ANALIZA WYTRZYMAŁOŚCIOWA ZACZEPU KULOWEGO DO SAMOCHODU OSOBOWEGO Z ZASTOSOWANIEM MES

Transkrypt

1 Zbigniew BUDNIAK ANALIZA WYTRZYMAŁOŚCIOWA ZACZEPU KULOWEGO DO SAMOCHODU OSOBOWEGO Z ZASTOSOWANIEM MES Streszczenie W artykule przedstawiono metodę tworzenia i badania symulacyjnego wirtualnego prototypu zaczepu kulowego do samochodu osobowego. Do tego celu wykorzystano zintegrowany system CAD/CAE wspomagający komputerowe projektowanie i obliczenia inżynierskie. Zakres prowadzonych badań symulacyjnych został określony na podstawie wytycznych zawartych w przepisach i dyrektywach dotyczących homologacji mechanicznych części sprzęgających zespołów pojazdów. WSTĘP W związku ze znacznym rozwojem gospodarki i transportu dużym ułatwieniem w dostawie towarów i dóbr stała się możliwość przewożenia ich za pomocą przyczep samochodowych. Możliwe jest to jednak po uprzednim zamontowaniu w pojeździe zaczepu kulowego haka holowniczego. W ostatnich latach powstało wiele firm specjalizujących się w ich produkcji. W Unii Europejskiej wprowadzono również odpowiednie akty prawne [1, 2, 5], dotyczące zaczepów kulowych. Dzięki ujednoliceniu i znormalizowaniu pewnych części konstrukcji możliwe jest wykorzystywanie odpowiednich głowic zaczepowych wytwarzanych przez różne zakłady produkcyjne, niezbędnych do połączenia zaczepu kulowego z przyczepą. Bezpieczeństwo pojazdów samochodowych to jedna z najbardziej pożądanych jego cech. Dbając o ich stan na ogół zwracamy szczególną uwagę na takie elementy, jak hamulce czy układ kierowniczy, bagatelizując dodatkowy osprzęt, w postaci przewodów rozruchowych, zaczepów kulowych czy linki holowniczej. Zły stan techniczny tego oprzyrządowania najczęściej wynika z wykonania produktu z nieodpowiedniego materiału, zbyt niskiej wytrzymałości oraz braku instrukcji obsługi i wymaganej homologacji. Obecnie nie jest już dozwolony montaż haków bez homologacji [2]. Zaczepy kulowe podlegają procedurze homologacji przedmiotów wyposażenia i części, na zgodność z regulaminem Europejskiej Komisji Gospodarczej Nr 55 [5] lub z dyrektywą 94/20/WE [1]. Dla uzyskania homologacji zaczepu kulowego niezbędne jest przeprowadzenie badań w celu sprawdzenia: wymagań ogólnych, wymiarów zaczepu kulowego, chropowatości powierzchni kuli, położenia kulistej części zaczepu kulowego w stosunku do samochodu i jezdni oraz wolnej przestrzeni wokół zaczepu kulowego, wytrzymałości zmęczeniowej oraz cechowania. Przeprowadzenie takich badań jest jednak pracochłonne i kosztowne. Dlatego weryfikację konstrukcji można częściowo przeprowadzić już na etapie projektowania, wykorzystując możliwości nowoczesnych systemów do komputerowego wspomagania projektowania CAD i obli- 64 AUTOBUSY

2 czeń inżynierskich CAE. Dzięki systemom CAD projektowane są najpierw wirtualne prototypy danego urządzenia bądź maszyny. Natomiast systemy CAE pozwalają na przeprowadzanie symulacyjnych badań wytrzymałościowych, działania konstrukcji i jej optymalizacji. 1. ZACZEPY KULOWE HAKI HOLOWNICZE Haki holownicze to ogólnie przyjęta nazwa urządzeń sprzęgających pojazd ciągnący, najczęściej samochód osobowy lub dostawczy z pojazdem ciągnionym przyczepą kempingową lub towarową (bagażową). Haki holownicze montowane do samochodów osobowych i dostawczych do kg, zgodnie z określeniem dyrektywy 94/20/WE [1] noszą nazwę zaczepów kulowych. Konstrukcja haka składa się z zaczepu sprzęgającego w kształcie kuli o znormalizowanym wymiarze 50 mm. W dyrektywie 94/20/WE urządzenia sprzęgające sklasyfikowano zgodnie z typem i podzielone na klasy. Zaczepy kulowe wraz ze wspornikami pociągowymi zaliczono do klasy A. Kształt i wymiary części kulistej przedstawiono na rys. 1a. a) b) Rys. 1. Wirtualny model zaczepu kulowego, gdzie: a) kształt i wymiary części kulistej dla zaczepów kulowych klasy A, b) widok konstrukcji Źródło: a) dyrektywa 94/20/WE Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 30 maja 1994 roku, Załącznik V, b) opracowanie własne. Hak holowniczy można zamontować niemal w każdym samochodzie osobowym lub dostawczym, poza kilkoma wyjątkami. Decyduje o tym producent pojazdu, który zgodnie z wymienionymi wyżej aktami prawnymi ma obowiązek wskazać tzw. punkty montażu haka do danego typu pojazdu i uzyskać stosowną homologację. Bazując na punktach mocowania zaczepu kulowego wyznaczonego przez producenta pojazdu, można skonstruować zaczepy kulowe o odmiennej budowie, jednak tak samo rozmieszczonych punktach mocowania. Poszczególne elementy haka mogą mieć różną formę. Wśród spotykanych konstrukcji zaczepów kulowych można wyróżnić trzy podstawowe rodzaje haków z tzw. odejmowaną kulą: przykręcaną do korpusu haka dwiema śrubami, przykręcaną czterema śrubami oraz kulą wypinaną, tzw. półautomat do szybkiego wypięcia kuli bez odkręcania śrub mocujących. Podstawowym elementem w procesie projektowania bądź analizy układów mechanicznych wykorzystujących wspomaganie komputerowe jest stworzenie odpowiednich modeli wirtualnych jego elementów. Proces projektowania rozpoczyna się od opracowania danych wejściowych, czyli ustalenia założeń konstrukcyjnych zaczepu kulowego na podstawie obowiązujących przepisów i regulacji (np. o ruchu drogowego, dyrektyw). W niniejszym artykule, w pierwszym etapie modelowania, utworzono parametryczne modele części. Bazując na poszczególnych modelach 3D części zaczepu, zdefiniowano relacje występujące między nimi, tworząc wirtualny model przestrzenny zaczepu kulowego. Do badań wykorzystano oprogramowanie SolidWorks, które umożliwia modelowanie parametrycznych modeli bryłowych 3D. Efekty tej pracy zilustrowano na rys. 1a. AUTOBUSY 65

3 2. BADANIA SYMULACYJNE ZACZEPU KULOWEGO Urządzenia sprzęgające poddaje się zarówno badaniom wytrzymałościowym oraz badaniom dotyczącym działania. Badania wytrzymałościowe można zastąpić badaniami symulacyjnymi, jeżeli jakość wyników będzie zgodna z wynikami badań statycznych lub dynamicznych. Planując zakres przeprowadzonych badań symulacyjnych, wzięto pod uwagę wytyczne zawarte przepisach dotyczących homologacji mechanicznych elementów sprzęgających zespołów pojazdów [1, 5]. Wytrzymałościową analizę numeryczną przeprowadzono metodą elementów skończonych MES, wykorzystując moduł CAE SolidWorks Simulation, zintegrowany z programem SolidWorks. Wybór tego oprogramowania pozwala na: utworzenie parametrycznych modeli bryłowych części i złożenia konstrukcji, wykorzystanie komputerowej bazy danych właściwości fizycznych materiałów konstrukcyjnych, wykrywanie kolizji komponentów złożenia, zdefiniowanie warunków brzegowych badań symulacyjnych, dyskretyzację obszaru analizy, utworzenie raportów analizy i ich wizualizację. Badania przeprowadzono w dwóch etapach. W pierwszej kolejności przeprowadzono analizę statyczną, stanowiącą podstawę do przeprowadzenia badań dynamicznych zmęczeniowych. Założono, że elementy konstrukcyjne zaczepu kulowego są wykonane z materiału idealnie sprężystego. Przyjęto, że moduł sprężystości wzdłużnej Younga wynosi E = 2, Pa, współczynnik Poissona v = 0,28, wytrzymałość na rozciąganie R c = 7, Pa oraz granica plastyczności R e = 6, Pa Numeryczna analiza statyczna Przeprowadzone statyczne badania wytrzymałościowe miały na celu sprawdzenie naprężeń i odkształceń. Obliczenia wykonano wg hipotezy Hubera-Mises a, która traktuje o tym, że na wytężenie materiału ma decydujący wpływ tylko ta część energii, która jest zużywana na odkształcenie postaciowe. Wyniki tych badań pozwoliły z kolei na przeprowadzenie analizy zmęczeniowej w celu wyznaczenia krytycznej wartości cyklu obciążeń, przy którym nastąpi uszkodzenie konstrukcji. ρ = ρ + 3τ (1) 2 2 red k r gdzie: σ naprężenia normalne; τ naprężenia styczne (ścinające), k r naprężenia dopuszczalne. Na podstawie opracowanej wcześniej geometrii bryłowej (rys. 1b) zbudowano model do analiz wytrzymałościowych metodą elementów skończonych MES. Modele do analiz zostały dyskretyzowane przez zastosowanie czterowęzłowych elementów przestrzennych. Wygenerowano bryłową siatkę elementów skończonych o wysokiej jakości. Siatka zawiera elementów oraz węzły. Gęstszego podziału siatki MES dokonano z uwagi na występowanie większej koncentracji naprężeń, szczególnie w pobliżu połączeń pomiędzy elementami. Na rys. 2 pokazano konstrukcję zaczepu kulowego z wygenerowaną siatką MES. Analizę numeryczną przeprowadzono dla obciążenia części kulistej zaczepu zgodnie ze schematem przedstawionym na rys. 3. Do obliczeń przyjęto, że na zaczep kulowy działa teoretyczna pozioma siła odniesienia D, występująca między pojazdem ciągnącym i przyczepą oraz obciążenie pionowe S. 66 AUTOBUSY

4 Rys. 2. Model dyskretny zaczepu kulowego Źródło: Opracowanie własne Rys. 3. Schemat obliczeniowy Źródło: Opracowanie własne Wartość siły D [1] bierze się za podstawę obciążenia poziomego w badaniach statycznych i dynamicznych i oblicza ze wzoru (2): T R D = g [ kn] (2) T + R gdzie: g przyspieszenie ziemskie, T technicznie dopuszczalna maksymalna masa pojazdu ciągnącego, w tonach, R technicznie dopuszczalna maksymalna masa przyczepy samochodowej, w tonach. Pionowe obciążenie statyczne S oblicza się ze wzoru (3): D S = 120 [ kg] (3) g Dla masy pojazdu ciągnącego T = kg oraz maksymalnej masy przyczepy R = 1200 [kg], obciążenie D = 7,3 kn, zaś pionowe obciążenie S = 876 N. Przykładowe wyniki analiz wytrzymałościowych zilustrowano na rys. 4. Na podstawie przeprowadzonych badań symulacyjnych stwierdzono, że konstrukcja zaczepu kulowego spełnia warunki wytrzymałościowe. Maksymalne naprężenia zredukowane wg Hubera-Mises a wyniosły 605 MPa, natomiast maksymalne odkształcenie 2,46e 4 m. Wyniki tych analiz posłużyły do przeprowadzenia analizy zmęczeniowej. AUTOBUSY 67

5 Rys. 4. Mapa naprężeń zredukowanych wg Hubera-Mises a Źródło: Opracowanie własne 2.2. Analiza zmęczeniowa Badanie symulacyjne wytrzymałości zmęczeniowej wykonano wg p. 4.1 Załącznika VI dyrektywy na zgodność z wymaganiami zawartymi w p. 5 [1]. Amplitudę siły F hsres obliczono ze wzoru (4): = ± 0,6 D ( kn) (4) F hsres Przebieg w czasie siły obciążającej P zaczep jest funkcją harmoniczną: 1 P = Fhsres sin( ω t) ω = 2 π f [ s ] (5) gdzie: f częstotliwość siły wymuszającej, t czas. Zgodnie z wymaganiami zaczep kulowy powinien przenieść 2 mln cykli obciążeń bez zaistnienia widocznych uszkodzeń. Punkty zamocowania zaczepu kulowego w badaniach symulacyjnych były identyczne jak w samochodzie. Częstotliwość obciążenia badanego zaczepu kulowego była zgodna z wymaganiami i wynosiła f = 5 Hz. Jeżeli założenia analizy są spełnione, a obliczone naprężenia pozostają w dopuszczalnych granicach, zakłada się, że projekt jest bezpieczny w danym środowisku bez względu na to, ile razy dane obciążenie będzie zastosowane. Badania zmęczenia oszacowują część okresu trwałości użytkowej jaka upłynęła, na podstawie przypadków zmęczenia i krzywych S-N. Obliczenia zmęczenia można oprzeć na intensywności naprężenia, naprężeniach zredukowanych wg Hubera-Mises a. Naprężenia zredukowane wg Hubera-Mises a posłużyły następnie do obliczeń zmęczeniowych. Wyniki trwałości konstrukcji, otrzymane w analizie numerycznej, wskazują że zaczep kulowy przeniesie ponad cykli obciążeń. Z kolei najmniejsza obliczona wartość współczynnika bezpieczeństwa wynosi X obl = 4,2 i jest większa od jego wartości dopuszczalnej X dop = 1. W związku z tym, można stwierdzić, że konstrukcja zaczepu kulowego spełnia warunki wytrzymałościowe na zmęczenie. PODSUMOWANIE Opisana w artykule metodyka projektowania zaczepu kulowego do pojazdu samochodowego z wykorzystaniem nowoczesnych systemów do komputerowego wspomagania projektowania CAD i obliczeń inżynierskich CAE istotnie zmniejsza czas oraz koszty opracowywania projektu. 68 AUTOBUSY

6 Weryfikację konstrukcji można częściowo przeprowadzić już na etapie projektowania, wykorzystując możliwości nowoczesnych zintegrowanych systemów CAD/CAE. Dzięki systemom CAD projektowane są najpierw wirtualne prototypy danej konstrukcji. Natomiast systemy CAE pozwalają na przeprowadzanie symulacyjnych badań wytrzymałościowych. Przedstawiona w pracy metodyka projektowania, począwszy od parametrycznego modelowania konstrukcji, poprzez obliczenia i analizy inżynierskie może być wykorzystana do dalszych prac pozwalających na efektywne projektowanie konstrukcji zaczepów kulowych do pojazdów samochodowych. BIBLIOGRAFIA 1. Dyrektywa 94/20/WE Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 30 maja 1994 roku odnosząca się do mechanicznych urządzeń sprzęgających pojazdów silnikowych i ich przyczep oraz systemów ich mocowania do tych pojazdów. 2. Rozporządzenie Ministra Transportu z dnia 31 października 2006 roku zmieniające rozporządzenie w sprawie homologacji typu pojazdów samochodowych i przyczep, DzU z dnia 15 listopada 2006 r Instrukcja montażu zaczepu kulowego. Fiat Linea07 Nr katalogowy F/ Instrukcja obsługi programu SolidWorks. 5. Regulamin nr 55 Europejskiej Komisji Gospodarczej Organizacji Narodów Zjednoczonych Jednolite przepisy dotyczące homologacji mechanicznych urządzeń sprzęgających zespołów pojazdów, Akt prawny z dnia 17 marca 2010 roku. STRENGTH ANALYSIS BUYING PASSENGER CAR USING FEM Summary In this article method of creating and simulation test of virtual prototype of ball hook for passenger car were presented. To this aim integrated system CAD / CAE assisting computer designing and engineering calculations, was used. Scale und simulation research was defined according to principles included in regulations and directions concerning the approval of mechanical parts coupling bank of vehicles. Autor: dr inż. Zbigniew Budniak Politechnika Koszalińska AUTOBUSY 69