Evaluation of strength of undercarriage of light commercial vehicles with design changes

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 (2L  X1 K  X 2) , (1) Мпод  2    А (2K  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. Alekseev

Dr.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

Supplementary files