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

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

Supplementary files