UNIVERSITAEA TRANSILVANIA BRAOV FACULTATEA DE INGINERIE TEHNOLOGIC CATEDRA DE DESIGN DE PRODUS I ROBOTIC

PROIECT DE AN NR. 1

Student: Specializare: A.R. Grupa 1135 ndrumtor: ef lucr. ing. Daniela Ciobanu

Anul universitar: 2005 2006

UNIVERSITATEA TRANSILVANIA BRAOV FACULTATEA DE INGINERIE TEHNOLOGIC CATEDRA DE DESIGN DE PRODUS I ROBOTIC

Student : Specializare: A.R. Grupa: 1135

Tem de proiect:S se proiecteze mecanismul articulat de suspensie/direcie din figur.Date iniiale - ecartamentul B =.mm. - ampatamentul L =.....mm. - raza roii R = mm. Se cer: 1) Documentarea asupra tipurilor de sisteme de suspensie/direcie utilizate la autoturismele de tip ........................ . 1.1. Date tehnice. Tipul autoturismului, ecartament, ampatament, unghiuri de poziie ale roii directoare i ale pivotului. 1.2. Cursa elementului de antrenare al direciei. 2) Reprezentare la scar (format A4) a mecanismului primit. Definirea sistemului multicorp ataat i a modelului geometric. 3) Studiul cinematic: determinarea funciilor cinematice necesare. 4) Calculul numeric i reprezentarea grafic a funciilor cinematice. 5) Optimizarea cinematicii mecanismului.

Graficul de desfurare al activitii: Spt. 1-2 Pct. 1 ............ 2 3 4 5 3-4 ............ ............ 5-6 V1 ............ ............ 7-8 9 - 10 11 - 12 13 14

V2 ............

............ ............

V3

Precizri: 1) Graficul este obligatoriu. Pentru orice ntrziere mai mare de 2 sptmni n efectuarea unuia din punctele 2, 3, 4, se schimb tema de proiect. 2) n sptmna 13 14, are loc evaluarea proiectului. Evaluarea cu o not mai mic de 5, atrage refacerea proiectului i amnarea prezentrii la examen. 3) n cazul schimbrii temei de proiect, evaluarea se face n perioada sesiunii de restane din septembrie.

Braov; 11 X 2005

Coordonator proiect: ef lucr. ing. Daniela Ciobanu

Cuprins:1) Documentare asupra tipurilor de sisteme de suspensie/direcie utilizate la autoturismele de tip Mercedes-Benz Clasa S ...2 1.1 Date tehnice..2 1.2 Analizarea mecanismului de suspensie al autoturismului Mercedes-Benz Clasa S6 1.3 Analizarea mecanismului de direcie al autoturismului Mercedes-Benz Clasa S8 2) Noiuni teoretice .10 2.1 Unghiuri directoare ale roii directoare i ale pivotului .........10 2.2 Legea Ackermann (condiia virrii geometrice) ....12 3) Reprezentarea la scar a mecanismului de direcie primit .13 4) Analizarea mecanismului de direcie primit ......................................14 4.1 Modelul structural i analiza structural a mecanismului de direcie primit .........................................................................................14 4.2 Modelul structural i analiza structural ca sistem multicorp a mecanismului de direcie primit .............................................................15 5) Geometria corpurilor la mecanismul de direcie primit .16 5.1 Determinarea punctelor de interes i ataarea sistemului de r eferin fix i a sistemelor de referin mobile ..16 5.2 Scrierea coordonatelor generalizate ...18 6) Determinarea funciilor cinematice 19 7) Scrierea funiilor cinematice i a ecuaiei de restricie cinematic ....22 8) Rezolvarea funciilor cinematice i aflarea necunoscutelor ...............23 9) Optimizarea . 10) Bibliografie

1) Documentare asupra tipurilor de sisteme desuspensie/direcie utilizate la autoturismele de tip Mercedes-Benz Clasa S1.1.Date tehnice: n prezent, pe piaa din Romnia, exist spre vnzare doar dou variante de autoturisme Merceds-Benz Clasa S i anume: S350 i S500, singura diferen dintre cele dou fiind motorul, dimensiunile exterioare i interioare fiind identice. n primvara anului 2006 sunt ateptate i modelele S350 L i S500 L (variante cu ampatamentul mrit) precum i modelul S500 4Matic (varianta cu traciune integral permanent). Datele tehnice furnizate de ctre productor pentru modelul S350 sunt urmtoarele: [1] Motor i tren de rulare (cutie de viteze automat tip 7G Tronic): Motor 8-Cilindri dispui n V Nr. Supape/cilndru: 3 Cilindree (litri): 5,461 Raport de compresie: 10.5 Putere maxim (cp/rpm) 388 cp/6000 rpm Moment maxim (Nm/rpm) 530 Nm/2800-4800 rpm Combustibil: Super fr plumb. Performane: Demaraj: 0-100km/h n 5.4 secunde Vitez maxim (km/h): 250 Emisii dioxid de carbon [g/km] minim/maxim: 279-281 Consum - (litri/100km) ciclu mixt: 11.7-11.9 Frne:

Permanent monitorizate de sistemele ABS i ESP2Frne fa: Discuri ventilate Frne spate: Discuri ventilate Sistemul de direcie: De tip pinion-cremalier servo-asistat electronic. Coloan de ditrecie reglabil pe nalime i profunzime, cu deformare programat n caz de accident. Diametru de bracaj (m) 11.8 Suspensie: Tip suspensie fa:cu prindere n 4 puncte (anexa 1.A i anexa 1.B); arcuri elicoidale, amortizoare cu tub cu gaz sub presiune, bar antiruliu.

Tip suspensie spate: semi-independent; arcuri elicoidale, amortizoare cu tub cu gaz sub presiune, bar antiruliu. Jante i anvelope: Jante tip: 8.0J X 17 ET 43 Anvelope: 235/55 R 17 Mas i capaciti: Mas proprie (kg): 1875 Portbagaj (litri): 560 Rezervor combustibil (litri): 90 Dimensiuni: Interior (mm): nlime deasupra capului: fat 961 nlime deasupra capului: spate 977 Loc pentru picioare: fa 320 Loc pentru picioare: spate 358 Distan scaun - portier: fa 554 Distan scaun - portier: spate 510 Loc pentru umr: fa 493 Loc pentru umr: spate 878 Dimensiuni exterior (mm): Lungime: 5076 Lime: 1871 nlime: 1473 Ampatamentul: 3035 Ecartament fa: 1604 Ecartament spate: 1606 Consol: fa 868 Consol: spate 1173. [2]

1.2.Analizarea mecanismului de suspensie al autoturismului Mercedes-Benz Clasa SModelul structural i analiza structural.

4

6

D

G E5

3

A

CA: B: C: D: E: F: G: R1 3 R1 2 R2 4 R3 4 R5 1 R2 5 R6 1 f=1 f=1 f=1 f=1 f=1 f=1 f=1 r=2 r=2 r=2 r=2 r=2 r=2 r=2

F2

B

1

M = 3(nc 1) - ri = 3(6 1) 14 = 1

Modelul structural i analiza structural ca sistem multicorp.

2 D G A E

1

C

F

B 3

Numr de corpuri

Restricii

Loc

r

12 13 23

RR R R

A, D B C

1 2 2

M = 3(nc 1) - ri = 3(3 1) 5 = 1

1.3.Analizarea mecanismului de direcie al autoturismului Mercedes-Benz Clasa SModelul structural i analiza structural.

6

5 E A

1 B

2

3 4 D

G F

C

A: B: C: D: E: F: G:

T1 2 R2 3 R3 2 R1 4 R2 5 R5 6 R1 6

f=1 f=1 f=1 f=1 f=1 f=1 f=1

r=2 r=2 r=2 r=2 r=2 r=2 r=2

M = 3(nc 1) - ri = 3(6 1) 14 = 1

Modelul structural i analiza structural ca sistem multicorp.

3

2

4

G F

E

A

B C 1

D

Numr de corpuri

Restricii

Loc

ri

12 13 14 23 24 34

T R R RR RR -

A G D E, F B, C -

2 2 2 1 1 -

M = 3(nc 1) - ri = 3(4 1) 8 = 1.

2) Noiuni teoretice2.1.Unghiuri de poziie ale roii directoare i ale pivotului [4]n scopul asigurrii unei bune inute de drum a automobilului, roile de direcie se stabilizeaz. Prin stabilizarea roilor de direcie se nelege capacitatea acestora de a-i menine direcia la mersul n linie dreapt i de a reveni n aceast poziie dup ce au fost bracate. n acest scop, roile de direcie i pivoii fuzetelor prezint anumite unghiuri n raport cu planul longitudinal i transversal ale automobilului. La puntea din fa se deosebesc urmtoarele unghiuri: - unghiul de nclinare longitudinal a pivotului (unghiul de fug) este 0. - unghiul de nclinare transversal a pivotului 0. - unghiul de cdere al roii (nclinare transversal a fuzetei) 0. - unghiul de convergen al roii (nclinare longitudinal a fuzetei) 0. Unghiul de cdere sau de carosaj al roii (fig. 2) reprezint nclinarea planului roii fa de planul longitudinal al automobilului. Fetul su, stabilizator se manifest prin mpiedicarea tendinei roilor de a oscila n limita jocului din rulmenii butucului. Datorit unghiului de cdere, 0, componenta axial ZRsin0 a reaciunii normale ZR tinde s mping butucul roii spre interior, ceea ce face s dispar jocul din rulmeni, i descarc piuliele din captul fuzetei.

Unghiul de convergen al roilor, 0. (fig. 3) este format n plan orizontal de planul roii cu planul longitudinal al automobilului. Mrimea convergenei se exprim, de obicei, prin diferena distanelor f i s dintre planele jantelor, n plan

orizontal, msurate n faa f i spatele s ale punii. Convergena roilor se prevede n scopul micorrii tndinei de deschidere al acestora datorit unghiului de cdere 0. O convergen prea mare provoac o uzur accentuat a pneurilor pe flancurile exterioare, astfel nct se impune ca n timpul mersului rectiliniu roile s aib tendina s ruleze paralel.

Unghiul de nclinare longitudinal a pivotului 0 (unghiul de fug, fig. 4), reprezint nclinarea fa de vertical a axei pivotului (msurat n plan longitudinal), n aa fel nct prelungirea axxei sale ntlnete calea de rulare n punctul B, situat naintea punctului A de contact roat-cale. Mrimea unghiului de fug poate fi exprimat i prin distana a=r tg0 , care reprezint lungimea braului sub care acioneaz fora lateral.

McPherson strut See Figure 8 McPherson strut front suspension differs considerably from unequal length A-arm suspension. McPherson strut suspension is found most frequently on compact and subcompact cars, both domestic and imported. With this type of suspension, the shock absorber, strut and spindle are a combined unit, which is supported by the coil spring at the upper end and the lower control arm (sometimes called track control arm or transverse link) at the bottom. Another type of front strut suspension is referred to as a modified McPherson strut suspension, which is the same as the regular McPherson strut unit except the coil spring is mounted separately from the strut, between the lower control arm and the frame. There is only one ball joint in this design, and it is attached to the lower part of the spindle. Generally, this ball joint is not a load carrying ball joint, but a follower ball joint, which means it is isolated from vehicle weight.

The shock absorber is built into the strut outer casing and, except for the modified McPherson strut, a coil spring sits on a seat welded to this casing. The upper mount of the shock absorber bolts to the vehicle body. On some models, the strut cartridge may be replaced, while on others the entire strut must be replaced. Due to the design of this type of suspension, the only front-end alignment procedure possible is toe-in adjustment, since caster and camber are fixed.

FRONT SUSPENSION COMPONENT LOCATIONS 1. Lower control arm2. Ball joint 3. Tie rod end 4. MacPherson strut 5. Halfshaft 6. Inner CV joint 7. Outer CV joint 8. Stabilizer (sway) bar 9. Power steering gear 10.Crossmember

Rear suspensionsThere are three basic types of rear suspension: independent, semi-independent and live axle. Each of these suspension systems has their own distinctive variations, but the general principles and component types are relatively similar to that of front suspension systems described earlier in this chapter. Independent rear suspension systems may be found on both rear, front, and 4-wheel drive vehicles. They utilize control arms which allow one wheel to move separately from the other wheel. Semi-independent rear suspension systems are often found on front wheel drive vehicles. These systems utilize a cross member, which connects to two trailing arms. Despite the fact that there is a solid connection with the cross member and the trailing arms, the cross member will twist with each up and down movement of the wheels. This twisting action provides not only semi-independent movement, but also a stabilizer effect. Live axle rear suspension systems are usually found on rear and four wheel drive vehicles. These systems consist of leaf or coil springs utilized in conjunction with the live axle, which is the differential axle, wheel bearings, and brakes operating as a unit.

Rear suspensions, in general, can be much simpler than front suspensions since all they have to do is support the rear of the vehicle and provide some sort of suspension control. However, some rear suspensions, especially those found on sports cars, are quite complex.

Figure 23 The semi-independent axle used on many of today's front-wheel-drive vehicles.

1. 2. 4. 5.

Rear shock absorber Axle housing Leaf springs Spring U-bolts

Sistemul de directie

Power steering units are mechanical steering gear units incorporating a power assist. Power steering for the recirculating ball type steering system consists of a pump, fluid reservoir, pressure and return hoses and steering gear. The pump, which is driven by an accessory drive belt, consists of an impeller, pressure valve, and fluid reservoir. Pump pressure builds only when the engine is running. The pump impeller turns, picking up hydraulic fluid from the reservoir and feeding it to the steering gear under pressure through the pressure line. The fluid is then returned to the fluid reservoir through the non-pressurized return line. The power assisted rack and pinion steering system is very similar to that of the recirculating ball system in that its power cylinder and control valve are in the same housing. The power piston is part of the rack while the rack housing is the cylinder. The pinion housing contains the control valve. Rotating the steering wheel moves the control valve, directing pressure to both ends of the steering rack piston. The rack and pinion system uses a pressure hose from the power steering pump to the control valve housing, and a return line to the fluid reservoir.

2.2.Legea Ackermann (condiia virrii geometice) [5]Deplasarea automobilului pe o traiectorie curbilinie, fr alunecri i patinri, impune ca toate roile s ruleze pe traiectorii concentrice n jurul aceluiai centru de virare, numit centru instantaneu al virajului. n cazul unui automobil cu patru roi i punte directoare fa, fig. 5, centrul instantaneu al virajului 0 se gsete la intersecia prelungirii axei punii spate cu prelungirea axelor roilor directoare. Rezult c, pentru a efectua un viraj corect, este necesar ca unghiurile de bracare la cele dou roi s fie diferite i anume Qi > Qe. Conform figurii 5, din triunghiurile OAD i OBC se poate scrie:

ctgQe =

OC BC

ctgQ i =

OC BC

sau prin scdere: OD OC b ctgQ e ctgQi = = = ct AD BC L unde: L ampatamentul b distana dintre axele pivoilor.

L

DB

AReb

CQe

B

Q

QiRi R

0 Fig. 5. Schema virajului automobilului

Aceast relaie, numit i legea de virare Ackermann, stabilete raportul care trebuie s existe ntre cele dou unghiuri de bracare n condiiile executrii corecte a virajului i meninerii direciei n curb.

Ampatamentul este distana dintre puntea fa i puntea spate a unui autoturism, distan msurat perpendicular pe axele punilor. Ecartamentul este distana dintre roile aceleiai puni; astfel, avem ecartamentul fa distana dintre roile punii fa i ecartamentul spate distana dintre roile punii spate.

4) Analizarea mecanismului de direcie primit4.1.Modelul structural i analiza structural a mecanismului de direcie primit.

I4 6

D

C

1

J3

A H5 2

B F G7

8

E

A: B: C: D: E: F: G: H: I: J:

R2 4 R2 3 R1 3 R1 4 R4 5 R3 7 R7 8 R5 6 R6 1 R8 1

f=1 f=1 f=1 f=1 f=1 f=1 f=1 f=1 f=1 f=1

r=2 r=2 r=2 r=2 r=2 r=2 r=2 r=2 r=2 r=2

M = 3(nc 1) - ri = 3(8 1) 20 = 1

4.2.Modelul structural i analiza structural ca sistem multicorp a mecanismului de direcie primit.1 2

3

I

D

C

J

A H E

B F G

4

5

Numr de corpuri 12 13 14 15 23 24 25 34 35 4-5

Restricii R R R R RR RR R-R

Loc J I D C G,F H,E A,B

r 2 2 2 2 1 1 1

M = 3(nc 1) - ri = 3(5 1) 11 = 1

5)Geometria corpurilor la mecanismul de direcie primit.5.1.Determinarea punctelor de interes i ataarea sistemului de referin fix i a sistemelor de referin mobile. Corpul 1:

Y D1 I1 Y1 C1 J1 X1X(1)I1 = - 802 mm Y(1)I1 = 0 X(1)D1 = - 115 mm Y(1)D1 = 40 mm Corpul 2: X(2)J2 = 0 Y(2)J2 = 0J2 X2

X

X(1)C1 = 115 mm Y(1)C1 = 40 mm X(1)J1 = 802 mm Y(1)J1 = 0

Y2

X(2)G2 = - 50 mm Y(2)G2 = - 220 mm

G2

Corpul 3:

Y3 I3 X3

X(3)I3 = 0 Y(3)I3 = 0 X(3)H3 = 50 mm Y(3)H3 =- 220 mm Corpul 4:

H3

Y4 D4 X4

X(4)D4 = 0 Y(4)D4 = 0 X(4)E4 = - 45 mm Y(4)E4 = - 290 mm

A4 E4

X(4)A4 = 0 Y(4)A4 = - 110 mm

Corpul 5:Y5 C5 X5

X(5)C5 = 0 Y(5)C5 = 0 X(5)F5 = 45 mm Y(5)F5 = -290 mm

B5 F5

X(5)B5 = 0 Y(5)B5 =- 110 mm

AB = 230 mm HE = 591 mm FG = 591 mm

5.2.Scrierea coordonatelor generalizate:Corpul 2: Xo2 Yo2 2 Corpul 3: Xo3 Yo3 Corpul 4: Xo4 Yo4 4 Corpul 5: Xo5 Yo5

3

5

8) Rezolvarea funciilor cinematice i aflarea necunoscutelor

Pt 5= -0,26517994166 rad / -15o rezult: xo2= 802 yo2= 0 2= - 0,3953488171 rad/ -22,650 xo3= - 802 yo3= 0 3= -0,3262650472 rad/ -18,60 Pt 5= - 0,1745329444 rad/ -100 rezult: xo2= 802

xo4= - 115 yo4= 40 4= -0,2617994166 rad/ -150 xo5= 115 yo5= 40

xo4= - 115

yo2= 0 2= - 0,254616661 rad/ -14,50 xo3= - 802 yo3= 0 3= -0,2198779912 rad/ -12,50 Pt 5= - 0,08726647220 rad/ -50 rezult: xo2= 802 yo2= 0 2= - 0,1258486385 rad/ -7,20 xo3= - 802 yo3= 0 3= -0,1096561407 rad/ -6,20 Pt 5= 0 rad/ 00 rezult: xo2= 802 yo2= 0 2= - 0,005163982738 rad/ -0,30 xo3= - 802 yo3= 0 3= 0,005163982738 rad/ 0,30

yo4= 40 4= -0,1745329445 rad/ -100 xo5= 115 yo5= 40

xo4= - 115 yo4= 40 4= -0,08726647220 rad/ -50 xo5= 115 yo5= 40

xo4= - 115 yo4= 40 4= 0 rad/ 00 xo5= 115 yo5= 40

Pt 5= 0,08726647220 rad/ 50 rezult: xo2= 802 yo2= 0 2= 0,1096561407 rad/ 6,20 xo3= - 802 yo3= 0 3= 0,1258486385 rad/ 7,20 Pt 5= 0,1745329444 rad/ 100 rezult: xo2= 802 yo2= 0 2= 0,2198779912 rad/ 12,50 xo3= - 802 yo3= 0 3= 0,2545616662 rad/ 14,50 Pt 5= 0,26517994166 rad / 15o rezult:

xo4= - 115 yo4= 40 4= 0,08726647220 rad/ 50 xo5= 115 yo5= 40

xo4= - 115 yo4= 40 4= 0,1745329445 rad/ 100 xo5= 115 yo5= 40

xo2= 802 yo2= 0 2= 0,3262650473 rad/ 18,60 xo3= - 802 yo3= 0 3= 0,3953488171 rad/ 22,650

xo4= - 115 yo4= 40 4= 0,2617994166 rad/ 150 xo5= 115 yo5= 40

9) Optimizarea mecanismului de direcie primitPentru optimizarea mecanismului de direcie primit s-a optat pentru modificarea poziiei cuplei C i rezolvarea sistemului de funcii cinematice, observnd modificrile aprute. Coordonatele originale XC1 = 115 mm YC1 = 40 mm X(5)C5 = 0 mm Y(5)C5 = 0 mm Coordonatele modificate XC1 = 115 mm YC1 = 45 mm X(5)C5 = 0 mm Y(5)C5 = 5 mm

Se observ o modificare a poziiei cuplei C i pe corpul 5, sistemul de referin ataat corpului 5 rmnnd n poziia original. Modificarea poziiei cuplei C i pstrarea neschimbat a potiiilor celorlalte cuple mai implic i modificarea lungimii segmentului CB de la mm la mm i CF de la la mm. Pt 5= -0,26517994166 rad / -15o rezult: xo2= 802 yo2= 0 2= - 0,4029355155 rad/ -23,080 xo3= - 802 yo3= 0 3= -0,3408596454 rad/ -19,50 Pt 5= - 0,1745329444 rad/ -100 rezult: xo2= 802 yo2= 0 2= - 0,2590795754 rad/ -14,80 xo3= - 802 yo3= 0 3= -0,2298071696 rad/ -13,20 Pt 5= - 0,08726647220 rad/ -50 rezult: xo2= 802 yo2= 0 2= - 0,1279521973 rad/ -7,30 xo3= - 802 yo3= 0 3= -0,1147725983 rad/ -6,50 Pt 5= 0 rad/ 00 rezult: xo2= 802 yo2= 0 2= - 0,00516398273 rad/ -0,30 xo3= - 802 yo3= 0 3= 0,00516398273 rad/ 0,30 xo4= - 115 yo4= 40 4= -0,2739984681 rad/ -15,70 xo5= 113,7 yo5= 40,17

xo4= - 115 yo4= 40 4= -0,1825534349 rad/ -10,50 xo5= 114,14 yo5= 40,08

xo4= - 115 yo4= 40 4= -0,09124392504 rad/ -5,20 xo5= 114,56 yo5= 40,02

xo4= - 115 yo4= 40 4= 0 rad/ 00 xo5= 115 yo5= 40

Pt 5= 0,08726647220 rad/ 50 rezult: xo2= 802 yo2= 0 2= 0,1116108328 rad/ 6,10

xo4= - 115 yo4= 40 4= 0,09124394087 rad/ 5,20

xo3= - 802 yo3= 0 3= 0,1315191161 rad/ 7,50 Pt 5= 0,1745329444 rad/ 100 rezult: xo2= 802 yo2= 0 2= 0,2237334476 rad/ 12,70 xo3= - 802 yo3= 0 3= 0,2669123463 rad/ 15,30 Pt 5= 0,26517994166 rad / 15o rezult: xo2= 802 yo2= 0 2= 0,3320342141 rad/ 19,10 xo3= - 802 yo3= 0 3= 0,4163945335 rad/ 23,80

xo5= 115,43 yo5= 40,02

xo4= - 115 yo4= 40 4= 0,1825536968 rad/ 10,50 xo5= 115,9 yo5= 40,07

xo4= - 115 yo4= 40 4= 0,2739998711 rad/ 150 xo5= 116,3 yo5= 40,17

10).Bibliografie:[1] Casa auto Mercedes-Benz Braov [2] Internet: www.mercedes-benz.ro [3] Internet: www.speedycars.net [4] M. Untaru .a. Calculul i construcia automobilelor ,editura Didactic i Pedagogic Bucureti 1984. [5] Vasile Cmpian .a. Automobile ,editura Universitii Transilvania Braov 1985.