XXVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Исследование работы механических узлов автомобиля на примере Лэнд Ровер

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Логинов А.С. 1

---

1МАОУ "Лицей № 38"

Еделев А.Ю. 1

---

1МАОУ "Лицей № 38"

Работа в формате PDF

5.1 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Глава I. Введение

1.1 Актуальность

Современные автомобили представляют собой сложные технические системы, состоящие из множества взаимодействующих механических узлов. Понимание принципов работы этих узлов критически важно для механиков, инженеров и студентов технических специальностей. В связи с этим, актуальность использования макетов и моделей автомобилей для изучения работы механических узлов постоянно возрастает. Они позволяют наглядно демонстрировать принципы функционирования отдельных компонентов и их взаимодействие в общей системе, обеспечивая безопасное и экономически выгодное обучение и анализ.

1.2 Цель работы

Исследовать работу механических узлов автомобиля

1.3 Задачи работы

1. Проанализировать конструктивные особенности узлов.

2. Собрать модель автомобиля.

3. Проверить возможность использования, получившейся модели.

4. Исследовать работу узлов.

5. Сделать выводы о практической значимости модели.

1.4 Гипотеза

Использовать модель автомобиля как объект для изучения устройства основных механических узлов авто.

Глава II. Принципы работы механических узлов

2.1. Принцип работы дифференциала

Э то специальный механизм, который обеспечивает передачу крутящего момента от коробки передач на колеса передней или задней оси. Дифференциал позволяет обеспечить вращение колес одной оси с различной скоростью при непрерывной передаче мощности двигателя на трансмиссию. За счет этого, в частности, автомобиль способен проходить повороты, в которых путь колеса на внешней окружности виража больше. Это проще представить, если нарисовать две окружности с одинаковым центром, но с разным радиусом. При одинаковом градусе поворота (например, 90) длина границы внешнего круга будет больше, чем внутреннего.

Принцип работы дифференциала автомобиля аналогичен планетарной передаче. В него, как правило, входят четыре шестерни, которые приводятся в движение пятой – ведомой шестерней главной передачи, единой с корпусом дифференциала, выполняющую функцию водила. Основная передача включает в себя две шестерни, из которых одна вращается непосредственно от КПП и передает вращение ведомой. Ведомая шестерня главной передачи сообщает вращение на шестерни-сателлиты, которые соединены с солнечными шестернями. Последние жестко сидят на приводных полуосях колес. При перемещении автомобиля по прямолинейной траектории шестерни-сателлиты остаются в статичном положении, а шестерни главной передачи и солнечные вращаются с одинаковыми скоростями. Когда автомобиль начинает поворотный маневр, шестерни-сателлиты вращаются, изменяя скорость движения солнечных шестерней. В результате скорости правого и левого колес отличаются.

2.2 Принцип работы двух рычажной независимой подвески

Д вух рычажная подвеска - распространенный тип независимой подвески. Конструкция двух рычажной подвески основана на применении двух рычагов, верхнего и нижнего, прикрепленных одним концом к кузову, а другим - к ступице колеса. Нижний рычаг крепится подвижно к кузову. Несущей частью такой подвески является балка или подрамник. Подвижность рычага обеспечивают сайлентблоки. Верхний рычаг может крепиться к кузову или к балке. Это не так принципиально, потому что вся нагрузка уходит на пружину, а верхний рычаг играет роль опоры для ступицы. С противоположных сторон на рычагах конструируются шаровые опоры для крепления поворотного кулака и обеспечения его вращения относительно вертикальной оси. Основным упругим элементом, принимающим на себя все удары при проезде неровностей, является пружина. Еще один элемент, гасящий колебания — амортизатор. Амортизатор вместе с пружиной упираются в нижний рычаг и закреплены на кузове. Все устройство подвески предназначено для выполнения ею своих прямых задач: обеспечения связи колес и кузова, снижения доли колебаний, передающихся на кузов и обеспечения постоянного сцепления колес с дорожным покрытием. Преимуществом использования независимых подвесок в конструкции автомобилей следующие:

• обеспечивают лучшую плавность хода и кинематику управляемых колёс;

• уменьшение неподрессоренных масс, вследствие чего уменьшается сила толчков от неровностей дороги;

• возможность уменьшения жёсткости упругих элементов (пружин, рессор) вследствие снижения веса неподрессоренных частей;

Вид сзади:

Вид спереди:

Вид сбоку:

2.3. Принцип работы системы полного привода и двухступенчатой коробки передач

Полный привод — разноплановый комплекс технических решений, обеспечивающий автомобилю постоянную или, как минимум, временную возможность иметь ведущими все свои колёса. Обоснованием применения полного привода на автомобиле является то, что полноприводный автомобиль может реализовывать в силу тяги всю доступную ему мощность при гораздо меньших силах сцепления, действующих на колёса, что напрямую сказывается на улучшении внедорожных и всепогодных способностей автомобиля. Данная система полного привода предполагает постоянное подключение всех осей автомобиля к раздаче крутящего момента от двигателя. Главные передачи осей здесь получают крутящий момент от коробки передач через специфический элемент любой подобной трансмиссии — межосевой дифференциал. Система полного привода имеет межосевой дифференциал между передней и задней осями для компенсации разной скорости вращения колес между осями при разном радиусе поворота. Это предотвращает напряжения кручения в трансмиссии и автоматически распределяет движущие силы, повышая курсовую устойчивость и делая ваше вождение более эффективным и управляемым. Межосевой дифференциал обеспечивает возможность вращения колес передней и задней осей с разной скоростью, сохраняя при этом непрерывный поток крутящего момента. Шасси имеет плавный ход трансмиссии, которые позволяют четко и легко управлять автомобилем. Наличие 2-ступенчатой коробки передач позволяет использовать шасси в различных условиях. Например, когда вам нужно плавное и контролируемое движение и высокий крутящий момент или, когда вам нужна динамичная езда.

Глава III. Изготовление модели авто, испытания

3.1 Элементы установки

1. Подготовка электронных частей модели:

- электродвигатель

- сервопривод рулевого управления

- сервопривод для переключения повышенной и пониженной передачи

- регулятор оборотов

- приёмник

- аккумулятор

- дистанционный пульт управления

Приложение 1

“Этапы изготовления”

При создании комплектующих использовались 3D модели узлов, которые в следствии были доработаны и адаптированы для сборки. Были усилены некоторые детали для корректной работы, правильного взаимодействия в общей системе и повышения общей прочности модели. Так же был доработан выворот колес путем изменения крепления поворотных рычагов, в результате чего мы получили меньший радиус поворота в сравнении с предполагаемым.

На первом этапе мы распечатали необходимые детали модели:

- кузов автомобиля, состоящий из 10 частей

- части независимой подвески (рычаги, тяги, привода)

- двухступенчатая коробка передач (валы, шестерёнки, синхронизаторы)

- рама автомобиля и корпуса для дифференциалов.

На втором этапе была проведена сборка основных узлов. В ходе сборки были использованы дополнительные инструменты:

- гравёр аккумуляторный

- тиски слесарные

- набор надфилей и отвёрток

- и другие слесарные инструменты.

П осле распечатывания деталей модели на 3D –принтере, провели подгонку деталей методом сверления и шлифовки.

При изготовлении переднего и заднего редуктора использовались готовые дифференциалы, подшипники и приводные шестерни взятые у готовых радиоуправляемых моделей

Вид редукторов перед сборкой:

Вид готовых редукторов:

Детали для сборки приводных валов:

Детали для сборки передней и задней независимой подвески:

Амортизаторы для подвески так же были позаимствованы у готовых радиоуправляемых моделей:

Вид готового моста в сборе с независимой подвеской:

На третьем этапе производилась сборка готовых крупных узлов шасси

Вид крупных узлов модели:

Вид шасси в сборе с основными узлами модели:

На четвертом этапе были установлены электронные элементы модели (двигатель, сервоприводы, приёмник, регулятор оборотов).

Приложение 2

“Тестирование”

На заключительном этапе были проведены испытания модели

- работа электрики

- работа силового мотора

- работа коробки передач

- работа системы полного привода.

По результатам испытаний выявили недостатки в коробке передач, а именно тугое и не корректное включение нужной передачи, было принято решение использовать трансмиссию в режиме без нагрузок, так как шестерням нужно время для притирки. Остальные элементы работали без нареканий.

Приложение 3

“Расчёт передаточного значения передач”

Чтобы рассчитать передаточное значение нужно найти соотношение зубьев шестерён задействованных в передаче:

1-ая передача

2-ая передача

Данные значения говорят нам о том, что первая передача имеет больший крутящий момент и предназначена для прохождения трудных препятствий на маленькой скорости, а вторая передача, наоборот больше подходит для обычной езды на более высокой скорости, но при этом она не имеет столько крутящего момента

Приложение 4

“Расчёт радиуса поворота”

R1 — Радиус пути заднего внутреннего колеса (минимальный радиус)

R2 — Радиус пути заднего внешнего колеса

R3 — Радиус пути переднего внешнего колеса (максимальный радиус)

L — Колесная база (165мм)

H — Колея (90мм)

R — радиус поворота

А — угол поворота колеса (39º)

Tan (39)

Формула для расчёта

Подставим значения

Чтобы найти нужно сложить

Подставим значения = 203,758+90 = 293,758ммНайдём по теореме Пифагора, тогда =

Приложение 5

“Исследование работы межосевого дифференциала”

Во время прохождения поворота скорость вращения колес различается не только на внутренней и внешней сторонах, но и передней и задней оси с одной стороны. В начале прохождения поворота:

В конце прохождения поворота:

Как вы могли заметить, в начале поворота отметки на покрышках были в одной точке, но после прохождения поворота отметка на переднем колесе ушла на пол оборота вперед. Благодаря дифференциалам мы можем уменьшить трение покрышки об поверхность и уменьшить нагрузку на систему полного привода. Так же я предположил, что при заблокированном межосевом дифференциале будет затрачиваться больше энергии, а в реальном авто топлива. Чтобы проверить это я использовал USB тестер. Для корректной работы тестера нужно включить его в цепь, я разрезал обычный USB кабель и оставил два провода (плюс и минус), дальше припаял разъемы для аккумулятора и подключил его.

Замеры проводились во время движения, дроссельная заслонка была открыта на одном уровне в обоих случаях. В результате я увидел, что потребление энергии при заблокированном и открытом дифференциале различается.

При открытом дифференциале 0,45А:

При заблокированным дифференциале 0,69А:

Закон Ома гласит Сила тока на участке цепи прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению. Поскольку напряжение остается стабильным то рост силы тока означает, что сопротивление прибора падает, а это и есть физическое проявление увеличения нагрузки.

Приложение 6

“Приведение размеров авто к масштабу 1/18”

Для приведения данных значений мы использовали линейное масштабирование, но для приведения массы авто в масштаб этот способ не подходит. Мы использовали закон квадрата — куба или же геометрическое подобие тел. Для объемов и массы используется коэффициент масштабирования, возведенный в третью степень:

На графике видно, что с уменьшением масштаба, масса уменьшается не линейно. В результате мы убедились в том, что модель соответствует оригиналу в масштабе 1/18 что подтверждает возможность её использования для изучения механических узлов и принципов их работы.

Глава IV. Заключение

По итогам выполненной работы удалось создать действующую модель автомобиля, позволяющую наглядно изучать работу основных механических узлов. Модель демонстрирует функционирование трансмиссии, системы рулевого управления и подвески. Все узлы выполнены в масштабе, обеспечивая понимание их взаимодействия. Простая и интуитивно понятная конструкция позволяет легко разбирать и собирать модель, что способствует глубокому изучению принципов работы каждого компонента.

Литература

1. Гришкевич, А.И. Автомобили: теория / А.И. Гришкевич. – Минск: Высшая школа, 1986. – 208 с.

2. Кравец, В.Н. Теория автомобиля / В.Н. Кравец, В.В. Селифонов. – М.: ООО «Гринлайт+», 2011. – 884 с.

3. Ларин, В.В. Теория движения полноприводных колёсных машин / В.В. Ларин. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010. – 392 с.

4. Смирнов, Г.А. Теория движения колёсных машин / Г.А. Смирнов; 2-е изд., доп. и перераб. – М.: Машиностроение, 1990. – 352 с.

5. Тарасик, В.П. Теория движения автомобиля / В.П. Тарасик. – СПб.: БХВ-Петербург, 2006. – 478 с.

6. https://cults3d.com/