Стенд для статической и динамической балансировок колес автомобилей

3 КОНСТРУКТОРСКАЯ РАЗРАБОТКА

3.1 Обзор существующих конструкций.

Существует два способа динамического уравновешивания колес: при снятом колесе с автомобиля и непосредственно на автомобиле. Каждый метод имеет свои недостатки и преимущества. Исходя из этих и способов, существуют разные стенды и приспособления для балансировки.

Преимуществами уравновешивания колес вне автомобиля являются: высокая точность измерений, малая потребность в площадях, независимость операций от положения автомобиля. Недостаткам является невозможность устранения неуравновешенности ходовой части автомобиля, а также неправильное центрирование колес на автомобиле (а его очень трудно выдержать, позволяют получить точное центрирование) может нарушить их уравновешенность. Такое оборудование имеет большую стоимость по сравнению с тем, которое применяется для уравновешивания на автомобиле. Уравновешивая колеса на автомобиле, можно уравновешивать и другие вращающиеся детали (тормозной барабан, диск и т. д.), что позволяет устранить дефекты, которые не могут быть обнаружены другими методами. Недостатком уравновешивания колес на автомобиле является невозможность точного определения массы необходимого грузика.

Для обнаружения динамической неуравновешенности колес применяют специальные станки (стационарные и передвижные), например стационарные станки модели К-121 (рис. 3.1) с горизонтальным положением оси вращения уравновешиваемого колеса.

Рис  – Принципиальная схема стенда для балансировки колёс легкового автомобиля К-121

Динамическое уравновешивание производится при вращении вала станка с закрепленным на нем колесом. Неуравновешенная масса колеса вызывает механические колебания вала, которые после преобразования электронными устройствами регистрируются приборами, показывающими неуравновешенную массу и место установки компенсационных грузиков.

Передвижные станки  позволяют определить неуравновешенность колес прямо на автомобиле.

Рис – Прибор для балансировки колёс на автомобиле (а – общий вид, б – установка датчика при балансировке колёс)

Измерительный датчик этих станков представляет собой отдельный узел, устанавливаемый под переднюю подвеску автомобиля. Датчик соединен с электронным блоком. Вывешенное колесо автомобиля раскручивается шкивом приводного устройства до скорости, соответствующей обычным условиям движения. Неуравновешенная масса колеса и других вращающихся частей передает колебания на датчик. Прибор со стробоскопом определяет массу и место грузика. По такому принципу работает станок модели К-125.

Машина АМR-2 (Рис. 3.3) служит для динамической балансировки колес с массой до 30 кг и допустимым дисбалансом около 300 г∙см. Если дисбаланс больше, то во избежание поломки машины вначале рекомендуется провести предварительную статическую балансировку. Для этого колесо закрепляют в зажимном приспособлении и, разъединяя стопор, освобождают главный вал. Поворачивая колесо на 90°, определяют место размещения грузиков и после их установки повторно проверяют качество уравновешивания.

Рис. 3.3 – Машина для балансировки колёс AMR-2.

Вообще на данный момент в мире существует огромное количество оборудования для балансировки колёс. Новейшее оборудование способно сбалансировать колесо с высокой точностью. При этом есть возможность балансировать колесо со ступицей, тормозным барабаном и, следовательно, балансировать не одно колесо, а весь узел. Но большинство таких стендов создано для балансировки только колёс легковых автомобилей. Плюс ко всему эти стенды очень дорогие.

Именно поэтому возникает необходимость создания недорогого по себестоимости стенда в условиях хозяйства, способного балансировать не только колёса легковых автомобилей, а и грузовых.

3.2 Обоснование выбранной темы конструкторской разработки.

Преждевременный выход из строя и повышенный износ деталей, и прежде всего трансмиссии, ходовой части и кузова, возникают в ряде случаев из-за несбалансированности колес по распределению массы относительно оси вращения. Это обусловлено тем, что автомобили развивают большие скорости, а неуравновешенность влечет за собой появление весьма больших центробежных сил и их моментов, значение которых растет пропорционально квадрату скорости.

Несбалансированность приводит к дополнительным динамическим нагрузкам на подшипники, вызывая вибрацию и биение колес, что уменьшает устойчивость машины при движении. Дисбаланс колес вызывает также вибрацию элементов подвески, радиатора, пола, крыльев, рулевого колеса и других деталей и механизмов. Вибрации снижают комфортабельность езды, повышают утомляемость водителей и приводят к образованию трещин на панелях кузова и оперения, повреждению, а в отдельных случаях и разрушению других деталей.

Дисбаланс неизбежен в связи с неравномерным износом покрышек, погрешностями изготовления дисков колес и введением дополнительных материалов, используемых при ремонте камер, покрышек и частично колес.

Хозяйство на данный момент обслуживается 21 грузовым автомобилем и в ближайшем будущем предстоит расширение автомобильного парка. Так как от сбалансированности колёс автомобилей зависит стабильность работ других узлов и деталей, а так же учитывая тот факт, что некоторые автомобили обслуживают тепличный комплекс и транспортируют продукты не только по территории Крыма, а и Украины и эти износы будут достаточно велики, стенд для балансировки колёс хозяйству необходим.

После ремонта и последующей сборки необходимо отбалансировать колеса статически и динамически на специальных стендах. Грубую статическую балансировку проводят непосредственно на автомобиле. Для этого поднимают автомобиль, проверяют, не задевают ли тормозные колодки за барабан, и вращением колеса определяют наиболее тяжелый участок. Отметив место расположения несбалансированной массы, на диаметрально противоположной стороне укрепляют грузик. Значительное трение в подшипниках, а также невозможность устранения момента центробежных сил, возникающего при быстром вращении колеса, требуют обязательного дополнения статической балансировки динамической на специальном стенде.

Колесо с шиной в сборе автомобилей ЗИЛ-130 и его модификаций балансируют относительно сферических поверхностей. Дисбаланс устраняют постановкой балансировочны грузов на бортовое кольцо специальным приспособлением, исключающим удары по пружине или грузу. При этом кольцо плотно прижимают к замочном кольцу. В правильности и надежности размещения грузов убеждаются после накачки шин. Для устранения дисбаланса передних колес число грузов должно соответствовать данным, приведенным в таблице 3.1, и не превышать пяти.

Таблица 3.1 – Дисбаланс и число устанавливаемых грузов автомобиля ЗИЛ-130

Дисбаланс колёс с шиной в сборе, г·см	Число устанавливаемых грузов
Свыше	До
300	750	1
750	1200	2
1200	1650	3
1650	2100	4
2100	2500	5

3.3 Описание предлагаемой конструкции.

Разрабатываемый стенд предназначен для статической и динамической балансировок колес автомобилей в условиях хозяйств, авторемонтных и шиноремонтных предприятий. Он состоит из механизма балансировки, привода этого механизма, тормоза, корпуса сварной конструкции, тумбочки для хранения инструмента, приспособлений для крепления колёс на стенде и балансировочных грузиков.

Основанием корпуса служит рама с отверстиями для крепления стенда к фундаменту. Механизм балансировки закреплен к верхним полкам. На корпусе приварены опоры электродвигателя, рычага подъема двигателя, колодки тормоза и рычага продольного перемещения подвижного кулака. Механизм приводится в действие от электродвигателя ременной передачей. Ремень натягивается за счет массы электродвигателя. Пластина перемещается вверх и вниз между двумя другими пластинами, выполняющими роль направляющих. При подъеме электродвигателя вместе с плитой и при нажатии на педаль ремень освобождает верхний шкив, что приводит к разъединению механизма балансировки от привода. При продолжении подъема электродвигателя толкатель кронштейна упирается в шарнирно закрепленную колодку тормоза и прижимает ее к шкиву вала механизма балансировки. Балансируемое колесо останавливается.

С помощью механизма балансировки определяют место неуравновешенности колеса. Вал вращается на двух сферических подшипниках. Причем передняя опора неподвижная, а задняя – качающаяся. Верхний конец последней подвешен на резьбовом вале, который установлен на стойке в двух шариковых подшипниках. Опора и стойка механизма балансировки закреплены болтами на полках корпуса стенда.

Во внутренней обойме подшипника качающейся опоры находится резьбовая втулка, которая вращается вместе с валом. При вращении маховика качающаяся опора передвигается вдоль резьбового вала, вследствие чего резьбовая втулка поворачивается относительно вала, а втулка перемещается и поворачивается независимо от вращения вала. Резьбовая втулка с помощью направляющей шпонки передает вращение кулачкам, связанным шпонкой, а также предотвращает угловое перемещение кулачков один относительно другого. Следовательно, кулачки вращаются вместе с резьбовой втулкой и валом и могут быть повернуты относительно него. Шаг резьбы втулки обеспечивает полный оборот кулачков относительно вала. Кулачок также можёт передвигаться вдоль ступицы второго кулачка, зафиксированного от осевого перемещения пружинным кольцом. Шкив расположен на шпонке и фиксируется от осевых перемещений с помощью стопорных болта и кольца. Установочные приспособления для дисков колес различных автомобилей находятся на переднем конце вала и фиксируются от проворачивания шпонкой и гайкой. К качающейся опоре крепят резонансный индикатор, воспроизводящий колебания опоры вала от неуравновешенных масс колеса с той же частотой, но с большей амплитудой.

Индикатор представляет собой маятник, состоящий из упругих пластин и колеблющейся массы из нескольких грузиков. К раме маятника смонтирована пластина с нанесенными на ней черными и белыми полосками. При наличии колебаний края черных и белых полосок четко различаются, а при больших амплитудах колебаний они сливаются в общий серый фон.

Массу колеблющихся деталей и упругость пластин выбираем таким образом, чтобы частота собственных колебаний индикатора была равна частоте вынужденных колебаний, т. е. 830 колебаний в минуту. Для настройки индикатора в резонанс служит специальный грузик.

3.4 Описание работы стенда.

Колесо, подлежащее балансировке, размещают на вал стенда как со ступицей, так и без нее. При установке колес со ступицей исключаются погрешности балансировки, связанные с несоосностью диска колеса и вала. Для монтажа со ступицей и без нее в комплект к стенду входят различные приспособления, балансировочные грузики и инструмент.

Колеса со ступицей устанавливают с помощью двух конусов сменной втулки и гайки вала, а без ступицы – диска с резьбовыми отверстиями. На диске имеется несколько концентричных рядов отверстий, рассчитанных на крепление колес автомобилей различных марок. Колес чаще всего соединяют с диском пятью болтами таким образом, чтобы конусные головки болтов фиксировались по фаскам отверстий в диске.

Колеса с иным, чем у установочного диска, расположением посадочных отверстий монтируют с помощью универсального диска с кулачками. Для этого диск с заранее установленными по отверстиям в диске колеса кулачками ставят на специальную подставку. На диск размещают колесо таким образом, чтобы отверстия в последнем диске своими фасками совпали со сферическими головками кулачков. Затем на колесо кладут планшайбу, чтобы ее пазы совпадали с головками кулачков, и затягивают гайку.

Для установки кулачков по отверстиям диск колеса устанавливают горизонтально фасками посадочных отверстий вверх. Отпускают гайки кулачков на диске. Сферические головки кулачков должны плотно сесть на фаски посадочных отверстий дисков колеса. Затем затягивают гайки. Колесо вместе с дисками крепят на валу станка с помощью конусов сменных втулок и гайки, обеспечивая минимальный зазор между колесом и корпусом стенда (примерно 20 мм).

При статической балансировке необходимо обеспечить минимальный момент трения вала стенда, для чего педаль тормоза ставят в среднее положение, а приводной ремень отключают от ведомого шкива. При наличии статической неуравновешенности наиболее тяжелая точка колеса займет нижнее положение. На диаметрально противоположной стороне наносят мелом метку и крепят на диске балансировочный груз. Если при повороте на 90° колесо продолжает поворачиваться, а груз опускаться вниз, то значит, он слишком тяжел, и наоборот. Подбором массы и места установки грузиков достигается равновесие колеса. Статически уравновешенное колесо должно оставаться неподвижным при повороте на любой угол. При массе грузиков более 45 г их рекомендуется заменять на два и ставить с каждой стороны диска, что уменьшает их динамическую неуравновешенность.

Поскольку статически сбалансированное колесо при работе (при движении) может оказаться неуравновешенным под воздействием неуравновешенного момента от пары центробежных сил, то для ее определения и устранения проводят динамическую балансировку. Способ динамической балансировки колес на стенде заключается в том, что при вращении колеса изменяется положение кулачков балансировочного механизма до тех пор, пока момент от их центробежных сил уравновесит момент от неуравновешенных масс колеса. Величину уравновешивания определяют по резонансному индикатору, передающему колебания вала от неуравновешенных масс колеса с той же частотой, но с большей амплитудой.

Балансировку проводят после тщательной статической балансировки следующим образом. Рукоятку подвижного кулачка отводят в крайнее правое положение, что обеспечивает расположение обоих кулачков строго на одной оси. Включают ременную передачу постановкой педали в верхнее положение и электродвигатель. Колесу придается постоянная угловая скорость (500 мин–1). Если колебания шкалы индикатора указывают на наличие динамической неуравновешенности, то подвижный кулак передвигают немного влево, вводя дисбаланс по шкале (30 г·см).

Вращением маховика поворачивают кулачки относительно вала до тех пор, пока колебание индикатора будет наименьшим, В этом положении момент, создаваемый кулачками, и момент от динамической неуравновешенности колеса имеют противоположные направления. Насколько правильно будет определен этот момент, зависит точность нахождения места постановки балансировочных грузиков. Для облегчения этой операции находят границы уменьшения и увеличения колебаний с подсчетом частоты вращения, а затем принимают среднее положение. Далее медленным поворотом рукоятки перемещают кулачок до исчезновения колебаний индикатора. Выключают электродвигатель и, нажимая на педаль, затормаживают колесо. Далее его поворачивают рукой таки образом, чтобы белая полоска на подвижном кулачке под шкалой совпала со стрелкой, и определяют массу балансировочного грузика. Затем наносят мелом метки в плоскости, проходящей через вал и оба кулачка, до последующей постановки грузиков. В заключение проверяют правильность установки и массы выбранных грузиков. Для этого подвижный кулачок ставят в нулевое положение, включают стенд и контролируют балансировку колес. При этом не должно быть колебаний индикатора. В противном случае необходимо повторить балансировку.

3.5 Расчеты, подтверждающие работоспособность и надежность конструкции

3.5.1 Выбор электродвигателя, кинематический расчет привода

Расчет привода начинают с выбора электродвигателя по потребной мощности и условиям эксплуатации.

Чтобы выбрать электродвигатель для привода автомобильного колеса стенда, нужно подсчитать потребляемую мощность на выходном валу привода по формуле:

кВт, (3.1)

Где – крутящий момент вала автомобильного колеса стенда Н·м

– частота вращения вала автомобильного колеса стенда, мин –1

кВт,

По мощности на выходном валу (кВт) определяют расчетную мощность электродвигателя по формуле:

,(кВт) (3.2)

Где H – коэффициент полезного действия привода, H = 0,90.

Nд= 1,8 / 0,9 = 2 кВт.

Для приводов общемашиностроительного назначения принимают двигатели с синхронной частотой вращения NД = 1000…1500 мин –1. Частота вращения ротора электродвигателя под нагрузкой из-за скольжения ротора относительно вращающегося магнитного поля всегда меньше синхронной частоты.

Принимаем трехфазный синхронный двигатель серии 4А по ГОСТ 19523 – 81 4А80L4У3 закрытого обдуваемого исполнения, мощностью 2,2 кВт, с частотой вращения ротора 1500 мин –1.

3.5.2 Расчет болтового соединения

Рассчитаем диаметр болтов для крепления опорной плиты стенда к фундаменту. Размеры стандартных резьбовых изделий установлены из условия равнопрочности их элементов, поэтому расчет резьбовых соединений производится обычно по их главному критерию – прочности резьбового стержня. Для предупреждения сдвига опорной плиты по станине и перекоса болтов необходимо обеспечить достаточную силу трения между стянутыми деталями. Для обеспечения прочности такого соединения болты устанавливают с зазором [9]. Для предупреждения сдвига деталей болты затягивают так, чтобы результирующая сила трения FТР на стыках деталей была больше сдвигающей силы FСД (Н), т. е. FТР > FСД. Расчетная схема представлена на рис.3.4.

FСД

FТР

 

Рис. 3.4 – Расчетная схема

Сила, растягивающая болты, FСД = М · g

Где М – сумма масс вертикальной плиты и самого стенда, кг

G – ускорение свободного падения, G принимаем равным 9,8 м/с2.

FСД = (12 + 220) · 9,81= 2275,92 Н

Сила, приходящаяся на один болт: F1 = 2275,92 / 4 = 568,98 Н

Предварительная величина силы, растягивающей болт:

FБ= F1 ( 1 + К0 ) = 568,98 · (1+0,9) = 1081,062 Н

При значении опытного коэффициента, учитывающего предварительную затяжку, К0 = 0,9

Внутренний расчетный диаметр резьбы болта, мм:

Где [σр] – допускаемое напряжение растяжения, МПа

м

Из конструктивных соображений выбираем болты с диаметром резьбы 40 мм. Так как принятый диаметр болтов больше расчетного, то условие прочности выполнено.

3.5.3 Расчет плоскоременной передачи

Расчёт выполнен в приложении MathCad 2000 Pro. и обработан текстовым редактором Microsoft Office Word 2003.

Необходимо рассчитать плоскоременную передачу от электродвигателя мощностью 2,2 кВт, при частоте вращения 1500 мин-1 к валу проектируемого стенда. Передаточное число принимаем равным 3. Работа односменная, нагрузка спокойная. Натяжение ремня – за счет его упругости (передвижением двигателя по салазкам).

Выбираем прорезиненный ремень типа Б с тканью Б-820 с резиновыми прослойками.

Ориентировочный диаметр меньшего шкива Определяем по формуле:

, м (3.3)

Где – передаваемая мощность, кВт,

– частота вращения вала электродвигателя, мин-1

м

Выбираем диаметр меньшего шкива по стандарту = 0,1м, толщину ремня = 0,003м, число прокладок .

Диаметр большего шкива Определяем по формуле:

(3.4)

Где =0, 01 коэффициент скольжения прорезиненного ремня.

М

Диаметр большего шкива округляем по стандарту =0,300м.

Действительное передаточное число определяем по формуле:

(3.5)

Где и – принятые диаметры соответственно меньшего и большего шкивов

Скорость ремня определяем по формуле:

м/с (3.6)

м/с

Минимальное межосевое расстояние определяем по формуле:

(3.7)

м.

Из конструктивных соображений выбираем межосевое расстояние равным 0,8 м.

Рис. 3.5 – Расчётная схема.

3.5.4 Расчет сварного соединения

Сварные швы являются концентраторами напряжений, снижающими прочность деталей. В сварном соединении возникают значительные местные напряжения, которые в основном и влияют на работоспособность конструкций.

Необходимо обосновать параметры сварного шва, соединяющего основание и поперечину, являющуюся полочкой для крепления механизма балансировки. Длина шва приварки (по чертежу) будет равна 450 мм.

Нагрузкой является масса конструкции приваренной к опоре.

Эта масса будет растягивающей силой для рассчитываемого сварного соединения. Растягивающая сила Р = 402,2 Н

Условие прочности сварного шва под действием растягивающей силы (Р) определяется по формуле:

TШ = Р/A=Р/Hp·Lc £ [TC ], (3.8)

Где A – площадь среза углового шва;

Hp – расчетная толщина шва;

Lc – длина сварочного шва;

[TC ] – допускаемые напряжения.

Расчетная толщина сварочного шва зависит от расчетного катета углового шва K, равного катету вписанного в поперечное сечение шва равнобедренного прямоугольного треугольника: Hp = k · B. Коэффициент B = 1…0,7 учитывает способ выполнения шва. Обычно принимается Hp = 0,7 · K, что увеличивает запас прочности.

Предусматривается сварка односторонним швом ручным способом электродом Э42 А; допускаемое напряжение на срез сварного шва

[TC] = 0,6 [SP] = 0,6 · 200 = 84 МПа

Следовательно, длина шва определяется по формуле:

LС = Р/TШ· hp, м (3.9)

При допускаемом напряжении для материалов деталей [SР] = 140 МПа.

Принимаем Р = 1120 Н, тогда расчетная длина сварочного шва (при K = 7мм):

LС = Р = 1120 84 · 106 · 0,7 · 7 ∙ 10 –3 = 0,27 ∙ 10–3 = 27 мм

Поскольку LС > LФ, то сварочный шов надежен.

3.5.5 Расчет вала стенда на кручение и изгиб, определение его минимального диаметра.

Исходными данными являются: частота вращения вала, мощность, передаваемая двигателем, габаритные размеры вала и места расположения на нём нагрузок, величины нагрузок. Расчет ведем, учитывая максимальную массу колеса в сборе со ступицей, принимаем равным 100 кг. Частота вращения вала 500 об/мин, взятая как достаточная для динамической балансировки колёс.

Построим изображение вала и нанесём все существующие нагрузки и моменты. Построим эпюру момента кручения.

Рис. 3.6 – Расчётная схема

Преобразуем частоту вращения в угловую частоту:

, (3.10)

с –1 .

Рассчитаем крутящий момент по формуле:

, (3.11)

кН∙м.

Крутящий момент есть результат действия на шкив ремня, что показано на рисунке 3.7.

. (3.11)

Обычно при расчетах принимают Т = 2T, тогда T примет значение:

, (3.12)

КН.

Соответственно Т = 2 · 262,5 = 525 кН.

Теперь рассчитаем вал на изгиб и определим наименьший допустимый его диаметр.

Изображаем вал и располагаем на нём все нагрузки и вызываемые ими силы реакции возникающие при работе стенда. Строим эпюру.

Рис. 3.8 – Расчётная схема

Определяем силу реакции опоры в точке В:

ΣМк = 0,

– GK (A + B + C)+ RB (A + C) – (T + T + GДв ) C = 0, (3.13)

, (3.14)

кН.

Именно эта точка будет самым напряженным местом вала.

Теперь проведём расчёт на допустимый диаметр вала.

При этом должно выполняться условие:

. (3.15)

Момент Мпр будет равен:

; (3.16)

Н∙м.

А Woc вычисляется по формуле:

(3.17)

Из формулы (3.17) выражаем диаметр D:

, (3.18)

[] выбираем в зависимости от взятого материала. Для стали 45 []=32·104.

Тогда = 0,37м.

Принимаем диаметр вала равным 0,50 м.

3.6 Вывод

Выполненные силовые, кинематические и прочностные расчеты подтверждают работоспособность конструкции стенда.