1. Wstęp W dzisiejszych czasach potrzeba przewożenia bagażu o niewielkich gabarytach, która wiąże się z szeregiem ograniczeń wynikających z konstrukcji samochodów osobowych przeznaczonych głównie do przewozu osób, oraz chęć uniezależnienia się od pojazdów dostawczych, spowodowała wzrost produkcji małych przyczep samochodowych, zwanych lekkimi. Dzięki nim możliwe jest przewożenie bagażu o zdecydowanie większej masie, objętości oraz wymiarach gabarytowych. Zastosowanie przyczepy zwiększa wielokrotnie stosunek masy całkowitej przewożonego bagażu do masy własnej samochodu, co daje bardzo korzystny wskaźnik, który przeciętnie wynosi 2,6. Przyjmując, że masa całkowita przyczepy bez hamulców nie może przekraczać połowy masy własnej samochodu (zgodnie z przepisami Kodeksu drogowego), można oszacować stosunek masy całkowitej bagażu do całkowitej masy zestawu samochód-przyczepa na około 0,4 w stosunku do możliwości samego samochodu przyczepa pozwala więc na zwiększenie masy bagażu sześciokrotnie. Natomiast dla przyczep z hamulcami wskaźnik ten jest jeszcze większy. Wyzwaniem dla konstruktorów staje się zatem projektowanie przyczep o coraz mniejszej masie własnej i zwiększonej wytrzymałości, które muszą odpowiadać obowiązującym normom i przepisom. W tym celu przeprowadza się szereg analiz i symulacji we wstępnej fazie produkcji za pomocą nowoczesnych systemów komputerowego wspomagania. W projekcie zastosowano zintegrowane środowisko projektowania Pro/Engineer, którego wyspecjalizowane moduły umożliwiają wspomaganie procesów projektowania począwszy od wstępnej koncepcji, poprzez modelowanie części i złożeń, badanie kinematyki i dynamiki, analizy wytrzymałościowe, termiczne, optymalizację, tworzenie dokumentacji technicznej, procesy wytwarzania i wiele innych, mających na celu uzyskanie najlepszego pod względem technologicznym produktu. 3
2. Cel i zakres pracy Celem niniejszej pracy było wykonanie modelu 3D oraz zbadanie pod względem wytrzymałościowym lekkiej przyczepy o zwiększonej ładowności do samochodu osobowego. Za pomocą wyspecjalizowanego oprogramowania firmy PTC Pro/Engineer przeprowadzono szereg analiz z wykorzystaniem Metody Elementów Skończonych. Metoda ta pozwoliła na dokonanie symulacji odkształceń, naprężeń oraz przemieszczeń występujących w modelu oraz po uzyskaniu wyników korektę geometrii i parametrów konstrukcyjnych pojazdu w celu zmniejszenia ilości błędów w procesie projektowania i podniesienia jakości wyrobu. W zakres pracy weszło: charakterystyka lekkich przyczep do samochodów osobowych, ze szczególnym uwzględnieniem: opisu urządzeń łączących przyczepę z samochodem, objaśnienia dynamiki ruchu samochodu z przyczepą, konstrukcji przyczep z doborem odpowiednich parametrów, wybór odpowiedniego oprogramowania komputerowego wspomagania projektowania, projekt modelu powierzchniowego, dyskretyzacja modelu w programie Pro/MECHANICA definicja warunków brzegowych oraz obciążenia z uwzględnieniem dynamiki ruchu samochodu z przyczepą, definicja własności materiałowych, przeprowadzenie analizy wytrzymałościowej przyczepy, symulacja oraz wizualizacja odkształceń, naprężeń oraz przemieszczeń utworzonego modelu przyczepy z zastosowaniem środowiska systemu Pro/Engineer. 4
3. Analiza źródłowa tematu Przyczepy do samochodów osobowych są ważnym sprzętem transportu drogowego. Pozwalają na zwiększenie możliwości przewozowych pojazdu. Ich stosowanie zwiększa także walory eksploatacyjne samochodu. Można bowiem po docelowym przebiegu z bagażem, ograniczyć dalszą eksploatację pojazdu do jazdy bez przyczepy, co pozwoli na oszczędności w zużyciu paliwa, ułatwienie manewrowania i parkowania samochodem. Materiały dotyczące całokształtu zagadnień związanych z projektowaniem i budową przyczep, począwszy od klasyfikacji, poprzez obowiązujące przepisy i zalecenia, analizy trakcyjne, aż do przedstawienia szczegółowych rozwiązań konstrukcyjnych są szeroko omówione w literaturze polskiej [18] oraz zagranicznej. Można wymienić pozycje z Francji [21], Niemiec [22] oraz Anglii [23]. Wiele miejsca jest poświęcone również szybko rozwijającemu się w Polsce karawaningowi charakterystyce tego typu specjalistycznych przyczep [19, 20]. 3.1. Charakterystyka przyczep do samochodów osobowych Przewóz bagażu samochodem osobowym łączy się z szeregiem ograniczeń wynikających z konstrukcji pojazdu, którego zasadniczym przeznaczeniem jest przewóz osób. Ograniczenia te odnoszą się do masy bagażu, jego objętości oraz maksymalnych wymiarów. Dodatkowe ograniczenia wynikać mogą na przykład z obawy o zabrudzenia wnętrza bagażnika przewożonym bagażem lub obawy o zepsucie bagażu (np. żywności) umieszczonego w zamkniętej przestrzeni, bez dostatecznego przewietrzenia. Zastosowanie takich przyczep daje możliwość zwiększenia masy przewożonego bagażu (w małych samochodach osobowych ograniczonej do około 40 kg, w dużych do 70 kg), jego objętości (bagażniki samochodów osobowych mają objętość nie większą niż 400 500 dm 3 ) i wymiarów gabarytowych. 5
Powszechne stosowanie przyczep lekkich do przewożenia różnorodnego bagażu spowodowało, że powstały liczne ich odmiany konstrukcyjne [1]. Wśród najbardziej rozpowszechnionych należy wyróżnić: przyczepy bagażowe, przeznaczone do przewożenia bagażu jednostkowego lub drobnego, na platformie lub w skrzyni, a także materiałów sypkich (rys. 1 a, b, c, d, e), przyczepy podłodziowe, przeznaczone do przewożenia małych jednostek pływających (rys. 1 f), przyczepy uniwersalne, mogące spełniać dwie wymienione wyżej funkcje przez zmianę elementów nadwozia na uniwersalnej ramie podwozia (rys. 1 a, b, c, d, e, f), przyczepy kempingowe (rys. 1 g, h j), przyczepy specjalizowane, przeznaczone do transportu specjalnego ładunku lub zbudowane w określony sposób, zależny od spełnianej funkcji (rys. 1 k, l, m, n). Rys. 1. Rodzje przyczep stosowanych do samochodów osobowych [1] 6
3.1.1. Podział przyczep Wyznacznikiem podziału przyczep jest ich masa całkowita, będąca sumą masy własnej (z wyposażeniem) oraz przewidywalnej ładowności. Według Kodeksu drogowego [2], wśród przyczep przewidywanych do ciągnięcia przez samochody osobowe wyróżnia się: przyczepy lekkie o masie całkowitej mniejszej niż 750 kg, przyczepy o masie całkowitej większej niż 750 kg, lecz nie przekraczającej 3500 kg, w których dopuszcza się stosowanie hamulców typu bezwładnościowego (najazdowego) działających na koła jednej osi, pod warunkiem że pojazd ciągnący ma masę całkowitą nie mniejszą niż 1,33 dopuszczalnej masy całkowitej przyczepy. W przypadku stosowania hamulców roboczych innego typu, masa całkowita przyczepy ciągniętej przez samochód osobowy nie może być większa niż masa całkowita pojazdu ciągnącego. 3.1.2. Dopuszczalne wymiary przyczep Kodeks drogowy określa gabarytowe wymiary przyczep, natomiast inne parametry konstrukcyjne w sposób szczegółowy określają Polskie Normy [3] oraz Normy Branżowe [4]. I tak: długość zestawu składającego się z pojazdu ciągnącego i przyczepy nie może przekraczać 18 m, długość przyczepy nie może przekraczać 12 m, szerokość przyczepy może wynosić maksymalnie 2,5 m, wysokość przyczepy nie powinna przekraczać 4 m, dopuszczalne wymiary przyczepy podane są na rys. 2; szerokość największa Bp nie obejmuje świateł umieszczonych na bokach przyczepy, a największa wysokość H mierzona powinna być przy przyczepie obciążonej; poszczególne wymiary według charakterystyki przyczepy to: rozstaw kół b, długość z dyszlem Ld, 7
długość bez dyszla L, długość sprzęgowa Ls (L4 + L6), szerokość Bp, wysokość H, prześwit poprzeczny (nie zalicza się bębnów hamulcowych), prześwit podłużny, zwis tylny L6, kąt zejścia, wznios ramy, wznios powierzchni ładowania, wznios mechanizmu sprzęgowego (zaczepu) hh, wysięg dyszla L4, długość, szerokość i wysokość pomieszczenia ładunkowego (wymiary wewnętrzne), zbieżność kół (jeśli zawieszenie jest niezależne). Rys. 2. Geometryczne warunki konstrukcyjne dla przyczep lekkich [1] 8
3.1.3. Ogólne warunki techniczne budowy przyczep Przyczepy powinny być tak zbudowane, aby korzystanie z nich: nie zagrażało bezpieczeństwu i nie narażało na szkodę innych uczestników ruchu drogowego, nie naruszało porządku ruchu na drodze, nie powodowało niszczenia drogi, zapewniało dostateczne pole widzenia kierowcy. Przyczepa powinna być wyposażona w urządzenia zapewniające jej trwałe połączenie z pojazdem ciągnącym, zapewniające bezpieczne ciągnięcie i wykluczające samoczynne rozłączanie się. Niezbędnym warunkiem jest wyposażenie przyczepy w światła, a także w prawidłowo funkcjonujące hamulce (o ile są wymagane). Na powierzchniach zewnętrznych i wewnątrz przyczepy nie mogą znajdować się wystające lub ostro zakończone części i elementy, które w razie wypadku mogłyby zwiększyć niebezpieczeństwo uszkodzenia innych pojazdów względnie uczestników ruchu. 3.1.4. Urządzenia łączące przyczepę z samochodem Wymagania odnośnie tych urządzeń określają normy: PN-ISO 1103:2000. Pojazdy drogowe. Kule sprzęgające do ciągnięcia przyczep kempingowych i przyczep lekkich. Wymiary. PN-ISO 3853:1998. Pojazdy drogowe. Urządzenia sprzęgające pojazdów ciągnących do ciągnięcia przyczep kempingowych lub przyczep lekkich. Badanie wytrzymałości mechanicznej. 3.1.4.1. Wymagania techniczne Wymagania techniczne dotyczące urządzenia łączącego przyczepę z samochodem są następujące: zaczepy nie powinny mieć wad i uszkodzeń mechanicznych, mogących wpłynąć na obniżenie jakości ich działania, wytrzymałość i trwałość, 9
połączenia zgrzewne oraz spawane powinny być bez wad, połączenia śrubowe powinny być odpowiednio dokręcone i zabezpieczone, wszystkie ostre krawędzie powinny być stępione. 3.1.4.2. Wymagania odnośnie działania mechanizmu sprzęgającego Działanie mechanizmu sprzęgającego określają następujące wymagania: powinien działać bez zacięć, opór występujący przy zamykaniu kuli nie powinien stwarzać trudności w ręcznej obsłudze, zamknięta kula powinna znajdować się w gnieździe bez luzu, ruchoma część gniazda powinna przylegać do kuli zamkniętej w gnieździe, mechanizm zamykający kulę powinien blokować się w położeniu zamkniętym, niedopuszczalne jest samoczynne zwolnienie zamknięcia kuli, zaczep powinien mieć dodatkowe zabezpieczenie przed samoczynnym zwolnieniem zamkniętej kuli oraz przed zwolnieniem zamkniętej kuli przez osoby niepowołane. Rys. 3. Zaczep kulowy sprzęgający oraz kierunki działania sił wymuszających [5] Siła P potrzebna do wyrwania kuli z gniazda (rys. 3a) powinna spełniać nierówność opisaną wzorem: P>2WS, (1) gdzie: Ws dopuszczalny statyczny nacisk pionowy na gniazdo kuli, 10
Ws = 30 dan (kg) dla przyczep o masie do 430 kg, Ws = 7% Wr (dan) dla przyczep o ciężarze Wr odpowiadającym masie od 431 kg do 1700 kg, Ws = 120 dan (kg) dla przyczep o masie od 1701 do 3500 kg. Zaczepy poddaje się badaniom zmęczeniowym na stanowisku badawczym. Działanie zmiennej siły ± 0,5 D przez 2 10 6 cykli nie powinno wykazać żadnych uszkodzeń czy odkształceń, przy czym działanie mechanizmu powinno być nadal prawidłowe. Siłę D (o kierunku działania pokazanym na rys. 3b) określa zależność: D W r = Wm, (2) Wm + Wr gdzie: Wm ciężar (dan) odpowiadający masie całkowitej maksymalnej Mm (kg) samochodu (liczbowo Mm = Mm), Wr ciężar (dan) odpowiadający masie całkowitej maksymalnej Mr (kg) przyczepy (liczbowo Wr = Mr). Na rys. 4 przedstawiono wymiary kulowego haka holowniczego [5]. Rys. 4. Wymiary kulowego haka holowniczego [1] 3.1.5. Dynamika ruchu samochodu z przyczepą Znajomość punktów przyłożenia, kierunków i wielkości sił działających na przyczepę w ruchu jest konieczna, aby określić skutki ich działania. Ocena wielkości sił może być dokonana na podstawie praw mechaniki, szczególnie 11