Effective design of protection module for passive safety of cabs

Abstract

The effective design for tractor cab with added strength and rigidness for improvement of operator passive safety in emergency is suggested.

Full Text

УДК 502/504:631.3.004.67-631.145 ТСМ № 9-2014 Эффективная конструкция предохранительного модуля пассивной безопасности кабин Д-р техн. наук М.А. Карапетян (РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева, karapetyan.martik@yandex.ru), канд. техн. наук Н.Б. Орлов (ОАО «Республиканский навигационно-информационный центр», Республика Калмыкия), инж. Д.Г. Кузьмин (Тверской ГТУ) Аннотация. Предложена эффективная конструкция кабины автотракторного устройства с увеличенной прочностью и жесткостью для повышения пассивной безопасности оператора в аварийных ситуациях. Ключевые слова: кузов, кабина, деформация, разрушение, втулка, штифт. Как результат исследования предложена конструкция кабины, в которой рамы опираются на втулки. При ударах по раме в процессе деформации корпуса втулки, которые служат предохранительными устройствами, перемещаются, при этом реализуется разрушение их материала. Часть энергии удара расходуется на разрушение специальных деталей, что снижает энергию, расходуемую на дальнейшую деформацию и разрушение корпуса [1]. На рис. 1 показана схема такой кабины. Вертикальные стойки 1-3, соединенные с крышей 4 и основанием 5, выполнены из нескольких изделий типа швеллера, что иллюстрирует разрез А-А на рис. 2. Здесь использованы три профиля: 6, 7 и 8. В профиль 8 вставлен на резьбе цилиндр 9, а в профиль 7 - цилиндр 11. При ударе по поверхности центральной стойки профиль 6 в процессе изгиба перемещается до соприкосновения со стержнем 11. Дальнейшая деформация связана с передачей усилия на стержень 11 и срезом его днища диаметром (см. рис. 2) с разрушением втулки 10. Далее следует изгиб с перемещением профилей 6 и 7 до контакта со стержнем 9 диаметром . Происходит срез резьбы на диаметре , т.е. часть энергии расходуется на разрушение этой детали. Недостаток данной конструкции заключается в том, что на разрушение предохранительной детали расходуется мало энергии, тогда как масса детали относительно велика. На рис. 3 показана схема с использованием разрушаемого штифта 2, который подвергается срезу при воздействии динамической силы Р на деталь 1. Штифт круглого или квадратного сечения разрушается при движении детали вниз. При этом происходит срез по двум плоскостям, а опорой штифта служит корпус 3. Максимальное усилие среза по двум плоскостям площадью F равно: Р = 2 , (1) где и - пределы прочности соответственно при сдвиге и растяжении-сжатии. Перемещение после начала контакта пуансона со штифтом обозначим как х. При квадратном сечении штифта размером d×d по мере среза усилие убывает: Р(х) = . Работа среза равна: А= . (2) Например, стальной штифт при МН/м2 ; d = 10-2 м; F = 10-4 м2; Р= (58,9 кН) может до разрушения воспринять энергию А=2,95 Дж. Можно усовершенствовать предохранительное устройство так, как показано на рис. 3, б, выполнив верхний нож 1 ступенчатым. Тогда предохранительный штифт 2 разрушается сначала на левом участке (обычно длиной 1,2…1,3d), затем на втором выступе 4 и третьем выступе. Затрачиваемая на разрушение штифта работа при указанных выше характеристиках возрастает в три раза - примерно до 900 Дж. Положение верхнего ножа после перемещения на величину d показано на рис. 4 пунктиром. Материал разрушаемой детали используется в этом случае более рационально, разрушение происходит не путем среза по двум плоскостям, а последовательно по шести плоскостям. Можно увеличить работу, затрачиваемую на разрушение штифта, увеличив размеры его сечения d. Однако при этом возрастет усилие, т.е. снизится основная функция предохранительного устройства - обеспечивать поглощение значительной энергии при относительно небольшом усилии (большие усилия приводят к повреждениям кузова и оператора). На практике разрушение штифта происходит при относительной глубине надреза , равной 0,16-0,35 для углеродистых сталей [2]. Разрушаемые путем среза предохранительные штифты подвергаются также смятию от воздействия контактных деформаций, что незначительно увеличивает работу разрушения. На рис. 4 показано предохранительное устройство с симметричным расположением деталей относительно плоскости, проходящей через середину штифта и перпендикулярной его оси. При воздействии на деталь 1 динамического усилия Р происходит деформация среза вдоль плоскостей А1 и А2 (см. рис. 3). На рис. 4, б показано расположение детали 1 до начала процесса деформации, когда пуансон 3, расположенный в центре, находится в контакте со штифтом 2. На рис. 5 показано положение детали 1 после того, как произошла деформация среза еще двух участков штифта 5 и 6 путем среза вдоль плоскостей В1, В2 и С1, С2. В такой конструкции штифт используется более рационально. Он разрушается путем среза не по двум плоскостям, а последовательно по шести: сначала по двум - А1, А2, а затем еще по четырем - В1, В2 и С1, С2. Конечно, затрачиваемую на разрушение предохранительных элементов работу можно увеличить, увеличивая их размеры, но тогда возрастут и усилия, передаваемые на внутренние рамы корпуса. Применение же предохранительных элементов с фасонными ступенчатыми ножами обеспечивает последовательное разрушение отдельных участков, что позволяет без увеличения усилий значительно увеличить поглощаемую энергию. Можно использовать штифт переменного диаметра, программируя тем самым изменение усилий и энергии разрушения как заданную функцию времени. Выводы Предложена новая конструкция предохранительного модуля, в котором часть энергии удара расходуется на разрушение специальных деталей - штифтов, что снижает энергию, расходуемую на дальнейшую деформацию и разрушение кабины трактора. Рассмотрена задача определения деформации сжатия и изгиба срезных штифтов и втулок.