Evaluation of strength of undercarriage of light commercial vehicles with design changes
- Authors: Shurygin V.Y1, Tumasov A.V.1, Orlov L.N.1, Sharov D.V.1
-
Affiliations:
- Nizhny Novgorod State Technical University n.a. R.E. Alekseev
- Issue: Vol 10, No 1 (2016)
- Pages: 66-70
- Section: Articles
- URL: https://journals.eco-vector.com/2074-0530/article/view/66955
- DOI: https://doi.org/10.17816/2074-0530-66955
- ID: 66955
Cite item
Full Text
Abstract
The results of the design study of undercarriage of light commercial vehicle are provided in the paper. GAZ 3302 was selected as object of research. Calculations are made using the finite element method and modern software package MSC PATRAN / NASTRAN of license package University MD FEA Bundle. The models of undercarriage with differ- ent types of settings are developed: euro truck, on-board platform, vehicle carrier. The possibility of extension of the frame of the automobile is considered. The developed model includes: frame, cabin, leaf springs, body superstructure. Models loading mode corresponds to the front right wheel display at full weight of the automobile. Picture of strain distribution and maximum equivalent stress by Mises criterion are gained. The calculation of bending stiffness is made. The obtained results of calculations allow to perform a comparative analysis of the original and extended structures with different body superstructures and to evaluate the degree of change in the stiffness and strength of the system. The re- sults of the research say that extension of the automobile frame within 1100 mm is an increase in stress in the average of 10% and a decrease in rigidity by 15%. The values of the maximum stresses remain within acceptable limits. There- fore proposed design of frame has sufficient strength and rigidity in terms of possible operational loads.
Keywords
Full Text
В статье представлены результаты расчетных исследований прочности рамы легкого коммерческого автомобиля с разными вариантами надстроек. Численные исследования вы- полнено с использованием программного комплекса MSC PATRAN/NASTRAN лицензион- ного пакета University MD FEA Bundle. Изучение прочности и деформируемости несущих систем легких коммерческих автомобилей при действии эксплуатационных нагрузок являет- ся одной из важных задач при внесении изменений в базовые конструкции моделей автомо- билей. В настоящее время при изучении данного вопроса чаще всего применяются программы конечно-элементного анализа [1-4]. Важным является определение напряженно- деформированного состояния модифицированной конструкции и оценка соответствия вно- симых изменений требованиям нормативных документов и условиям соблюдения прочности и жесткости. Целью настоящего исследования является проведение экспертной расчетной оценки прочности и жесткости измененной (удлиненной) конструкции рамы легкого коммерческого автомобиля ГАЗ 3302 с разными вариантами надстроек. В ходе исследования разработаны расчетные модели рамы, кабины, бортовой платформы, еврофургона и платформы эвакуато- ра. Выполнен сравнительный анализ прочности и жесткости удлиненных конструкций в сравнении с базовой. Исследования выполнены при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках проекта по договору № 02.G25.31.0006 от 12.02.2013 г. (постановление Правительства Российской Федерации от 9 апреля 2010 года №218). Ранее на кафедре «Автомобили и тракторы» были проведены расчетно- экспериментальные исследования напряженно-деформированного состояния рамы базового автомобиля. Результаты этих исследований приведены в работах [5, 6, 7]. Относительно ма- лое расхождение результатов расчетов и экспериментов дает возможность сделать вывод о корректном представлении процесса нагружения рамы при компьютерном моделировании. Следовательно, предложенный в указанных работах подход может быть использован для со- здания моделей рам транспортных средств. Данная работа является продолжением этих ис- следований. В ней проведено расчетное исследование возможности удлинения легкого коммерческого автомобиля ГАЗ 3302, а также возможность установки на удлиненный автомобиль различных надстроек. На рис. 1а показана разработанная модель базового авто- мобиля ГАЗель совместно с кабиной, грузовой платформой, рессорами и балками мостов. На рис. 1б представлена схема автомобиля с удлиненной рамой рамы. а) б) Рис.1. Несущая система автомобиля: а - конечно-элементная модель базового автомобиля; б - схема ее удлинения На первом этапе экспертной оценки возможности удлинения автомобиля необходимо провести расчет изменения масс транспортного средства [8]. При внесении изменений в конструкцию автомобиля обязательным условием является не превышение нагрузок на оси автомобиля, указанных в Одобрении типа транспортного средства (ОТТС). Млонж 2 А (2L X1 K X 2) , (1) Мпод 2 А (2K L) , (2) X e K Lбаза (K K) , (3) a ( Xa (Ma Mполн ) (e 0.5Lкузов ) Mгр ) / M , (4)/ / M / M b/ / L/ ,1 (5) Mгр M Ма Мнад Млонж , (6)/ В первом приближении расчет изменения масс можно сделать по формулам: где М - полная масса автомобиля, кг; М1 - масса автомобиля, приходящаяся на переднюю ось, кг; М2 - масса автомобиля, приходящаяся на заднюю ось, кг; L - исходная колесная база, мм; Мгр - допустимая масса надстройки с грузом базового шасси, т; е - расстояние от передней оси до начала грузовой платформы, мм; к - расстояние от задней оси до заднего края рамы базового автомобиля, мм; Ма - масса снаряженного автомобиля, кг; М1сн - масса снаряженного автомобиля, приходящаяся на переднюю ось, кг; М2сн - масса снаряженного автомобиля, приходящаяся на заднюю ось, кг; а - расстояние между передней осью и центром масс базового автомобиля, мм; b - расстояние между задней осью и центром масс базового шасси, мм; xa' - расстояние между передней осью и центром масс базового автомобиля при снаряженной массе, мм; xb' - расстояние между задней осью и центром масс базового автомобиля при снаряженной массе, мм; ∆Mлонж - прирост массы лонжерона, кг; ∆Mпод - прирост массы подрамника, кг; X - свес грузовой платформы по отношению к краю рамы, мм; a/ - растояние от передней оси до центра масс после удлинения, мм; M1/ - масса на передней оси после удлинения, кг; А - площадь поперечного сечения, мм; ρ - плотность M гр стали, кг/мм3; / - грузоподъемность измененного автомобиля; Мнад - масса устанавливаемой надстройки. Для примера проведем расчет развесовки автомобиля ГАЗ 3302, удлиненного на 1100 мм, с надстройкой в виде платформы эвакуатора. Разрешенная максимальная масса автомобиля составляет 3500 кг. Масса шасси базового автомобиля ГАЗ 3302 составляет 1750 кг. Масса эвакуаторной платформы с оборудованием составляет около 850 кг. Масса удлинителей рамы составляет около 50 кг. Возможная грузоподъемность определяется из выражения 6 и составляет 850 кг. В соответствии с Одобрением типа транспортного средства (для примера, использова- ны данные документа № E-RU.MT02.B.00231.P6 со сроком действия 04.07.2014 - 31.12.2015) максимальная осевая масса (технически допустимая) на передней оси ГАЗ 3302 может со- ставлять 1400 кг; на задней - 2500 кг. Развесовка переоборудованного автомобиля при рав- номерном распределении массы перевозимого груза составляет 1400 / 2100кг (40% / 60%). Таким образом, при данном удлинении происходит превышение допустимых осевых нагру- зок. На втором этапе следует рассмотреть напряженно-деформированное состояние несущей системы автомобиля. В ходе исследования было разработано несколько расчетных моделей и их удлиненных модификаций: модель с базовой рамой, кабиной, рессорами, бортовой платфорой; модель с удлиненной рамой, кабиной рессорами, еврофургоном; модель с удлиненной рамой, кабиной, рессорами, эвакуаторной платформой. модель с удлиненной рамой, кабиной, рессорами, бортовой платфорой. Для каждой модели выбрана одна и таже схема нагружения и закрепления. Рама автомобиля удлиняется в пределах колесной базы на 1100 мм. В качестве режима нагружения выбраны: вывешивание переднего правого колеса и режим изгиба при полной нагрузке. В результате расчета моделей были получены картины распределения перемещений и максимальных эквивалентных напряжений по критерию Мизеса. На рис. 2 показаны наибо- лее нагруженные зоны в модели рамы ГАЗ 3302, для удобства отображения отключены ка- бина и грузовая платформа. На рис. 3 (для примера) показаны деформации несущей системы базовой модели авто- мобиля с каркасом фургона в режиме вывешивания правого переднего колеса. Для сравнения напряжений базовой и удлиненной рамы в режиме вывешивания колеса, а также оценки влияния типа надстройки составлена табл. 1, отражающая прирост напряже- ний по отдельным зонам А-Д, указанным на рис. 2. На рис. 4 (для примера) показаны деформации несущей системы базовой модели авто- мобиля с каркасом фургона в режиме изгиба. Рис. 2. Наиболее нагруженные зоны лонжеронов рамы ГАЗ 3302 Рис. 3. Деформации, мм Для сравнения напряжений базовой и удлиненной рамы в режиме изгиба, а также оцен- ки влияния типа надстройки составлена табл. 2, отражающая прирост напряжений по от- дельным зонам А-Д, указанным на рис. 2. Следующим этапом является расчет изгибной жесткости рамы, приведенной к базе ав- томобиля, по формуле: С F , (7) изг 0, 001 S L где F - сила приложенная к раме (Н); S - максимальные перемещения (мм); L - колесная база автомобиля, м. Результаты расчета занесены в табл. 3. При расчетах рассматривались статические режимы нагружения, не учитывающие воз- можные динамические и пиковые нагрузки. Полученные результаты расчетов позволяют вы- полнить сравнительный анализ исходной и удлиненной конструкций, оценить степень изме- нения жесткости и прочности системы. Выбранные режимы нагружения и полученные ре- зультаты характеризуют поведение конструкций при однократном нагружении, т.е. не могут быть использованы для прогнозирования долговечности конструкций. Прирост напряжений в характерных зонах лонжеронов рамы, % Таблица 1 Из анализа результатов расчетов (табл. 1 и 2) можно заметить, что при использовании разных типов надстроек не происходит существенного изменения прочности и жесткости автомобиля. Но при анализе табл. 3 видно, что изгибная жесткость несущей системы с эваку- аторной платформой несколько выше других случаев (в силу высокой жесткости конструк- ции эвакуаторной платформы) и ближе к базовому автомобилю. По результатам проведенных исследований можно сказать, что при удлинении рамы автомобиля происходит увеличение напряжений в среднем на 10% и уменьшение жесткости конструкции на 15%. При этом значения максимальных напряжений остаются в допустимых пределах. Таким образом, рассматриваемая в статье удлиненная конструкция рамы имеет до- статочную прочность и жесткость с точки зрения восприятия возможных эксплуатационных нагрузок. Рис. 4. Деформации, мм Прирост напряжений в характерных зонах лонжерона, % Таблица 2 Изгибная жесткость Таблица 3×
About the authors
V. Y Shurygin
Nizhny Novgorod State Technical University n.a. R.E. Alekseev+7 905 192-05-76
A. V. Tumasov
Nizhny Novgorod State Technical University n.a. R.E. Alekseev
Email: anton.tumasov@gmail.com
Ph.D.; +7 905 192-05-76
L. N. Orlov
Nizhny Novgorod State Technical University n.a. R.E. AlekseevDr.Eng.; +7 905 192-05-76
D. V. Sharov
Nizhny Novgorod State Technical University n.a. R.E. Alekseev+7 905 192-05-76
References
- Девятов С.В., Компьютерные технологии инженерного анализа в новом тысячелетии // CADmaster. - 2002. - № 5(15). Режим доступа: http://www.cadmaster.ru/magazin/articles/cm_15_msc_software.html (дата обращения 23.07.2015).
- Белокуров В.Н., Медведев И.А. Напряженно-деформированное состояние автомобильных рам и их адекватное моделирование методом конечных элементов // Машиностроение и инженерное образование. - 2006. - № 2. - С. 55-63.
- Mehdi Mahmoodi-k, Iraj Davoodabadi, Vinko Višnjić, Amir Afkar Stress and dynamic analysis of optimized trailer chassis // Tehnički vjesnik 21, 3(2014), 599-608.
- Ahmad O. Moaaz, Nouby M. Ghazaly. A Review of the Fatigue Analysis of Heavy Duty Truck Frames // American Journal of Engineering Research (AJER). - 2014.
- Орлов Л.Н., Тумасов А.В., Герасин А.В. Сравнительная оценка результатов компьютерного моделирования и испытаний рамы легкого коммерческого автомобиля на прочность // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. - 2013. - № 10. - С. 63-68.
- Шурыгин, В.Ю. Исследование напряженно - деформированного состояния рамы грузового автомобиля с использованием программных комплексов MSC.PATRAN И MSC.NASTRAN Режим доступа: http://www.mscsoftware.ru/docs/conf/vuz2014/13_ngtu-shurygin.pdf (дата обращения 22.07.2015).
- Шурыгин В.Ю., Орлов Л.Н. Расчетная оценка прочности измененных (удлиненных) рам грузовых автомобилей // Нижегородская сессия молодых ученых. Технические науки: Материалы докладов (20; 2015) / Отв. За вып. Зверева И.А. - Н. Новгород: Гладкова О.В. - 2015. - С. 79-83.
- Барышников Ю.Н. Расчет нагрузок на несущую систему большегрузного автомобиля-самосвала. Инженерный журнал: наука и инновации, 2014, вып. 1. Режим доступа: URL: http://engjournal.ru/catalog/eng/teormech/1174.html (дата обращения 15.07.2015).
Supplementary files
![](/img/style/loading.gif)