МЕТОДИКА СИНТЕЗА ГЕОМЕТРИИ ПРОДОЛЬНОГО ПРОФИЛЯ И КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ЛИСТОВОЙ РЕССОРЫ С ПРИМЕНЕНИЕМ МЕТОДА КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Полный текст

ВВЕДЕНИЕ

В современных методах проектирования широко распространяется использование метода конечных элементов [1-5]. Наибольшее применение этот метод находит в проведения прочностных расчетов, с помощью которых проводится проверка работоспособности и безопасности конструктивных решений, применяемых в транспортных средствах [6-10]. Также МКЭ применяется для уточнения динамических моделей транспортных средств путем внедрения в систему динамики твердых тел податливых элементов [11-15] и проведения оптимизации конструкции для повышения прочностных характеристик [16-17].

Листовые рессоры являются важнейшей частью систем подрессоривания транспортных средств (ТС), которые эксплуатируются в любых климатических условиях [18]. Для исследования влияния свойств рессорных подвесок на показатели вибронагруженности и комфорта применяется динамические модели, в которых важно точное описание модели рессоры для получения достоверных результатов [19]. Известно много работ, в которых МКЭ применяется для расчета листовых рессор на прочность. С помощью проводимых расчетов появляется возможность точно определить максимальные прогибы, возникающие в листах рессоры, распределение напряжений и спрогнозировать срок службы (ресурс) рессоры [20-21].

Целью работы является создание инновационной методики синтеза геометрии продольного профиля рессоры при помощи методов топологической оптимизации и дальнейшего получения ее напряженно-деформируемого состояния для определения зависимости характеристик рессоры от ее геометрических параметров.

Методы

Формирование продольного профиля рессоры

Использование топологической оптимизации в данной работе позволяет получить наиболее оптимальное распределение материала в направлении листа рессоры при условии обеспечения равной прочности по всей длине рессоры.

При синтезе геометрии продольного профиля рессоры выдвигаются следующие требования:

– достижение наибольшей мягкости рессоры для улучшения показателей вибронагруженности и комфорта водителя;

– способность рессоры выдерживать динамическую нагрузку (силу, действующую на рессору во время движения);

– сила необходимая для удара в отбойник должна быть меньше статической нагрузки на рессору;

– места крепления рессоры соответствуют реальным расположениям креплений в конструкции автомобиля;

– при воздействии динамических нагрузок не превышается предел текучести материала рессоры;

– напряжения возникающие в листе рессоры распределены равномерно по всей длине листа.

Для получения геометрии продольного профиля рессоры необходимо провести ряд топологических оптимизаций упрощенной модели-заготовки для дальнейшего синтеза приблизительной формы листовой рессоры. В качестве исходной модели принят прямоугольник с точками крепления, расположенными в местах, аналогичных местам крепления рессоры в конструкции системы подрессоривания натурного грузового транспортного средства. Ширина прямоугольника выбрана аналогично ширине рессор, устанавливаемых на грузовые транспортные средства с нагрузкой на ось 9 – 10 тонн, а высота прямоугольника задавалась произвольно. Исходная модель для оптимизации формы рессоры представлена на рис. 1.

Топологическая оптимизация данной модели проведена в программном комплексе NX в приложении для конечно-элементных расчетов Simcenter 3D. В первой итерации топологической оптимизации (рис. 2 а) видны места, где необходимо оставлять материал в модели для обеспечения меньшей массы и сохранения жесткости. Большая часть материала, которую рекомендуется оставить, находится в нижней части модели. Материал, который находится сверху, возникает вследствие того, что происходит изгиб и возникают напряжения при растяжении в верхней части исходной модели. Следовательно, положение верхней части модели можно изменить и сместить вниз. В нижней части следует убрать материал по краям и уменьшить расстояние до нижней грани от точек закрепления, чтобы напряжения распределялись более равномерно по нижней области. Далее итерационно изменялась геометрия изначальной модели в соответствии с получаемыми результатами, как показано на рис. 2.

Чтобы определить влияние количества листов рессоры на рассчитываемые параметры ее жесткости и прочности, на основе полученной топологической оптимизацией формы продольного профиля рессоры были построены упрощенные модели двухлистовой и трехлистовой рессор. На рис. 3 показаны полученные формы профилей однолистовой рессоры и упрощенные 3D-модели двухлистовой и трехлистовой рессор.

Расчет параметров и характеристик рессор

Конечно-элементные модели рессор, показанные на рис. 4, сформированы из конечных элементов типа HEXA(8). В местах крепления рессор созданы точки, которые соединены с опорной площадкой рессоры RBE2 элементами (показаны синим цветом).

В проушинах рессор заданы ограничения, приложенные к узлам в серединах отверстий. Левое ограничение допускает только вращение вокруг оси Z, а правое ограничение – перемещение вдоль оси X и вращение вокруг оси Z. Между листами двухлистовой и трехлистовой рессоры задано контактное взаимодействие. Трение пренебрежимо мало, так как расчет проводится на упрощенной модели, используемой только для получения зависимостей жесткости и прочности от геометрических параметров рессоры. В современных конструкциях применяется ряд конструктивных решений, приводящих к снижению межлистового трения. В расчетах в качестве нагружения задается прогиб рессоры, для всех случаев одинаковый и соответствующий максимальному ходу (до полного сжатия отбойника) в составе передней подвески автомобиля.

Для представленных моделей проведены расчеты МКЭ для определения влияния геометрических параметров рессор на их характеристики жесткости и прочности. Для построения зависимостей в моделях варьировались и задавались значения высоты и ширины поперечного сечения в центральной части рессоры (пакета рессор). Результаты расчетов представлены на рис. 5.

Для рассчитанных типов рессор построена зависимость жесткости от количества листов рессоры, показанная на рис. 6.

Для определения зависимостей характеристик рессор от их геометрических параметров проведены аналогичные расчеты, в которых варьировались значения высоты H и ширины B рессор.

В результате расчетов определялись необходимая сила F для создания прогиба X, соответствующего полному ходу рессоры подвески, жесткость рессоры и напряжения, возникающие в рессоре. Полученные зависимости показаны на рис. 7-10.

Зависимости напряжений, возникающих в рессоре, от ширины рессоры в поперечном сечении ее центральной части не строилась, так как влияние ширины на напряжения достаточно мало.

На рис. 11 представлена методика синтеза геометрии продольного профиля рессоры в виде блок-схемы. Благодаря полученным зависимостям, пользуясь составленным алгоритмом синтеза формы рессоры, мы можем выбрать наиболее подходящую для транспортного средства конфигурацию, исходя из предъявляемых требований: по массе транспортного средства, на котором будет использоваться рессора; требуемого срока службы; предъявляемого коэффициента динамичности в зависимости от условий эксплуатации.

По проведенным расчетам можно выделить 3 конфигурации рессоры, которые обладают наиболее выгодными характеристиками для применения на грузовых транспортных средствах с нагрузкой на ось 9 – 10 тонн:

– однолистовая рессора высотой 43 мм, шириной 90 мм;

– двухлистовая рессора высотой 60 мм, шириной 90 мм;

– трехлистовая рессора высотой 70 мм, шириной 90 мм.

При использовании однолистовой рессоры удается избежать возникновения межлистового трения, однако уменьшается коэффициент динамичности и возрастают напряжения по Мизесу. Для однолистовой рессоры достигнуто снижение жесткости на 33% по сравнению с прототипом. При применении двухлистовой и трехлистовой рессор присутствует межлистовое трение в листах рессоры, но за счет описанных геометрических параметров рессоры удается уменьшить жесткость рессоры.

Результаты

В результате проведенных расчетов получены следующие результаты:

1. Зависимости сил полного сжатия, жесткостей и напряжений рессоры от ее геометрических параметров.
2. Характеристики жесткости рессоры в зависимости от количества листов.
3. Предложен новый метод синтеза геометрии продольного профиля и подбора требуемых характеристик рессор подвесок, применяемых на транспортных средствах.

Заключение

С увеличением требований, выдвигаемых к системам подрессоривания транспортных средств необходимо внедрение новых методов проектирования. В работе представлен новый подход к синтезу рессор, которые являются важнейшей частью системы подрессоривания. Разработанный подход к проектированию позволяет подобрать оптимальную геометрию продольного профиля рессоры и рассчитать характеристики рессоры, а также использовать их для создания динамических моделей систем подрессоривания, применяемых в транспортных средствах для дальнейших расчетов динамики транспортных средств.

Об авторах

Павел Сергеевич Рубанов

Инновационный центр «КАМАЗ»

Автор, ответственный за переписку.
Email: rubanov_ps@bk.ru
ORCID iD: 0009-0000-2055-2046

Инженер-конструктор, Служба инженерных расчетов и моделирования

Россия, 121205, Москва, Инновационный центр Сколково, ул. Большой бул., 62.

Роман Олегович Максимов

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Московский политехнический университет»;
Инновационный центр «КАМАЗ».

Email: romychmaximov@gmail.com
ORCID iD: 0009-0003-4947-790X
SPIN-код: 7384-6758

Аспирант кафедры, «Наземные транспортные средства»;

инженер-конструктор, Служба инженерных расчетов и моделирования

Россия, 107023, Москва, ул. Большая Семёновская, д. 38; 121205, Москва, Инновационный центр Сколково, ул. Большой бул., 62.

Михаил Викторович Четвериков

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Московский политехнический университет»;
Инновационный центр «КАМАЗ».

Email: mihchet@gmail.com
ORCID iD: 0000-0003-3723-1171
SPIN-код: 7949-0814

Аспирант кафедры, «Наземные транспортные средства»;

инженер-конструктор, Служба инженерных расчетов и моделирования

Россия, 107023, Москва, ул. Большая Семёновская, д. 38; 121205, Москва, Инновационный центр Сколково, ул. Большой бул., 62.

Список литературы

Дополнительные файлы