Samochody rajdowe projekt klatki bezpieczeństwa

Transkrypt

1 DĘBSKI Hubert 1 FERDYNUS Mirosław 2 KOROWAJ Bartłomiej 3 Samochody rajdowe projekt klatki bezpieczeństwa WSTĘP Samochodowe sporty rajdowe cieszą się dużą popularnością i wciąż rosnącym zainteresowaniem, zwłaszcza w ostatnich latach, w których polscy kierowcy zaczęli odnosić coraz lepsze wyniki w tego typu imprezach. Przekłada się to bezpośrednio na zwiększenie ilości samochodów przystosowanych do udziału w różnego rodzaju rajdach o znaczeniu lokalnym, jak i ogólnokrajowym. Proces przystosowania samochodu do udziału w rajdach wymaga spełnienia szeregu wymagań, określonych odrębnymi przepisami, dotyczących zarówno warunków technicznych samochodu, jak i warunków bezpieczeństwa uczestników rajdu. Samochody rajdowe muszą być nie tylko znacznie szybsze, ale również szybciej hamować, rozpędzać się, pozwalać na większą kontrolę nad pojazdem, a przede wszystkim zapewniać maksymalne bezpieczeństwo dla załogi. Budowa samochodu rajdowego składa się z kilku etapów. Pierwszym etapem modernizacji auta jest zmniejszenie jego masy całkowitej. Proces ten polega na usunięciu wszystkich zbędnych elementów wnętrza i wyposarzenia pojazdu. Następnym etapem jest wymiana opon na wyczynowe. Od jakości ogumienia nie tylko zależy komfort, ale i bezpieczeństwo jazdy. Na oponie spoczywa cały ciężar auta i jest ona jedynym elementem styku pojazdu z podłożem. Kolejny etap stanowi wyposażenie samochodu w klatkę bezpieczeństwa. Dzięki takiej konstrukcji wielu kierowców oraz ich pilotów wyszło z poważnych wypadków bez szwanku. Konstrukcja ta zabezpiecza przed deformacją nadwozia podczas kolizji a także zwiększa jego sztywność. Niestety należy pamiętać, że klatka chroni przed uderzeniami w duże przeszkody oraz skutkami dachowania/rolowania. Jeśli w przypadku zderzenia czołowego duża część energii nie zostanie przejęta przez blok silnika, lub do kabiny dostanie się podłużny element, klatka nie będzie w stanie dostatecznie zabezpieczyć załogi. Dodatkowymi wewnętrznymi elementami bezpieczeństwa są specjalne fotele, pasy oraz automatyczny system gaśniczy. Kolejne etapy modyfikacji mogą dotyczyć instalacji części sportowych, jak m.in.: zmiana zawieszenia, układu hamulcowego, przeniesienia napędu oraz linii paliwowej. Wymienione powyżej modyfikacje pozwalają na otrzymanie konstrukcji o wymaganych parametrach, jednakże największy nacisk kładziony jest zawsze na zapewnienie bezpieczeństwa osób, które będą użytkowały pojazd przeważnie w ekstremalnych warunkach eksploatacyjnych. W pracy zaprezentowano autorski projekt klatki bezpieczeństwa do samochodu terenowego Uaz 469. Zaproponowane rozwiązanie poddano analizie numerycznej z wykorzystaniem Metody Elementów Skończonych (MES) [1,3], w celu określenia wytrzymałości poszczególnych elementów konstrukcyjnych klatki na wymagane przepisami przypadki obciążenia. Zastosowanym narzędziem numerycznym był komercyjny pakiet oprogramowania - program ABAQUS. 1. ZASADY PROJEKTOWANIA KLATEK BEZPIECZEŃSTWA Klatka bezpieczeństwa stanowi konstrukcję przestrzenną, zintegrowaną z kabiną pasażerską samochodu, która w razie uderzenia samochodu w przeszkodę lub dachowania ma za zadanie równomiernie rozłożyć siłę uderzenia pomiędzy poszczególne elementy swojej konstrukcji i zamortyzować uderzenie, chroniąc kierowcę oraz pilota. Zalecana jest dla samochodów startujących 1 Politechnika Lubelska, Wydział Mechaniczny; Lublin; ul. Nadbystrzycka 36. Tel: , Fax: , h.debski@pollub.pl 2 Politechnika Lubelska, Wydział Mechaniczny; Lublin; ul. Nadbystrzycka 36. Tel: , Fax: , m.ferdynus@pollub.pl 3 Politechnika Lubelska, Wydział Mechaniczny; Lublin; ul. Nadbystrzycka 36. Student. 2919

2 w każdych niemal zawodach sportowych, od KJS-ów zaczynając, natomiast obowiązkowa jest w bardziej profesjonalnych rajdach, jak Driftingowe Mistrzostwa Polski czy Rajdowe Samochodowe Mistrzostwa Polski. Wymóg stosowania klatek bezpieczeństwa podyktowany jest dużym stopniem ryzyka, jakie podejmują kierowcy przy dużych prędkościach. Zabroniona jest jakakolwiek modyfikacja homologowanej lub certyfikowanej klatki bezpieczeństwa. Elementy konstrukcji mogą być przeprowadzone przez przestrzeń kabiny, tablicę rozdzielczą, boczne elementy tapicerskie, a także przez tylne siedzenia, które mogą być opcjonalnie wymontowane. Klatki najlepszych firm wykonane z najwyższej klasy materiałów pomimo wielokrotnego koziołkowania samochodu w trakcie wypadku potrafią pozostać po incydencie w stanie niemal nienaruszonym. Artykuł Regulaminu technicznego dla samochodów sportowych produkcyjnych (Grupa CN) [6] dopuszcza wykonanie przez producenta samochodu rajdowego własnego projektu klatki bezpieczeństwa. Autorski projekt klatki bezpieczeństwa należy przedstawić właściwej federacji narodowej (ASN) do zatwierdzenia pod względem jakości stosowanej stali, wymiarów rur, nieobowiązkowych elementów wzmacniających i mocowań do pojazdu. Przy konstruowaniu klatki bezpieczeństwa najważniejszym kryterium jest to, aby nie utrudniała możliwości bezpiecznego opuszczenia samochodu przez kierowcę oraz pilota. Kolejnym istotnym szczegółem jest wymóg, aby klatka wykonana według własnego projektu nie ograniczała przestrzeni załogi wewnątrz samochodu. Następnym ważnym kryterium projektowym jest usytuowanie elementów wzmacniających w miejscach absorbcji energii. Przykłady zastosowania klatek bezpieczeństwa w samochodach rajdowych przedstawiono na rys.1 a) b) Rys.1. a) Wewnętrzna klatka bezpieczeństwa, b) przykład zewnętrznej klatki bezpieczeństwa Zgodnie z przepisami konstrukcja klatki bezpieczeństwa musi zawierać niezbędne elementy podstawowe oraz elementy pomocnicze, spełniające w konstrukcji określone zadania [5]. Do wymaganych elementów podstawowych zalicza się: pałąk główny, pałąk przedni, pałąk boczny, półpałąki boczne i poprzeczne oraz element podłużny. Elementy pomocnicze wzmacniają konstrukcję podstawową poprzez zastosowanie: elementów przekątnych, bocznych wzmocnień drzwi, elementów poprzecznych, wzmocnień dachu, wzmocnień wygięć i połączeń oraz wzmocnień słupków przedniej szyby. Załącznik J przepisów dopuszcza wykonanie konstrukcji bazowej klatki bezpieczeństwa w trzech konfiguracjach [4]: 1 pałąk główny + 1 pałąk przedni + 2 elementy podłużne + 2 podpory tylne + 6 stóp mocowania, 2 pałąki boczne + 2 elementy poprzeczne + 2 podpory tylne + 6 stóp mocowania, 1 pałąk główny + 2 półpałąki boczne + 1 element poprzeczny +2 podpory tylne +6 stóp mocowania. Elementem łączącym konstrukcję rurową klatki bezpieczeństwa z modyfikowanym samochodem jest stopa mocująca. Jest to płytka przyspawana do końca rury pałąka umożliwiająca przykręcenie jej do konstrukcji nadwozia/podwozia, zwykle na płytce wzmacniającej. Płytka ta oprócz przykręcenia 2920

3 może być także przyspawana do nadwozia bądź podwozia pojazdu. Klatki bezpieczeństwa muszą być zainstalowane bezpośrednio do stalowego nadwozia lub do głównej ramy, to znaczy do konstrukcji, na którą przenoszone jest obciążenie zawieszenia (w razie konieczności, z dodaniem wzmocnień w miejscach łączenia podwozia ze stopami mocowania). 2. PROJEKT KLATKI BEZPIECZEŃSTWA W pracy zaprezentowano autorski projekt klatki bezpieczeństwa przeznaczonej do samochodu terenowego Uaz 469. Projekt przewiduje umieszczenie klatki wewnątrz kabiny pasażerskiej pojazdu. Projekt klatki bezpieczeństwa wykonano według norm podanych w Załączniku J MKS FIA Głównej Komisji Sportu Samochodowego PZM Art Wyposażenie bezpieczeństwa (grupa N, A, R-GT) [4], wg następujących założeń: konstrukcja wykonana według konstrukcji bazowej 1 pałąk główny + 2 pół pałąki boczne + 1 element poprzeczny + 2 podpory tylne + 6 stóp mocowania, przymocowana do nadwozia za pomocą 6 stup mocujących przytwierdzonych do podłogi auta przez 4 śruby M8 każda, wykonana ze stali o minimalnej wytrzymałości na rozciąganie 350N/mm 2, konstrukcja musi wytrzymać podane w załączniku J obciążenia przyłożone w odpowiednich płaszczyznach, spawy wykonane na całym obwodzie rury, możliwie jak najwyższej jakości, całkowicie wtopione w metal. Dane wyjściowe do projektu geometrycznego dobrane zostały na podstawie wymiarów nadwozia samochodu terenowego Uaz 469 oraz norm zawartych w załączniku,,j przepisów. Projekt konstrukcji wykonano z wykorzystaniem oprogramowania CAD (Computer Aided Design) w programie CATIA V5. Model geometryczny zaprojektowanej klatki bezpieczeństwa wraz z jego usytuowaniem wewnątrz pojazdu przedstawia rys.2. a) b) Rys.2. a) Model geometryczny klatki bezpieczeństwa widok z przodu, b) widok z tyłu 3. NUMERYCZNA ANALIZA KLATKI BEZPIECZEŃSTWA Obliczenia wytrzymałościowe klatki bezpieczeństwa zostały wykonane z wykorzystaniem Metody Elementów Skończonych (MES) z wykorzystaniem oprogramowania ABAQUS. Celem prowadzonych symulacji numerycznych było sprawdzenie, czy klatka bezpieczeństwa wykonana według projektu spełnia wymagania techniczne określone przepisami znajdującymi się w Załączniku J i w związku z tym może dostać homologację rajdową. Model dyskretny klatki bezpieczeństwa opracowano na podstawie zmodyfikowanego modelu geometrycznego, z którego usunięto szczegóły konstrukcyjne, jak m.in.: otwory, fazy czy zaokrąglenia, które nie mają wpływu na wytrzymałość konstrukcji, ale w istotny sposób zwiększają 2921

4 rozmiary modelu obliczeniowego. W budowie modelu obliczeniowego założono, że spoiny maja taką samą wytrzymałość, jak pozostałe elementy konstrukcji. Do dyskretyzacji modelu geometrycznego zastosowano objętościowe elementy bryłowe, odwzorowujące w sposób dokładny przestrzenną geometrię konstrukcji. Zastosowany rodzaj elementu skończonego stanowił element typu tetragonalnego, czterowęzłowego z funkcją kształtu drugiego rzędu. Element ten, oznaczony w programie ABAQUS jako C3D10 jest elementem czterowęzłowym, posiadającym 3 translacyjne stopnie swobody w każdym węźle. Średni wymiar krawędzi elementu skończonego wynosił 5 mm, co w konsekwencji prowadziło do rozmiaru zadania obliczeniowego wynoszącego ok równań. Taki rozmiar zadania obliczeniowego wymagał zastosowania w obliczeniach stacji roboczej o zwiększonych możliwościach obliczeniowych. Widok ogólny modelu dyskretnego klatki bezpieczeństwa przyjętego do obliczeń numerycznych przedstawia rys.3a. Warunki brzegowe modelu numerycznego ustalono poprzez utwierdzenie węzłów mocujących klatkę bezpieczeństwa do nadwozia samochodu. W miejscach mocowania węzłom modelu zablokowano wszystkie translacyjne stopnie swobody rys.3b. Rys.3. a) Model dyskretny klatki bezpieczeństwa, b) warunki brzegowe modelu MES Do obliczeń numerycznych zdefiniowano model materiału o charakterystyce sprężysto-plastycznej, dla której przyjęto dane materiałowe stali 18HGT przedstawione poniżej: minimalna granica plastyczności wynosi R e =850MPa, wytrzymałość na rozciąganie wynosi 1000MPa, współczynnik Poissona wyniósł υ=0.3, moduł Younga E wynosi MPa, wydłużenie próbki przy zerwaniu A = 8,5%. Zastosowany rodzaj materiału stanowił stal stopową do nawęglania, na części wysoko obciążone o dużej wytrzymałości rdzenia, jak koła zębate czy wałki skrzyni biegów. Według Załącznika J - MKS FIA Artykułu 259 klatka bezpieczeństwa własnej produkcji może uzyskać certyfikat pod warunkiem, że jest w stanie wytrzymać podane niżej minimalne obciążenia przyłożone w dowolnej kombinacji do górnej części klatki. Powyższy test nie może spowodować w całej konstrukcji żadnego pęknięcia, ani odkształcenia plastycznego, większego niż 50 mm. W obliczeniach numerycznych zastosowano minimalne obciążenia przyłożone w dowolnej kombinacji do górnej części klatki: przypadek 1: 1,5 W* poprzecznie (P = 25285,3N), przypadek 2: 5,5 W podłużnie, z przodu (P = 91933,3N), przypadek 3: 7,5 W pionowe (P = ,4N), (* gdzie W = masa samochodu + 75 kg). Masę własną analizowanego samochodu terenowego tj. Uaz 469 przyjęto 1630 kg. 2922

5 Sposób realizacji poszczególnych przypadków obciążenia w modelu numerycznym klatki bezpieczeństwa przedstawiono na rys.4. We wszystkich rozważanych przypadkach całkowite obciążenie P zostało równomiernie rozłożone na elementy konstrukcji, odwzorowując schemat obciążenia poprzecznego (rys.4a), podłużnego z przodu (rys.4b) oraz pionowego (rys. 4c), określonego w/w przepisami. a) b) c) Rys.4. a) Sposób realizacji obciążenia przypadek 1 b) przypadek 2, c) przypadek 3 Przeprowadzone obliczenia numeryczne zaprojektowanej klatki bezpieczeństwa umożliwiły wyznaczenie rozkładów naprężenia oraz wartości przemieszczeń w poszczególnych elementach konstrukcji. Analizie poddano wartości naprężenia zredukowanego wyznaczonego wg hipotezy Hubera-Misesa-Hencky ego (H-M-H) oraz wartości przemieszczeń węzłowych najbardziej odkształconych elementów konstrukcji. Wyniki prezentowane są w formie kolorowych map konturowych na tle odkształconego modelu numerycznego, w których kolor czerwony odpowiada maksymalnym wyświetlanym wartościom, natomiast kolor niebieski oznacza wartości zbliżone do 0. Przeprowadzone obliczenia numeryczne wykazały, że najbardziej niebezpiecznym przypadkiem obciążenia konstrukcji jest przypadek 2, stanowiący podłużne przednie obciążenie klatki bezpieczeństwa. Dla powyższego przypadku otrzymano w elementach konstrukcji maksymalne wartości naprężenia zredukowanego kształtujące się na poziomie 995MPa rys.5. Najbardziej wytężonym obszarem konstrukcji okazało się połączenie pałąka głównego z elementem przekątnym, tylną podporą, oraz półpałąkiem bocznym. Z obliczeń wynika, że w tym przypadku obciążenia granica plastyczności została przekroczona, co spowoduje odkształcenia plastyczne elementów klatki, jednak konstrukcja nie została zniszczona, ponieważ nie została przekroczona granica wytrzymałości materiału R m = 1000 MPa. a) b) Rys.5. a) Rozkład naprężeń H-M-H widok ogólny, b) obszar najwyższych wartości naprężenia 2923

6 Wyznaczone maksymalne przemieszczenia węzłowe dla trzeciego przypadku obciążenia wynoszą 14,15 mm rys.6. Dla rozważanych przypadków obciążenia dopuszczalne przemieszczenia elementów konstrukcji wg załącznika J nie mogą przekraczać 50 mm, stąd stan odkształcenia zaprojektowanej konstrukcji spełnia stawiane wymogi bezpieczeństwa. Rys.6. Rozkład przemieszczeń węzłowych modelu klatki bezpieczeństwa przypadek 2 obciążenia PODSUMOWANIE W pracy zaprezentowano autorski projekt klatki bezpieczeństwa, dedykowany do samochodu marki Uaz 469. Projekt wykonano wg wymagań przepisów: Załączniku J MKS FIA Głównej Komisji Sportu Samochodowego PZM Art Wyposażenie bezpieczeństwa (grupa N, A, R-GT). Celem projektu było uzyskanie certyfikatu zaprojektowanej klatki bezpieczeństwa, dopuszczającego pojazd do udziału w sportach rajdowych. Wymagało to wykazania dostatecznej wytrzymałości i sztywności konstrukcji, poddanej określonym przepisami przypadkom obciążenia. Przeprowadzone w pracy obliczenia numeryczne z wykorzystaniem metody elementów skończonych umożliwiła określenie stopnia odkształcenia i wytężenia poszczególnych elementów opracowanej konstrukcji. Wyniki przeprowadzonych obliczeń pozwalają wnioskować, że klatka bezpieczeństwa wykonana w sposób przedstawiony w projekcie może uzyskać certyfikat potrzebny do homologacji rajdowej samochodu w nią wyposażonego. Potwierdzają to otrzymane bezpieczne poziomy naprężenia zredukowanego, nie przekraczające wartości granicy wytrzymałości zastosowanego materiału. Potwierdzona została również dostateczna sztywność konstrukcji, w której stwierdzono akceptowalne przepisami wartości odkształcenia trwałego. Przeprowadzone w obliczeniach symulacje wytrzymałościowe wykazały obszary występowania największych wartości naprężenia zredukowanego w miejscach połączeń elementów oraz w wygięciach rur. W związku z tym, podczas budowy klatki bezpieczeństwa szczególną uwagę należy zwrócić na jakość spoiny. Należy też pamiętać, aby strefa wpływu ciepła była jak najmniejsza, ponieważ w skutek przegrzania materiału zmieniają się niekorzystnie jego właściwości, co ułatwia powstawanie i rozwój pęknięć [2]. Streszczenie W pracy zaprezentowano autorski projekt klatki bezpieczeństwa przeznaczony do samochodu marki Uaz 469. Projekt wykonano wg wymagań przepisów: Załączniku J MKS FIA Głównej Komisji Sportu Samochodowego PZM Art Wyposażenie bezpieczeństwa (grupa N, A, R-GT). Celem projektu było uzyskanie certyfikatu zaprojektowanej klatki bezpieczeństwa, dopuszczającego pojazd do udziału w sportach rajdowych. Wymagało to wykazania dostatecznej wytrzymałości i sztywności konstrukcji, poddanej określonym przepisami przypadkom obciążenia. W tym celu przeprowadzono numeryczną analizę 2924

7 wytrzymałości konstrukcji z wykorzystaniem metody elementów skończonych. Przeprowadzone obliczenia wykazały, że klatka bezpieczeństwa wykonana w sposób przedstawiony w projekcie może uzyskać certyfikat potrzebny do homologacji rajdowej samochodu w nią wyposażonego. Słowa kluczowe: klatka bezpieczeństwa, wyposażenie bezpieczeństwa, samochody rajdowe, metoda elementów skończonych Rally cars - safety cage design Summary In the paper presents an original project safety cage designed for car brand Uaz 469. The project was performed according to the requirements of the provisions: Appendix "J" ISC Motorsports Main Commission PZM Art Safety Equipment (Group N, A, R -GT). The aim of the project was designed to obtain a certificate of safety cage, allowing the vehicle to participate in sports racing. This required a demonstration of sufficient strength and rigidity, subjected to specific provisions of the load cases. To this end, a numerical analysis of the strength of the structure of the finite element method. The calculations showed that the safety cage made as the project may need to obtain a certificate of approval racing car equipped with it. Keywords: drive train, planetary gear, satellite wheel, gearing BIBLIOGRAFIA 1. Budzyński A.: Biuletyn GM System lipiec 2006, Gniew System, Przegląd rozwiązań rynku CAD/CAM/MES/CAE/PDM, Krótki wstęp do zastosowania MES do numerycznych obliczeń inżynierskich. 2. Ferenc K.: Spawalnictwo Wydawnictwa Naukowo - Techniczne Warszawa Rusiński E., Czmochowski J., Smolnicki T.: Zaawansowana metoda elementów skończonych w konstrukcjach nośnych. Wrocław: Politechnika Wrocławska, Załącznik J - MKS FIA Główna Komisja Sportu Samochodowego PZM Art Wyposażenie bezpieczeństwa (Grupa N, A, R-GT). 5. Załącznik J - MKS FIA Główna Komisja Sportu Samochodowego PZM Art. 255 A - Przepisy szczegółowe dla samochodów WRC. 6. Załącznik J - MKS FIA Główna Komisja Sportu Samochodowego PZM Art Regulamin techniczny dla samochodów sportowych produkcyjnych (Grupa CN). 2925