PROIECTAREA FUZETEI UTILIZATE LA FORMULA STUDENT

I. ROLUL, CLASIFICAREA SI COMPUNEREA PUNTILOR

1.1. Rolul si clasificarea puntilor

Sistemul de sustinere, propulsie si rulare, sau trenul de rulare este compus din punti, suspensii si roti. Din interactiunea rotilor cu calea in procesul autopropulsarii automobilului, asupra acestuia actioneaza, in functie de regimul de deplasare ( R tractiune, F franare ), reactiunea normala ZR (ZF), reactiunea tangentiala XR (XF) si reactiunea transversala Y. Fata de centrul rotii, aceste forte se reduc la cate o forta si un moment, numit moment reactiv, asa cum se vede in figura 1.1:

; ; .

Fig.1.1.Fortele si momentele care actioneaza asupra rotilor automobilului

Puntile au rolul de a prelua toate fortele si momentele ce apar in centrul rotilor si de a le transmite elementelor elastice ale suspensiei precum si cadrului sau caroseriei autoportante a automobilului. Acest rol este indeplinit de punte prin intermediul mecanismelor de ghidare ale puntilor sau ale rotilor. Clasificarea puntilor se face dupa urmatoarele criterii:A.Dupa tipul mecanismului de ghidare al rotilor, puntile pot fi rigide semirigide sau fractionate (articulate).In continuare ne vom referi doar la cel de-al treilea tip de punti. Puntile fractionate (articulate), sau puntile cu oscilatie independenta a rotilor, sau puntile cu suspensie independenta sunt puntile la care, deplasarea unei roti la trecerea peste un obstacol nu impune si deplasarea celeilalte roti (rotile se pot deplasa independent) deoarece lipseste legatura rigida dintre roata din stanga si din dreapta. Sunt diverse sisteme de montare si de ghidare a rotilor pe sasiu sau pe caroseria autoportanta, cele mai raspandite fiind reprezentate in figura 1.5. Un criteriu de apreciere al puntilor fractionate este variatia ecartamentului E.

Fig.1.2.Scheme mai raspandite de punti fractionate: a) brate transversale alaturate; b) brate transversale in prelungire; c) mecanism patrulater transversal (brate transversale suprapuse); d) mecanism McPherson; e) brate longitudinale trase sau impinse; f) mecanism patrulater longitudinal.

Puntile articulate au fata de puntile rigide urmatoarele avantaje:- imbunatatesc confortul deoarece reduc masa nesuspendata;- imbunatatesc tinuta de drum deoarece deplasarile rotilor nu se influenteaza reciproc;- micsoreaza oscilatiile de ruliu ale caroseriei si maresc stabilitatea automobilului;- permit dispunerea intre roti a unor elemente ale sasiului (motor, cadru etc.), deci coborarea centrului de masa si cresterea stabilitatii;-permit realizarea solutiilor compacte de organizare genarala totul in fata si totul in spate. B. Dupa capacitatea de a realiza autopropulsarea automobilului puntile pot fi motoare si nemotoare.Pentru a realiza autopropulsarea automobilului puntea motoare trebuie sa fie echipata cu mecanismele care asigura transmiterea fluxului de putere al motorului de la SV sau transmisia cardanica la rotile motoare, respectiv: transmisia principala, diferentialul, arborii planetari. Atat puntea rigida cat si puntea fractionata pot fi si punti motoare. Singura conditie principala care trebuie indeplinita la proiectare este ca sa fie posibila o legatura cinematica intre axa rotii si axa diferentialului, respectiv ca elementele suspensiei sa nu fie dispuse in planul transversal definit de cele doua axe.C. Dupa capacitatea de a schimba directia de inaintare, puntile pot fi punti directoare si punti nedirectoare.Pentru a permite schimbarea directiei de mers, puntea de directie trebuie sa permita bracarea rotilor. In acest caz roata prin butucul sau se sprijina pe fuzeta, iar aceasta este articulata prin intermediul pivotului (pivotilor) cu mecanismul de ghidare.

1.2. Compunerea de baza a puntilor

In figura 1.7 sunt prezentate tipuri constructive de baza pentru pivoti si fuzete la puntile fractionate cu mecanism patrulater transversal de ghidare. In acest caz fuzeta trebuie sa se roteasca in jurul axei pivotului (pivotilor), dar sa permita si oscilatia in plan transversal a rotii la dazbaterea suspensiei.

Fig.1.3. Tipuri constructive de baza pentru pivoti si fuzete la punti articulate cu mecanism patrulater transversal de ghidare: a) punte motoare cu pivoti sferici: 1 si 2-fuzeta cu sectiune tubulara; 3-pivot sferic superior; 4-pivot sferic inferior; 5-brat superior; 6-brat inferior; b) punte nemotoare cu pivoti sferici: 1 si 2- fuzeta cu sectiune circulara plina; 3-pivot sferic superior; 4-pivot sferic inferior; 5-brat superior; 6-brat inferior

Se constata tendinta de inlocuire a articulatiilor sferice cu articulatii cilindrice, fuzeta fiind articulata printr-un pivot cilindric cu portfuzeta (o noua componenta a puntii), iar portfuzeta este articulata cilindric cu bratele mecanismului de ghidare. Solutia se aplica atat in cazul mecanismului patrulater transversal (figura 1.4), cat si in cazul mecanismului McPherson (figura 1.5). Ea prezinta urmatoarele avantaje: articulatiile cilindrice sunt mai simple si mai fiabile; axa pivotilor se apropie de planul median al rotii; unghiul de inclinare transversala al pivotilor si deportul transversal pot avea valori mai mici; dispunerea amortizorului se face cu mai putine constrangeri, iar solicitarile lui sunt mai reduse (in cazul puntii McPherson).

Fig.1.4. Punte nemotoare cu mecanism patrulater transversal si articulatii cilindrice: 1-portfuzeta; 2-brat inferior; 3-tampon limitator superior de cursa; 4-lagar pivot cu rulment cu ace; 5-rulment axial pentru preluarea fortelor verticale; 6-pivot cilindric; 7-brat superior; 8-tampon limitator inferior de cursa; 9-amortizor telescopic; 10-arc elicoidal; 11-suport ghidare arc.

Fig.1.5. Punte cu mecanism cu culisa oscilanta si articulatii cilindrice

Puntea de directie asigura prin constructia sa valorile prescrise de proiectant pentru unghiul de inclinare longitudinala al pivotului (unghiul de fuga), unghiul de inclinare transversala al pivotului si unghiul de cadere al rotii, iar daca este cazul si posibilitati de reglare pentru aceste unghiuri. Din aceasta cauza o conditie specifica impusa puntii de directie este sa asigure cinematica corecta si o buna stabilitate a rotilor de directie, pe fondul unei manevrari usoare a volanului, a socurilor reduse la volan si unei uzuri reduse a pneurilor.Puntea trebuie riguros corelata cu elementele suspensiei. Exista in acest sens incompatibilitati ca: nu se poate folosi la o punte rigida un arc bara de torsiune; nu se poate folosi la o punte fractionata cu mecanism patrulater transversal un arc lamelar dispus longitudinal. In plus pe punte trebuie sa existe elemente (suporti, grinzi etc.) care sa permita montarea arcurilor, a amortizoarelor, a tampoanelor limitatoare de cursa si a barelor stabilizatoare. Constructia puntii, indeosibi in zona fuzetei si a butucului rotii, este influentata si de tipul mecanismului de franare folosit, respectiv mecanism cu disc si placheti sau mecanism cu tamburi si saboti interiori. Suspensia automobilului se realizeaza in esenta prin dispunerea intre corpul automobilului si roti a elementelor elastice (arcurile) si a amortizoarelor. Masele suprapuse suspensiei formeaza masa suspendata, iar cele montate sub suspensie formeaza masa nesuspendata. Pentru asigurarea unui confort sporit este necesar ca masa nesuspendata sa fie cat mai mica. Puntile fractionate au o masa nesuspendata mai mica decat puntile rigide.Din cele prezentate rezulta ca, puntile si suspensiile automobilului desi indeplinesc functiuni cu totul diferite, datorita cerintelor numeroase si exigente pentru asigurarea stabilitatii si a confortului in conditiile maselor si a dimensiunilor de gabarit reduse, sunt tratate si realizate constructiv in cadrul unor ansambluri unice, ale caror functiuni sunt in esenta urmatoarele: transmiterea greutatii automobilului la roti; transmiterea fortelor si momentelor de reactiune de la roti la cadru sau caroserie; limitarea solicitarilor dinamice transmise de la roti la cadru sau caroserie; realizarea unui confort cat mai ridicat pentru calatori si marfurile transportate; asigurarea contactului continuu si constant intre roti si cale; ghidarea precisa a miscarii rotilor in raport cu sasiul sau caroseria, in timpul dezbaterii suspensiei; asigurarea stabilitatii pe traiectorie; asigurarea echilibrului automobilului in diverse conditii de deplasare.

Concluzii: 10 Puntea reprezinta ansamblul organelor care permite montarea si ghidarea rotile pe si fata de sasiu sau caroserie cu exceptia dispozitivelor suspensiei (arcuri, amortizoare, bara stabilizatoare) si dispunerea elementelor sistemului de directie (bielete).20 Organele care contribuie atat la ghidarea rotilor cat si la suspensie se considera ca parti ale suspensiei (arcuri lamelare, bara stabilizatoare).

II. FUZETE SI PIVOTI

2.1. Tipuri constructive de fuzete si pivoti Fuzeta sau axa rotii reprezinta osia de rezemare a butucului rotii. Ea are sectiunea circulara de diametre diferite pe care se monteaza rulmentii butucului rotii si este prevazuta la capat cu o portiune filetata pentru piulitele de fixare si reglare a jocului din lagarele cu rulmenti.La puntile motoare, fuzeta este de sectiune tubulara pentru a permite trecerea arborelui planetar la butucul rotii. In celelalte cazuri, fuzeta este de sectiune circulara plina.Fata de mecanismul de ghidare al puntii, fuzeta este articulata prin intermediul pivotului. La puntile rigide, legatura dintre fuzeta si mecanismul de de ghidare trebuie sa permita oscilatia rotii in plan orizaontal pentru schimabarea directiei de mers a automobilului. La puntile articulate, legatura dintre fuzeta si mecanism trebuie sa permita oscilatia independenta a rotii suspendate elastic in planul mecanismului de ghidare si oscilatia rotii in plan orizontal pentru virarea automobilului.In figura 1.3 sunt reprezentate solutii de pivoti si fuzete pentru punti articulate cu mecanism patrulater de ghidare prin articulatii sferice sau prin articulatii cilindrice dispuse in planul de oscilatie.In cazul utilizarii articulatiilor sferice (fig. 1.3, a si b), fuzeta 1 comuna cu bratul portfuzeta 2 (care indeplineste si rolul bieleidin mecanismul patrulater de ghidare) este legata de parghiile 5 si 6 prin articulatiile sferice 3 si 4. Axa ce uneste centrele celor doua articulatii defineste axa pivotului fals. La puntile motoare (fig. 1.3, a) axa pivotului fals trebuie sa fie concurennta cu centrul unui cuplaj unghiular al transmisiei universale.In figura 2.1 sunt reprezentate variante constructive de articulatii sferice frecvent utilizate. La solutia din figura 2.1, a contactul dintre semisfera 1 si corpul 2 este mentinut de arcul conic 3, prevazut cu talerul 4. In cazul articulatiei din figura 2.3, b sfera 1 este introdusa fortat in locasul sferic 2 din material plastic cu proprietati de antifrictiune, intreg ansamblul fiind mentinut de inelul 3 peste care se setizeaza muchia 4.

Fig.2.1. Variante constructive de articulatii sferice.In cazul articulatiilor cinlindrice (fig 2.2, c), fuzeta 1 este articulata prin pivotul 2 de bratul portfuzeta 3, iar aceste este articulat prin articulatiile cilindrice 4 si 6 de bratele 5 si 7 ale mecanismul de ghidare. Articulatia cilindrica fuzeta-pivot-brat portfuzeta permite oscilatia rotii in plan orizontal, iar articulatiile 4 si 6 oscilatia rotii in planul mecanismuluji de ghidare.

III. Fuzeta utilizata in Formula Student

Formula SAE este o competitie a studentilor, n care acestia proiecteaza, construiesc si concureaza cu un monopost de curse.

Fig.3.1. Monopost de Formula Student

3.1. Proiectarea unei fuzete fata pentru Formula Student

Rolul principal al fuzetei este de a conecta bratele suspensiei cu axul rotii. Este eseniala reducerea masei acesteia deoarece constituie masa nesuspendata.

Fig.3.2.Fuzeta fata

S-a optat pentru un design cu elemente triunghiulare, si ca material, pentru un aliaj de aluminiu (6061-T6, cu o tensiune de curgere de 276 Mpa) pentru a obtine o masa redusa.

Fig.3.3.Fuzeta fata modelata in Catia V5

Avem urmatoarele dimensiuni:

directia axei arcului arcului 450, fata de orizontala in plan transversal. distant fata de articulatia sferica inferioara, unde actioneza foata arcului pe bratul inferior, 75 mm. unghi de cadere -20. unghi de inclinare transversala a pivotului -40. Unghi de inclinare longitudinala a pivotului 50.

3.2. Calculul fortelor care actioneaza asupra fuzetei

Fig.3.4.Modelul de calcul al puntii fractionate cu mecanism patrulater transversal cu brate neegale: a) si b) actioneaza reactiunile verticale si tangentiale; c) si d) determinarea grafica a fortelor din brate; e)actioneaza reactiunile verticale si transversale.

Fuzeta va fi analizata in regimul franarii si regimul deraparii. Pentru determinarea fortelor care actioneaza asupra fuzetei a fost utilizata metoda poligoanelor fortelor.

1. Regimul franarii

(a) (b)

Fig.3.5.a) Schema puntii; b) Poligonul fortelor in regimul franarii

Stiind ca , au fost obtinute urmatoarele valori:

2. Regimul deraparii

(a) (b)

Fig.3.6. a) Schema puntii; b) Poligonul fortelor in regimul deraparii

In cazul regimului deraparii fortele au valorile ():

Asupra fuzetei mai actioneaza si reactiunea longitudinal X, care da nastere la si Avem urmatoarele dimensiuni:

3.3 Analiza cu elemente finite a modelui

Pentru realizarea analizei la solicitari, modelul a fost importat in Ansys. In figura de mai jos este prezentata discretizarea, realizata cu elemente de volum tetraedrice.

Fig.3.7.Discretizarea modeluluiSuprafata lagarului a fost constransa pe toate gradele de libertate.

1.Regimul franarii

In cazul regimului franarii au fost aplicate urmatoarele forte:-articulatia superioara -articulatia inferioara

Fig.3.8.Rezultatele pentru regimul franarii

2. Regimul deraparii

-articulatia superioara

Fig.3.9. Rezultatele in regimul deraparii Se constata ca in regimul franarii s-a obtinut o tensiune de aproximativ 143 MPa si in regimul deraparii de aproximativ 44 Mpa, valor mai mici decat tensiunea de curgere de 276 MPa.