulata este limitata in primul rand de calitatile suspensiei si in al doilea rand de puterea motorului. Confortabilitatea autovehiculului, este determinata in principal de suspensie.

Prin imrimarea caracterului dorit al oscilatiilor, suspensia alaturi de mecanismul de ghidare al puntii, influenteaza maniabilitatea, manevrabilitatea si stabilitatea autovehiculului, elemente care impreuna definesc tinuta de drum a autovehiculului.

Cinematica rotilor la trecerea peste denivelarile caii de rulare, si a masei suspendate fata de cea nesuspendata, la variatia sarcinilor in plan vertical, sunt determinate de tipul mecanismului de ghidare a puntii. Caracterul acestor miscari este determinat de suspensia autovehiculului, prin elementele sale elastice si de amortizare. Pentru asigurarea unui cinfort corespunzator, parametrii suspensiei trebuie sa fie alesi astfel incat sa tina seama de anumite conditii stabilite la teoria suspensiei, si anume :

– Amplitudinea masei suspendate se reduce cu atat mai mult cu cat raportul dintre masa suspendata/masa nesusoendata este mai mare, aceasta evidentiind avantajul puntilor articulate fata de cele rigide si generalizarea primelor la automobile cu confort sporit.

– Pulsatia oscilatiilor proprii ale sistemului este cu atat mai mica cu cat rigiditatea elementului elastic e mai mica, adica arcul este mai elastic. Micsorarea rigiditatii arcurilor este limitata de cresterea sagetii statice nominale. Rigiditatea suspensiei se alege in limitele de toleranta ale organismului uman, cand acesta sufera o miscare periodica verticala.

– Rigiditatea suspensiei puntii fata este mai mica decat cea a puntii din spate. In timpul mersului, automobilul abordeaza obstacolele prin rotile din fata mai intai, iar dupa un timp de puntea spate. In acest caz cu toata intarzierea atacului puntii spate, rotile din spate ajung din urma in miscare verticala rotile din fata, deoarece perioada lor de oscilatie e mai scurta si se anuleaza oscilatiile de galop.

– Pentru mentinerea neschimbata a caracteristicilor suspensiei cand masa suspendata se modifica (repartitia maselor ramane neschimbata), rigiditatea arcurilor trebuie sa se modifice in aceeasi proportie cu masa suspendata. Aceasta conditie explica interesul pentru suspensii cu rigiditate proportionala cu sarcina.

– pentru asigurarea confortabilitaii, amortizarea oscilatiilor trebuie sa varieze in prima perioada intre 92 si 98% din energia transmisa partii suspendate, corespunzator unor valori ale raportului dintre primele doua amplitudini de 3,7 … 22,4. La amortizari mai mari, cresc sarcinile dinamice transmise partii suspendate prin amortizor, iar amortizari mai mici pot duce la balansarea caroseriei si a rotilor la deplasarea pe cai cu neregularitati repetate. Confortabilitatea maxima se poate obtine combinand arcuri cu rigiditate proportionala cu sarcina cu amortizoare cu caracteristici neliniare.

Dupa tipul elementului elastic suspensiile pot fi: cu elemente metalice (arcuri foi, arcuri elicoidale, bare de torsiune), cu elemete nemetalice (arcuri din cauciuc, arcuri pneumatice si hidropneumatice) si mixte.

Fig. 5.1 Diferite tipuri de arcuri in foi lamelare

Dupa tipul caracteristicii elemetelor elastice, suspensiile pot fi cu caracteristica liniara, carcteristica neliniara, caracteristica progresiva si caracteristica in trepte.

Elementele elastice, indiferent de tipul sau caracteristica lor, pot forma functie de tipul de tipul mecanismului de ghidare al rotilor, suspensii dependente sau independente . Optiunea pentru o punte sau alta se face face in functie de destinatia autovehiculului, prin aprecierea cerintelor de confort, maniabilitate, stabilitate si costuri.

Se alege pentru autocamion suspensia cu arcuri in foi

Avantaje: suspensia cu arcuri foi are avantajul ca preia odata cu fortele verticale si fortele longitudinale si transversale, forte ce apar in contactul dintre pneu si cale fara a necesita elemente de ghidare suplimentare.

Dezavantaje: greutate mare, durabilitate redusa, frecare intre foile de arc intensa, necesita spatiu de amplasare mare.

Fig. 5.2 Elementele arcului in foi

Lamelele principale 6. Bride de fixare

Ochiul articulatiei fixe 7. Bride ale articulatiei mobile cu cercel

Ochiul articulatiei mobile 8. Tampon elastic suplimentar

Bridele de strangere 9. Bolt

Bulonul de centrare a arcului in foi 10. Bucsa bronz

Materialele utilizate în constructia arcurilor se aleg astfel încât sa îndeplineasca o serie de conditii generale, cum sunt: rezistenta ridicata la rupere, limita ridicata de elasticitate, rezistenta mare la oboseala (uneori si rezistenta la temperaturi înalte, rezistenta la coroziune, lipsa proprietatilor magnetice, dilatatie termica redusa, comportare elastica independenta de temperatura etc.)

Materialele feroase dedicate constructiei arcurilor sunt otelurile. Acestea pot fi oteluri carbon de calitate (OLC 55A, OLC 65A, OLC 75A, OLC 85A) sau oteluri aliate (cu Si, pentru rezistenta si tenacitate; cu Mn sau Cr, pentru calibilitate si rezistenta la rupere; cu V, pentru rezistenta la oboseala; cu Ni, pentru termorezistenta). Otelurilor pentru arcuri li se aplica un tratament termic de calire si revenire medie, obtinându-se în acest mod o elasticitate marita în toata masa materialului. Marcile de oteluri pentru arcuri sunt standardizate.

            Materialele neferoase se folosesc, de regula, la arcuri care lucreaza în câmpuri electrostatice, pentru care se doreste lipsa proprietatilor magnetice. Cele mai utilizate materiale neferoase pentru arcuri sunt alama si bronzul, dar si anumite aliaje speciale (Monel, Inconel etc.).

            Materialele nemetalice utilizate la arcuri sunt cauciucul, pluta etc.

Tehnologia de obtinere a arcurilor depinde, cu precadere, de forma constructiva a acestora. Semifabricatele pentru arcuri elicoidale se prezinta sub forma de sârme, bare, benzi etc.. Forma elicoidala se obtine prin înfasurare la rece (la arcuri cu sectiune mica) sau prin înfasurare la cald (la arcuri cu sectiune mai mare). Tratamentul termic se efectueaza, în general, dupa înfasurare. La arcuri înfasurate la rece, putin solicitate, tratamentul termic se poate face înainte de înfasurare, urmând ca dupa înfasurare sa se efectueze doar operatii de revenire.

Calitatea suprafetei arcurilor este determinanta pentru rezistenta acestora la oboseala. În scopul cresterii durabilitatii arcurilor supuse la solicitari variabile, masurile care se iau sunt: rectificarea suprafetei arcului (dupa tratamentul termic), durificarea stratului superficial (daca nu este posibila rectificarea), acoperirea suprafetei (pentru protectie împotriva coroziunii), evitarea decarburarii suprafetelor în timpul tratamentului termic, etc.

Caracteristica elastică a unui arc reprezintă dependența dintre sarcina exterioară (forță sau moment de torsiune) care acționează asupra sa și deformația elastică (săgeată sau rotire) pe direcția sarcinii. În funcție de tipul sarcinii exterioare, caracteristica elastică se poate exprima prin una din expresiile F = F(δ) sau Mt = Mt(θ), în care δ reprezintă deformația liniară a arcului pe direcția forței F (săgeata), iar θ – deformația unghiulară a arcului pe direcția momentului de torsiune Mt (rotirea). În fig. 5.3 sunt prezentate cele două tipuri de caracteristici elastice liniare corespunzătoare celor două tipuri de sarcini exterioare.

Panta caracteristicii elastice a arcului indică rigiditatea c a arcului, care se detrmină cu una din relațiile (v. fig. 5.3):

Fig. 5.3 Arc in foi de grosime variabila

Caracteristica elastică liniară este întâlnită doar la arcuri care lucrează fără frecare, executate din materiale care respectă legea lui Hooke. Aceste arcuri sunt caracterizate de rigiditate constantă c = const.

O altă mărime care caracterizează funcționarea unui arc este energia de deformație acumulată, egală, în absența frecărilor, cu lucrul mecanic al forței care a provocat deformația. În fig. 5.3, suprafețele hașurate reprezintă lucrul mecanic de deformație al arcului încărcat cu forța F3 (v. fig. 5.3, a), respectiv cu momentul de torsiune Mt3 (v. fig. 5.3,b). Expresiile lucrului mecanic de deformație sunt:

respectiv

Fig 5.4 Arc dublu sau eliptic

Frecarea dintre lamelele arcurilor cu foi este dorită, în special atunci când arcul se utilizează ca element de amortizare. O parte din energia preluată de arc este transformată, prin frecare, în căldură și nu mai este restituită sistemului din care face parte arcul, după dispariția încărcării. Dacă sarcina exterioară acționează asupra arcului cu șocuri mici, care nu înving frecarea din arc și nu îl deformează, acestea se vor transmite integral sistemului din care face parte arcul. În aceste cazuri, frecarea are un efect nedorit.

Frecarea dintre foi depinde de o serie de elemente, cum sunt: calitatea suprafețelor în contact, starea de ungere a suprafețelor în contact, numărul și lungimea foilor.

Uneori, foile de arc se execută cu o curbură inițială, cu atât mai mare cu cât lungimea lor este mai mică, astfel încât să se asigure participarea tuturor foilor la transmiterea sarcinii.

Calculul arcurilor în foi se efectuează prin asimilarea acestora cu un arc monolamelar cu grosime variabilă. Elementele de calcul ale arcurilor în foi sunt prezentate în literatura de specialitate, precizia calculului având de suferit din cauza complexității fenomenelor întâlnite.

Tratamentul termic al arcurilor foi

Obiectivele tratamentului termic de călire-revenire sunt creșterea caracteristicilor de rezistentă mecanică și îndeosebi a rezistenței la oboseală de lungă durată. De aceea trebuie selectate oteluri cu o călibilitate adecvată, care va fi apreciată prin determinări de duritate și examinări microstructurale. Austenitizarea trebuie să fie completă, dar nu este permisă creșterea excesivă a granulației.

Pentru asigurarea unui grad cît mai ridicat de omogenizare chimică a austenitei, durata totală a încălzirii este mai mare ca de obicei, respectiv 2-3 min/l [mm] din grosimea arcului. 0 atmosferă de austenitizare controlată necorespunzător poate decarbura oțelul mult mai repede decît o atmosferă de aer, iar controlul acestui factor trebuie să fie absolut. Dacă operatiile de durificare și de formare a arcului se realizează în același ciclu termic va trebui ca printr-o mecanizare adecvată, piesele să se găsească la o temperatură potrivită în momentul călirii.

Răcirea de la temperatura de austenitizare va fi foarte energică (sub punctul Mf) pentru obtinerea unei transformări martensitice căt mai complete.

ARCURILE IN FOI MULTIPLE se compun din mai multe foi sau lame din otel de arc (fig. 5.5). Montarea lor presupune o asamblare preliminara a elementelor sale componente, in care scop se unge fiecare foaie cu vaselina grafitata (pentru a se micsora frecarea dintre foi) si se asaza foile una peste alta. Montarea se incepe cu foaia principala, cea mai lunga, care se asaza pe bancul de lucru sau in menghina. Peste aceasta se asaza una sau doua foi de intarire, dupa care urmeaza foile de lungimi din ce in ce mai mici,numite foi secundare. Toate foile se fixeaza cu un surub central (bulon) sau cu un nit, introdus prin gaura din mijlocul fiecarei foi.

Datorita acestei fixari, foile de arc se pot aseza strans unele peste altele. Pentru o oarecare solidarizare si pentru impiedicarea deplasarii laterale a foilor, la capetele acestora se monteaza bride care se strang cu suruburi. Bridele sunt de forma U sau H.

Dupa aceasta asamblare in urma careia s-a obtinut arcul in foi multiple, se face asamblarea lui in ansamblul general, din care face parte, prin prinderea ochiurilor foii principale, de suporturile ansamblului (de exemplu suspensia autovehiculelor) (fig. 5.6).

Fig. 5.5 Monatarea unui arc in foi multiple: 1. ochiul foii princ.; 2. foaie principala  3. bride

Fig. 5.6 Utilizarea arcurilor in foi multiple

5.2 Calculul supensiei cu arc foi

Calculul arcului in foi parabolice

Caracteristicile motorului

Parametrii de greutate

– masa utila

– greutatea utila a autocamionului

– greutatea proprie a autocamionului

– greutatea totala a autocamionului

– greutatea pe puntea fata

– greutatea pe puntea spate

Adoptarea coeficientilor arcului in foi

– sageata arcului

– coeficient dinamic

– numarul total de foi ale arcului

– lungimea arcului

– coeficient de schimbare dinamica a reactiunilor

– randamentul arcului

– coeficientul de aderenta

– coeficient de schimbare dinamica a reactiunilor in timpul franarii

– latimea foii de arc

– inaltimea foii de arc

– inaltimea de la sol la arc

Regimul transmiterii fortei de tractiune

Regimul franarii

Cap. 7 Procese tehnologice tip de prelucrare mecanică a unei roti dintate

Tabelul 7.1 Procesul tehnologic pentru prelucrarea mecanică a unei roți dințate