konstruiranje premnikov elektr avtomobilanajprej smo določili točke v katerih bo premnik vpet,...

UNIVERZA V MARIBORU

FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO

Žan ŠINKOVEC

KONSTRUIRANJE PREMNIKOV ELEKTRIČNEGA

AVTOMOBILA

Magistrsko delo

študijskega programa 2. stopnje

Strojništvo

Maribor, marec 2014

KONSTRUIRANJE PREMNIKOV

ELEKTRIČNEGA AVTOMOBILA

Magistrsko delo

Študent: Žan ŠINKOVEC

Študijski program

2. stopnje:

Strojništvo – smer Strojništvo

Smer: Konstrukterstvo

Mentor: red. prof. dr., Srečko GLODEŽ

Maribor, marec 2014

- II -

- III -

ZAHVALA

Zahvaljujem se mentorju Srečku Glodežu za pomoč in

vodenje pri opravljanju magistrskega dela.

Zahvaljujem se tudi študentom s katerimi smo

sodelovali pri projektu e-mobil.

Posebna zahvala velja staršem, ki so mi omogočili

študij, ter punci Andreji za njeno podporo pri študiju.

- IV -

KAZALO

1 UVOD ............................................................................................................................... 1

1.1 Opredelitev problema oziroma opis problema, ki je predmet raziskovanja ...................... 1

1.2 Cilji in raziskovalne hipoteze magistrskega dela .............................................................. 2

1.3 Predpostavke in omejitve raziskave .................................................................................. 2

1.4 Predvidene metode raziskovanja ....................................................................................... 2

2 TEORETIČNE OSNOVE VZMETENJA ........................................................................ 3

2.1 Splošno .............................................................................................................................. 3

2.2 Karakteristike vzmetenega kolesa ..................................................................................... 3

2.3 Vrste vzmetenja ................................................................................................................. 4

2.3.1 Samostojno (neodvisno) vzmetenje kolesa ....................................................................... 4

2.3.2 Vzmetenje z dvojnimi A rokami »duble wishbone« ......................................................... 5

2.3.3 Vzmetenje z uporabo McPherson-ovega modela .............................................................. 6

2.3.4 Primerjava »duble wishbone« in »McPherson« vzmetenja prednjih ne gnanih koles ...... 8

2.3.5 Vzmetenje zadnje osi ........................................................................................................ 8

2.4 Geometrija vzmetenja ....................................................................................................... 9

2.4.1 Potovanje in kinematika kolesa (geometrija kolesa) ......................................................... 9

2.4.2 Razdalja med sprednjo in zadnjo osjo avtomobila ............................................................ 9

2.4.3 Kolotek avtomobila ......................................................................................................... 10

2.4.4 Določevanje geometrije .................................................................................................. 11

2.4.5 Geometrija premnika ....................................................................................................... 17

3 DIMENZIONIRANJE DINAMIČNO OBREMENJENIH KONSTRUKCIJSKIH

KOMPONENT ................................................................................................................ 18

3.1 Splošno o dimenzioniranju dinamično obremenjenih komponent na življenjsko dobo . 18

3.2 Splošne metode dimenzioniranja dinamično obremenjenih komponent ........................ 20

3.2.1 Napetostna metoda .......................................................................................................... 20

3.2.2 Deformacijska metoda .................................................................................................... 21

3.2.3 Mehanika loma ................................................................................................................ 21

4 ZASNOVA IN KONSTRUIRANJE ELEKTRO AVTOMOBILA ................................ 23

4.1 Zasnova elektro avtomobila ............................................................................................ 23

4.1.1 Robni pogoji pri konstruiranju podvozju avtomobila ..................................................... 23

4.2 Konstruiranje premnika elektro avtomobila .................................................................. 24

4.2.1 Parametri za določitev geometrije premnika................................................................... 24

- V -

4.2.2 Določitev točk vpetja premnika ...................................................................................... 31

4.3 Izračun napetosti, ki nastopijo v posameznih točkah vpetja premnika ........................... 32

4.3.1 Izračun maksimalnih sil pri normalni vožnji avtomobila ............................................... 34

4.3.2 Izračun minimalnih sil pri normalni vožnji avtomobila .................................................. 37

4.3.3 Izračun sil pri rahlem zaviranju....................................................................................... 39

4.3.4 Izračun sil pri močnem zaviranju .................................................................................... 42

4.3.5 Izračun sil pri vožnji čez luknje ...................................................................................... 44

4.3.6 Izračun sil pri vožnji čez izbokline ................................................................................. 47

5 DIMENZIONIRANJE PREMNIKA .............................................................................. 50

5.1 Začetni model premnika .................................................................................................. 51

5.2 Numerična analiza po MKE ............................................................................................ 52

5.2.1 Določitev trdnostnih lastnosti materiala ......................................................................... 55

5.2.5 Določitev glavnih napetosti............................................................................................. 61

5.3 Največji pomik premnika ................................................................................................ 66

5.4 Določitev življenjske dobe .............................................................................................. 67

5.4.1 Določitev kritičnega števila nihajev v posameznem obremenitvenem primeru in

skupnega števila obremenitvenih blokov za točko ............................................ 68

6 ANALIZA REZULTATOV............................................................................................ 73

7 ZAKLJUČEK .................................................................................................................. 74

7.1 Doseženi cilji ................................................................................................................... 74

7.2 Predlogi za nadaljnje delo ............................................................................................... 74

8 LITERATURA ................................................................................................................ 75

9 PRILOGE ........................................................................................................................ 76

9.1 Priloga 1: ......................................................................................................................... 76

9.2 Priloga 2: ......................................................................................................................... 76

9.3 Priloga 3: ......................................................................................................................... 77

9.4 Priloga 4: ......................................................................................................................... 78

9.5 Življenjepis ...................................................................................................................... 79

- VI -

KAZALO SLIK

Slika 1: Prikaz vzmetenja avtomobila, katerega sestavni del je tudi premnik [4] ...................... 1 Slika 2: Delovanje bočnih sil podlage na šasijo preko kolesa in vzmetenja .............................. 4 Slika 3: Vzmetenje z dvojnimi A rokami ................................................................................... 5 Slika 4: McPherson-ov model vzmetenja ................................................................................... 6 Slika 5: Delovanje momenta na točko vrtišča pri McPherson-ovem modelu vzmetenja ........... 7

Slika 6: Primerjava vzmetenja »duble wishbone« (A) in »McPherson« (B) ............................. 8 Slika 7: Vzmetenje zadnje osi .................................................................................................... 8 Slika 8: Gibanje kolesa v vertikalni smeri .................................................................................. 9 Slika 9: Razdalja med sprednjo in zadnjo osjo avtomobila (l) ................................................. 10 Slika 10: Kolotek avtomobila ................................................................................................... 10

Slika 11: Prikaz pogleda avtomobila ........................................................................................ 11 Slika 12: Določevanje točk IC in RC ....................................................................................... 12

Slika 13: Določevanje RC pri sprednjem vzmetenju................................................................ 12 Slika 14: Odvisnost zadnjega RC koles od sprednjega ............................................................ 13 Slika 15: Prikaz določitve točke IC .......................................................................................... 13 Slika 16: Pozitiven kot nagiba kolesa ....................................................................................... 14

Slika 17: Prikaz delovanja kota nagiba kolesa ob obremenitvi vozila ..................................... 14 Slika 18: Prikaz geometrije kota nagiba osi zgornjega in spodnjega zgloba............................ 15

Slika 19: Kot inklinacije in »Scrub radius« .............................................................................. 16 Slika 20: Položaj koles pri pozitivnem kotu »toe« ................................................................... 17 Slika 21: Kot nagiba premnika v dveh ravninah ...................................................................... 17

Slika 22: Določitev življenjske dobe dinamično obremenjene konstrukcije [1] ...................... 19 Slika 23: Wöhlerjeva krivulja dinamične trdnosti [1] .............................................................. 20

Slika 24: Klasični pristop h konstruiranju ................................................................................ 22 Slika 25: Lomno – mehanski pristop h konstruiranju .............................................................. 22

Slika 26: Prikaz avtomobila s koordinatnim sistemom [4]....................................................... 23 Slika 27: Medosna razdalja....................................................................................................... 24

Slika 28: Širina podvozja .......................................................................................................... 25

Slika 29: Določevanje RC in IC točk ....................................................................................... 25 Slika 30: Kot nagiba osi zgornjega in spodnjega zgloba .......................................................... 26

Slika 31: Kot nagiba kolesa ...................................................................................................... 26 Slika 32: Kot inklinacije ........................................................................................................... 27 Slika 33: »Scrub radius« ........................................................................................................... 27

Slika 34: Razdalja med zgornjim in spodnjim zglobom premnika .......................................... 28 Slika 35: Pritrditev krmilja (točka E) na premnik .................................................................... 28

Slika 36: Pritrditev zavornih čeljusti (točka D) na premnik ..................................................... 29 Slika 37: Majhna dva kroga prikazujeta pritrditev zavornih čeljusti ....................................... 29 Slika 38: Določitev pozicije vpetja gredi na premnik .............................................................. 30

Slika 39: Premnik in točke vpetja premnika ............................................................................. 31

Slika 40: Točke, v katerih nastopajo obremenitve na premnik, postavljene v koordinatni

sistem kolesa ............................................................................................................................. 32 Slika 41: Določitev točk B in C ................................................................................................ 35

Slika 42: Določitev točke D...................................................................................................... 36 Slika 43: Določitev točke E ...................................................................................................... 36 Slika 44: Določitev točke A...................................................................................................... 37

- VII -

Slika 45: Točka G – težišče avtomobila ................................................................................... 40

Slika 46: Slika prikazuje točko, v kateri se nahaja pogon elektro avtomobila (točka M) ........ 45 Slika 47: Model zgloba v delnem prerezu [4] .......................................................................... 50

Slika 48: Vpetje zgloba v premnik ........................................................................................... 50 Slika 49: Začetni model premnika ............................................................................................ 51 Slika 50: Premnik s komponentami, preko katerih delujejo nanj obremenitve ........................ 51 Slika 51: Premnik z zaokrožitvami in točkami vpetja .............................................................. 55 Slika 52: Površinske napetosti, ki delujejo na gred .................................................................. 56

Slika 53: Površinske napetosti, ki delujejo na točke vpetja zglobov in zavornih čeljusti ........ 56 Slika 54: Mreženje 3D modela ................................................................................................. 57 Slika 55: Pozicija kritične točke (KT) ...................................................................................... 58 Slika 56: Minimalne primerjalne napetosti v KT po Missesu pri normalni vožnji, če premnik

togo vpnemo na gred ................................................................................................................ 59

Slika 57: Maksimalne primerjalne napetosti v KT po Missesu pri normalni vožnji, če premnik

togo vpnemo na gred ................................................................................................................ 59

Slika 58: Maksimalne primerjalne napetosti v KT po Missesu pri rahlem zaviranju, če

premnik togo vpnemo na gred .................................................................................................. 59 Slika 59: Maksimalne primerjalne napetosti v KT po Missesu pri močnem zaviranju, če

premnik togo vpnemo na gred .................................................................................................. 59

Slika 60: Maksimalne primerjalne napetosti v KT po Missesu pri vožnji čez luknje, če


Slika 61: Maksimalne primerjalne napetosti v KT po Missesu pri vožnji čez izbokline, če


Slika 62: Glavna napetost , ki se pojavi v KT pri minimalni obremenitvi avtomobila ....... 61

Slika 63: Glavna napetost ,ki se pojavi v KT pri normalni vožnji ...................................... 61

Slika 64: Glavna napetost , ki se pojavi v KT pri rahlem zaviranju .................................... 61

Slika 65: Glavna napetost , ki se pojavi v KT pri močnem zaviranju ................................. 61

Slika 66: Glavna napetost , ki se pojavi v KT pri vožnji čez luknje ................................... 62

Slika 67: Glavna napetost , ki se pojavi v KT pri vožnji čez izbokline ............................... 62


Slika 69: Glavna napetost , ki se pojavi v KT pri normalni vožnji ..................................... 62




Slika 73: Glavna napetost , ki se pojavi v KT pri vožnji čez izbokline ............................... 63


Slika 75: Glavna napetost , ki se pojavi v KT pri normalni vožnji ..................................... 64




Slika 79: Glavna napetost , ki se pojavi v KT pri vožnji čez izbokline ............................... 65 Slika 80: Največji pomik, ki nastane pri vožnji čez luknje ...................................................... 66

Slika 81: Določitev koeficienta oziroma s pomočjo grafa [3] ...................................... 76

Slika 82: Določitev koeficientov in s pomočjo grafa [3] ............................................ 76

- VIII -

KONSTRUIRANJE PREMNIKOV ELEKTRIČNEGA AVTOMOBILA

Ključne besede: konstruiranje, elektro avtomobil, premnik, življenjska doba, napetostna

metoda

UDK klasifikacija: [621.8-11:629.3.023]:519.6(043.2)

POVZETEK

V magistrski nalogi je opisan postopek konstruiranja premnika avtomobila. Cilj te naloge je

skonstruirati model premnika, ki bo vzdržal obremenitve ob predpostavljenih pogojih

obratovanja. Geometrijo premnika smo določili s pomočjo literature, ki je zapisana v virih.

Najprej smo določili točke v katerih bo premnik vpet, nato pa v teh točkah predpostavili

obremenitve. Točke vpetja premnika smo določili ob predpostavljeni geometriji celotnega

vzmetenja avtomobila. Nato smo s pomočjo predpostavk izračunali obremenitve, ki delujejo

na točke vpetja premnika pod različnimi pogoji. Na osnovi točk vpetja premnika smo

skonstruirali začetni 3D model premnika. S pomočjo numerične simulacije po MKE smo

optimizirali 3D obliko premnika, prikazali rezultate primerjalne napetosti po Missesu, glavne

napetosti v kritičnem prerezu premnika ter pomike pri danih obremenitvah. Glede na dobljene

rezultate glavnih napetosti v kritičnem prerezu smo določili življenjsko dobo izbranega dela

konstrukcije.

- IX -

CONSTRUCTION OF AN ELECTRIC CAR UPRIGHT

Key words: construction, electric car, upright, life span, fatigue life stress method

ABSTRACT

The thesis describes the design process of a car upright. The aim of this paper is to construct

a model upright, which will sustain the assumed load conditions. The geometry of the upright

carrier was determined by means of literature, which is recorded in the works cited page.

First, we determined the point where the upright would be mounted, and then we assumed the

burden in these sections. The upright mount points were determined assuming the geometry of

the total suspension of the car. Then we calculated the loads acting on the upright mount

point under different conditions by using suppositions. Based on the upright mount points, we

constructed an initial 3D model of the axle beam. With the help of a numerical simulation

using FEM analysis, we optimized the 3D shape of the upright, we showed the results of the

equivalent stresses according to Misses, the principal stresses in the critical cross-section of

the axle beam and movements at the given loads. According to the results of principal stresses

in the critical section we have determined the fatigue life of a selected part of the structure.

- X -

UPORABLJENI SIMBOLI

H1 – oznaka za hipotezo

– razmerje pri medosni razdalji avtomobila

– koordinatne osi Kartezijevega koordinatnega sistema

– oznaka za hipotezo

– gravitacijski pospešek

– sila podlage na kolo (brez dodatnih obremenitev)

– maksimalna hitrost avtomobila

– ne vzmetena masa pnevmatike, platišča, zavornega sistema, zglobov in premnika

– sila ne vzmetene mase

– maksimalna sila trenja med podlago in pnevmatiko

– višina masnega težišča obremenjenega avtomobila

– kot pod katerim deluje sila na zgornji zglob

– kot inklinacije

– kot nagiba osi zgornjega in spodnjega zgloba

– sila, ki deluje s podlage na pnevmatiko

– sila, ki deluje z gredi na premnik

– sila, ki deluje z zgornjega zgloba na premnik

– sila, ki deluje s spodnjega zgloba na premnik

– sila, ki deluje z zavornih čeljusti na premnik

– sila, ki deluje s krmilnega zgloba na premnik

– koeficient udarcev na pnevmatiko pri vožnji

– statični polmer pnevmatike

– zunanji premer neobremenjene pnevmatike

– zunanji polmer neobremenjene pnevmatike

– maksimalni moment pogonskega elektromotorja

– premer neobremenjene pnevmatike

– deformacija pnevmatike pri maksimalni obremenitvi

– maksimalna obremenitev pnevmatike pri predpisanem tlaku napolnjenosti

– obremenitveni koeficient pnevmatike pri predpisanem tlaku napolnjenosti

– obremenitveni koeficient pnevmatike pri dejanskem tlaku napolnjenosti

- XI -

– koeficient stranske sile na pnevmatiko pri vožnji

– pojemek pri zaviranju

– čas zaviranja

– vztrajnostna sila

– koeficient trenja med pnevmatiko in podlago

– sila

– površina na kateri deluje sila

– napetost na površini

– natezna trdnost materiala

– meja plastičnosti materiala

– modul elastičnosti materiala

– koeficient trdnosti pri utrujanju materiala

– eksponent trdnosti pri utrujanju materiala

– Poissonovo število

– število ponovitev obremenitve

– število ponovitev obremenitvenega bloka

– število nihajev obremenitve

– amplitudna trdnost

– srednje napetost

– srednja primerjalna napetost

– primerjalna amplitudna napetost

– trajna dinamična trdnost pri ali

- XII -

UPORABLJENE KRATICE

Max – Oznaka največje dimenzije/vrednosti

Min – Oznaka najmanjše dimenzije/vrednosti

RC – točka rotacije šasije »roll center«

DIN – nemški standard

ISO – evropski standard

MKE – metoda končnih elementov

KT – kritična točka

CAD – računalniško podprto načrtovanje/konstruiranje

IC – točka rotacije kolesa »instant center«

RCH – razdalja od »roll centra« do podlage

3D – modeliranje v treh oseh Kartezijevega koordinatnega sistema (x, y, z)

165/65 R14 – kratice za dimenzije kolesa

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo

- 1 -

1 UVOD

1.1 Opredelitev problema oziroma opis problema, ki je predmet raziskovanja

Za projekt e-mobil (električni avtomobil) smo se odločili na podlagi povpraševanja trga.

Električni avtomobil v primerjavi z avtomobilom z notranjim izgorevanjem ne spušča v

okolje raznih primesi. Povpraševanje za električni avtomobil se dviga tudi, ker se zaloge

fosilnih goriv zmanjšujejo.

Vozila, gnana s pomočjo električne energije (elektromotorjev), imajo v primerjavi z vozili,

gnanimi s pomočjo motorja z notranjim izgorevanjem, malo porabo energije. Z njimi imamo

tudi manj stroškov vzdrževanja in možnost uporabljanja različnega primarnega vira energije

(vetrna, vodna, sončna, jedrska energija).

Na Fakulteti za strojništvo Univerze v Mariboru smo se odločili skonstruirati ter izdelati

električni avtomobil. S študenti smo se razdelili v skupine, ki so delale na posameznih sklopih

avtomobila (podvozje, šasija, notranjost, oblikovanje zunanjosti avtomobila, ...). Pri podvozju

smo proučili in določili obremenitve, ki delujejo na avtomobil. Nato smo skonstruirali

premnik in roke (preme), ter določili standardne zglobe, ležaje, kolo in vzmetenje avtomobila.

V magistrski nalogi smo se osredotočili na konstruiranje premnika in ga poskušali čim bolj

optimalno oblikovati, da bo zdržal vse obremenitve, ki bodo delovale nanj ter ga

dimenzionirati na življenjsko dobo. Premnik naj bi bil iz aluminijeve zlitine, saj je za

električni avtomobil zelo pomembno, da je zgrajen iz čim lažjih materialov.

Slika 1: Prikaz vzmetenja avtomobila, katerega sestavni del je tudi premnik [4]


- 2 -

1.2 Cilji in raziskovalne hipoteze magistrskega dela

Krovni cilj magistrskega dela je skonstruirati strojni del podvozja avtomobila – premnik,

kateri bo vgrajen v električni avtomobil. Glavni cilj je optimizirati obliko strojnega dela po

metodi končnih elementov (MKE), določiti maksimalne obremenitve, ki delujejo na premnik

in določiti trajno dinamično trdnost tega strojnega dela, da pri določenih obremenitvah ne bo

prišlo do porušitve.

Hipoteze:

H1: Premnik bo zdržal obremenitve, čeprav je iz aluminijeve zlitine.

H2: Premnik bo lahko ulitek brez dodatne obdelave.

H3: Premnik bo zdržal obremenitve do trajne dinamične trdnosti pri nihajev.

1.3 Predpostavke in omejitve raziskave

Predpostavljamo, da bo zmodelirani sklop skladen z ostalimi deli avtomobila. Pri

dimenzioniranju posameznih elementov je predpostavljeno, da bodo napetosti zaradi zunanjih

obremenitev v elastičnem območju, tako da bo pri dimenzioniranju uporabljena napetostna

metoda. Omejitev pa nam predstavlja dejstvo, da bo premnik čim lažji ulitek s čim manj

dodatne obdelave.

1.4 Predvidene metode raziskovanja

Študij strokovne literature.

CAD modeliranje konstrukcijskih elementov.

Numerična analiza po MKE, s programskim paketom SolidWorks.

Določevanje trdnostnih lastnosti Al – zlitin pri dinamičnih obremenitvah.


- 3 -

2 TEORETIČNE OSNOVE VZMETENJA

2.1 Splošno

Vzmetenje avtomobila nam omogoča udobno vožnjo kljub neravni podlagi, po kateri se

peljemo. Vzmetenje prevzame preko koles vse obremenitve, ki delujejo iz podlage na

avtomobil. S pravilno določitvijo geometrije vzmetenja preprečimo, da bi se avtomobil v

ovinkih prevrnil. Ob pravilno določeni geometriji vzmetenja bo avtomobil prenašal vse

obremenitve , ki ob vožnji delujejo nanj.

2.2 Karakteristike vzmetenega kolesa

Vzmetenje modernega kolesa mora zagotoviti številne zahteve pri različnih obratovalnih

pogojih (obremenjen/neobremenjen, pospešek/zaviranje, raven/razgiban teren). Če želimo, da

ima obremenjen avtomobil pri vožnji dober oprijem s podlago in da se v ovinkih ne bi

prevračal, moramo pri dimenzioniranju vzmetenja upoštevati različne kote, pod katerimi

posredno delujejo sile na avtomobil [4].

Sile in momenti, ki delujejo na kolo, morajo biti ob stiku s površino usmerjene v avtomobil

oziroma premnik. Pri določevanju vzdolžnih, prečnih in vertikalnih sil moramo upoštevati

točki RC in IC (predstavljeni v poglavju 2.4.4), kolotek, medosno razdaljo, kot inklinacije,

kot nagiba osi zgornjega in spodnjega zgloba in kot nagiba kolesa. S temi parametri vplivamo

na sile, ki delujejo na vzmetenje in vozne lastnosti avtomobila. Pri določevanju oziroma

dimenzioniranju vzmetenja moramo upoštevati naslednje zahteve:

neodvisno medsebojno gibanje koles na isti osi,

čim manjšo skupno nevzmeteno maso premnika, prem (dvojne A roke), zavornega

sistema in kolesa,

ugoden potek silnic, ki potekajo od točke, kjer se kolesa dotikajo podlage in potekajo

do preostalih delov konstrukcije vozila,

čim manjšo konstrukcijo z upoštevanjem geometrije in trdnostnih lastnosti

konstrukcijskih delov,

konstrukcija mora biti čim bolj ugodna za vzdrževanje,

varnost za uporabnike vozila in druge udeležence, ki bi lahko prišli v stik z

avtomobilom ob njegovem delovanju,

čim nižjo ceno vzmetenja in posledično avtomobila.


- 4 -

2.3 Vrste vzmetenja

Poglavje je povzeto po strokovni literaturi [4].

2.3.1 Samostojno (neodvisno) vzmetenje kolesa

Šasija navadnega avtomobila mora biti sposobna prenašati moč motorja. Vedno večji

pospeški, hitrosti v ovinkih in pojemki privedejo do vedno večjih zahtev za varnejše podvozje

avtomobila. Neodvisno vzmetenje kolesa sledi temu trendu. Njegove glavne prednosti so:

- malo prostorskih zahtev,

- možnost je kinematično in/ali elasto kinematično spreminjanje kota, ki se nagiba k

podkrmiljenju,

- lažja je vodljivost z obstoječim pogonom,

- majhna masa,

- ni vpliva med kolesi.

Zadnji dve lastnosti sta pomembni zaradi neenakomerne vozne površine, še posebej v ovinkih

z neravnim cestiščem. Prečne in končne roke zagotavljajo kinematično obnašanje velikih in

manjših koles in pa tudi prednost iz obremenitve koles na telo oziroma šasijo. Bočne sile tudi

ustvarjajo moment, ki ima neugoden vpliv na zasuk telesa med zavijanjem (slika 2).

Kontrolne roke pri vzmetenju so na telo (šasijo) vpete preko puš, da se lahko obremenitev rok

prenaša na vzmetenje.

Zaradi bočne sile , se pojavi reakcija v točkah vpetja prem in premnika.

Slika 2: Delovanje bočnih sil podlage na šasijo preko kolesa in vzmetenja

Legenda k sliki 2:

… razdalja med točkama vpetja prem na šasijo

… sila, ki deluje s šasije na premi

… sila, ki deluje s podlage na kolo

… točki vpetja zgornje in spodnje preme na premnik

… točki vpetja prem na šasijo


- 5 -

2.3.2 Vzmetenje z dvojnimi A rokami »duble wishbone«

Zadnji dve značilnosti neodvisnega vzmetenja koles je najlažje doseči z dvojnimi prečnimi

vodili vzmetenja (dvojnimi A rokami). Ta način vzmetenja je sestavljen iz dveh prečnih

povezav na obeh straneh vozila, ki sta montirani na okvir tako, da se lahko krožno gibljeta

samo okoli vodoravne osi. Na premnik, na katerega je pritrjeno kolo, pa so roke (preme)

povezane preko krogličnega sklepa (slika 3).

Večja kot je razdalja med šasijo in kolesom oziroma večja kot je dolžina kontrolnih rok,

manjše so sile v rokah. Krmiljenje kolesa pa je tudi bolj natančno. Glavne prednosti

vzmetenja z dvojnimi A rokami so kinematične možnosti. Položaj kontrolnih rok je neodvisen

drug od drugega (kontrolne roke, ki so vpete v enako točko na premniku). Poleg tega, da

lahko različne dolžine rok vplivajo na položaj kolesa, imajo v določeni meri tudi vpliv na

kolotek kolesa.

Slika 3: Vzmetenje z dvojnimi A rokami


- 6 -

2.3.3 Vzmetenje z uporabo McPherson-ovega modela

McPherson-ov model vzmetenja uporablja večina avtomobilov (slika 4). Vzmetna roka se

uporablja namesto zgornje dvojne A roke in vzmeti. Pri vzmetenju z dvojnima A rokama je

vzmet vpeta na spodnjo roko čim bližje zglobu, na katerega je pritrjena roka. Roka je vpeta na

šasijo.

Slika 4: McPherson-ov model vzmetenja


- 7 -

Zgornji del McPherson-ove roke pride vpet preko vrtišča na šasijo. Vse sile, ki delujejo preko

kolesa na šasijo, pa so skoncentrirane v točki vpetja, zato se v tej točki pojavi tudi moment

(slika 5). Zaradi koncentracije sil in momentov se za McPherson-ov model uporablja po

navadi jeklo, ki je žilav material.

Glavna prednost McPherson-ove vzmetne roke je, da se vsi deli za začasno ustavitev in

nadzor koles lahko združijo v eno montažo.

Slika 5: Delovanje momenta na točko vrtišča pri McPherson-ovem modelu vzmetenja


- 8 -

2.3.4 Primerjava »duble wishbone« in »McPherson« vzmetenja prednjih ne

gnanih koles

Slika 6: Primerjava vzmetenja »duble wishbone« (A) in »McPherson« (B)

Kot je razvidno na sliki 6, se vzmetenja prednjih ne gnanih koles razlikujeta po načinu vpetja

premnika na šasijo. Drugačen pa je tudi način vzmetenja.

2.3.5 Vzmetenje zadnje osi

Vzmetenje zadnje osi sestoji iz vzdolžnih kontrolnih rok, katere ležijo v smeri vožnje

avtomobila in so montirane na vzmeten most ali pa na šasijo avtomobila. Vzdolžne kontrolne

roke morajo prenašati sile v vseh smereh, zato so predmet, na katerega delujejo upogibne in

torzijske obremenitve.

Sistem zadnjega vzmetenja, kot prikazuje slika 7, se po navadi uporablja pri avtomobilih s

srednjim pogonom. Prednost tega sistema je, da je lahko karoserija ravna in da ne zavzame

veliko prostora.

Slika 7: Vzmetenje zadnje osi


- 9 -

2.4 Geometrija vzmetenja

Poglavje je povzeto po strokovni literaturi [4].

2.4.1 Potovanje in kinematika kolesa (geometrija kolesa)

Geometrija vzmetenja (slika 8) opisuje gibanje kolesa v navpični smeri, med tem ko

kinematika kolesa opredeljuje položaj kolesa, sile in momente, katere povzroča podlaga na

kolo oziroma ostalo geometrijo (gred, ležaje, premnik, zglobe, vzmetenje, preme).

Spremembe položaja kolesa so posledica elastičnosti v delih vzmetenja. Formule za izračun

teh prametrov so določene tako v nemških standardih DIN 70 000 in DIN 74 250, kot tudi v

mednarodnih standardih ISO 4130 in ISO 8855.

Slika 8: Gibanje kolesa v vertikalni smeri

Ob pogledu s sprednje strani kolesa (pogled prikazuje slika 11), prikazuje slika 8, kako se

zaradi kota nagiba kolesa ob obremenitvi avtomobila, spremeni položaj kolesa. Črtkana črta

prikazuje položaj kolesa, če na vzmetenje ne deluje obremenitev. Polna črta pa prikazuje

položaj kolesa, če na vzmetenje delujejo obremenitve.

2.4.2 Razdalja med sprednjo in zadnjo osjo avtomobila

Razdalja merjena od sredine zadnje osi do sredine sprednje osi, ima velik vpliv na vozne

lastnosti vozila. Večja dolžina omogoča več prostora za potnike in zmanjša vpliv dodatnega

tovora. Previsna polja spredaj in zadaj vozila so tako krajša. Omogoča pa tudi bolj mehko

vzmetenje, kar je povezano z večjo udobnostjo (slika 9).


- 10 -

Slika 9: Razdalja med sprednjo in zadnjo osjo avtomobila (l)

Za določitev medosne razdalje avtomobila si lahko pomagamo z razmerjem:

Tako vzamemo za manjša vozila razmerje , pri čemer se medosna razdalja giblje

med in (po strokovni literaturi [4]).

2.4.3 Kolotek avtomobila

Velikost razmika med sosednjima kolesoma (kolotek) ima velik vpliv na vozne lastnosti

vozila predvsem pri vožnji v ovinek. Razmik naj bi bil čim večji, omejen pa je s celotno širino

avtomobila. Običajno pri osebnih avtomobilih meri kolotek med in [4].

Slika 10: Kolotek avtomobila


- 11 -

2.4.4 Določevanje geometrije

Točka RC »roll center«:

Pri vseh neodvisnih vzmetenjih sta višina RC in sprememba koloteka neposredno povezana,

zato ju moramo vedno obravnavati skupaj.

RC je točka, ki leži na sredini vozila pri vzdolžnem pogledu in na srednjici osi kolesa pri

prečnem pogledu.

Slika 11: Prikaz pogleda avtomobila

Če gledamo vozilo iz bočne strani (slika 11) je točka RC na vzdolžni osi vozila. V tem

pogledu pa se vozilo vrti okrog točke RC ob zaviranju in pospeševanju vozila.

Ob pogledu vozila s sprednje strani (slika 11), se okoli točke RC pri delovanju stranskih sil,

nagiba oziroma prevrača vozilo. Točka RC je samo pri simetrični obremenitvi vozila na

sredini, pri vožnji v ovinek pa se položaj te točke spremeni. RC mora biti čim manj oddaljen

od podlage, saj vpliva na vozne lastnosti ter na sile in momente, ki delujejo na vozilo. Pri

določitvi višine RC (RCH) moramo paziti, da slučajno ne pride položaj točke pod podlago.

Zaradi momenta, ki nastopi z linearnimi silami v prijemališču točke IC, ki vzmeteno maso

potiskajo navzdol, privede do reakcije tega momenta in potisne vzmeteno maso navzgor.

Temu pravimo »Jacking efekt«.

Točka RC je tako definirana s pomočjo geometrije in vpetja rok ter višine (oddaljenosti RC

od podlage). Višino določimo s pomočjo literature (slika 12).


- 12 -

Slika 12: Določevanje točk IC in RC

Višina RC spredaj naj bi merila od do od podlage, višina RC zadaj pa od do

od podlage (slika 13) [4].

Slika 13: Določevanje RC pri sprednjem vzmetenju

Legenda k sliki 13:

… »Scrub radius« (parameter opisan v nadaljevanju)

… vodoravna razdalja od srednjice kolesa do točke RC

… razdalja med točkama vpetja prem na premnik

… razdalja med podlago in vpetjem spodnjega zgloba

… kot nagiba zgornje preme

… kot nagiba spodnje preme

… kot nagiba premnika

… točka, ki opisuje presečišče srednjice kolesa in podlage

… točki vpetja zgornje in spodnje preme na premnik

… višina točke RC


- 13 -

Geometrija pri sprednjih kolesih se malo razlikuje od zadnje, saj je RC spredaj načeloma malo

nižji od RC zadaj. Tako se najprej določi geometrija sprednjega vzmetenja in nato zadnjega.

Oba RC (sprednji in zadnji) sta povezana (slika 13), pri čemer moramo upoštevati minimalen

kot med njima.

Slika 14: Odvisnost zadnjega RC koles od sprednjega

Točka IC »instant center«:

IC je točka, okoli katere se vrti kolo, skupaj s premnikom in premo. Ta točka vpliva na kot

nagiba kolesa in položaj točke RC.

Slika 15: Prikaz določitve točke IC


- 14 -

Kot nagiba kolesa »camber«:

Kot nagiba kolesa (previs) je definiran glede na pravokotnico na podlago (slika 16). Kot je

pozitiven, če je kolo nagnjeno stran od šasije avtomobila. Če bi želeli doseči čim manjšo

obrabo in dober oprijem pnevmatik s podlago, bi določili pozitiven kot pri neobremenjenem

vozilu. Vendar zaradi slabih voznih lastnosti v ovinku, ki bi jih prinesel pozitiven kot nagiba

kolesa, izberemo negativen kot. Območje velikosti kota se giblje med 0° in 1°20'', s toleranco

±30'' (v negativno smer – proti šasiji avtomobila).

Slika 16: Pozitiven kot nagiba kolesa

Ob obremenitvi vozila lahko shematično prikažemo, kako se kot nagiba kolesa spreminja

(slika 17). Zaradi sil, ki nastanejo pri vožnji v ovinek, se pnevmatike deformirajo. Zaradi

majhnega kota nagiba kolesa pa se med podlago in pnevmatiko ustvari dovolj veliko trenje, da

vozilo ne zdrsne. Slaba stran negativnega kota je, da se ob vožnji naravnost zmanjša trenje

med podlago in pnevmatiko.

Slika 17: Prikaz delovanja kota nagiba kolesa ob obremenitvi vozila


- 15 -

Kot nagiba osi zgornjega in spodnjega zgloba »caster«:

Pod kotom nagiba (kot zaostajanja kolesa) osi zgornjega in spodnjega zgloba je nagnjena os,

okoli katere se vrti kolo s premnikom pri krmiljenju. Ta kot vpliva na silo, ki je potrebna za

krmiljenje kolesa oziroma vozila in vpliva na občutljivost krmiljenja. Kot nagiba osi

zgornjega in spodnjega zgloba vpliva tudi na kot nagiba kolesa in na vožnjo v ovinek. Večji

kot je kot nagiba osi zgornjega in spodnjega zgloba, bolje se vozilo obnaša v vožnji v ovinku.

Sredina kolesa je za osjo, ki določa kot rotacije kolesa. Kot nagiba osi zgornjega in spodnjega

zgloba lahko razložimo s primerom kolesa pri nakupovalnem vozičku »teewagen effekt«, pri

katerem se kolo orientira v smeri vlečne sile. Ta pojav nam pomaga naravnati kolo v tir kolesa

ob neravni podlagi. Vendar kot nagiba osi zgornjega in spodnjega zgloba ne sme biti prevelik,

saj bi v tem primeru postalo vozilo nestabilno. Območje tega kota se giblje med 4° in 8°.

Slika 18: Prikaz geometrije kota nagiba osi zgornjega in spodnjega zgloba


- 16 -

Kot inklinacije »kingpin«:

Okrog osi, ki jo določa kot inklinacije (radij krmiljenja), se vrti kolo s premnikom pri

krmiljenju. Kot inklinacije vpliva tudi na silo, ki je potrebna za krmiljenje vozila in na

velikost nagibnega kota kolesa pri vožnji v ovinek. Kot inklinacije je odvisen od parametra

»Scrub Radius« (slika 19), ki določa razdaljo med srednjico kolesa in točko, kjer premica, ki

opisuje kot inklinacije seka podlago. Kot je razvidno iz slike 19 je kot nagnjen proti šasiji,

vendar ne sme biti prevelik, saj bi se v tem primeru posledično povečale sile, ki so potrebne

za krmiljenje vozila.

Slika 19: Kot inklinacije in »Scrub radius«

Kot, ki opisuje medsebojno lego dveh koles »toe«:

Ta kot predstavlja medsebojno lego koles, ki nista popolnoma vzporedni in vpliva na

dinamiko vozila (slika 20). Povezan je s kotom nagiba koles. S tem kotom nastavljamo

krmiljenje sosednjih koles. S pravilno nastavitvijo kota stabiliziramo kolesa za ravno vožnjo.

Kot, ki opisuje medsebojno lego dveh koles, drugače tudi imenujemo stekanje koles.


- 17 -

Slika 20: Položaj koles pri pozitivnem kotu »toe«

2.4.5 Geometrija premnika

Geometrija premnika je odvisna od točk vpetja rok, dimenzij zglobov, določitve vpetja gredi,

geometrije zavornega sistema ter geometrije volanske gredi. Nagib premnika od kolesa je

odvisen od kotov nagiba kolesa in kota nagiba osi zgornjega in spodnjega zgloba, katera sta

dana v literaturi. Tako je nagib premnika definiran v dveh različnih ravninah (slika 21).

Slika 21: Kot nagiba premnika v dveh ravninah

Kolo mora biti v mirovni legi avtomobila nagnjeno za določen kot navzven od šasije

avtomobila. Ob obremenitvi avtomobila pa se ta nagibni kot izniči.


- 18 -

3 DIMENZIONIRANJE DINAMIČNO OBREMENJENIH

KONSTRUKCIJSKIH KOMPONENT

3.1 Splošno o dimenzioniranju dinamično obremenjenih komponent na

življenjsko dobo

S pomočjo postopka dimenzioniranja dinamično obremenjenih konstrukcijskih komponent

lahko bolj natančno določimo njihovo življenjsko dobo. Vedno več je zahtev po čim lažjih

konstrukcijah. Tako lahko konstrukcijski element skonstruiramo iz lažjega materiala, vendar

se je pri tem potrebno prepričati, če ima ta material dovolj dobre mehanske lastnosti. Dobre

mehanske lastnosti pomenijo, da bo element zdržal dinamične obremenitve, ki bodo delovale

na konstrukcijo. Druga rešitev pa je lahko, da bi zmanjšali število nosilnih prerezov z uporabo

jekel z veliko trdnostjo. Pri tem je potrebno konstrukcije ustrezno skonstruirati, da ne pride do

utrujenostnih poškodb. Pri izbiranju rešitev pa je potrebno tudi gledati na ceno in možnost

obdelave materiala.

Če se pri obremenitvah pojavijo utrujenostne razpoke, je potrebno oceniti preostalo dobo

trajanja konstrukcije. Izračun trajanja življenjske dobe dinamično obremenjenih komponent

temelji na napetostnih in deformacijskih metodah. S pomočjo omenjenih metod prepoznamo

kritično mesto prereza, katerega običajno določimo po metodi končnih elementov (MKE).

Tako na življenjsko dobo konstrukcij najbolj vplivajo zunanje (dinamične) obremenitve ter

mehanske lastnosti materiala.

Pri določevanju življenjske dobe konstrukcije, katera ima razpoko, imamo točno določen

postopek, po katerem to dobo določimo. Postopek razdelimo na dva dela. V prvem delu

nastopata prvi dve fazi, v katerih določimo injiciacijo razpoke, v drugih dveh fazah pa

določimo širjenje razpoke (slika 22) [1].


- 19 -

Slika 22: Določitev življenjske dobe dinamično obremenjene konstrukcije [1]

Poznamo tri metode dimenzioniranja dinamično obremenjenih komponent na življenjsko

dobo:

- Napetostna metoda

- Deformacijska metoda

- Mehanika loma

Za reševanje problemov utrujenostnih razpok in materiala ter pri dimenzioniranju dinamično

obremenjenih komponent se trenutno najbolj uporablja deformacijska metoda.

Za odločitev, katero izmed treh metod se odločimo, pa nam pomagajo tako imenovani štirje

kriteriji. Prvi kriterij dimenzioniranja na življenjsko dobo temelji na Wöhlerjevi krivulji (slika

24) in se imenuje »Infinite – life design«. Drugi kriterij imenujemo »Safe – life design«, po

katerem dimenzioniramo konstrukcije na vnaprej predvideno življenjsko dobo konstrukcije.

Tretji kriterij je povezan z rednim vzdrževanjem in pregledi konstrukcij, kjer so predvidene

možne napake (kritična mesta) v konstrukcijah. Morebitno napako v konstrukciji moramo

takoj sanirati (popraviti ali zamenjati ta del konstrukcije). Ta kriterij imenujemo »Fail – safe

design«. Zadnji kriterij pa s pomočjo predpostavke, da so v konstrukciji že prisotne napake,

na primer zaradi obrabe dela konstrukcije. S pomočjo eksperimentalnih postopkov oziroma

raznih izračunov lahko določimo preostali čas obratovanja obremenjene konstrukcije. Ta

kriterij imenujemo »Damage – tolerant design«.

Če se deformacija pojavi v elastičnem področju, uporabimo za določitev preostale življenjske

dobe obremenjene konstrukcije zakonitosti elastične mehanike loma.


- 20 -

3.2 Splošne metode dimenzioniranja dinamično obremenjenih komponent

Glede na kriterije, opisane v poglavju 3.1, se odločimo, po kateri metodi bomo dimenzionirali

dinamično obremenjeno konstrukcijo.

3.2.1 Napetostna metoda

Napetostna metoda temelji na Wöhlerjevi krivulji dinamične trdnosti (slika 23) in je

najstarejša metoda dimenzioniranja dinamično obremenjenih komponent [1].

Slika 23: Wöhlerjeva krivulja dinamične trdnosti [1]

Metoda je namenjena dimenzioniranju strojnih delov konstrukcij po prvem kriteriju, kjer

napetosti še niso v plastičnem področju. Za obremenjene komponente, ki so že v plastičnem

področju, pa se uporablja metoda po drugem kriteriju, kjer s pomočjo Wöhlerjeve krivulje

določamo mejno število nihajev, ki jih bo konstrukcija še prenesla.


- 21 -

3.2.2 Deformacijska metoda

Deformacijska metoda je v primerjavi z napetostno metodo novejša metoda dimenzioniranja

dinamično obremenjenih komponent. Osnovna značilnost te metode je, da se osredotoča na

samo en del deformacijskega polja pri kritičnem prerezu obremenjene komponente oziroma

konstrukcije. Metoda je primerna za določevanje deformacij v plastičnem področju za malo in

veliko ciklične obremenjene komponente. S pomočjo deformacijske metode ob poznavanju

lastnosti in parametrov materiala, ki ga obremenjujemo, lahko določimo življenjsko dobo

konstrukcije oziroma dela konstrukcije v kritičnem prerezu. V kritičnem prerezu pa se

konstrukcija najprej poruši. Življenjska doba izbranega materiala pa se določi takrat, ko se

pojavi prva mikro razpoka na konstrukciji, ki je obremenjena [1].

3.2.3 Mehanika loma

Mehanika loma se ukvarja z napetostnimi in deformacijskimi stanji v materialih oziroma

konstrukcijah, zaradi katerih lahko nastane razpoka. Razpoka pa lahko povzroči porušitev

konstrukcije. S pomočjo mehanike loma lahko predvidimo, kako hitro se bo morebitna

razpoka širila in kdaj bo povzročila porušitev konstrukcijskega dela [7].

Pri klasičnem inženirskem konstruiranju dejansko napetost na kritičnem mestu konstrukcije

primerjamo z ustrezno odpornostjo materiala. Izražena je z dopustno napetostjo, mejo tečenja

oziroma mejo utrujenostne vzdržljivosti. Predpostavimo lahko, da dokler dejanska napetost ne

presega odpornosti materiala, do porušitve konstrukcije ne bo prišlo.

Sodobno konstruiranje konstrukcij upošteva možnost prisotnih napak v konstrukcijskih delih.

Izvor napak je lahko pri postopku izdelave (litje, varjenje, preoblikovanje), kot tudi v

neprimerno izdelani oziroma zasnovani konstrukcijski komponenti. Iz mikroskopsko majhne

napake (razpoke) v materialu se lahko zaradi utrujenosti in koncentracije napetosti začne širiti

razpoka s kritično hitrostjo. Takšno širjenje razpoke privede do zloma (nenadne porušitve, ki

je nismo predvideli).

Mehanika loma ob prisotnosti napak (razpoke) združuje obnašanje materiala, oblike in

dimenzije konstrukcijskega dela pod obremenitvijo.


- 22 -

Primerjava dveh pristopov h konstruiranju:

a) Klasični pristop h konstruiranju:

Slika 24: Klasični pristop h konstruiranju

V tem primeru predpostavimo, da je maksimalna obremenitev, ki se pojavi na konstrukciji,

manjša od meje tečenja materiala iz katerega je izbrana konstrukcija. Konstrukcija v tem

primeru še ni poškodovana (na konstrukciji ni nobene razpoke).

b) Lomno – mehanski pristop h konstruiranju

Slika 25: Lomno – mehanski pristop h konstruiranju

Pri tem obremenitvenem primeru določimo maksimalno obremenitev na konstrukciji, na

kateri se je že pojavila razpoka (poškodba konstrukcije). Maksimalno obremenitev pa

določimo glede na velikost in hitrost širjenja razpoke na konstrukciji.


- 23 -

4 ZASNOVA IN KONSTRUIRANJE ELEKTRO AVTOMOBILA

4.1 Zasnova elektro avtomobila

V večjih mestih imamo ponavadi problem parkirnega prostora za svoj avtomobil. Zato smo se

odločili skonstruirati oziroma izdelati avtomobil manjšega velikostnega ranga, kot sta Renault

Twingoo in Modus. V njem bi se lahko vozili dve osebi, imel pa bi tudi prostor za prtljago.

Slika 26: Prikaz avtomobila s koordinatnim sistemom [4]

4.1.1 Robni pogoji pri konstruiranju podvozju avtomobila

Določili smo jih glede na uporabnost avtomobila za mestno vožnjo in možnost uporabe

električnega pogona. Električni način pogona zahteva čim lažji avtomobil. Podvozje

avtomobila je sestavljeno iz ležajev, gredi, zglobov, premnika, vzmetenja, dvojnih A rok

(prem) in krmilne osi. Deli podvozja morajo biti čim lažji in kljub temu prenašati

obremenitve, ki delujejo iz podlage oziroma okolice na avtomobil.

Robni pogoji in vsi deli podvozja avtomobila pa v veliki meri vplivajo na konstrukcijo

premnika.


- 24 -

Tako določimo na začetku konstruiranja avtomobila naslednje robne pogoje:

- Masa avtomobila: maksimalno (vključno z bremenom, ki ima maso )

- Širina avtomobila: maksimalno

- Dolžina avtomobila: približno

- Razdalja med sprednjo in zadnjo osjo:

- Razdalja med ravno podlago in spodnjo površino avtomobila:

- Težišče avtomobila: na sredini avtomobila (v smeri x in y osi) in čim nižje (v smeri z

osi)

4.2 Konstruiranje premnika elektro avtomobila

Če želimo skonstruirati premnik avtomobila, moramo poznati vse točke vpetja premnika in

konstrukcijske omejitve ostalih delov, ki sestavljajo podvozje. V vseh točkah, kjer je premnik

vpet deluje nanj določena obremenitev.

Konstruirali smo sprednji desni premnik. Sprednji levi premnik pa je zrcalen 3D model

desnega premnika.

4.2.1 Parametri za določitev geometrije premnika

Parametre smo določili glede na priporočila iz strokovne literature [4].

Medosna razdalja:

Glede na to, da želimo izdelati avtomobil manjšega velikostnega ranga, smo določili tudi

manjšo medosno razdaljo, ki meri (slika 27).

Slika 27: Medosna razdalja


- 25 -

Širina podvozja:

Želeno je, da je širina podvozja čim večja, saj lahko s tem parametrom povečamo stabilnost

avtomobila. Širino podvozja smo tako določili glede na zunanjo širino avtomobila oziroma

širino šasije in meri (slika 28).

Slika 28: Širina podvozja

Višina težišča obremenjenega avtomobila:

Višino težišča obremenjenega avtomobila drugače imenujemo tudi masno težišče avtomobila.

Glede na razporeditev celotne mase po prostornini obremenjenega avtomobila se nahaja

težišče avtomobila na višini , ki je merjena od podlage v z osi.

Točka RC in IC:

S pomočjo teorije, ki smo jo opisali v poglavju 2.4.4, smo za določevanje geometrije

podvozja najprej določili točki RC in IC.

Točka RC se nahaja na polovici širine podvozja avtomobila, od tal pa je oddaljena za .

Točki IC pa določata kot, pod katerim so nameščene zgornje A roke (slika 29).

Slika 29: Določevanje RC in IC točk


- 26 -

Kot nagiba osi zgornjega in spodnjega zgloba:

Kot nagiba osi zgornjega in spodnjega zgloba nam omogoča, da se kolo ob vožnji naravnost

samo naravna, kot na primer pri nakupovalnem vozičku. Ta kot meri 4° (slika 30).

Slika 30: Kot nagiba osi zgornjega in spodnjega zgloba

Kot nagiba kolesa:

Ta parameter nam pove, za koliko stopinj je simetrala kolesa odmaknjena od pravokotnice na

podlago. V našem primeru meri ta kot 0,87° (slika 31).

Slika 31: Kot nagiba kolesa


- 27 -

Kot inklinacije:

Ta parameter nam pove, za koliko stopinj je simetrala , ki poteka skozi spodnji in zgornji

zglob vpetja premnika odmaknjena od simetrale kolesa. V našem primeru meri ta kot 12,4°

(slika 32).

Slika 32: Kot inklinacije

Presečišče središčnice premnika in podlage »scrub radius«:

Ta parameter opisuje razdaljo med točkama, kateri sta določeni s presečiščem simetrale

kolesa in simetrale, katera poteka skozi središče spodnjega in zgornjega zgloba (slika 33).

Razdalja mora biti čim manjša, saj vpliva na velikost sil, ki se pojavljajo ob obremenitvah na

premnik.

Slika 33: »Scrub radius«


- 28 -

Razdalja središča vpetja dvojnih A rok na premniku:

Razdaljo smo dobili z določitvijo geometrije vzmetenja, katera je opisana v poglavju 2.4.4.

Slika 34: Razdalja med zgornjim in spodnjim zglobom premnika

Točka pritrditve krmiljenja na premnik:

Točka vpetja krmiljenja na premnik preko zgloba smo od središča vrtenja kolesa odmaknili za

največjo možno razdaljo, pri tem pa smo bili omejeni s prostorom oziroma geometrijo kolesa

(slika 35).

Slika 35: Pritrditev krmilja (točka E) na premnik


- 29 -

Točka vpetja zavornih čeljusti na premnik:

Točko vpetja zavornih čeljusti določimo glede na dimenzije zavornih čeljusti in diska, ki so

nameščene med kolo in premnik (slika 36).

Slika 36: Pritrditev zavornih čeljusti (točka D) na premnik

Zavorni sistem je podoben kot pri Renault Modusu. Glede na primerjani avtomobil smo

določili točke pritrditve zavornih čeljusti na premnik ter dimenzije celotnega zavornega

sistema. Te dimenzije potrebujemo za določitev sil, ki delujejo na premnik pri zaviranju (slika

37).

Slika 37: Majhna dva kroga prikazujeta pritrditev zavornih čeljusti


- 30 -

Določitev in način vpetja gredi na premnik:

Gred smo vpeli togo v premnik in na njo namestili ležaj z ohišjem. Na ohišje ležaja pa smo

namestili kolo z zavornim diskom (slika 38). Ob vožnji se vse skupaj vrti okrog gredi, ki je s

pomočjo konusa in matice pritrjena na premnik.

Slika 38: Določitev pozicije vpetja gredi na premnik


- 31 -

4.2.2 Določitev točk vpetja premnika

Premnik pride vpet preko zgornjega in spodnjega zgloba med dvojne A roke. Na sprednji

strani pride vpet zglob, preko katerega je vpet krmilni drog. Na zadnji strani premnika imamo

pritrjene zavorne čeljusti. Skozi premnik pa je nameščena toga gred, na katero je nameščen

ležaj, zavorni disk in platišče [4].

Slika 39 prikazuje nedokončani model premnika in točke oziroma pomožne črte vpetja

premnika na:

- zavorne čeljusti;

- gred, ki je togo vpeta v premnik in na katero pride nameščen ležaj z ohišjem, zavorni

disk in kolo;

- zglob, kateri povezuje premnik s krmilno gredjo;

- zgloba, ki omogočata gibanje premnika in povezujeta premnik s šasijo preko dvojnih

A rok (prem);

- vpetje prem na šasijo.

Slika 39: Premnik in točke vpetja premnika


- 32 -

4.3 Izračun napetosti, ki nastopijo v posameznih točkah vpetja premnika

Enačbe in parametre, ki smo jih potrebovali za izračuna napetosti smo uporabili iz strokovne

literature [4].

Osnovni podatki za izračun posamezne sile, ki deluje na premnik avtomobila:

- Masa vozila:

- Gravitacijski pospešek: ⁄

- Sila podlage:

- Največja dosežena hitrost: ⁄ ⁄

- Ne vzmetena masa:

- Sila ne vzmetene mase:

- Koeficient trenja med podlago in pnevmatiko: [5]

- Maksimalna sila trenja med podlago in pnevmatiko:

- Tip pnevmatike: 165/65 R14

- Višina masnega težišča obremenjenega avtomobila:

3D model premnika skiciramo v dveh osnovnih ravninah z upoštevanjem točk, v katerih

nastopajo obremenitve (slika 40).

Slika 40: Točke, v katerih nastopajo obremenitve na premnik, postavljene v koordinatni sistem kolesa


- 33 -

Tabela 1: Geometrijske veličine s slike 40

Tabela 2: Reakcije, ki nastopajo v posameznih točkah

Točka N (sile podlage): [

]

Točka A (sile, ki delujejo na gred): [

]

Točka B (sile v zgornjem zglobu premnika): [

]

Točka C (sile v spodnjem zglobu premnika): [

]

Točka D (sile na točki vpetja zavornih čeljusti): [

]

Točka E (sile v zglobu, kjer pride vpeto na premnik

krmiljenje): [

]


- 34 -

4.3.1 Izračun maksimalnih sil pri normalni vožnji avtomobila

V tem primeru ne upoštevamo večjih pospeškov, upoštevamo pa pogon avtomobila.

a) Določitev sil, ki delujejo iz podlage na kolo

Določitev koeficienta :

Najprej določimo parametra in s pomočjo tabele 18 za izbran tip pnevmatike

(priloga 3):

Nato določimo parameter s pomočjo tabele 19 in parameter

za izbran tip

pnevmatike v tabeli 18 (priloga 3):

⁄

⁄

S pomočjo grafa na sliki 81 (priloga 1) določimo :

izberemo:

Sila podlage, ki deluje na kolo z upoštevanjem koeficienta :

Prečno silo , ki deluje prečno na pnevmatiko določimo s pomočjo grafa na sliki 82

(priloga 2):

iz diagrama izberemo

Pri določevanju sile pogona upoštevamo maksimalno silo trenja med podlago in

pnevmatiko:

Sile v točki N: [

]


- 35 -

b) Reakcije v točki B in C

Slika 41: Določitev točk B in C

Točka B:

Ker vemo, da dvojna A roka na zgornji zglob pritiska pod kotom , sledi:

∑

( ) ( )

( ) ( )

∑

Sile v točki B: [

]

Točka C:

∑

∑

∑

( ) ( )

( )

( )

( )

( )

Sile v točki C: [

]


- 36 -

c) Reakcije v točki D

V točki D so na premnik vpete zavorne čeljusti. V primeru, da ne zaviramo, sil v tej točki ni.

Slika 42: Določitev točke D

Sile v točki D: [ ]

d) Reakcije v točki E

V točki E deluje na premnik (preko zgloba) krmilna gred samo v x osi.

Slika 43: Določitev točke E

∑

Sile v točki E: [

]


- 37 -

e) Določitev reakcij, kjer je v premnik togo vpeta gred (slika 44):

Vse sile, ki delujejo na kolo v točki N se prenesejo v točko A, kjer je preko ležajev na kolo

vpeta gred. Sile, ki nastopajo v točki A, pa se preko gredi prenesejo na premnik. Gred je na

premnik togo vpeta.

Slika 44: Določitev točke A

Sile v točki A: [

]

4.3.2 Izračun minimalnih sil pri normalni vožnji avtomobila

Izračun minimalnih obremenitev pri normalni vožnji je potreben zato, ker ga bomo

potrebovali v nadaljevanju za določitev dinamične obremenitve premnika. Pri določevanju

minimalnih obremenitev pri normalni vožnji koeficienta ne upoštevamo. Postopek

izračuna sil pa je enak kot pri izračunu maksimalih obremenitev pri normalni vožnji

avtomobila, le da nekateri predznaki sil v točkah B, C in N spremenijo predznak v in osi

(slika 41).

Tabela 3: Sprememba predznakov sil v točkah B, C in N

Sila pri max. obremenitvi Sila pri min. obremenitvi

Sile v točki N: [

] Sile v točki N: [

]

Sile v točki B: [

] Sile v točki B: [

]

Sile v točki C: [

] Sile v točki C: [

]


- 38 -


Sila podlage, ki deluje na kolo brez upoštevanja koeficienta :

Prečno silo , ki deluje prečno na pnevmatiko določimo s pomočjo grafa na sliki 82:


Sila je enaka kot v poglavju 4.3.1:

Sile v točki N: [

]

b) Reakcije v točki B in C (slika 41)

Točka B:

Ker vemo, da dvojna A roka na zgornji zglob pritiska pod kotom , napišemo da je:

∑

( ) ( )

( ) ( )

∑

Sile v točki B: [

]

Točka C:

∑

∑

∑

( ) ( )

( )

( )

( )

( )


- 39 -

Sile v točki C: [

]

c) Reakcije v točki D (slika 42)

V točki D so na premnik vpete zavorne čeljusti. V primeru, da ne zaviramo sil v tej točki ni.

Sile v točki D: [ ]

d) Reakcije v točki E (slika 43)

V točki E deluje na premnik preko zgloba krmilna gred samo v x osi.

∑

Sile v točki E: [

]

e) Določitev reakcij, kjer je v premnik togo vpeta gred (slika 44)

Vse sile, ki delujejo na kolo v točki N se prenesejo v točko A, kjer je preko ležajev na kolo

vpeta gred. Sile, ki nastopajo v točki A pa se preko gredi prenesejo na premnik, na katerega je

togo vpeta gred.

Sile v točki A: [

]

4.3.3 Izračun sil pri rahlem zaviranju

Pri vožnji z rahlem zaviranjem je najbolj obremenjeno sprednje kolo, na katerega v primerjavi

z določanjem sil pri normalni vožnji, pride v smeri y dodatna sila na vzmetenje zaradi

pojemka . Ob enem pa se zaradi mase avtomobila pri zaviranju pojavi tudi vztrajnostna sila

, ki deluje v masnem težišču obremenjenega avtomobila na višini v osi y.

Pojemek zaviranja:

⁄

Vztrajnostna sila:

Višina prijemališča sile :

Dodatna obremenitev v točki N, ki nastane zaradi vztrajnostne sile, ki se pojavi v točki G

(slika 45):


- 40 -

Slika 45: Točka G – težišče avtomobila

∑

Sila podlage, ki deluje na kolo :

S pomočjo grafa na sliki 81 določimo :

izberemo:





Pri določevanju sile zaviranja upoštevamo maksimalno silo trenja med podlago in

pnevmatiko:

Sile v točki N: [

]


- 41 -

Reakcije v točki B in C (slika 41):

Točka B:


∑

( ) ( )

( ) ( )

∑

Sile v točki B: [

]

Točka C:

∑

∑

∑

( ) ( )

( )

( )

( )

( )

Sile v točki C: [

]

b) Reakcije v točki D (slika 42)

V točki D so na premnik vpete zavorne čeljusti in delujejo le v z osi.

∑

Sile v točki D: [

]


- 42 -

c) Reakcije v točki E (slika 43)


∑

Sile v točki E: [

]

d) Določitev reakcij, kjer pride v premnik togo vpeta gred (slika 44)

Določitev sil v točki A je identična kot pri normalni vožnji (poglavje 4.3.1.).

Sile v točki A: [

]

4.3.4 Izračun sil pri močnem zaviranju

Pri močnem zaviranjem je, prav tako kot pri rahlem zaviranju, najbolj obremenjeno sprednje

kolo, pri čemer upoštevamo maksimalno silo trenja med platiščem in podlago. Maksimalna

sila trenja se pojavi tik preden kolo zdrsne.

Pojemek zaviranja: ⁄

Maksimalna sila trenja:

Dodatna obremenitev v točki N, ki pride zaradi sile trenja (slika 46):

Sila podlage, ki deluje na kolo :

S pomočjo grafa na sliki 81 določimo :

izberemo:





- 43 -


Pri določevanju sile zaviranja upoštevamo maksimalno silo trenja med podlago in

pnevmatiko:

Sile v točki N: [

]

b) Reakcije v točki b in c (slika 41)

Točka B:


∑

( ) ( )

( ) ( )

∑

Sile v točki B: [

]

Točka C:

∑

∑

∑

( ) ( )

( )

( )

( )

( )

Sile v točki C: [

]


- 44 -


V točki D so na premnik vpete zavorne čeljusti in delujejo le v z osi.

∑

To je maksimalna sila, ki deluje na točko vpetja čeljusti v premnik.

Sile v točki D: [

]



∑

Sile v točki E: [

]

e) Določitev reakcij, kjer pride v premnik togo vpeta gred (slika 44)

Določitev sil v točki A je identična kot pri ostalih primerih.

Sile v točki A: [

]

4.3.5 Izračun sil pri vožnji čez luknje

Pri izračunu sil ob vožnji avtomobila čez luknje, ki delujejo na premnik ne upoštevamo

zaviranja ampak le pogon avtomobila. Na premnik delujejo sile v isti smeri in točkah, kot pri

preračunu sil pri normalni vožnji avtomobila (poglavje 4.3.1).


Zaradi drugačnih pogojev vožnje čez luknje moramo namesto koeficienta upoštevati

koeficienta , ki ga razberemo iz grafa na sliki 82.



- 45 -


Koeficient ostaja enak kot pri prejšnjih obremenitvenih primerih.



Prečno silo , ki deluje prečno na pnevmatiko z upoštevanjem koeficienta :

Pri določevanju sile pogona ob vožnji avtomobila čez luknje upoštevamo maksimalni

moment, ki ga lahko razvije »In-wheel« elektromotor [2] (elektromotor, ki je vgrajen v

platišče avtomobila). Moment elektromotorja v točki M povzroči posredno preko ročice silo

pogona v točki H (slika 46).

Slika 46: Slika prikazuje točko, v kateri se nahaja pogon elektro avtomobila (točka M)

Iz literature smo dobili podatek o maksimalnem momentu izbranega motorja in glede na

dimenzije izbrane pnevmatike (165/65 R14) iz tabele 25 razberemo dimenziji in , s

pomočjo katerih izračunamo .

[5]

Sile v točki N: [

]


- 46 -


Točka B:

Ker vemo, da dvojna A roka na zgornji zglob pritiska pod kotom , je:

∑

( ) ( )

( ) ( )

∑

Sile v točki B: [

]

Točka C:

∑

∑

∑

( ) ( )

( )

( )

( )

( )

Sile v točki C: [

]


V točki D so na premnik vpete zavorne čeljusti in delujejo le v z osi, tako kot pri normalni

vožnji. Tako vzamemo obremenitev na vpetje zavornih ploščic iz poglavja 4.3.1.

Sile v točki D: [

]


- 47 -



∑

Sile v točki E: [

]



Sile v točki A: [

]

4.3.6 Izračun sil pri vožnji čez izbokline

Pri zadnjem obremenitvenem primeru izračunamo sile, katere delujejo na avtomobil pri vožnji

čez izbokline. V tem primeru upoštevamo, tako kot pri obremenitvenem primeru pri vožnji

čez luknje (poglavje 4.3.1), le pogon avtomobila.


Koeficient ostaja enak kot pri obremenitvenem primeru normalne vožnje (poglavje 4.3.1):


Pri vožnji čez izbokline se v primerjavi z drugimi obremenitvenimi primeri spremeni

koeficient , pri čemer upoštevamo silo podlage na kolo , ki je enaka kot pri normalni

vožnji (poglavje 4.3.1). Koeficient določimo s pomočjo grafa na sliki 81.

izberemo:




- 48 -

Prečno silo , ki deluje prečno na pnevmatiko z upoštevanjem koeficienta :

Silo pogona , ob vožnji avtomobila čez izbokline določimo enako kot smo jo pri normalni

vožnji (poglavje 4.3.1):

Sile v točki N: [

]


Točka B:

Ker vemo, da dvojna A roka na zgornji zglob pritiska pod kotom , je:

∑

( ) ( )

( ) ( )

∑

Sile v točki B: [

]

Točka C:

∑

∑

∑

( ) ( )

( )

( )

( )

( )

Sile v točki C: [

]


- 49 -


V točki D so na premnik vpete zavorne čeljusti in delujejo le v z osi, tako kot pri normalni

vožnji. Tako vzamemo obremenitev na vpetje zavornih ploščic iz poglavja 4.3.1.

Sile v točki D: [

]



∑

Sile v točki E: [

]



Sile v točki A: [

]


- 50 -

5 DIMENZIONIRANJE PREMNIKA

Po določitvi končne geometrije vzmetenja je bilo potrebno določiti način vpetja premnika v

posamezne sklope vzmetenja ( dvojne A roke, volansko gred, zavorne čeljusti in gred, okoli

katere se vrti kolo).

Vpetje dvojnih A rok na premnik smo izbrali enako kot pri večini avtomobilov, kateri imajo

ta način vpetja premnika na šasijo in sicer preko zglobov (slika 47).

Slika 47: Model zgloba v delnem prerezu [4]

Steblo zgloba, ki pride v stik s premnikom, je po navadi iz nerjavečega poboljšanega

konstrukcijskega jekla, ki dobro prenaša upogibne obremenitve. Ta del pride togo vpet v

premnik. Kot vemo je premnik iz aluminijeve zlitine, kar pomeni, da je iz mehkejšega

materiala kot steblo zgloba. Ta zveza, čeprav sta materiala komponent, ki se stikata različna,

dobro deluje. Zglob v premnik togo vpnemo, kot prikazuje slika 48.

Slika 48: Vpetje zgloba v premnik

Volanski drog je na premnik pritrjen na enak način kot dvojne A roke - preko zgloba. Zavorne

čeljusti pa so na premnik privijačene z dvema vijakoma. Gred smo v premnik togo vpeli pod

konusom in jo na nasprotni strani pritrdili z matico.


- 51 -

5.1 Začetni model premnika

Ob znanih točkah vpetja premnika smo lahko skonstruirali model premnika (slika 49).

Slika 49: Začetni model premnika

Da lahko damo dejanske obremenitve na premnik, smo našemu modelu dodali še

konstrukcijske komponente, preko katerih je premnik obremenjen (slika 50).

Slika 50: Premnik s komponentami, preko katerih delujejo nanj obremenitve


- 52 -

5.2 Numerična analiza po MKE

Numerično analizo premnika smo naredili s pomočjo programskega paketa SolidWorks [9].

Najprej je bilo potrebno 3D model, zmodeliran v programu CATIA [9], pretvoriti v 3D model

v program SolidWorks in nato začeti s postopkom numerične simulacije. Zaradi preprečitve

večjih zareznih učinkov smo na začetni model premnika dodali zaokrožitve (slika 51).

Numerična simulacija je bila linearno – elastična.

Za lažjo določitev napetosti, ki delujejo na premnik v 3D modelu, smo pretvorili sile, katere

lahko delujejo samo v eni kontaktni točki, v ploskovno napetost v določeni ravnini.

Predznak pri napetostih nam pove smer delovanja napetosti glede na izbran koordinatni

sistem (slika 51).

Tabela 4: Površinske napetosti, ki se pojavijo na gredi (točka A)

Točka A Obremenitev Izračunana sila

Površina na kateri

deluje sila

Površinska napetost

Normalna vožnja Min [

]

[

]

[

]

Normalna vožnja Max [

] [

]

Rahlo zaviranje Max [

] [

]

Močno zaviranje Max [

] [

]

Vožnja čez luknje Max [

] [

]

Vožnja čez

izbokline Max [

] [

]


- 53 -

Tabela 5: Površinske napetosti, ki se pojavijo v zgornjem zglobu (točka B)

Točka B Obremenitev Izračunana sila

Površina na katero

deluje sila



]

[

]

[

]


] [

]


] [

]


] [

]


] [

]

Vožnja čez

izbokline Max [

] [

]

Tabela 6: Površinske napetosti, ki se pojavijo v spodnjem zglobu (točka C)

Točka C Obremenitev Izračunana sila

Površina na katero

deluje sila



]

[

]

[

]


] [

]


] [

]


] [

]


] [

]

Vožnja čez

izbokline Max [

] [

]


- 54 -

Tabela 7: Površinske napetosti, ki se pojavijo pri vpetju zavornih čeljusti (točki D)

Točka D Obremenitev Izračunana sila

Površina na katero

deluje sila


Normalna

vožnja Min [

]

[

]

[ ]

Normalna

vožnja Max [

] [

]


] [

]


] [

]

Vožnja čez

luknje Max [

] [

]

Vožnja čez

izbokline Max [

] [

]

Tabela 8: Površinske napetosti, ki se pojavijo v krmilnem zglobu (točka E)

Točka E Obremenitev Izračunana sila

Površina na katero

deluje sila



]

[

]

[

]


] [

]


] [

]


] [

]

Vožnja čez

luknje Max [

] [

]

Vožnja čez

izbokline Max [

] [

]


- 55 -

5.2.1 Določitev trdnostnih lastnosti materiala

Zaradi pomanjkanja natančnih trdnostnih lastnosti Al–zlitine, katero bi uporabili za izdelavo

premnika, smo pri numerični analizi upoštevali trdnostne lastnosti Al – zlitine A356 (tabela

9).

Tabela 9: Trdnostne lastnosti Al - zlitine A356 [10]

Natezna trdnost materiala

Meja plastičnosti materiala

Modul elastičnosti

Koeficient trdnosti pri utrujanju

Eksponent trdnosti pri utrujanju

Poissonovo število

Obremenitve, ki smo jih dobili v poglavju 4.3, vstavimo v posamezne točke vpetja premnika,

pri čemer upoštevamo postavljeni koordinatni sistem (slika 51) in predznak sil. Premnik je

postavljen v Kartezijev koordinatni sistem.

Slika 51: Premnik z zaokrožitvami in točkami vpetja


- 56 -

5.2.2 Nastavitev vpetja in delovanje sil v 3D modelu

Če želimo izvesti numerično simulacijo, moramo najprej predpostaviti, kje in na kakšen način

naj bo premnik vpet [9].

Tako smo najprej predpostavili, da je premnik togo vpet v vseh treh zglobih, na gred pa dodali

površinske napetosti (slika 52), katere so prikazane v tabeli 4. Tako smo dobili napetosti in

pomike, ki so posledica delovanja napetosti z gredi na premnik.

Nato smo premnik togo vpeli na gred v dele premnika, kjer nastopajo sile pa smo dodali

površinske napetosti (slika 53) z izračunanimi vrednostmi, ki so prikazane v tabelah 5, 6, 7 in

8.

Slika 52: Površinske napetosti, ki delujejo

na gred

Slika 53: Površinske napetosti, ki delujejo na

točke vpetja zglobov in zavornih čeljusti


- 57 -

5.2.3 Mreženje 3D modela

Model smo zamrežili s tetraedri, katerih stranica meri (slika 54) [9].

Slika 54: Mreženje 3D modela

Ob vnesenih podatkih o trdnostnih lastnostih premnika in vsemi potrebnimi nastavitvami smo

lahko naredili simulacijo modela. S pomočjo simulacije smo dobili rezultate, prikazane v

naslednjih poglavjih.


- 58 -

5.2.4 Določitev primerjalnih napetosti po Missesu

Zaradi lažjega preračuna smo za premnik z zglobi, gredjo ter vijaki in maticami v numerični

analizi po MKE določili enak material. Zato smo zmodelirali celoten sklop iz enega kosa. Pri

tem moramo upoštevati samo napetosti, ki se pojavijo na premniku.

Z rdečimi puščicami in vrednostmi so označene maksimalne napetosti v modelu za posamezni

obremenitveni primer. Premnik smo najprej togo vpeli na gred, v ostalih točkah pa smo

premnik obremenili z izračunanimi vrednostmi. Nato smo premnik vpeli v točke vpetja

zglobov in zavornih čeljusti. Dobljene napetosti, ki se pojavijo na premniku, smo primerjali z

vrednostmi, ki smo jih dobili pri togem vpetju premnika na gred. Ugotovili smo, da se

najvišje napetosti na premniku pojavijo pri togem vpetju na gred.

V nadaljevanju je prikazana numerična analiza premnika po Missesu in vrednosti, ki smo jih

dobili v kritični točki KT (slika 55). Pri določevanju kritične točke pa je bilo potrebno

upoštevati tudi možnost zareznih učinkov. Ti se pojavijo v majhnih zaokrožitvah modela.

Kritično točko izberemo na podlagi maksimalne obremenitve po Missesu. Ta se pojavi pri

vožnji čez luknje v cestišču (tabela 10) [9].

Slika 55: Pozicija kritične točke (KT)


- 59 -

Slika 56: Minimalne primerjalne napetosti v

KT po Missesu pri normalni vožnji, če

premnik togo vpnemo na gred

Slika 57: Maksimalne primerjalne napetosti v

KT po Missesu pri normalni vožnji, če



KT po Missesu pri rahlem zaviranju, če



KT po Missesu pri močnem zaviranju, če



- 60 -


KT po Missesu pri vožnji čez luknje, če



KT po Missesu pri vožnji čez izbokline, če


Sile, ki delujejo na premnik v spodnjem zglobu, so v primerjavi z ostalimi silami v točkah

vpetja premnika največje. Zato se pojavi kritični prerez oziroma kritična točka med spodnjim

zglobom in togim vpetjem premnika na gred (slika 60).V kritični točki pa se pojavi

maksimalna napetost . Tako lahko združimo rezultate analize posameznih obremenitvenih

primerov v preglednico (tabela 10).

Tabela 10: Zbrane maksimalne in minimalna primerjalna napetost po Missesu v krtitični točki

Obremenitveni primer Obremenitev Napetost v kritični točki

Normalna vožnja Min 36,40

Normalna vožnja

Max

59,80

Rahlo zaviranje 132,80

Močno zaviranje 226,70

Vožnja čez luknje v cestišču 247,50

Vožnja čez izbokline na cestišču 103,40


- 61 -

5.2.5 Določitev glavnih napetosti

Glavne napetosti določimo glede na napetosti, ki se pojavijo v kritični točki v posameznem

obremenitvenem primeru [9].

Slika 62: Glavna napetost , ki se pojavi v KT

pri minimalni obremenitvi avtomobila

Slika 63: Glavna napetost ,ki se pojavi v

KT pri normalni vožnji


pri rahlem zaviranju

Slika 65: Glavna napetost , ki se pojavi v

KT pri močnem zaviranju


- 62 -


pri vožnji čez luknje


KT pri vožnji čez izbokline






- 63 -










- 64 -










- 65 -





Dobljene rezultate, kateri so prikazani na slikah v tem poglavju (5.2.6), razvrstimo v

preglednico (tabela 11).

Tabela 11: Primerjava glavnih napetosti v kritični točki

Obremenitveni

primer Obremenitev

Glavne napetosti v

Normalna vožnja Max 59,90 9,20 -0,80

Min 3,50 -5,0 -16,60

Rahlo zaviranje Max 81,50 12,00 8,50

Min 0 0 0

Močno zaviranje Max 132,30 51,70 14,40

Min 0 0 0

Vožnja čez luknje Max 190,00 40,00 20,00

Min 0 0 0

Vožnja čez izbokline Max 117,30 19,10 7,80

Min 0 0 0


- 66 -

5.3 Največji pomik premnika

Največji pomik nastane pri vožnji čez luknje in sicer na skrajni zgornji točki zgornjega zgloba

v katerem je premnik vpet. Iz tega dobimo rezultat, da vrednost največjega pomika premnika

znaša približno v x osi. Ta točka se nahaja na skrajni zgornji ploskvi premnika, kjer

je vpet zgornji zglob. Ta pomik ne vpliva na vozne lastnosti avtomobila [9].

Slika 80: Največji pomik, ki nastane pri vožnji čez luknje


- 67 -

5.4 Določitev življenjske dobe

Glede na rezultate, ki smo jih dobili pri numerični simulaciji, smo določili življenjsko dobo

premnika po napetostni metodi. Življenjsko dobo premnika, izračunamo glede na kritičen

prerez v točki 1 in glede na kritičen prerez v točki 2. Na koncu pa ju primerjamo in določimo

življenjsko dobo premnika. Za izračun življenjske dobe smo uporabili podatke, dobljene v

poglavju 5.2.5 (tabela 11) [1].

Zaradi pomanjkanja natančnih podatkov delovanja podvozja pri mestni vožnji smo glede na

zunanji polmer pnevmatike in hitrost avtomobila predpostavili število ponovitev obremenitev

( ) na premnik. Za vsak obremenitveni primer, naveden v poglavju 4.3, smo ocenili koliko

ponovitev se odvije v določenem odseku mestne vožnje v 8 urah s povprečno hitrostjo

⁄ . To imenujemo obremenitveni blok ( ). V tabeli 4 imamo prikazane okvirne

vrednosti, ki smo jih določili po opisanem postopku.

Tabela 12: Vrednosti ponovitev posameznih obremenitev v enem obremenitvenem bloku

Obremenitveni primer Število ponovitev

Normalna vožnja

Rahlo zaviranje

Močno zaviranje

Vožnja čez luknje v cestišču

Vožnje čez izbokline na cestišču

Tako življenjsko dobo konstrukcijskega elementa določimo glede na kritično število nihajev.


- 68 -

5.4.1 Določitev kritičnega števila nihajev v posameznem obremenitvenem

primeru in skupnega števila obremenitvenih blokov za točko

Za določitev skupnega števila obremenitvenih blokov moramo za vsak obremenitveni

interval izračunati kritično število nihajev . Kritično število nihajev pa določimo po

sledečem postopku [1].

1. OBREMENITVENI INTERVAL

Tabela 13: Glavne napetosti 1. obremenitvenega intervala v kritični točki

Obremenitveni

primer Obremenitev

Normalna

vožnja

Max. 55,90 9,20 -0,80

Min. 3,50 -5,00 -16,60

Določitev amplitudne in srednje napetosti:

Srednja primerjalna napetost:

Amplitudna primerjalna napetost:

√ √( ) ( ) ( )

√ √( ) ( ) ( )

Določitev trajne dinamične trdnosti, ki jo uporabimo za določitev števila nihajev .

Trdnostne lastnosti so podane v tabeli 9:


- 69 -

Kritično število nihajev v prvem obremenitvenem intervalu v

(

)

(

)



Obremenitveni

primer Obremenitev

Vožnja pri

rahlem

zaviranju

Max. 81,50 12,00 8,50

Min. 0 0 0


Določitev srednje primerjalne napetosti:

Določitev amplitudne primerjalne napetosti:

√ √( ) ( ) ( )

√ √( ) ( ) ( )


Trdnostne lastnosti so podane v tabeli 9.

Kritično število nihajev v drugem obremenitvenem intervalu v :

(

)

(

)


- 70 -



Obremenitveni

primer Obremenitev

Vožnja pri

močnem

zaviranju

Max. 132,30 51,70 14,40

Min. 0 0 0



Določitev amplitudne primerjalne napetosti :

√ √( ) ( ) ( )

√ √( ) ( ) ( )



Kritično število nihajev v tretjem obremenitvenem intervalu v :

(

)

(

)



Obremenitveni

primer Obremenitev

Vožnja čez

luknje v

cestišču

Max. 190,00 40,00 20,00

Min. 0 0 0


- 71 -




√ √( ) ( ) ( ) b

√ √( ) ( ) ( )



Kritično število nihajev v četrtem obremenitvenem intervalu v :

(

)

(

)



Obremenitveni

primer Obremenitev

Vožnja čez

vboklino na

cestišču

Max. 117,30 19,10 7,80

Min. 0 0 0




- 72 -


√ √( ) ( ) ( )

√ √( ) ( ) ( )



Kritično število nihajev v petem obremenitvenem intervalu v

(

)

(

)

DOLOČITEV SKUPNEGA ŠTEVILA OBREMENITVENIH BLOKOV :

Po Palmgren – Minerjevem pravilom izračunamo število ponovitev celotnega

obremenitvenega bloka :

(

)

(

)

(

)

= obremenitvenih blokov

Pri upoštevanju, da en obremenitveni blok traja 8 ur, kjer je povprečna hitrost vozila

⁄ , dobimo, da je življenjska doba, izražena z prevoženimi kilometri enaka:


- 73 -

6 ANALIZA REZULTATOV

Glede na priporočila iz strokovne literature in pogoje v katerih bo konstrukcijski element

obratoval, smo skonstruirali premnik. Pri določevanju in izračunu obremenitev smo morali

določiti tudi nekaj predpostavk, katere temeljijo na strokovni literaturi [4]. Te predpostavke

ne dajejo natančnega rezultata, ampak samo približek.

Model in dimenzije premnika smo dobili v območju pričakovanj. To dokazuje numerična

analiza premnika po MKE, saj se ob različnih obremenitvah napetosti v premniku

enakomerno porazdelijo čez skoraj cel konstrukcijski element.

Hipoteze, ki smo si jih postavili ob začetku magistrskega dela, smo v večini uspešno dokazali:

H1: Premnik bi zdržal obremenitve, čeprav je iz aluminijeve zlitine. To smo dokazali z

numerično simulacijo.

H2: Premnik je lahko ulitek brez zahtevnejše dodatne obdelave.

H3: Premnik ne bi zdržal obremenitev do trajne dinamične trdnosti. To smo dokazali z

numerično analizo po MKE in preračunom življenjske dobe premnika. Ugotovili smo, da

bi premnik zdržal pri maksimalni obremenitvi do nihajev. Z izračunom smo

dokazali, da bi premnik ob predvideni mestni vožnji zdržal .


- 74 -

7 ZAKLJUČEK

V magistrskem delu smo na osnovi literature vzmetenja in dimenzioniranja lahkih konstrukcij

prikazali postopek konstruiranja premnika avtomobila. Ker literature o vzmetenju navadnega

avtomobila nismo dobili, smo jo določili po postopku izdelave geometrije vzmetenja

športnega avtomobila (formule) [4].

V magistrskem delu je zmodeliran sprednji desni premnik. Sprednji levi premnik je zrcalen

model predstavljenega premnika. Zadnja premnika pa imata podobno konstrukcijo kot

sprednja, vendar ju zaradi neznanih dimenzij elektro motorjev, ki prideta v platišče, nismo

skonstruirali.

V magistrski nalogi smo prikazali postopek izračuna obremenitev in konstruiranja premnika

avtomobila.

7.1 Doseženi cilji

Skonstruirali smo model premnika, katerega lahko v nadaljevanju uporabimo kot vgradni

model elektro avtomobila. Z magistrsko nalogo pa smo dokazali in prikazali, da bo izbran

konstrukcijski element zdržal obremenitve, katere delujejo ob obratovanju avtomobila nanj. S

preračunom življenjske dobe premnika, smo dokazali, da bi s premnikom od danih pogojih

prevozili . Glede na življenjsko dobo ostalih delov avtomobili, je takšen rezultat

zadovoljiv. Z izbiro materiala smo zmanjšali maso konstrukcijskega elementa in tako

pripomogli k tezi elektro avtomobila, da bi bil celoten sklop avtomobila čim lažji.

Za v naprej lahko pustimo še možnost popravkov na tem konstrukcijskim elementom, saj

premnika ni bilo mogoče izdelati in preizkusiti v dejanskih razmerah.

7.2 Predlogi za nadaljnje delo

V nadaljevanju bi lahko preverili delovanje skonstruiranega modela s pomočjo kakšnega

namenskega programskega paketa za preračunavanje obremenitev, ki delujejo na avtomobil

(npr.: ADAMS/car [8]). Ta program bi nam pokazal natančnejše rezultate. Premnik pa bi

lahko tudi dejansko testirali in nanj obesili obremenitve ter tako dobili dejanske rezultate, ki

bi nam pokazali, kako natančni smo bili pri izbiri parametrov in konstruiranju.

Glede na teorijo, postopek konstruiranja in določevanja parametrov se lahko skonstruira še

zadnji model premnika. Po enakem postopku konstruiranja premnika pa bi lahko izdelali še

dokumentacijo in preračune za vzmetenje avtomobila, ki bi dosegal višje hitrosti.


- 75 -

8 LITERATURA

[1] Glodež Srečko, Flašker Jože. Dimenzioniranje na življenjsko dobo: znanstvena

monografija. Univerza v Mariboru. Pedagoška fakulteta: Fakulteta za strojništvo, Maribor

2006.

[2] In–wheel electric drive technologies [svetovni splet]. Dostopno na: http://www.in-

wheel.com [19.6.2013].

[3] Jörnsen Reimpell. Fahrwerktechnick: Federung und Fahrwerk mechanik: Wurzburg;

Vogel – Buchverlag: 1986.

[4] Jörnsen Reimpell, Helmut Stoll, Jürgen W. Betzler. The automotive chassis: engineering

principles. Oxford: Butterworth-Heinemann; Warrendale, PA: Society of Automotive

Engineers, 2001.

[5] Lastnosti pnevmatik. Dostopna na: http://www.continental-reifen.de/ [19.6.2013]

[6] Miβbach Steffen, Walden Michael, Leiter Ralf. Fahrwerk, Lenkung, Reifen und Räder,

Würzburg Vogel Verlag: 2008.

[7] N. Gubeljak: Mehanika loma, Fakulteta za strojništvo, Maribor, 2009.

[8] Programski paket ADAMS / car.

[9] Programska paketa CATIA V5R20, SolidWorks 2011

[10] Trdnostne lastnosti materiala Al – zlitine A-356. Dostopna na:

http://www.matweb.com/search/DataSheet.aspx?MatGUID=d524d6bf305c4ce99414cabd

1c7ed070&ckck=1 [28.12.2013].

http://www.in-wheel.com/

http://www.in-wheel.com/

http://www.continental-reifen.de/

http://www.matweb.com/search/DataSheet.aspx?MatGUID=d524d6bf305c4ce99414cabd1c7ed070&ckck=1

http://www.matweb.com/search/DataSheet.aspx?MatGUID=d524d6bf305c4ce99414cabd1c7ed070&ckck=1


- 76 -

9 PRILOGE

9.1 Priloga 1:

Slika 81: Določitev koeficienta oziroma s pomočjo grafa [3]

9.2 Priloga 2:

Slika 82: Določitev koeficientov in s pomočjo grafa [3]


- 77 -

9.3 Priloga 3: Tabela 18: Dimenzije in obremenitveni parametri pnevmatik različnih velikosti [6]


- 78 -

9.4 Priloga 4: Tabela 19: Tabela maksimalnih obremenitev pnevmatike glede na tlak v pnevmatiki [6]


- 79 -

9.5 Življenjepis

Ime in Priimek ŽAN ŠINKOVEC

Izobrazba Diplomirani inženir strojništva

Datum in kraj rojstva 2.1.1988, Slovenj Gradec

Državljanstvo Slovensko

Naslov Bočna 78, 3342 Gornji Grad

Telefon 051/416-360

Elektronska pošta [email protected]

Datum 2011 – 2014

Ustanova Univerza v Mariboru, Fakulteta za strojništvo

Podiplomski študijski program 2. bolonjske

stopnje, Strojništvo

Smer: Konstrukterstvo (redni študij)

Naziv: Magister inženir strojništva

Datum 2007 – 2010

Ustanova Univerza v Mariboru, Fakulteta za

strojništvo

Visokošolski strokovni študijski program

Smer: Konstrukterstvo in gradnja strojev

(redni študij)

Naziv: Diplomirani inženir strojništva

Datum 2003 – 2007

Ustanova Šolski center Celje, Poklicna in tehniška srednja

šola Celje

Smer: Strojni tehnik

Datum 1995 - 2003

Ustanova Osnovna šola Frana Kocbeka, Gornji Grad

OSEBNI PODATKI

IZOBRAZBA

hhhh

IzOSEBNI PODATKI


- 80 -

Datum 2013 – 2014

Ime in naslov delodajalca

KLS Ljubno, d.o.o.

Delovno mesto

Delo v tehnologiji razvoja (študentsko delo)

Zadolžitve in odgovornosti Konstruiranje orodij in rezervnih delov

Datum 2007 – 2012

Ime in naslov delodajalca BSH d.o.o., Nazarje

Delovno mesto Razvoj kavnih avtomatov (študentsko delo)

Zadolžitve in odgovornosti Pomoč pri delu v razvoju

Datum 2003 - 2007

Ime in naslov delodajalca KLS Ljubno, d.o.o.

Delovno mesto Delo v proizvodnji (študentsko delo)

Zadolžitve in odgovornosti Delo na avtomatizirani obdelovalni liniji, delo z

roboti in vzdrževanje strojev

Materin jezik Slovenščina

Znanje tujih jezikov Pasivno angleščina

Tehnične sposobnosti MS Office

Internet

CAD programi (CREO, CATIA, SolidWorks)

Opravljeni tečaji Vozniški izpit B, F, G in H kategorije

Začetni in nadaljevalni tečaj angleščine

DELOVNE IZKUŠNJE

OSTALA ZNANJA

hhhh

IzOSEBNI PODATKI

konstruiranje premnikov elektr avtomobilanajprej smo določili točke v katerih bo premnik vpet,...

Documents