Effect of design solutions on improvement of passive safety of bus bodies

Full Text

Влияние конструктивных решений на повышение пассивной безопасности кузовов автобусов д.т.н. проф. Орлов Л.Н., Рогов П.С., к.т.н. доц. Тумасов А.В. Нижегородский Государственный Технический Университет им. Р.Е. Алексеева, (831) 436-73-63, anton.tumasov@gmail.com Аннотация. В статье проводится анализ влияния отдельных типов силовых элементов кузова автобуса на эффективность поглощения энергии удара в условиях опрокидывания в соответствии с Правилами ЕЭК ООН №66. Отмечаются способы соединения не несущих элементов с кузовом, которые способствуют по- вышению пассивной безопасности автобуса. Приводятся результаты эксперимен- тального исследования влияния панелей обшивки на энергоемкость кузова вахто- вого автобуса. Ключевые слова: пассивная безопасность, автобус, энергоемкость, экспе- римент, кузов. Пассивная безопасность автобусов во многом обеспечивается конструкцией кузова и особенностями его силовой схемы. В каркасных конструкциях силовая схема включает в се- бя элементы каркаса и обшивки, двери, поручни и их стойки, перегородки салона, каркасы сидений, колёсные арки, надстройку пола и в определённой мере - оконные стёкла. Поэтому при проектировании автобуса важно знать степень влияния перечисленных элементов и спо- собов их крепления на повышение его безопасности [1, 2]. Каркасу кузова принадлежит важная роль в восприятии аварийной нагрузки. Им по- глощается основная часть энергии удара в условиях опрокидывания автобуса с уступа [3, 4], регламентированных Правилами ЕЭК ООН №66. Конкретное значение этой энергии зависит от его силовой схемы, соотношения жесткостей отдельных элементов и способов их соеди- нения. Рациональной с точки зрения безопасности является силовая схема, состоящая из по- перечных силовых сечений кузова, замыкающихся на основании и соединённых между со- бой отдельными промежуточными продольными элементами боковин и крыши, подобная той, которая показана на рисунке 1. Рисунок 1. Рациональная силовая схема каркаса кузова автобуса В этом случае, при наличии сплошных стоек боковин и дуг крыши, в процессе боково- го опрокидывания автобуса наибольшее поглощение энергии удара происходит за счет их деформаций (изменения формы тонкостенных сечений, вызванного изгибом элементов). Без- условно, определённое влияние при этом оказывают и раскосы боковин. Отсутствие сплош- ных стрингеров крыши, надоконного и подоконного поясов боковин существенно повышает несущую способность кузова в условиях опрокидывания автобуса, так как исключается воз- можность смятия их тонкостенных сечений в местах стыковки с элементами поперечных се- чений кузова. Обшивка кузова по-разному влияет на повышение его несущей способности. При боко- вом опрокидывании автобуса наибольшее влияние оказывают металлические обшивки (па- нели) передней и задней частей, а также крыши. Степень их влияния зависит от конкретной конструкции и способов соединения с каркасом. Определённое влияние оказывают кон- струкции арок колёс и задней надстройки пола. Панели боковин автобусов существенного влияния не оказывают. Их влияние больше проявляется в процессе чрезмерного деформиро- вания кузова, когда они упираются в каркасы сидений и арки колёс. При этом происходит изменение характера деформирования кузова, так как нижние зоны пластических деформа- ций (пластических шарниров) стоек боковин перемещаются вверх по отношению к основа- нию кузова. Это приводит к повышению его несущей способности по разрушающим нагруз- кам, ограничивает внедрение элементов боковин в салон, а следовательно, способствует по- вышению пассивной безопасности автобуса при опрокидывании в ту или иную сторону. Особенно важную роль в обеспечении пассивной безопасности вахтовых автобусов на шасси полноприводных автомобилей играет наружная обшивка кузова из металлических па- нелей. Как правило, в передней и задней стенках этих кузовов она приваривается ко всем со- ответствующим элементам каркаса. В отдельных случаях к каркасу привариваются также металлические панели крыши, боковин и основания. Всё это существенно повышает несу- щую способность таких кузовов в случаях действия аварийных и эксплуатационных нагру- зок. По результатам проведённых на кафедре «Автомобили и тракторы» НГТУ им. Р.Е. Алексеева расчётно-экспериментальных исследований кузова вахтового автобуса установле- но, что наличие панелей передней и задней стенок, приваренных к элементам каркаса, уве- личивает несущую способность кузова по разрушающим нагрузкам в условиях опрокидыва- ния автобуса более, чем в 2 раза. При этом передняя и задняя секции кузова воспринимают более 85% общей разрушающей нагрузки. Остальная приходится на среднюю секцию, состо- ящую из нескольких поперечных силовых сечений кузова. Для подтверждения этого в таб- лице 1 приведены значения разрушающих нагрузок, которые выдерживают отдельные сек- ции и кузов в целом. Значения разрушающих нагрузок, кН Таблица 1 Метод оценки Кузов Секция кузова Секция каркаса передняя средняя задняя передняя задняя Эксперимент 182,4 62 4х5,6=22,4 98 22 27 Расчет 195,8 58 4х6,2=24,8 113 26,3 26,5 Из таблицы 1 видно, что панели передней секции способствуют увеличению макси- мального значения разрушающей нагрузки в 2,8 раза по сравнению с её каркасом. Для задней секции увеличение происходит в 3,6 раза. Наличие панелей также изменяет характер разру- шения секций, уменьшая интенсивность спада нагрузки. Это подтверждается результатам натурных испытаний кузова и его секций (рисунки 2, 3, 4 и 5). На рисунке 2 показана установка кузова на стенде с гидронагружающим устройством [5], имитирующим условия, возникающие при опрокидывании автобуса. Рисунок 2. Установка кузова на стенде На рисунке 3а приведены фрагменты деформирования передней и задней секций кузо- ва, а на рисунке 3б - деформированные виды каркаса передней секции. Рисунок 3а. Фрагменты деформирования передней и задней секций кузова и 5. верхняя часть средняя часть Рисунок 3б. Деформированные виды каркаса передней секции Графические зависимости изменения нагрузок от деформаций приведены на рисунках 4 Рисунок 4. Графики изменения нагрузок при разрушающих статических испытаниях каркасов передней (1) и задней (2) секций Рисунок 5. Характер изменения статической нагрузки для передней секции при последовательном четырёхкратном нагружении На рисунке 4 показаны графики изменения нагрузок при разрушающих статических испытаниях каркасов передней (1) и задней (2) секций. Интенсивный спад нагрузок связан с потерей формы (депланацией) тонкостенных сечений труб каркаса и их смятием в местах возникновения пластических шарниров. Плавное снижение нагрузки происходит у секций с панелями. На рисунке 5, для примера, показан характер изменения статической нагрузки для пе- редней секции, состоящей из каркаса и приваренной к нему панели, при последовательном четырёхкратном нагружении. Первые два испытания проводились в упругой фазе деформи- рования. Третье - до момента появления малых пластических деформаций. Четвёртое - до разрушения конструкции. Скачки линии на четвёртом графике соответствуют моментам раз- рыва отдельных сварных швов (точек), связывающих панель с элементами каркаса. Из сравнения графиков на рисунках 4 и 5, а также значений в таблице 1, следует, что панели передней и задней секций, приваренные ко всем элементам каркаса, существенно по- вышают несущую способность и пассивную безопасность кузова. Двери, в зависимости от их вида, могут по-разному влиять на повышение пассивной безопасности автобуса. Наибольшее влияние оказывают распашные двери, так как они име- ют трёхточечную связь со стойками дверных проёмов, а, следовательно, включаются в силовую схему кузова. Ещё большее влияние (в пределах до 15%) проявляется в случае наличия у них определённых фиксирующих устройств, обеспечивающих более плотное их прилегание к элементам проёмов по периметру и дополнительные связи с ними. Поручни и их стойки могут повышать несущую способность на 5…7% при опрокиды- вании автобуса в зависимости от места их установки и способа соединения с элементами каркаса. Существенное влияние (до 25%) на повышение пассивной безопасности автобусов ока- зывают перегородки салона. Наиболее распространёнными являются перегородки за сидень- ем водителя. Они могут быть по конструкции до половины высоты салона (ПАЗ-3205) и на всю высоту (ЛиАЗ-5256, 5293). Наличие перегородок повышает стойкость кузова к разруше- ниям. В первом примере перегородка усиливает (подкрепляет) нижние части боковин. По- этому появление больших пластических деформаций и излом стоек боковин по высоте про- исходит выше перегородки. Такой механизм разрушения соответствующих поперечных си- ловых сечений кузова способствует увеличению его несущей способности к восприятию раз- рушающей аварийной нагрузки. Во втором примере каркасы и панели перегородок подкреп- ляют боковины по всей высоте. При этом часть аварийной нагрузки и энергии удара воспри- нимаются ими. Поэтому повышается энергоёмкость кузова и, следовательно, пассивная без- опасность автобуса. Сиденья для пассажиров способствуют повышению пассивной безопасности автобуса также и в условиях его опрокидывания. Наибольшее их влияние (в пределах до 15%) прояв- ляется при условии, если их каркасы жёстко соединены с боковинами. Повышение энерго- емкости кузова каркасами сидений также подтверждается расчетными исследованиями, про- веденными в работе [7]. Повышению несущей способности кузова способствует наличие в салоне колёсных арок и надстроек пола, связанных с боковинами. Они способствуют увеличению высоты рас- положения нижних зон пластических деформаций (пластических шарниров) стоек боковин в соответствующих местах и увеличению разрушающих нагрузок, которые может восприни- мать кузов. Оконные стёкла по-разному оказывают влияние на повышение несущей способности кузова при опрокидывании автобуса. Стёкла боковин практически не влияют. Наибольшее влияние оказывают приклеиваемые стёкла лобового и заднего окон в начальный период ударного воздействия до момента их разрушения, при относительно малых (в пределах 10 мм) деформациях проёмов. Поэтому они влияют на первый пик ударной нагрузки и практи- чески не оказывают существенного влияния на энергоёмкость кузова - его способность к по- глощению энергии удара. В заключение следует сказать, что применение любых конструктивных мероприятий, обеспечивающих подкрепление боковин кузова, способствует увеличению высоты располо- жения нижних зон пластических деформаций (пластических шарниров) их стоек над уровнем основания. Это увеличивает значения разрушающих нагрузок, несущую способность и энер- гоёмкость кузова и повышает пассивную безопасность автобуса в условиях опрокидывания. Представленные результаты исследований могут использоваться специалистами при проектировании и доводке автобусов.

About the authors

L. N Orlov

Rostislav E. Alekseev Nizhny Novgorod State Technical University

Dr.Eng., Prof.

P. S Rogov

Rostislav E. Alekseev Nizhny Novgorod State Technical University

A. V Tumasov

Rostislav E. Alekseev Nizhny Novgorod State Technical University

Email: anton.tumasov@gmail.com
Ph.D.; +7 831 436-73-63

References

Supplementary files