Design and technological features of three-dimensional systems of frame-panel construction of tractors and cars


Cite item

Full Text

Abstract

Main features of tractor and vehicle cabs production based on three-dimensional systems of frame-panel construction in the form of supporting frame with composite or polymeric hinged panels are analyzed. The examples of constructed prototypes of tractors and vehicles (part of them is brought to serial production) are given.

Full Text

УДК 629.331 ТСМ № 11-2014 Конструкционные и технологические особенности пространственных систем каркасно-панельной схемы тракторов и автомобилей Канд. техн. наук Д.А. Загарин (НАМИ), д-р техн. наук Т.Д. Дзоценидзе, канд. техн. наук М.А. Козловская (РГАУ - МСХА им. К.А. Тимирязева, dtengiz@yandex.ru) Аннотация. Проанализированы основные особенности производства кабин автомобилей и верхней надстройки тракторов с помощью пространственных систем каркасно-панельной конструкции в виде несущих стальных каркасов с навесными панелями из полимерных или композиционных материалов. Приведены примеры построенных опытных образцов тракторов и автомобилей, часть из которых доведена до серийного производства. Ключевые слова: кабина, верхняя надстройка трактора, каркасно-панельная конструкция, полимерные материалы, композиционные материалы, модульный принцип проектирования. Каркасно-панельные кабины для грузовых автомобилей и тракторов в нашей стране применялись до середины 1960-х гг. Тогда это был металлодеревянный каркас, обшитый металлическими листами. С появлением технологии штамповки деталей кузовов и кабин и внедрением точечной сварки для их соединения цельнометаллические сварные конструкции стали вытеснять каркасно-панельные в массовом производстве. И все же такая технология еще долго будет использоваться для изготовления кузовов автобусов и надстроек шасси грузовых автомобилей, но уже в виде несущих пространственных систем из стальных или алюминиевых труб и навесных панелей из полимерных или композиционных материалов. В связи с наметившейся тенденцией широкого внедрения в конструкции кузовов и кабин полимерных и композиционных материалов проблема разработки и производства пространственных систем каркасно-панельной схемы вновь стала актуальной, теперь уже на новом этапе развития технологического уклада. В истории промышленного производства автомобилей и тракторов встречались образцы техники, кузов или кабина которых были изготовлены из композиционных и полимерных материалов, закрепленных на несущем металлическом каркасе. Например, легковой автомобиль Trabant (Германия), пионер в своем классе, или спортивный автомобиль в дорогом исполнении Chevrolet Corvette (США). С навесными панелями из полимерных материалов выпускались Сitroёn DS19, Renault Espace и др. Сегодня появилось множество разработок концептуальных автомобилей и современных тракторов, имеющих каркасно-панельные кузова и кабины с панелями внешней формы и интерьера из полимерных или композиционных материалов (рис. 1). При массовом производстве (более 200 тыс. шт. в год) легковые автомобили с несущим цельнометаллическим кузовом остаются вне конкуренции, так как технологический процесс характеризуется высокой степенью точности при штамповке, автоматизацией и роботизацией, высокой производительностью и в конечном счете - рентабельностью. Если же задача состоит в организации производства относительно небольших или средних объемов (до 100 тыс. шт. в год), то частая модернизация кузова (кабины) или значительное обновление дизайнерских решений проблематичны из-за относительно высокой стоимости штамповочной оснастки. Для решения задачи модернизации или обновления техники в данном случае более рентабельно применение пространственных систем каркасно-панельной схемы в виде несущих стальных каркасов с навесными панелями из полимерных или композиционных материалов. Отметим, что полимерные материалы используют в тех случаях, когда прочностные качества конструкций обеспечиваются в основном за счет несущих каркасов. Композиционные материалы используются тогда, когда при расчете напряжений и деформаций упомянутые панели из неметаллических материалов включены в каркасно-панельную схему в виде конструкционных жесткостных элементов, а кузов (кабина) выполнен по кокпит-интегральной конструкции. Стоимость оснастки для производства полимерных панелей кузова и его каркаса значительно ниже, чем штамповочной оснастки. Поэтому можно производить более частые модернизации кузова, менять его дизайн и даже изготавливать эксклюзивные модели по требованиям заказчиков. В нашей стране работы по созданию и внедрению в производство каркасно-панельных конструкций элементов летательных аппаратов, специальных мобильных машин, автомобилей и тракторов велись и ведутся специалистами ВИАМ, МГТУ им. Н.Э. Баумана, НАМИ, ООО «НИИКА» и других организаций. Например, в середине 1980-х гг. специалистами НАМИ были созданы опытные и демонстрационные образцы легковых и грузовых автомобилей (рис. 2) [1]. Опыт по разработке и созданию каркасно-панельных, блочно-модульных кузовов использован в дальнейшем при создании современных конструкций кузовов и кабин тракторов и автомобилей. Например, в начале 2000-х гг. НАМИ по заказу и при сотрудничестве с ОАО «АСМ-холдинг» выполнены работы по созданию семейства автомобилей особо малого класса АСМ-1128 «Мишка» (см. рис. 2, г), в конструкции которых применены каркасно-панельные, блочно-модульные, трансформируемые (в т.ч. и в процессе эксплуатации) кузова с широким использованием полимерных материалов. Построены включенные в семейство этих автомобилей образцы с гибридной силовой установкой, развозные пикапы, модификации для сельских поселений и т.д. Пространственные системы в виде несущих стальных каркасов выполняются из профильных труб различного сечения, в основном квадратного, четырехугольного и овального с фланцами или без. Такой подход расширяет возможности разработчиков при создании новых конструкций и организации производственных процессов. Это особенно актуально, поскольку сегодняшнее состояние производства тракторов и специализированной автомобильной техники не предполагает большого объема капиталовложений. Для отечественных производителей разработка и создание новых современных кабин грузовых автомобилей или верхней надстройки тракторов - нерешенная, а зачастую и неразрешимая задача. Причины кроются в отсутствии свободных финансовых ресурсов, существенных рисках, связанных с окупаемостью инвестиций, из-за ограниченного спроса на продукцию, а также в утрате за последние годы компетентности, необходимой для проведения комплексных НИОКР. Понимая сложность ситуации на рынке готовой техники и пытаясь хотя бы частично решить проблему, отечественные производители ищут поставщиков кабин первой комплектации за рубежом. Однако кабина трактора или грузового автомобиля - один из основных факторов, определяющих внешний облик машины, поэтому она рассматривается как важная составляющая конкурентоспособности. Конструкционные материалы, подобранные на этапе разработки кабин, часто имеют решающее значение. Кабина определяет уровень комфортабельности, а эргономические показатели напрямую влияют на производительность и эффективность труда водителей. В связи с этим современные разработки зарубежных производителей по лицензионным соглашениям практически не продаются, в лучшем случае можно получить снятые с производства и устаревшие модели [2]. При непосредственном участии авторов с 2004 г. созданы несколько конструкций с применением профильных труб и построены опытные образцы тракторов и автомобилей, некоторые из них доведены до серийного производства. Особо хотелось бы отметить кабины каркасно-панельной конструкции малогабаритных транспортных средств с широкими функциональными возможностями, которые в настоящее время выпускаются ОАО «Автоспецоборудование» под торговой маркой Silant (рис. 3) [3, 4; пат. РФ № 62371, 62356, 62369, 63310, 66732 на полезную модель; 66412 на промышленный образец; 2325286, 2326771, 2326772, 2326784, 2357889 на изобретение]. В процессе их создания и доводки проведены комплексные исследования, в т.ч. отработка конструкций несущих силовых каркасов, навесных панелей внешней формы и интерьера, деталей крепежа и т.п. Расчетные исследования показали [6] (рис. 4), что несущие системы обладают достаточным запасом прочности и удовлетворяют требованиям безопасности. Испытания автополигона НАМИ подтвердили, что доводочные работы после первой серии испытаний позволили оптимизировать конструкцию и упростить технологию изготовления. Созданный в рамках производственной площадки участок сварки несущих каркасов был оснащен сварочными кондукторами, позволяющими силами нескольких работников обеспечить всю потребность сборочного участка. Объем инвестиций в этом случае был существенно ниже по сравнению с другими технологическими способами реализации поставленных задач. В 2006 г. создан опытный образец школьного автобуса (рис. 5) [6]. На шасси серийного грузового автомобиля установлен разработанный и изготовленный несущий силовой каркас, отвечающий требованиям безопасности. Расчетные исследования показали, что прочностные характеристики несущей системы достаточны и стальной каркас при простой и технологичной конструкции может быть изготовлен в одном сварочном кондукторе. Помимо автомобилей большое внимание уделялось созданию новых кабин и верхней надстройки гусеничных и колесных тракторов. Например, в эти же годы разработаны новые верхние надстройки гусеничных тракторов ВгТЗ и колесных ХТЗ (рис. 6) [7-10]. Несущие каркасы кабин гусеничных тракторов ВТ-155Д и ВТ-200 выполнены из стальных труб квадратного и прямоугольного сечения и имеют относительно простую конструкцию, которую можно изготовить в условиях действующего производства. На выставке «Золотая осень - 2005» трактор ВТ-200 отмечен дипломом и золотой медалью. Перспективный художественный облик колесных тракторов ХТЗ разработан в 2008-2009 гг. Центральным формообразующим элементом выступает кабина, разработанная согласно современным требованиям эргономики и дизайна с использованием того же принципа создания пространственной системы каркасно-панельной схемы. В данном случае профильные стальные трубы квадратного сечения, изогнутые по одному радиусу, соединены сверху и снизу стальными кронштейнами и сварными элементами, создавая законченный образ «прозрачной» кабины с минимальным количеством каркасных элементов. Двери кабины также выполнены из труб и остеклены, что подчеркивает особенность формообразования и тектонику именно этого типа тракторов. Разработка велась с учетом того, что одна и та же кабина может быть использована как для колесных, так и для гусеничных модификаций тракторов ХТЗ. В заключение отметим, что с учетом конструкционных и технологических особенностей пространственных систем каркасно-панельной схемы кабин (кузовов) тракторов и автомобилей можно обеспечить совершенствование процесса создания новых образцов в кратчайшие сроки. При этом проведение всесторонних испытаний как отдельно на стендах, так и в составе полнокомплектных машин можно вести параллельно, а освоение производства новых изделий осуществляется без чрезмерных капиталовложений, с относительно низкой себестоимостью большего числа модификаций.
×

About the authors

D. A Zagarin

Central Scientific Research Automobile and Automotive Engine Institute (NAMI)

T. D Dzotsenidze

Russian State Agrarian University - Moscow K.A. Timiryazev Agricultural Academy

Email: dtengiz@yandex.ru

M. A Kozlovskaya

Russian State Agrarian University - Moscow K.A. Timiryazev Agricultural Academy

References

  1. Ипатов А.А. и др. История НАМИ. 1918-2003: В 2 кн. Кн. 2. - М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2006.
  2. Ильин В.М. и др. Анализ опыта создания пространственных систем каркасно-панельной схемы тракторов и автомобилей // Международный научный журнал. - 2011, №3.
  3. Ипатов А.А., Дзоценидзе Т.Д. Создание новых средств развития транспортной инфраструктуры. Проблемы и решения. - М.: Металлургиздат, 2008.
  4. Дзоценидзе Т.Д. и др. Автомобильный транспорт для малых форм хозяйствования. Конструкция и особенности эксплуатации: Монография. - М.: Металлургиздат, 2011.
  5. Дзоценидзе Т.Д. и др. Расчет несущих элементов каркасно-панельной конструкции кабин автомобилей и тракторов в программной среде ANSYS: Учеб. пособие. - М.: Металлургиздат, 2012.
  6. Дзоценидзе Т.Д. и др. Верхняя надстройка каркасно-панельной конструкции для гусеничных тракторов // Тракторы и сельхозмашины. - 2011, №10.
  7. Дзоценидзе Т.Д. и др. Результаты испытаний гусеничного трактора ВТ-155Д с новой верхней надстройкой // Тракторы и сельхозмашины. - 2011, №12.
  8. Дзоценидзе Т.Д. и др. О концепции создания пространственных систем каркасно-панельной конструкции семейства тракторов ХТЗ // Тракторы и сельхозмашины. - 2012, №1.
  9. Загарин Д.А. и др. Особенности каркасно-панельных кузовов и кабин тракторов и автомобилей // Технология колесных и гусеничных машин - Technology of Wheeled and Tracked Machines. - 2014, №1.

Copyright (c) 2014 Zagarin D.A., Dzotsenidze T.D., Kozlovskaya M.A.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies