Расчет рамы автомобиля
Рама автомобиля представляет собой пространственную несущую систему, нагруженную статическими и динамическими нагрузками. Напряжения в элементах рамы определяются: изгибом в вертикальной плоскости под влиянием симметричной системы сил; кручением вокруг продольной оси под влиянием кососимметричной системы сил; изгибом в горизонтальной плоскости; местными нагрузками (подвеска топливного бака, запасного колеса, усилия при буксировке и др.).
Статические нагрузки возникают под действием собственного веса рамы и веса механизмов, кузова и полезного груза и от реакций опор рессор. Уже после сборки автомобиля в его раме возникают напряжения изгиба, составляющие 10 ¸ 15% предела текучести материала. При этом напряжения в лонжеронах в 2 ¸ 2,5 раза превышают напряжения в поперечинах.
При движении автомобиля на раму действуют динамические нагрузки. Основной причиной возникновения симметричных динамических нагрузок являются силы инерции подрессоренных масс, действующие на раму при колебаниях автомобиля. Вертикальные и угловые колебания автомобиля в вертикальной плоскости обусловлены симметричными составляющими прогибов подвески. Эти колебания вызывают изгиб рамы, создавая напряжения в лонжеронах и незначительные напряжения в поперечинах.
Изгибающая динамическая нагрузка зависти от статической нагрузки и вертикальных ускорений в точках приложения вертикальной нагрузки:
. (9.1)
Динамические нагрузки существенно превышают статические и определяются с помощью коэффициента динамичности:
. (9.2)
Кососимметричные составляющие прогибов подвески вызывают бортовую качку и кручение рамы, создавая напряжения в поперечинах.
При кручении рамы возникают горизонтальные составляющие нагрузок. Они зависят от боковой жесткости рессор и смещения оси вращения от плоскости рамы, а также от угла закручивания. Чем больше жесткость рессор, смещение оси вращения и угол закручивания, тем больше горизонтальные усилия. Таким образом, элементы рамы при перекосе находятся в сложном нагружении под действием вертикального изгиба, стесненного кручения, горизонтального изгиба и др.
Для расчета рамы обычно рассматривают два режима:
1. движение с большой скоростью по дороге с мелкими неровностями (симметричное нагружение);
2. преодоление больших неровностей с вывешиванием некоторых колес (кососимметричное нагружение).
Для того чтобы не только оценить общую податливость рамы и действующие в ней напряжения, но и выявить опасные места резкого изменения деформаций и напряжений и темп их изменения по длине рамы, значения прогибов, углов закручивания и напряжений следует рассчитывать для ряда поперечных плоскостей, проходящих через характерные точки (места присоединения поперечин, изменения высоты или ширины сечения лонжерона, приложения нагрузок и т.д.). Результаты расчета целесообразно представлять в виде эпюр прогибов, углов закручивания и напряжений по длине рамы.
Расчет на симметричное нагружение (изгиб) простейшей лестничной рамы заключается в определении прогибов и напряжений в лонжеронах, представленных в виде элементарной балки на опорах.
Напряжение изгиба в каждом расчетном сечении лонжерона определяют по формуле:
, (9.3)
где – изгибающий момент.
Изгибающий момент в расчетном сечении лонжерона рассчитывают по формуле:
, (9.4)
где и – изгибающий момент и перерезывающая сила в предыдущем сечении, значения которых уже известны; – расстояние между сечениями.
Допускаемые напряжения при кратковременных динамических нагрузках можно приближенно определить как
, (9.5)
где – предел текучести материала лонжерона.
При расчете на кососимметричное нагружение (кручение) рама, состоящая из двух лонжеронов, связанных несколькими поперечинами, будет представлять собой статически неопределимую систему. Силовые факторы, действующие в элементах статически неопределимой системы (и углы закручивания), могут быть определены различными методами, излагаемыми в курсах сопротивления материалов, которые связаны с громоздкими и трудоемкими вычислениями. Однако при некоторых допущениях расчет может быть значительно упрощен. Если предположить, что деформации изгиба в элементах рамы малы по сравнению с деформациями кручения, то можно воспользоваться следующим приближенным методом.
При расчете на кручение рама рассматривается как плоская система, состоящая из прямолинейных тонкостенных стержней. Так как жесткость на изгиб у лонжеронов в сотни раз больше их жесткости на кручение, деформациями изгиба пренебрегают.
При прогибе поперечные сечения стержней остаются плоскими, а при кручении они искривляются (депланируют). Искривление сечений по длине стержня неодинаково. В узлах, усиленных косынками и приклепанных к полкам лонжеронов, искривление считают равным нулю, а в остальных сечениях оно может быть существенным. Такой характер деформации называется стесненным кручением.
При стесненном кручении кроме касательных напряжений кручения в сечениях лонжеронов из-за искривления появляются дополнительные нормальные напряжения.
В поперечинах рамы дополнительных нормальных напряжений не возникает из-за их более эластичного крепления к стенкам лонжеронов. Поэтому считают, что поперечины рамы испытывают свободное кручение.
Разрезав поперечины в плоскости симметрии рамы и приложив в местах разреза внутренние крутящие моменты и перерезывающие силы переходят от статически неопределимой системы к статически определимой, которую и принимают за расчетную схему (б). Строят эпюры изгибающих моментов (в) и бимоментов (г). По этим двум эпюрам определяют суммарные напряжения и строят их эпюру (д).
Момент, закручивающий раму, зависит от большого количества факторов, и может быть определен по формуле:
, (9.6)
где – высота преодолеваемых автомобилем неровностей; – колея колес; – угловая жесткость рамы; – угловая жесткость подвески.
Из формулы (9.6) следует, что чем меньше угловая жесткость рамы, тем меньше закручивающий момент и, следовательно, выше прочность рамы. Кроме того, более эластичная рама вместе с подвеской обеспечивает лучшую приспособляемость колесам автомобиля к дорожным неровностям и постоянный контакт колес с дорогой. Однако при слишком эластичной раме возможно нарушение взаимного положения и условий работы агрегатов и механизмов, установленных на раме. Оптимальная жесткость рамы на кручение окончательно определяется и выбирается при доводочных испытаниях.
Суммарные нормальные напряжения в сечениях лонжеронов при стесненном кручении рассчитывают по формуле:
, (9.7)
где и – изгибающий момент и момент сопротивления сечения изгибу; – биомомент; – секториальный момент сопротивления сечения.
Биомомент для наиболее распространенного швеллерного сечения лонжеронов определяют по формуле:
, (9.8)
где – угол закручивания рамы на длине базы автомобиля; – модуль упругости 1-го рода; – секториальный момент инерции сечения; – длина рассматриваемого отрезка лонжерона; – база автомобиля.
Результирующие касательные напряжения кручения при деформации лонжеронов рамы в общем случае складываются из касательных напряжений свободного кручения, касательных напряжений изгиба и касательных напряжений стесненного кручения.
Наиболее значительными из них являются касательные напряжения свободного кручения, которые составляют 85 ¸ 90% от результирующих напряжений.
Для лонжеронов, имеющих швеллерное сечение, касательные напряжения свободного кручения определяют по формуле:
, (9.9)
где – толщина профиля лонжерона; – модуль упругости 2-го рода; – изгибно-крутильная характеристика поперечного сечения лонжерона.
Напряжения для рам грузовых автомобилей, имеющих швеллерное сечение, при закручивании на угол = 10 ¸ 12° составляют = 5 ¸ 20 МПа (меньшие значения для лонжеронов, большие – для поперечин), а суммарные нормальные напряжения = 100 ¸ 300 МПа.
Во время движения автомобиля по неровной дороге при максимальном закручивании рамы напряжения в ее элементах в 3 ¸ 5 раз больше напряжений, возникающих после установки на раме кузова, агрегатов и механизмов.
В рамах грузовых автомобилей с обычной грузовой платформой наибольшие напряжения в лонжеронах возникают в зоне третьей поперечины, примерно у переднего борта кузова. У седельных тягачей наибольшие напряжения в лонжеронах возникают в зоне пятой поперечины у кронштейнов подвески. Из поперечин наиболее нагруженной обычно является первая поперечина.
Слабыми местами рамы являются зоны присоединения к лонжеронам поперечин, кронштейнов и других деталей.
Заклепочные соединенияработают при стесненном кручении и горизонтальном изгибе. Независимо от технологии клепки заклепки разрушаются от изгиба.
В предельном случае можно рассматривать изгиб стержня заклепки в условиях, когда стенки отверстия не препятствуют деформации изгиба под действием изгибающего момента
, (9.10)
где – усилие, создающее изгибающий момент; , – толщины соединяемых деталей.
Напряжение изгиба у головки заклепки рассчитывают по формуле:
, (9.11)
где d – диаметр заклепки.
Напряжение среза (оно почти в 2 раза меньше напряжения изгиба) определяют по формуле:
, (9.12)
где – усилие, создающее напряжение среза.
Расчет кузова
Нагрузочные режимы и расчет кузова значительно сложнее, так как несущий кузов, представляет собой сложную оболочковую конструкцию с различными проемами и стойками. До недавнего времени основным методом оценки прочности кузова легкового автомобиля и автобуса считались стендовые и дорожные испытания на изгиб и кручение с тензометрированием напряжений во множестве точек.
Деформации и напряжения, действующие в несущем кузове, можно определять различными аналитическими методами:
1. приближенным– методом потенциальной энергии, используемым при сравнительных расчетах на начальной стадии проектирования кузова;
2. точным –методом, основанным на теории тонкостенных стержней, применяемым обычно после завершения проектирования кузова;
3. методом конечных элементов, представляющим практически неограниченные возможности для анализа напряжений и деформаций (вибраций) в кузове, но требующим применения ЭВМ.
Разработаны методы приближенного расчета деформаций или повреждений кузова от удара при аварии (спереди, сзади, сбоку или сверху).
Метод конечных элементов заключается в том, что реальная конструкция заменяется структурной моделью, состоящей из простейших элементов, таких как стержни, пластины и т.п. с известными упругими свойствами. Расчет осуществляется в несколько этапов. Сначала конструкцию разбивают на простые элементы. Например, выделяют половину кузова по плоскости симметрии и разбивают ее на 200 ÷ 500 элементов.
Затем определяют координаты узловых точек. На рисунке в качестве примера показана модель с пятью узловыми точками 1' - 5' и семью стержнями (элементами) 1 – 7.
После этого выполняют расчет на ЭВМ по специально разработанной программе, задавая внешние нагрузки и определяя напряжения в каждом элементе. Обычно структурная модель кузова рассматривается без учета различных мелких элементов (отверстий, гофр, сварки и др.), которые могут оказать заметное влияние на напряженное состояние кузова.
Поэтому основным методом оценки прочности кузова являются стендовые или дорожные испытания кузова на изгиб и кручение.
Прочность кузова оценивают по пределу текучести материала .
При одностороннем растяжении или сжатии допускаемые напряжения определяют по формуле:
, (9.13)
где – коэффициент безопасности, учитывающий местные концентраторы напряжений, технологические отступления, нестабильность механических свойств и др.
Для получения необходимой прочности кузова при изгибе должны выполняться следующие условия:
, (9.14)
или
. (9.15)
При кручении должно выполняться условие:
. (9.16)
При сложном напряженном состоянии:
. (9.17)
МОСТЫ
Дата добавления: 2022-05-27; просмотров: 337;