Конструкция, материалы и расчет рам грузовых автомобилей

Конструкция грузовых автомобилей в подавляющем большинстве случаев базируется на раме лестничного типа. Эта классическая схема, представленная на рисунке 235, включает два параллельных лонжерона открытого корытообразного профиля, соединенных поперечинами. Полки профиля обращены внутрь, что повышает жесткость конструкции. Геометрия лонжерона рациональна: наибольшая высота и ширина полок находятся в средней части, где изгибающие моменты максимальны, а к концам рамы сечения уменьшаются в соответствии с эпюрой изгибающих моментов.

Рис. 235. Лестничная рама грузового автомобиля

Для унификации и упрощения производства ширину рамы стремятся сохранять постоянной по всей длине. Стандартизированное значение составляет 865 ±18 мм (см. рис. 7), что обеспечивает взаимозаменяемость мостов, поперечин и кабин. Такое решение также минимизирует возникновение паразитных крутящих моментов в лонжеронах и упрощает процесс штамповки. Однако в отдельных случаях, для соблюдения габаритной ширины транспортного средства, передняя или задняя часть рамы может быть уже.

В конструкциях автомобилей особо большой грузоподъемности в качестве лонжеронов часто применяют прокатные швеллеры. Это обусловлено технологическими и экономическими соображениями, несмотря на увеличенную массу по сравнению со штампованными аналогами. Механические качества катаного профиля, как правило, выше, что компенсирует прирост веса. Поперечины, соединяющие лонжероны, располагаются в соответствии с компоновкой агрегатов шасси, кабины и платформы.

Для обеспечения необходимой жесткости против диагональных деформаций в горизонтальной плоскости места соединения поперечин с лонжеронами усиливаются косынками или раскосами. Преобладают податливые на кручение поперечины открытого профиля, изготовленные штамповкой. В случаях, когда требуется повысить крутильную жесткость рамы, применяют поперечины закрытого профиля, например, из круглых труб. Сечение поперечин оптимизируется как под воспринимаемые нагрузки, так и под удобство крепления навесных агрегатов.

Соединение элементов в рамах грузовых автомобилей традиционно выполняется с помощью заклепок, примеры которых показаны на рисунке 236. Заклепочные соединения обладают достаточной податливостью, что способствует выравниванию напряжений в конструкции. Это критически важно для податливых несущих систем, работающих в условиях сложного нагружения, и повышает усталостную долговечность рамы.

Рис. 236. Примеры соединений заклепками поперечин различного сечения с лонжеронами: 1 — поперечина; 2 — лонжерон

К материалам для изготовления рам предъявляются высокие требования. Они должны сочетать достаточные пределы текучести и выносливости, низкую чувствительность к концентраторам напряжений, хорошую штампуемость и свариваемость. Этим критериям соответствуют мало- и среднеуглеродистые низколегированные стали. Для рам грузовых автомобилей применяют стали марок 25, 30Т, 15ГЮТ, часто с термообработкой, что позволяет использовать более высокие допускаемые напряжения и снизить массу.

Например, нормализация стали 30Т повышает временное сопротивление разрыву с 450 МПа до 480–620 МПа. Толщина листового материала для лонжеронов выбирается в диапазоне 5–9 мм в зависимости от грузоподъемности автомобиля. Это обеспечивает необходимый запас прочности при сохранении относительной легкости конструкции. Правильный выбор материала напрямую влияет на долговечность и надежность всей транспортной системы.

Задачи расчета рам кардинально различаются для жестких и податливых несущих систем. Для грузовых автомобилей с податливой на кручение рамой расчет включает два ключевых аспекта. Первый — определение напряжений в элементах рамы при движении с полной нагрузкой по дороге с мелкими неровностями на высокой скорости, что требует учета динамических воздействий (симметричное нагружение).

Второй аспект — вычисление напряжений при низкоскоростном движении с полной нагрузкой, когда одно колесо менее нагруженного моста преодолевает неровность высотой 30 см (кососимметричное нагружение). Такая нагрузочная схема моделирует экстремальные условия работы рамы. Для комплексной оценки необходимо анализировать не только общую податливость, но и локальные деформации в характерных сечениях.

Для проведения расчетов раму моделируют как плоскую систему, где лонжероны и поперечины заменяются стержнями, а соединения между ними считаются жесткими. Моменты инерции стержней осредняют на участках между узлами. Расчет на симметричное нагружение (изгиб) для лестничной рамы сводится к определению прогибов и напряжений в лонжеронах, рассматриваемых как элементарные балки.

Расчет на кососимметричное нагружение (кручение) является более сложным, так как рама представляет собой статически неопределимую систему. Если допустить, что деформации изгиба малы по сравнению с деформациями кручения, можно использовать приближенные методы расчета. Это позволяет определить силовые факторы и углы закручивания без чрезмерно громоздких вычислений. Схема такой деформации под действием сил в плоскостях осей колес показана на рисунке 237.

Рис. 237. Схема деформации рамы под действием сил, приложенных в плоскостях осей передних и задних колес при кососимметричном нагружении: I—V — поперечины, 1—4 — участки лонжеронов

Результаты расчетов целесообразно представлять в виде эпюр прогибов, углов закручивания и напряжений по длине рамы. Такой визуальный анализ помогает выявить опасные зоны резкого изменения напряжений и деформаций, например, в местах присоединения поперечин или изменения сечения лонжерона. Это является основой для последующей оптимизации конструкции и обеспечения ее максимальной надежности в течение всего срока службы автомобиля.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: П. П. Лукин; Г. А. Гаспарян; В. Ф. Родионов; К. Ю. Чириков.

Источник: Конструирование и расчет автомобиля. Необычные двигатели.

Данные публикации будут полезны студентам автомобилестроительных и транспортных специальностей, начинающим инженерам-конструкторам и технологам автопрома, а также всем, кто интересуется глубоким пониманием процессов проектирования и компоновки современных автомобилей.