Основными материалами для пружин являются: высокоуглеродистые стали 65, 70, 75, 80; марганцовистые 55ГС, 65Г; кремнистые 50С2, 60С2, 60С2А, 70С3А; хромомарганцовистые40ХГ, 50ХГА; хромованадиевая 50ХФА; кремневольфрамистая 65С2ВА и кремнийникелевая 60С2Н2А.
Для пружин, работающих в химически активной среде, применяют проволоку из бронз ,БрКЗМц1, БрО4ц3.
Диаметры проволоки стандартизированы ГОСТ 14958 – 75, материал для пружин оговорен ГОСТ 14959 – 75.
Высокоуглеродистые стали наиболее дешевы и имеют широкое распространение для пружин с размерами до 15мм. Марганцовистые,.кремнистые и хромомарганцовистые стали обладают более высокими механическими свойствами, лучшей прокатываемостью, что позволяет их успешно использовать для пужин с размерами сечений витков до 20мм, а хромомарганцовистые – до 30мм.
Хромованадиевая сталь характеризуется высокими механическими свойствами, особенно высоким пределом выносливости, теплостойкостью и хорошими технологическими свойствами, поэтому ее применяют для особенно ответственных пружин, в частности для клапанных пружин двигателей внутреннего сгорания. Во избежании коррозии пружины кадмируют или покрывают другой коррозийно стойкой пленкой.
Пружины с небольшим размером сечения проволоки до 8мм изготавливают холодной навивкой, пружины с большим сечением проволоки навивают в горячем состоянии.
Большинство пружин холодной навивки изготавливают из проволоки, прошедшей термическую обработку до навивки, а после навивки пружину подвергают только отпуску. Все пружины горячей навивки и наиболее ответственные пружины холодной навивки, в частности, из большинства легированных сталей, подвергают закалке в горячем состоянии.
Проволока стальная углеродистая для пружин холодной навивки без последующей закалки, имеющая наибольшее применение в машиностроении, регламентирована по ГОСТ 9383-75, проволоку диаметром до 8мм выпускают трех основных классов: нормальной прочности-3 класс; повышенной прочности-2 класс; высокой прочности- 1 класс.
Возвратные пружины будут находиться на валах, связывающие дополнительные педали тормоза и сцепления с основными.
Пружины имеют особые прицепы для придания пружине закручивающего момента. По своей конструкции пружины кручения аналогичны пружинам растяжения и сжатия; только их во избежание трения навивают с небольшим просветом между витками в пределах 0,4 … 1,5мм.
При нагружении пружины в каждом сечении действует момент М , равный внешнему моменту Т , закручивающему пружену. Вектор этого момента направлен вдоль оси пружины, который раскладывается на момент, изгибающий виток МИ=М∙cos α, и момент Т=М∙sinα.
В связи с тем, что в пружинах кручения также , как и в пружинах растяжения и сжатия, угол подъема витков мал, обычно менее 12 …15º , поэтому допустимо вести расчет витков только на изгиб с моментом МИ = Т и пренебречь кручением.
Наибольшее напряжение изгиба витков, имеющее место на внутренней поверхности. и условие прочности:
σмах=(K∙M)/ WИ ≤ [σИ]
Коэффициент К учитывает кривизну витков, то есть учитывает поправку к формулам изгиба прямого бруса.
Приближенно поправку на кривизну для пружин с витками круглого сечения
К=(4∙С – 1) / (4∙С - 4) ;
где С – индекс пружины, отношение среднего диаметра пружины D к диаметру проволоки d.
Податливость пружины прямопропорциональна ее индексу С, поэтому для увеличения податливости пружины следует принимать индекс возможно большим; практически, для расчетов назначают в пределах
С = 4 … 12
Для расчетов принимаем среднее значение С = 7.
Поправка на кривизну пружины
К = (4∙С - 1) /(4∙С - 4) = (4∙7 - 1) / (4∙7 - 4) = 1,125
Для навивки пружины используем проволоку из качественной горячекатаной рессорно-пружинной стали 60С2ВА, с содержанием 0,2% кремния, 0,6%углерода, 1% вольфрама. Температура закалки 850ºС, среда охлаждения - масло, температура отпуска 420ºС.
Механические характеристики:
-предел прочности σв=1900МПа,
-предел текучести σт=1700МПа,
-относительное сужение ψ=20%,
-относительное удлинение δ=5%.
Допускаемое напряжение на изгиб принимаем с коэффициентом запаса прочности s=1,2 по отношению к пределу текучести
[σИ]=σт /s =1700/1,2=1416МПа≈1400Мпа
Момент сопротивления изгибу для проволоки круглого сечения
WИ=πd3 /32≈0,1d3
Требуемый диаметр проволоки для пружины определим из условия прочности на изгиб.
σИ=(К∙М)/0,1d3 ≤[σИ],
Откуда
d≥3√((к∙М)/(0,1∙[σИ]))=3√((1,125∙7∙103)/(0,1∙1400))=3,83мм
По ГОСТ 14958-75 принимаем проволоку диаметром 4мм.
Угол закручивания пружины в радианах может быть определен как угол взаимного упругого наклона концевых сечений бруса длиной L, равной суммарной длине витков пружины под действием чистого изгиба моментом М.
Θ=(М∙L)/(E∙J)=(М∙π∙D∙i)/(E∙J)
Основной момент инерции площади сучения проволоки
J=(π∙d4)/64=(3,14∙44)/64=12,566мм
Средний диаметр пружины
D=c∙d=7∙4=28мм
Модуль упругости первого рода для сталей Е=2,1∙105 МПа.
Задаемся углом закручивания пружины φ = 30° при расчетном моменте М=7·103 Н·мм
Величина закручивания пружины в градусах
Θ = π·φ / 180 = (3,14·30°) / 180=0,524 рад.
Потребное число витков пружины определим по условию, что при возрастании момента от установочного Mmin до Мmaxпружина должна получить заданный угол φ = 30°.
Величина установочного момента – момента предварительного закручивания пружины при установке механизма на автомобиль
Mmin≈ 0.75 Mmax=0.75·7=5.25Н·м
Требуемое число витков пружины
i = (Θ·E·J) / (π·D(Ммах – M min)) =
= (0.524 ·2.1·103·12.566) / (3.14·28(7·103 – 5.25·103))=9.76
Принимаем число витков пружины i = 10.
Длина развернутой пружины без учета зацепов
L ≈ 3,2D·i = 3,2·2,8·10=898мм.
Длина пружины :
L0=i·t=10·5,5=55мм ,
где t – шаг витков пружины
t = d+Δ= 4+1,5=5,5мм.
Δ=1,5мм – зазор между витками пружины.
Полная длина пружины с учетом зацепов
L = 62мм.
Длин развернутой пружины с учетом длин зацепов
L = 978мм.
После навивки пружины заневоливают. Для этого их подвергают пластическому деформированию под нагрузкой того же знака, что и рабочая, но вызывающая напряжения выше предела упругости. В результате заневоливания нагруженные волокна получают остаточные деформации.
В свободном состоянии пружины наружные волокна, взаимодействуя с внутренними, получают остаточные напряжения обратного знака по отношению к рабочим, что повышает несущую способность пружины на 20-25%.
4.5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МИНИМАЛЬНОЙ ШИРИНЫ РЫЧАГА ПЕДАЛЕЙ.
Рычаги педалей будут изготовлены из стального листа толщиной 6мм.
Лист 6 ГОСТ 19903-78; лист 35 ГОСТ 1050-74.
Механические характеристики тали 35 после термической обработки:
Предел прочности σв=560МПа
Прел текучести σт=280МПа
Твердость НВ 156
Относительное удлинение δ=15%
Относительное сужение ψ=45%
Предел выносливости при симметричном цикле изгиба
σ-1=0,43σв=0,43·560=240МПа
Допускаемые напряжения на изгиб при коэффициенте запаса прочности на выносливость при изгибе s=1,5
[σ]=σ-1/s=240/1,5=160МПа
Максимальная допустимая ширина листа для изготовления рычагов педалей из условия прочности на изгиб
σи=М/W≤[σ]
Изгибающий момент на рычаге педали
Ми=F·L= 100·0,28=28Н·м
Момент сопротивления изгибу для прямоугольного сечения
W=b·h2 /6
Где h=6мм – толщина листа для изготовления рычагов.
σи=M/W=6М/(b·h2)≤[σ]
откуда, требуемая минимальная ширина листа:
b≥6М/(h2[σ])=(6·28·103)/(62·160)=23мм.
В наиболее опасном сечении рычаги педалей имеют ширину 46мм, то есть рычаги педалей достаточно прочны.
4.6.ЭКСПЛУАТАЦИЯ И МОНТАЖ
Назначение изделия
1. Дополнительные педали предназначены для учебной езды и сдачи квалификационного экзамена в ГИБДД МВД России на получение права управления автотранспортным средством.
2. Дополнительные педали устанавливаются в правой части автомобиля и предназначены для инструктора учебной езды. Технические характеристики
1. Вес, кг 5,5
2. Габаритные размеры, мм
высота 160 ширина 200 длина 956
3. Максимальное усилие на дополнительную педаль тормоза, 20кгс
4 Основные размеры и составная часть дополнительных педалей (на чертеже)
Состав изделия
1. В комплект дополнительных педалей входит оборудование с таблицей
2. Возможна замена отдельных комплектующих изделий на аналогичные по техническим параметрам.
| Наименование | Кол. на один учебный автомобиль | Примечание |
| Сборная часть конструкции | 1 компл. | |
| Кронштейн к рулевой колонке | 1 | левый |
| Кронштейн к перегородке моторн. отсека | 1 | правый |
| Выключатель ВК 343 ТУ 37.701-75 | 1 | |
| Выключатель ВК 407 ТУ 37.003.477-76 | 2 | |
| Звуковая сигнализация РС 508 ТУ 37.003.074-76 | 1 | |
| Провод ПГВА-1,5 ОСТ 6.05.05.003 | 3м | |
| Болт М6х20.58.016 ГОСТ 7798-70 | 3 | |
| Шайба 6.02.016 ГОСТ 11371-70 | 3 |
Устройство, работа и монтаж.
1. Дополнительные педали состоят из педалей, валов, передающих вращение от этих педалей, кронштейнов крепления к кузову, нажимных элементов на штатные педали.