3.1 Konstrukcje cienkościenne

Transkrypt

1 3. Konstrukcje cienkościenne Podstawowym kryterium konstrukcyjnym dla kadłuba jest lekkość i odpowiednia sztywność na eksploatacyjne obciążenia (szkice poniżej). Dlatego większość nadwozi samochodów osobowych to konstrukcje cienkościenne: lekkie i sztywne, posiadające wysoką częstotliwość drgań własnych, cechujące się odpowiednią trwałością i odpornością na zderzenia Uzyskanie powyższych parametrów uzyskiwane jest poprzez zastosowanie: wytłoczek blaszanych, cienkościennych profili zamkniętych lub materiałów kompozytowych na płaty nośne kadłuba materiałów o niskich gęstościach i wysokich parametrach wytrzymałościowych sztywnego połączenia elementów tworzących kadłub schematyczne przedstawienie stopnia wytężenia węzłówek szkieletu nadwozia samonośnego przy zadziałaniu momentu skręcającego.

2 3.. Podstawowe przypadki obciążeń eksploatacyjnych nadwozia obciążęnia pionowe statyczne obciążęnia pionowe dynamiczne złożenie pionowych i poziomych obciążeń dynamicznych przy hamowaniu (mnożnik dynamiczny sił poziomych,8, sił pionowych 3,5) najechanie na nierówność - statyczne obciążenie, pionowe niesymetryczne (wywołuje M S ) złożenie pionowych i poziomych obciążeń dynamicznych przy jeździe po łuku (wywołuje M S2 )

3 Moment skręcający Moment ten występuje na nadwoziu, gdy jedno z kół osi odrywa się od nawierzchni. rp M S = G p [Nm] 2 G p maksymalny nacisk na oś mniej obciążoną r p rozstaw kół przednich. Graniczna teoretyczna wysokość nierówności h powodująca oderwanie jednego z kół od nawierzchni (nierówność pod jednym z kół osi mniej obciążonej): h G r = [m] 2 p p 2kϕ. calk może osiągnąć wartość m, ponieważ sztywność skrętna całego układu (nadwozia, opon i zawieszenia) przedstawiona modelem obliczeniowym jak na szkicu = + k ϕ. calk kϕ. op kϕ. p kϕ. t kϕ. op + + [Nm/deg] osiąga np. dla autobusu wartości rzędu k φcalk =2000 Nm/deg. Należy przy tym zauważyć, że sztywność samego nadwozia jest rząd wielkości większa.

4 Aby urealnić wielkość momentu skręcającego, do celów obliczeniowych wprowadzamy wartość H rzeczywistej eksploatacyjnej wysokości nierówności rp H M S = Gp 2 h Analogicznie możemy obliczyć wartości nacisków kół G G p H 2 h pp = G G p H + 2 h pl =

5 Ze wzrostem prędkości ruchu po okręgu powiększają się naprężenia konstrukcji nośnej do momentu oderwania wewnętrznego koła od nawierzchni. Dalszy wzrost siły odśrodkowej powoduje przechylanie pojazdu i niewielkie zmiany naprężeń. W celu obliczenia momentu skręcającego wynikającego z jazdy po łuku możemy teoretycznie określić wartość przyspieszenia odśrodkowego powodującego oderwanie jednego z kół od nawierzchni. Do wyzerowania reakcji przy wewnętrznym kole dojdzie w momencie osiągnięcia przez pojazd przyspieszenia odśrodkowego: gr a y = 2h g przyspieszenie ziemskie, r rozstaw kół (przy założeniu, że środek masy pojazdu leży na wzdłużnej płaszczyźnie symetrii), h odległość środka masy pojazdu od nawierzchni drogi. Moment skręcający osiągnie wówczas wartość maksymalną równą: M = m a h S 2 res y z = m res grh 2h z m res masa resorowana, h z ramię działania siły odśrodkowej przyłożonej w środku masy resorowanej względem punktów mocowania zawieszenia do ramy. Moment ten może być zastąpiony parą sił działających w punktach mocowania zawieszenia do ramy: P = M r S 2 z r z poprzeczny rozstaw punktów mocowania elementów sprężystych zawieszenia do ramy.

6 Stopniowo obciążając nadwozie do maksymalnej wartości momentu skręcającego możemy wyznaczyć (również na kompletnym pojeździe) charakterystykę sztywności skrętnej mierząc bezwzględny kąt skręcenia nadwozia M S knadw = ϕ nadw Pomiar kąta skręcenia kątomierzem optycznym

7 3..2 Sztywność nadwozia Jest to odpowiedź struktury kadłuba na statyczne wymuszenia eksploatacyjne: moment skręcający nadwozie od sił pochodzących z zawieszenia obciążenie zginające od masy własnej i ładunku Sztywność skrętna nadwozia mierzona jest w Nm/deg lub Nm/rad natomiast sztywność giętna nadwozia w N/mm Obydwie wielkości, dla celów porównawczych, mierzone są na stanowiskach zbudowanych wg poniższego schematu: Przykładowe maksymalne wartości osiągane dla samochodów osobowych typu sedan: sztywność na zginanie mierzona na tunelu 6500 do 8000 N/mm sztywność na skręcanie w osi przedniej do Nm/deg Większe wartości sztywności nie są wymagane i ekonomicznie są niezasadne Sztywność dynamiczna określająca częstotliwość drgań własnych nadwozia dla zginania wynosi dla skręcania sza dla skręcania 2 ga 26 do 30 Hz 20 do 29 Hz 39 Hz wykresy

8 Kryterium dobroci struktury cienkościennej określa stosunek masy szkieletu nadwozia do jego sztywności i pola powierzchni płyty podłogowej w rzucie z góry i w przeciągu ostatnich 5-tu lat polepszyła się trzykrotnie: m Ger - masa brutto kompletnego szkieletu C T sztywność nadwozia z szybą przednią, w osi kól przednich, bez ładunku A powierzchnia w rzucie z góry (rozstaw kół x rozstaw osi) Przykład : nadwozie duże, sztywne i ciężkie 330kg/25000(Nm/deg) x 4,8 m 2 =2,8 Przykład 2: nadwozie średnie, średnio sztywne 250kg/0000(Nm/deg)x4,0 m 2 =6,3 Przykład 3: nadwozie małe, mało sztywne 250kg/5000(Nm/deg)x3,8 m 2 =3,2

9 3..3 Rodzaje struktur nośnych Przybliżony procentowy udział elementów nadwozia w przenoszeniu obciążeń w zależności od rodzaju struktury nośnej przedstawia poniższa tabela: Konstrukcja Niesamonośna Rama prawiepłaska Wyodrębniona rama przestrzenna Nadbudowa Uwagi, opis, przykłady 80% - 20 % Nadbudowa rozłącznie połączona z ram ą (Mercedes M, Nissan Terano, 00% Ciężarowe Mieszana 40% - 60% Nadbudowa sztywno połączona z ramą (Jeep Cherokee, Mitsubishi Pajero) - Samonośna szkieletowa Samonośna powłokowa 80% 20% (poszycia i szyby) Rama przestrzenna z profili zamkniętych (Audi A2 i A8, BMW Z8, Ferrari, Honda NSX, 60% 40% (szyby) Autobusy - 0% (łoża silnikowe i zawieszeniowe) 90% (podłużnice, poprzeczki, powłoki) Rama przestrzenna z podłużnic, poprzeczek i powłok (większość seryjnych samochodów osobowych) Kadłuby samonośne a) konstrukcje powłokowe strukturę nośną stanowi rama przestrzenna utworzona z profili uzyskanych poprzez celowe kształtowanie cienkościennych powłok (poszyć) zewnętrznych i wewnętrznych nadwozia przy zastosowaniu dodatkowych podłużnic i poprzeczek

10 b) konstrukcje szkieletowe strukturę nośną stanowi wyodrębniona rama przestrzenna utworzona z profili zamkniętych: standartowych (hutniczych) i specjalnych (ekstrudowanych =wyciskanych lub hydroformowanych) Poszycia zewnętrzne stanowią blachy albo panele z tworzyw sztucznych. Te ostatnie w przypadku autobusów i kabin ciężarówek umożliwiają wykonanie tanich wersji wariantowych. Konstrukcje niesamonośne Wyodrębniona rama i nadbudowa połączone są rozłącznie

11 Konstrukcje mieszane Dająca się wyodrębnić rama połączona jest z nadbudową w sposób trwały Ramy nadwoziowe Rama konstrukcji mieszanej

12 Przestrzenna rama szkieletowa konstrukcji samonośnej Rama konstrukcji niesamonośnej samochodu terenowego Rama konstrukcji niesamonośnej samochodu dostawczego, ciężarówki

13 Ostatnie dwa przykłady mogą nasunąć wątpliwość czy lepszym technicznie rozwiązaniem jest rama wykonana z profili otwartych czy zamkniętych. Dla wyjaśnienia tego problemu przytoczone zostaną poniżej dwa przykłady z zastosowaniem wzorów Bredt a: chcemy porównać wskaźnik wytrzymałości do masy dwóch profili otwartego i zamkniętego, przyjmujemy następujące założenia: identyczne jest pole przekroju poprzecznego (masa) obu profili, identyczne jest obciążenie. Profil otwarty: Naprężenia według wzoru Bredta: τ max OTW = M s kσhib 3 2 i Skręcenie: φ OTW = M s kgσhib 3 3 i dla: h =9,4 cm h 2 =6,7 cm b =0,6 cm b 2 =0,3 cm Ms=5000kGcm k=, G=8,2 0 5 kg/cm 2 τ maxotw =55 kg/cm 2 φ OTW =0,00234 rad/cm

14 Profil zamknięty: τ max ZAMKN = M 2F b sr s min τ maxzamkn =64 kg/cm 2 φ M s = 4GF ZAMKN 2 sr ds b φ ZAMKN =,4 0-5 rad/cm Zestawiając wyniki otrzymujemy dla tego samego momentu skręcającego profil: φ φ OTW ZAMKN = 72 kąt skręcenia profilu zamkniętego jest ok. 70 razy mniejszy niż profilu otwartego τ τ max OTW max ZAMKN = 8 w profilu zamkniętym występują naprężenia 8-krotnie mniejsze jak w profilu otwartym

15 Ramy pomocnicze = łoża silnikowe, łoża zawieszeniowe, łoża silnikowozawieszeniowe. Zoptymalizowane rozwiązanie ram szczątkowych z lat 40-tych. Umożliwia podmontowanie kompletnego układu napędowo-jezdnego poza kadłubem samochodu i optymalne wprowadzenie sił skupionych w strukturę nadwozia. odlewana hydroformingowana, spawana

16 gięta, spawana tłoczona, spawana, hydroformingowany element w przedniej części zoptymalizowany energochłonnie

17 Ramy pomocnicze = belki wspornikowe deski rozdzielczej, zastrzały

18 zastrzały dosztywniające Podsumowanie O umowności przytoczonego powyżej podziału struktur nośnych może świadczyć połączenie prawie płaskiej ramy niesamonośnej z przestrzenną rama szkieletową (samonośną) konstrukcji autobusu.