Wahacz znajduje się zazwyczaj pomiędzy kołem a nadwoziem. Jest to element bezpieczeństwa związany z kierowcą, który przenosi siłę, osłabia przenoszenie drgań i kontroluje kierunek.
Wahacz znajduje się zazwyczaj pomiędzy kołem a nadwoziem i jest elementem bezpieczeństwa kierowcy, który przenosi siłę, redukuje przenoszenie drgań i steruje kierunkiem jazdy. Niniejszy artykuł przedstawia najczęściej spotykane na rynku rozwiązania konstrukcyjne wahacza oraz porównuje i analizuje wpływ różnych konstrukcji na proces produkcji, jakość i cenę.
Zawieszenie podwozia samochodu dzieli się zasadniczo na zawieszenie przednie i zawieszenie tylne. Zarówno zawieszenie przednie, jak i tylne posiadają wahacze łączące koła z nadwoziem. Wahacze znajdują się zazwyczaj między kołami a nadwoziem.
Rolą wahacza prowadzącego jest połączenie koła z ramą, przenoszenie siły, redukcja przenoszenia drgań i kontrola kierunku jazdy. Jest to element bezpieczeństwa, który ma znaczenie dla kierowcy. W układzie zawieszenia znajdują się elementy konstrukcyjne przenoszące siły, dzięki czemu koła poruszają się względem nadwozia po określonej trajektorii. Elementy konstrukcyjne przenoszą obciążenie, a cały układ zawieszenia odpowiada za właściwości jezdne samochodu.
Typowe funkcje i konstrukcja wahacza samochodowego
1. Aby spełnić wymagania dotyczące przenoszenia obciążeń, konstrukcji i technologii wahacza
Większość współczesnych samochodów wykorzystuje niezależne układy zawieszenia. Ze względu na różne formy konstrukcyjne, niezależne układy zawieszenia można podzielić na wahacze, wahacze wleczone, wielowahaczowe, świecowe i typu McPhersona. Wahacz poprzeczny i wahacz wleczony stanowią konstrukcję dwusiłową dla pojedynczego wahacza w zawieszeniu wielowahaczowym, z dwoma punktami połączenia. Dwa dwusiłowe drążki są zamontowane na przegubie krzyżakowym pod pewnym kątem, a linie łączące punkty połączenia tworzą trójkątną konstrukcję. Dolny wahacz przedniego zawieszenia MacPhersona to typowy trzypunktowy wahacz z trzema punktami połączenia. Linia łącząca trzy punkty połączenia tworzy stabilną trójkątną konstrukcję, która może przenosić obciążenia w wielu kierunkach.
Konstrukcja dwusiłowego wahacza jest prosta, a projekt konstrukcyjny jest często określany zgodnie z różnymi kompetencjami zawodowymi i wygodą przetwarzania każdej firmy. Na przykład, konstrukcja z tłoczonej blachy (patrz rysunek 1) to pojedyncza stalowa płyta bez spawania, a wnęka konstrukcyjna ma przeważnie kształt litery „I”; konstrukcja spawana z blachy (patrz rysunek 2) to spawana stalowa płyta, a wnęka konstrukcyjna ma kształt litery „口”; lub lokalne płyty wzmacniające są używane do spawania i wzmacniania niebezpiecznego miejsca; konstrukcja maszyny do kucia stali – wnęka konstrukcyjna jest lita, a jej kształt jest w większości dostosowywany do wymagań układu podwozia; konstrukcja maszyny do kucia aluminium (patrz rysunek 3) – wnęka konstrukcyjna jest lita, a wymagania dotyczące kształtu są podobne do wymagań dotyczących kucia stali; konstrukcja rury stalowej ma prostą konstrukcję, a wnęka konstrukcyjna jest okrągła.
Konstrukcja trzypunktowego wahacza jest skomplikowana, a projekt konstrukcyjny jest często określany zgodnie z wymaganiami producenta OEM. W analizie symulacji ruchu wahacz nie może kolidować z innymi częściami, a większość z nich ma minimalne wymagania dotyczące odległości. Na przykład, tłoczona konstrukcja z blachy jest najczęściej stosowana jednocześnie z konstrukcją spawaną z blachy, otwór na wiązkę czujników lub wspornik połączenia drążka stabilizatora itp. zmieniają konstrukcję wahacza; wnęka konstrukcyjna nadal ma kształt „usta”, a wnęka wahacza będzie… Konstrukcja zamknięta jest lepsza niż konstrukcja niezamknięta. Konstrukcja kuta, wnęka konstrukcyjna ma przeważnie kształt litery „I”, który charakteryzuje się tradycyjnymi właściwościami odporności na skręcanie i zginanie; konstrukcja odlewana, kształt i wnęka konstrukcyjna są zazwyczaj wyposażone w żebra wzmacniające i otwory redukujące masę, zgodnie z właściwościami odlewu; spawanie blach. Konstrukcja połączona z odkuwką, ze względu na wymagania przestrzenne podwozia pojazdu, przegub kulowy jest zintegrowany z odkuwką, a odkuwka jest połączona z blachą. Odlewana i kuta konstrukcja aluminiowa zapewnia lepsze wykorzystanie materiału i wydajność niż kucie, a także ma lepszą wytrzymałość materiału od odlewów, co jest wynikiem zastosowania nowej technologii.
2. Zmniejszenie przenoszenia drgań na nadwozie oraz konstrukcja elementu sprężystego w punkcie połączenia wahacza
Ponieważ nawierzchnia drogi, po której porusza się samochód, nie może być całkowicie płaska, pionowa siła reakcji nawierzchni działająca na koła jest często znacząca, zwłaszcza podczas jazdy z dużą prędkością po złej nawierzchni. Siła ta powoduje również dyskomfort u kierowcy. W układzie zawieszenia montowane są elementy sprężyste, które przekształcają sztywne połączenie w połączenie sprężyste. Po uderzeniu elementu sprężystego powstają drgania, które powodują dyskomfort u kierowcy. Dlatego układ zawieszenia wymaga elementów tłumiących, aby szybko zredukować amplitudę drgań.
Punktami połączeń w konstrukcji wahacza są połączenia elementów sprężystych i przegubów kulowych. Elementy sprężyste zapewniają tłumienie drgań oraz niewielką liczbę stopni swobody obrotu i oscylacji. W samochodach często stosuje się tuleje gumowe jako elementy sprężyste, a także tuleje hydrauliczne i przeguby krzyżowe.
Rysunek 2 Ramię obrotowe do spawania blachy
Konstrukcja tulei gumowej to zazwyczaj stalowa rura z gumową warstwą zewnętrzną lub konstrukcja warstwowa stal-guma-stal. Wewnętrzna rura stalowa wymaga odpowiedniej wytrzymałości na ciśnienie i średnicy, a antypoślizgowe ząbki są powszechne na obu końcach. Warstwa gumowa dostosowuje skład materiału i konstrukcję do różnych wymagań dotyczących sztywności.
Najbardziej zewnętrzny pierścień stalowy często wymaga pewnego kąta wprowadzania, co ułatwia wciskanie.
Tuleja hydrauliczna ma złożoną konstrukcję i jest produktem o złożonym procesie technologicznym, o wysokiej wartości dodanej w kategorii tulei. W gumie znajduje się wnęka, a w niej olej. Konstrukcja wnęki jest projektowana zgodnie z wymaganiami eksploatacyjnymi tulei. Wyciek oleju powoduje uszkodzenie tulei. Tuleje hydrauliczne mogą zapewnić lepszą krzywą sztywności, co wpływa na ogólną sterowność pojazdu.
Zawias krzyżowy ma złożoną konstrukcję i jest kompozytowym elementem zawiasów gumowo-kulkowych. Zapewnia lepszą trwałość niż tuleja, kąt wychylenia i obrotu, specjalną krzywą sztywności oraz spełnia wymagania dotyczące wydajności całego pojazdu. Uszkodzone zawiasy krzyżowe generują hałas w kabinie podczas jazdy.
3. Wraz z ruchem koła następuje zmiana konstrukcji elementu wahadłowego w punkcie połączenia wahacza
Nierówna nawierzchnia drogi powoduje, że koła podskakują w górę i w dół względem nadwozia (ramy), a jednocześnie koła poruszają się, np. podczas skręcania, jazdy na wprost itp., co wymaga, aby trajektoria kół spełniała określone wymagania. Wahacz i przegub krzyżakowy są najczęściej połączone przegubem kulowym.
Zawias kulowy wahacza zapewnia kąt wychylenia większy niż ±18° i kąt obrotu 360°. W pełni spełnia wymagania dotyczące bicia kół i skrętu. Zawias kulowy jest objęty gwarancją na 2 lata lub 60 000 km i 3 lata lub 80 000 km dla całego pojazdu.
Ze względu na różne metody połączenia wahacza z przegubem kulowym (sworzniem kulowym), połączenia można podzielić na połączenia śrubowe i nitowe, w przypadku których zawias kulowy ma kołnierz; połączenia wciskane z wciskiem, w przypadku których zawias kulowy nie ma kołnierza; połączenia zintegrowane, w przypadku których wahacz i zawias kulowy stanowią całość. W przypadku konstrukcji z pojedynczej blachy i konstrukcji spawanych z wielu blach, częściej stosuje się dwa pierwsze typy połączeń; częściej stosuje się połączenia z kutej stali, kutego aluminium i żeliwa.
Zawias kulowy musi spełniać wymagania dotyczące odporności na zużycie w warunkach obciążenia, ze względu na większy kąt pracy niż tuleja, co przekłada się na wyższą żywotność. Dlatego zawias kulowy musi być zaprojektowany jako konstrukcja łączona, obejmująca dobre smarowanie wahadła oraz pyłoszczelny i wodoodporny system smarowania.
Rysunek 3. Aluminiowe kute ramię wahacza
Wpływ konstrukcji wahacza na jakość i cenę
1. Czynnik jakości: im lżejszy, tym lepszy
Częstotliwość drgań własnych ciała (znana również jako częstotliwość drgań własnych układu wibracyjnego), określona przez sztywność zawieszenia i masę podpartą przez sprężynę zawieszenia (masę resorowaną), jest jednym z ważnych wskaźników działania zawieszenia, wpływających na komfort jazdy samochodem. Częstotliwość drgań pionowych, z jaką ciało ludzkie jest wykorzystywane, to częstotliwość drgań ciała poruszającego się w górę i w dół podczas chodzenia, wynosząca około 1–1,6 Hz. Częstotliwość drgań własnych ciała powinna być jak najbliższa temu zakresowi częstotliwości. Przy stałej sztywności zawieszenia, im mniejsza masa resorowana, tym mniejsze odkształcenie pionowe zawieszenia i tym wyższa częstotliwość drgań własnych.
Gdy obciążenie pionowe jest stałe, im mniejsza jest sztywność zawieszenia, tym niższa jest częstotliwość drgań własnych samochodu i tym więcej miejsca potrzeba na podskakiwanie koła w górę i w dół.
Przy tych samych warunkach drogowych i prędkości pojazdu, im mniejsza masa nieresorowana, tym mniejsze obciążenie udarowe układu zawieszenia. Masa nieresorowana obejmuje masę kół, masę przegubu krzyżakowego, masę ramienia prowadzącego itp.
Generalnie wahacz aluminiowy ma najlżejszą masę, a żeliwny największą. Pozostałe są pomiędzy.
Ponieważ masa zestawu wahaczy zazwyczaj nie przekracza 10 kg, w porównaniu z pojazdem o masie przekraczającej 1000 kg, masa wahacza ma niewielki wpływ na zużycie paliwa.
2. Czynnik ceny: zależy od planu projektu
Im więcej wymagań, tym wyższy koszt. Zakładając, że wytrzymałość konstrukcyjna i sztywność wahacza spełniają wymagania, wymagania dotyczące tolerancji produkcyjnych, trudności procesu produkcyjnego, rodzaj i dostępność materiałów oraz wymagania dotyczące odporności na korozję powierzchni bezpośrednio wpływają na cenę. Na przykład, czynniki antykorozyjne: powłoka ocynkowana elektrolitycznie, poprzez pasywację powierzchni i inne zabiegi, może osiągnąć odporność na korozję około 144 godzin; ochrona powierzchni dzieli się na katodową powłokę malarską elektroforetyczną, która może osiągnąć odporność na korozję do 240 godzin dzięki dostosowaniu grubości powłoki i metod obróbki; powłokę cynkowo-żelazową lub cynkowo-niklową, która może spełnić wymagania dotyczące testów antykorozyjnych przekraczających 500 godzin. Wraz ze wzrostem wymagań dotyczących testów korozyjnych rosną również koszty części.
Koszt można obniżyć poprzez porównanie schematów konstrukcyjnych i strukturalnych wahacza.
Jak wszyscy wiemy, różne układy punktów mocowania zapewniają różną wydajność jazdy. W szczególności należy zauważyć, że ten sam układ punktów mocowania i różne konstrukcje punktów mocowania mogą wiązać się z różnymi kosztami.
Istnieją trzy rodzaje połączeń między elementami konstrukcyjnymi a sworzniami kulowymi: połączenie za pomocą elementów standardowych (śrub, nakrętek lub nitów), połączenie wciskowe oraz połączenie zintegrowane. W porównaniu ze standardową konstrukcją połączenia, połączenie wciskowe ogranicza liczbę elementów, takich jak śruby, nakrętki, nity i inne elementy. Zintegrowana, jednoczęściowa konstrukcja połączenia w porównaniu z połączeniem wciskowym zmniejsza liczbę elementów obudowy sworznia kulowego.
Istnieją dwie formy połączenia pomiędzy elementem konstrukcyjnym a elementem sprężystym: przedni i tylny element sprężysty są osiowo równoległe i osiowo prostopadłe. Różne metody determinują różne procesy montażu. Na przykład kierunek prasowania tulei jest taki sam i prostopadły do korpusu wahacza. Jednostanowiskowa prasa dwugłowicowa może być używana do jednoczesnego wciskania przednich i tylnych tulei, oszczędzając siłę roboczą, sprzęt i czas; Jeśli kierunek montażu jest niespójny (pionowy), jednostanowiskowa prasa dwugłowicowa może być używana do kolejnego wciskania i instalowania tulei, oszczędzając siłę roboczą i sprzęt; gdy tuleja jest zaprojektowana do wciskania od wewnątrz, wymagane są dwie stacje i dwie prasy, aby kolejno wcisnąć tuleję.
