Etupyörän akseloinnin suunnittelu linja-autoon

Abstract

One of the key factors affecting the safety of bus passengers is the attachment of the front wheel to the vehicle chassis. The components intermediate between the road wheel and control arms therefore require careful design. In this project, the central components of the hub structure are designed, based on the assessment of the loads exerted on the front wheel. The assessment of the wheel loads begins with an examination of the static forces acting on the wheel, while the dynamic vertical peak loads are taken into account in stress calculations by using a load coefficient. For the purpose of dimensioning, existing hub structure designs are also exploited, as the dimensioning of the components of the axle systems has conventionally largely relied on practical experience. The design is carried out in three stages. Firstly, the loads placed on the front hub are determined on the basis of the mass distribution and acceleration/deceleration requirements of the vehicle. Here, both braking situations and the cornering behaviour of the vehicle are considered. Subsequently, stress analyses on the individual components in various types of stress situations are performed, together with an evaluation of the impact of different structural design options. Finally, the resulting requirements on the strength of the components are established, and the most suitable materials and production methods are chosen. The examination of the wheel loads shows that the cornering forces are decisive when determining the maximum loads placed on the hub structure, and especially on its most central component, the steering knuckle. This is due to (i) the shift of weight onto the outer wheel of the cornering vehicle, caused by the centrifugal force and the vehicle's high located centre of gravity, and (ii) the large length of the lever arm of the lateral frictional force with respect to the wheel hub. The design of the components therefore calls for a very serious consideration of the cornering forces, as these varying loads are prone to cause structural fatigue. A comparison of the available production methods shows that although die forging is the cheapest mass production method for the steering knuckle, it is not economically viable for the production of small runs. Due to the high costs involved in the creation of the die, forging in effect requires very large production runs. Casting, in contrast, is well suited even for small runs. In comparison to forging, however, casting results in a slightly lower material strength of the components, which therefore should be taken into account in their dimensioning.

Linja-auton etupyörän kiinnitys auton runkoon on yksi keskeisimmistä matkustajien turvallisuuteen vaikuttavista tekijöistä. Levypyörän ja tukivarsien väliset komponentit on tästä syystä suunniteltava huolellisesti. Tässä työssä selvitettiin etupyörän kuormitukset ja suunniteltiin niiden pohjalta naparakenteen keskeiset komponentit. Kuormitusten määrityksessä lähdettiin liikkeelle staattisten voimien pohjalta ja dynaamiset pystysuuntaiset kuormitushuiput huomioitiin jännitysten laskennassa kuormituskertoimella. Mitoituksessa on hyödynnetty myös olemassa olevia naparakenteita, koska akseliston osien mitoitus on perinteisesti suoritettu suurelta osin käytössä saatujen kokemusten pohjalta. Tehty suunnittelutyö jakaantui kolmeen vaiheeseen. Aluksi selvitettiin auton massajakautuman ja kiihtyvyysvaatimusten pohjalta etunapaan kohdistuvat kuormitukset. Tässä yhteydessä tutkittiin sekä jarrutustilannetta että auton kaarrekäyttäytymistä. Seuraavaksi suoritettiin jännitystarkastelut yksittäisille osille erilaisissa kuormitustilanteissa. Samalla vertailtiin toisiinsa erilaisia rakennevaihtoehtoja. Lopuksi tarkasteltiin jännitysten aiheuttamia vaatimuksia materiaalien lujuudelle sekä etsittiin komponenteille sopivimmat materiaalit ja valmistusmenetelmät. Kuormitusten laskennassa havaittiin, että naparakenteen ja varsinkin sen keskeisimmän komponentin, olka-akselin, kuormittumisessa kaarrerasitukset ovat määrääviä. Tämä johtuu keskipakoisvoiman ja korkealla sijaitsevan painopisteen aiheuttamasta massan siirtymisestä ulomman pyörän kannettavaksi ja toisaalta sivuttaisen kitkavoiman suuresta momenttivarresta pyörän keskiöön nähden. Kaarrekuormitukset on syytä ottaa hyvin vakavasti komponenttien suunnittelussa, sillä nämä vaihtelevat kuormitukset ovat luonteeltaan rakennetta väsyttäviä. Valmistusmenetelmien vertailussa havaittiin, että muottitaonta, joka on massatuotannossa edullisin olka-akselin valmistusmenetelmä, ei ole taloudellisesti kannattava menetelmä pienten sarjojen valmistuksessa. Muotin suurten valmistuskustannusten vuoksi sarjakokojen tulisi olla hyvin suuria. Valaminen sen sijaan soveltuu hyvin jo pienillekin sarjoille. Tällä valmistusmenetelmällä materiaalin lujuus muodostuu tosin hieman alhaisemmaksi kuin taottaessa, joten tämä on otettava huomioon osien mitoituksessa. /Kir10