Comparative analysis of the options for strengthening the cockpit of the D2 class buggy according to the technical regulations of the competition

Full Text

Введение Пространственные рамы багги являются сложной, многократно статически неопределимой конструкцией. Основными ее элементами являются металлические стержни круглого сечения различного диаметра и различной толщиной стенки, соединенные между собой при помощи сварки. Зачастую конструкция рамы багги является результатом творчества тех, кто на них выступает в соревнованиях или использует по какому-либо иному назначению. Однако, несмотря на это обстоятельство, подавляющее большинство рам багги, участвующих в официальных спортивных состязаниях, имеют схожие конструкции, отличающиеся лишь в нюансах. Конструкция абсолютного большинства рам багги имеет четкое разделение на три блока. Цель исследования Сравнительный анализ различных вариантов усиления кокпита типовой рамы багги класса Д2 для режима закручивания вокруг продольной оси. Средства проведения исследований Передний подрамник служит местом крепления элементов передней подвески, а также рулевой рейки и переднего дифференциала (если багги полноприводный). Довольно редко в переднем подрамнике размещают двигатель (практически никогда в гоночных багги). Геометрической стабильности переднего подрамника придается большое значение, поскольку от этого зависит кинематическая стабильность подвески [1]. Средний блок называется кокпитом и служит местом расположения водителя, а также в некоторых случаях и бензобака (при этом с обязательной перегородкой). Параметры элементов кокпита регулируются техническим регламентом соревнований [2]. Задний подрамник практически всегда служит местом расположения двигателя и коробки передач, а также местом крепления элементов задней подвески (иногда частично или полностью подвеска крепится к кокпиту). Конструкция обоих подрамников не подчиняется требованиям технического регламента соревнований, поэтому там возможны практически любые варианты исполнений (в реальности большинство вариантов схожи по конструкции). Конструкция же кокпита строго оговаривается регламентом: допускается применение исключительно холоднотянутой бесшовной трубы круглого сечения с характеристиками сечения 45×2,5 или 50×2 для элементов, выделенных темным цветом (см. рис. 2) и 38×2,5 или 40×2 для остальных (минимальный предел прочности - 350 МПа) [3]. Рис. 1. Условное разделение рамы багги на блоки: 1 - передний подрамник; 2 - кокпит; 3 - задний подрамник Рис. 2. Кокпит: темным цветом выделены элементы из наиболее толстого профиля Ниже представлен объект исследований - типовая рама багги класса Д2, изготовленная из стали Ст20. Рис. 3. Типовая рама багги класса Д2 Для представленной конструкции был проведен ряд компьютерных расчетов методом конечных элементов (МКЭ) в среде компьютерного моделирования SolidWorks для наиболее типичных режимов нагружения: режим наезда передним колесом на препятствие, наезд задним колесом на препятствие, наезд одновременно передним и задним колесами разных бортов на препятствие, а также режим закручивания вокруг продольной оси. По результатам сравнительного анализа напряженно-деформированного состояния (НДС) рамы для представленных режимов нагружения был выделен наиболее жесткий из них - режим закручивания вокруг продольной оси: в нем возникают наибольшие напряжения в передних верхних углах кокпита (самая нагруженная область для всех режимов). Рис. 4. Наиболее нагруженная область кокпита при кручении (также можно видеть условия нагружения и закрепления для режима кручения) Возникновение повышенных напряжений в углах кокпита обусловлено повышенными деформациями его продольных стержней, что также было установлено в ходе анализа НДС рамы для вышеназванных режимов нагружения. Таким образом, область кокпита нуждается в усилении. Результаты исследований и их обсуждение Ниже представлены варианты усиления, допускаемые техническим регламентом соревнований. Рис. 5. Допускаемые варианты модификации кокпита Для режима закручивания вокруг продольной оси [4] был проведен расчет всех представленных вариантов усиления введенных в исходную конструкцию (рис. 3), после чего проведен их сравнительный анализ по показателям крутильной жесткости и удельной жесткости [5]: , (1) где - жесткость на кручение, ; - закручивающий момент; - масса несущей конструкции, j - угол закручивания рамы. Замеры перемещений для расчета угла закручивания проводились в одном из передних верхних углов кокпита. В результате получены графики для рассматриваемых вариантов, приведенные на рис. 6. Следующим шагом в сравнительной оценке предлагаемых вариантов стал анализ гистограмм (рис. 7), показывающих долю нагрузки, приходящуюся на ту или иную зону блока: , (2) где - отношение доли объема зоны к доле воспринимаемой ею нагрузки; - доля объема зоны от общего объема блока; - доля нагрузки, приходящаяся на рассматриваемую зону блока. Рис. 6. Удельная жесткость и жесткость на кручение для различных вариантов усиления кокпита Существенное отклонение данного отношения от единицы будет означать либо перегруженность зоны относительно ее объема, либо ее недогруженность. Рис. 7. Величина для рассматриваемых вариантов усиления Как видно из графиков, варианты с усилением крыши 3, 4 и 5 оказались наиболее рациональными: они обеспечивают не только наибольшие показатели крутильной жесткости, удельная жесткость у них также выше, чем у остальных вариантов. Их преимущество относительно базового варианта (Вариант 1) составляет соответственно 36, 32 и 32 процента для удельной жесткости (рис. 6). Указанные варианты также обеспечивают наиболее равномерное распределение нагрузки по зонам кокпита (рис. 7). Варианты 3, 4 и 5 позволили добиться существенного повышения жесткости исходной конструкции, что также привело к падению напряжений в наиболее нагруженной области кокпита - передних верхних углах. Значения напряжений с первоначальных 280 МПа уменьшились соответственно на 34.2, 30.1 и 30 процентов. Несмотря на то, что варианты с усилением крыши оказались наиболее рациональным вариантом повышения крутильной жесткости кокпита, другие решения также могут найти применение в тех или иных конструкциях. К примеру, вариант 1 с дополнительным продольным горизонтальным усилителем способствует более равномерному участию пола и боковин в восприятии нагрузки, не влияя при этом на нагрузку в области верха и середины. Вариант 2 существенно разгружает область пола, в то же время повышая нагрузку на боковины и верх и несколько разгружая область соединения переднего подрамника и кокпита. Вариант 7 с двумя дополнительными продольными стержнями середины, заметно увеличивая долю объема боковин, не привел к какому-либо перераспределению нагрузки по сравнению с базовым вариантом. Вариант 6 также не показал никаких изменений по сравнению с исходной конструкцией. Заключение Проведен сравнительный анализ различных вариантов усиления кокпита для наиболее жесткого режима нагружения - режима закручивания вокруг продольной оси. Все варианты усилителей находятся в соответствии с техническим регламентом соревнований. По результатам сравнительного анализа выявлены наиболее рациональные варианты усиления кокпита: варианты 3, 4 и 5 (рис. 5), т.е. варианты с усилением крыши. В них достигаются наилучшие показатели крутильной жесткости и удельной жесткости на кручение, что говорит о более высоких показателях жесткости при равной или меньшей массе, чем у других вариантов. Также варианты 3, 4 и 5 обеспечивают наиболее равномерную загрузку областей кокпита (рис. 7), что позволяет нагрузке существенно более равномерно распределяться по зонам этого блока, чем в случае с другими решениями.

About the authors

E. E Bazhenov

Bauman Moscow State Technical University, Branch in Mytishchi

DSc in Engineering

S. K Bujnachev

Ural Federal University

PhD in Engineering

A. N Kustovskij

Bauman Moscow State Technical University, Branch in Mytishchi

Email: Kustovsky88@mail.ru

References

Supplementary files