Предметы:
- Степени свободы в ведении колеса
- Петли в направляющей колеса
- Направляющие в направляющей колеса
- Вычислить степени свободы
Степени свободы в ведении колеса:
Подвеска автомобиля содержит ряд шарниров (в том числе на поперечных рычагах и амортизаторе), обеспечивающих степени свободы всей подвески. Направление колеса обеспечивает ограничение возможных степеней свободы возможных движений колес до одной или двух. Если колесо не держать «зафиксированным», оно сможет свободно вращаться, наклоняться (в направлениях x и y), поворачиваться, двигаться вверх и вниз. Колесо тогда в принципе «освобождается» от подвески. Он может двигаться в любом направлении без «наведения». Каждое только что упомянутое движение представляет собой одну степень свободы.
Подвеска колес, то есть направляющая колес, обеспечивает ограничение свободы движения до 1 степени свободы. Это означает, что колесо может двигаться «свободно» только в одном направлении, без влияния водителя. Это свободное движение представляет собой движение вверх и вниз при сжатии и отскоке. Колесо может беспрепятственно подпрыгивать на неровной поверхности дороги.
Подвеска колес автомобиля построена на ряде линейных шарниров, шаровых шарниров и поворотно-скользящих шарниров. Все эти петли влияют друг на друга. Слишком много шарниров создает слишком много степеней свободы (поэтому колесо может непреднамеренно двигаться в разных направлениях) или 0 степеней свободы (колесо не может двигаться и, следовательно, не может сжиматься и сжиматься).
Петли в направляющей колеса:
Линейный шарнир:
Этот линейный шарнир может перемещаться в одном направлении; вверх и вниз. Это обеспечивает 1 степень свободы.
Шаровой шарнир:
Благодаря этому шарниру соответствующие детали могут совершать 3 движения относительно друг друга; кивающие, перекатывающиеся и поворачивающиеся движения. Этот шарнир имеет 3 степени свободы, потому что когда шарнир «расшатан», он может совершать 3 свободных движения (см. стрелки).
Поворотно-сдвижной шарнир:
Этот шарнир может совершать 2 движения; вращательное и скользящее движение внутрь и наружу. В принципе это пример амортизатора (от стойки МакФерсон). Эти 2 движения обеспечивают наличие 2 степеней свободы поворотно-скользящего шарнира.
Направляющие в направляющей колеса:
Для создания подвески колеса из различных типов шарниров иногда приходится совмещать шарниры на одном объекте, например, поперечном рычаге. Затем мы называем эту опорную руку направляющей. Ниже приведены несколько примеров таких проводников:
Линейная петля с шаровым шарниром:
Это типичный пример поперечного рычага, который соединен с кузовом (или подрамником) со стороны шарнирной линии и соединен с поворотным кулаком со стороны шаровой опоры. Когда весь этот шарнир ослаблен, он может перемещаться как в направлении движения линейного шарнира (1 направление), так и в 3 направлениях шарового шарнира. В конце концов, линейный шарнир имеет 1 степень свободы, а шаровой шарнир — 3. Поскольку эта часть рассматривается как 1 проводник, степени свободы можно сложить. 1 и 3 тогда дают 4 степени свободы.
Двойной шаровой шарнир:
Примером направляющей с двойным шаровым шарниром является рулевая тяга с внутренними и внешними шариками рулевой тяги. Каждый шаровой шарнир имеет 3 степени свободы, поэтому, поскольку это 1 проводник, их следует сложить. Однако самовращение у них одинаковое, ведь если один шаровой шарнир совершает вращательное движение, то и другой тоже. Так что 1 степень свободы самовращения не в счет (см. красные стрелки). Всего степеней свободы у этого проводника 1, но в последующих расчетах в графе «самовращение r» введите цифру 6. Затем эта 1 вычитается при расчете.
Поворотно-сдвижная петля с шаровым шарниром:
Как говорилось ранее, амортизатор представляет собой поворотно-скользящий шарнир. Однако над каждой стойкой McPherson также есть шаровой шарнир, хотя поначалу вы так не подумали. В верхней части амортизатора есть еще одна резинка. Эта резина обеспечивает некоторую свободу движения амортизатора и поэтому также обладает свойствами шаровой опоры. Таким образом, амортизатор имеет как 2 степени свободы поворотно-скользящего шарнира, так и 3 степени свободы шарового шарнира, что вместе составляет 5. Здесь тоже имеет место естественное вращение, поскольку вращательное движение поворотно-скользящего шарнира такое же, как и вращательное движение шарового шарнира. Значит, к букве «r» самовращения придется добавить 1.
Рассчитаем степени свободы:
Число степеней свободы можно рассчитать на основе данных подвески. Чтобы правильно завершить формулу, петли и направляющие необходимо разделить на категории:
- L для количества проводников
- g для количества соединений и петель
- r для числа естественных оборотов (как в случае с двойным шаровым шарниром в 1 направляющей)
Кроме того, буквы:
- k для количества колесных балок (в большинстве случаев 1, потому что это поворотный кулак)
- εfi для количества степеней свободы для общего количества соединений и шарниров, сложенных вместе.
F = 6 (k + L – g)-r + εfi
Пример:
Подвеска колеса содержит: k 1 водило колеса (поворотный кулак), L 2 направляющие, g 5 шарниров, r 2 самовращения, εfi 15 полных степеней свободы.
В виде формулы это:
Ф = 6 (1 + 2 – 5) – 2 + 15
Ф = 6 х (-2) – 2 + 15
F = 1
Итак, теперь есть 1 степень свободы, и это хорошо. Колесо может совершать чистое движение вверх и вниз.
Для пояснения приведу пример с изображением подвески колеса:
На изображении ниже изображена стойка McPherson с соответствующей надписью. Буквы A, B и C обозначают направляющие, а цифры от 1 до 6 обозначают петли/соединения.
εfi — суммы степеней свободы шарниров; так 3 степени свободы на шаровой шарнир (т.е. 4 х 3), 1 степень свободы линейного шарнира и 2 степени свободы поворотно-скользящего шарнира.
Формулу можно завершить следующим образом:
F = 6 (k + L – g)-r + εfi
Ф = 6 (1 + 3 – 6) – 2 + 15
Ф = 6 х (-2) – 2 + 15
Ф = -12 – 2 + 15
Ф = -14 + 15
Ф = 1 степень свободы
