Содержание к диссертации
Введение
1 Современное состояние проблемы и задачи исследования 16
1.1 Общие сведения об особенностях конструкции и технологии изготовления колес из алюминиевых сплавов 16
1.1.1. Особенности конструкции 18
1.1.2. Технология изготовления 21
1.2 Условия эксплуатации и виды разрушения литых алюминиевых колес 26
1.2.2. Нагрузки, действующие на колесо 28
1.2.3. Виды разрушения литых алюминиевых колес в эксплуатации при ударе 32
1.3 Обзор существующих методов исследования колес 34
1.3.1. Экспериментальные методы исследований 36
1.3.2.Сертификационные испытания и нормативные требования 39
1.3.3. Расчетные методы 44
Основные цели и постановка задач диссертации 49
2 Экспериментальное исследование напряженно-деформированного состояния колеса при боковом ударе 51
2.1 Особенности объекта исследований 52
2.2 Испытания при нагружении колеса на гидравлическом стенде статической нагрузкой 53
2.2.1. Описание испытательного стенда
2.2.2. Аппаратура для измерения деформаций 54
2.2.3. Методика проведения экспериментов 55
2.3 Испытания при ударном нагружении (боковой удар) 61
2.3.1. Описание стенда 61
2.3.2. Методика проведения и результаты ударных испытаний... 62
2.4 Сравнительный анализ результатов статических и ударных испытаний в условиях бокового удара 66
Выводы по второй главе 68
3 Экспериментальное исследование напряженно-деформированного состояния колеса при косом ударе под углом в 30 70
3.1 Особенности объекта исследований 71
3.2 Методика проведения статических и динамических
испытаний 72
3.2.1. Описание стенда для проведения испытаний 72
3.2.2. Аппаратура для измерения деформаций 74
3.2.3. Методика подготовки и проведения испытаний 75
3.3 Анализ результатов экспериментальных исследований... 79
3.3.1. Результаты статических испытаний 19
3.3.2. Результаты испытаний колес на косой удар 81
Выводы по третьей главе 88
4. Разработка методики приближенного расчетного анализа ндс колеса при ударе ... 90
4.1 Расчет колеса при статическом нагружении, в условиях бокового удара 90
4.2 Статический расчет колеса при нагрузке в условиях стенда для косого удара, действующей под углом 30 к оси колеса... 94
4.3 Сравнительный анализ результатов эксперимента и приближенного расчета деформаций при ударе в литых алюминиевых колесах с использованием среднего коэффициента динамичности 103
4.4 Методика инженерной расчетной оценки соответствия для литого алюминиевого колеса требованиям сертификационных испытаний на удар 106
4.4.1. Общие положения 106
4.4.2. Методика применения приближенной оценки сопротивления литого алюминиевого колеса ударному
нагружению 107
Выводы по четвертой главе 109
Основные результаты и выводы 111
Список использованных источников
- Условия эксплуатации и виды разрушения литых алюминиевых колес
- Аппаратура для измерения деформаций
- Описание стенда для проведения испытаний
- Сравнительный анализ результатов эксперимента и приближенного расчета деформаций при ударе в литых алюминиевых колесах с использованием среднего коэффициента динамичности
Введение к работе
Актуальность темы. В процессе эксплуатации колеса автомобилей подвергаются различным нагрузкам, которые отрицательно влияют на прочность, долговечность, надёжность не только самой конструкции колеса, но и на безопасность эксплуатации автомобиля в целом. Нагрузки, действующие на колесо, зависят от различных факторов и, прежде всего, от массы автотранспортного средства, скорости и условий его движения, а также от качества дорожного покрытия. В результате наезда автомобиля на различные препятствия, при заносе или столкновении с другим автомобилем колеса подвергаются ударным воздействиям. При ударе динамические усилия в колесе существенно превышают нагрузки, возникающие при обычном движении по дороге, и могут привести к изменению формы колеса, возникновению в нем трещин, к частичному или даже полному его разрушению.
В связи с этим к колесам предъявляются повышенные требования по характеристикам прочности при ударе, которые регламентируются различными нормативными документами (например, ГОСТ Р 50511-93). Вместе с тем, вопросы прочности автомобильных колес при ударных воздействиях, в отличие от случаев статического и циклического нагружения, изучены не достаточно полно. Экспериментальные исследования деформированного состояния (ДС) колеса на удар до настоящего времени практически не проводились из-за отсутствия соответствующих методик скоростной фиксации деформаций, стендов для испытаний колес на удар, оснащенных соответствующей аппаратурой, а также ввиду сложности создания реальных условий нагружения и закрепления колеса.
В производстве легковых, а в последнее время и грузовых автомобилей, широкое применение получили колесные диски из алюминиевых сплавов, изготавливаемые путем штамповки (ковки) или литья. Основными достоинствами колес из алюминиевых сплавов, по сравнению со стальными колесами, являются относительно малый вес, повышенная твердость и разнообразие дизайна. Наряду с этими очевидными преимуществами алюминиевые колеса имеют ряд недостатков, которые не свойственны стальным колесам. Прежде всего, это сравнительно низкая трещиностойкость и меньшая пластичность.
В связи с этим для алюминиевых литых колес, в отличие от стальных, обязательным требованием при их сертификации является проведение испытаний на удар.
Таким образом, разработка методов и средств экспериментального исследования литых алюминиевых автомобильных колес на ударные нагрузки, проведение стендовых испытаний таких колес на удар и установление связи между деформациями в колесе при ударе и деформациями, определенными при статическом приложении нагрузки, являются актуальными темами исследований.
Цель настоящей работы: экспериментально-расчетное исследование деформированного состояния и динамического поведения литых алюминиевых автомобильных дисковых колес при ударном нагружении; разработка инженерной методики сравнительного анализа напряженно-деформированного состояния (НДС) при ударном нагружении конструкций литых автомобильных колес на стадии их проектирования и доводки.
Для достижения цели в работе были поставлены и решены следующие основные задачи:
1) разработка методик для исследования деформированного состояния в литом алюминиевом колесе методом тензометрии при статическом и ударном нагружениях в условиях сертификационных испытаний (на стенде для испытаний на боковой и косой удары);
2) анализ результатов испытаний литых алюминиевых колес с использованием статистической обработки экспериментальных данных по деформациям, оценка точности эксперимента;
3) сравнение результатов экспериментов с расчетными данными для статического нагружения, полученными методом конечных элементов (МКЭ), и анализ адекватности созданных конечно-элементных (КЭ) моделей для расчета колес при статических нагрузках на стендах для испытаний на удар;
4) анализ влияния шины на поведение колеса при его статическом и динамическом нагружениях в условиях стендовых испытаний на удар;
5) исследование динамического поведения материала конструкции литого колеса при ударе;
6) разработка инженерной методики использования результатов расчетов колеса при статическом нагружении в условиях стендовых испытаний для прогнозирования деформирования конструкции колеса при ударе с помощью коэффициентов динамичности с целью сокращения сроков и стоимости доводки конструкций колес.
Объект исследования. Исследуемым объектом являются литые колеса, изготовленные из высокопрочного алюминиево-кремниевого сплава, типа 7Jх16H2 (с пятью крепежными отверстиями и десятью спицами) и типа 5Jx14 (с четырьмя крепежными отверстиями и шестью спицами), предназначенные для автомобилей среднего класса.
Научная новизна:
-
Разработаны методики экспериментального исследования деформированного состояния литых алюминиевых колес автомобилей на стендовом оборудовании, позволяющие анализировать поведение колес при боковом и косом ударах.
-
Впервые проведены экспериментальные исследования типовых литых алюминиевых колес различной конфигурации на стендах при статических и ударных нагрузках, позволившие выявить деформированное состояние колеса. Исследовано влияние шины, зоны приложения и направления нагрузки на ДС колеса, а также оценена адекватность разработанных КЭ моделей для расчета колес при статическом нагружении.
-
Впервые проведены исследования особенностей динамического поведения материала конструкции литого алюминиевого колеса при ударе; сделана оценка характеристик затухания и поглощения колебаний в материале колеса; выявлено, что данные характеристики, главным образом, зависят от свойств материала колеса, практически не зависят от его конструкции и могут быть использованы в моделях динамики автомобиля.
-
На основе экспериментальных исследований колес на боковой и косой удары впервые введено понятие среднего значения коэффициента динамичности литых алюминиевых колес различной конструкции, и определена его величина.
-
Предложена инженерная методика приближенной оценки деформирования литого алюминиевого колеса при ударе в условиях сертификационных испытаний, основанная на расчете НДС колеса по МКЭ при статических нагрузках с учетом среднего коэффициента динамичности.
Практическая значимость работы. На основе проведенных исследований предложена инженерная методика проведения экспериментально-расчетного анализа НДС автомобильного диска для типовых случаев ударного нагружения, основанная на результатах расчета НДС в условиях статического приложения ударной нагрузки и рекомендуемых значений коэффициентов динамичности. Использование разработанной методики позволяет существенно сократить время и расходы на вычислительные процедуры при проектировании и доводке конструкции колесного диска. Данные исследований могут быть использованы для анализа результатов сертификационных испытаний колес и для экспертизы в случаях их разрушения при эксплуатации. Также разработанные методики позволяют проводить аналогичные исследования колес на удар. Полученные представления о динамическом поведении материалов литых алюминиевых колес могут использоваться для разработки динамических моделей автомобиля при исследовании его столкновений с препятствием, а также для построения моделей динамического поведения колеса с шиной при расчетах подвески и колебаний автомобиля.
Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы были внедрены в ООО «Криста - Системинвест» для расчетов при проектировании колесных дисков нового поколения, учитывались при разработке технического регламента «О безопасности колесных транспортных средств», используются в учебном процессе кафедры строительной механики и кафедры эксплуатации автомобильного транспорта и автосервиса МАДИ. Также результаты работ были использованы при выполнении НИР «Научно-образовательный центр по проблемам безопасности в автотранспортном комплексе МАДИ» по Федеральным целевым программам «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» в 2010 и 2011 гг.
Методы исследования. При выполнении диссертационной работы были использованы основные положения теории сопротивления материалов, строительной механики, теории удара, расчетные методы с использованием вычислительного комплекса Basys+ (МАДИ) и лицензионного комплекса МКЭ MSC.Nastran, а также методы экспериментальной механики.
Достоверность полученных результатов обеспечена: корректностью постановки задач; обоснованностью использованных теоретических положений и принятых допущений; применением известных и апробированных вычислительных комплексов МКЭ; верификацией расчетов МКЭ на основе сравнения с результатами экспериментов; внедрением колеса типа 7Jх16 в эксплуатацию и отсутствием его отказов по причине ударного разрушения.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Первой Международной Азиатской конференции IFToMM (Тайвань, октябрь 2010 г.), на ежегодных учебно-методических и научных конференциях ГТУ «МАДИ» (Москва, 2009–2012 г.), на Международной молодежной научной конференции МИКМУС-2011 (Москва, ИМАШ РАН, декабрь 2011 г.), на Международной научно-технической конференции ААИ «Автомобиле- и тракторостроение в России» (Москва, МГТУ «МАМИ», март 2012 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, из них 3 в изданиях, рекомендованных Перечнем ВАК РФ.
Научные положения и результаты, выдвигаемые на защиту:
-
Методики экспериментального исследования деформированного состояния литых алюминиевых колес автомобилей на стенде при различных условиях статического и ударного нагружения (на основе тензометрии).
-
Экспериментальное исследование влияния шины на деформированное состояние колеса при статической и ударной нагрузках (при боковом и косом ударах).
-
Результаты сравнительного анализа данных, полученных при стендовых испытаниях литых алюминиевых колес при статическом и ударном нагружении, и расчетов колес, проведенных по МКЭ при статическом нагружении.
-
Экспериментальная методика определения коэффициентов динамичности литых автомобильных колес для двух типовых случаев приложения ударной нагрузки – бокового и косого ударов.
-
Обоснование введения единого значения среднего коэффициента динамичности для литых колес из алюминиево-кремниевых сплавов на основе анализа динамического поведения исследуемых колес при ударе и определения характеристик динамического процесса.
6. Инженерная методика определения НДС колеса при ударе, в которой используются результаты статического расчета НДС колеса с помощью МКЭ и полученный средний коэффициент динамичности.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы (128 наименований) и двух приложений. Текст диссертации изложен на 132 страницах машинописного текста, содержит 16 таблиц и 48 иллюстраций.
Условия эксплуатации и виды разрушения литых алюминиевых колес
Идея применения легких сплавов, в частности алюминиевых, в качестве конструкционного материала для изготовления колес транспортных средств, возникла еще в двадцатых годах двадцатого века, как только начались первые спортивные автомобильные состязания, в 30-50-х годах прошлого века алюминиевые колеса стали устанавливаться на спортивные гоночные автомобили. Для обычных легковых автомобилей колеса из легких сплавов стали применяться за рубежом в 60-х - 90-х годах, сначала для легковых, а позднее и для грузовых автомобилей.
В отечественной промышленности производство колес на основе алюминиевых, магниевых или титановых сплавов началось в конце 80-х годов. Широкое распространение алюминиевых материалов при изготовлении автомобильных колес связано с тем, что колеса из легкосплавных материалов значительно легче стальных и имеют значительно меньший момент инерции. Так как колеса относятся к неподрессоренным массам автомобиля, то снижение этих параметров улучшает его динамику, в частности динамику разгона и торможения, плавность хода, управляемость и уменьшает воздействие на подвеску.
Наибольшее применение находят сейчас колеса из алюминиевых сплавов - литые и штампованные. Попытки применения других легких сплавов (магниевых, титановых) не получили широкого распространения, магниевые - из-за проблем с коррозией, а титановые из-за трудностей преодоления проблемы трещиностойкости и высокой стоимости.
Штампованные алюминиевые дисковые колеса, изготавливаемые обычно целиком методом объемной горячей штамповки, имеют более высокие относительные (по отношению к удельной грузоподъемности) прочностные характеристики. Они изготавливаются из алюминиево-магниевых сплавов, обладающих весьма высокими прочностными характеристиками, и, соответственно, позволяют в полной мере реализовать весовые преимущества. Однако, по причине значительной сложности технологического процесса, необходимости использования уникального прессового оборудования, больших энергетических затрат и расхода материала, и, следовательно, высокой себестоимости, эти колеса в большей степени применяются на автомобилях спортивного типа и дорогих моделях. В последнее время появились сборные колеса - штампованная (или литая) центральная часть и обод, получаемый методом раскатки, соединенные сваркой, или колеса с болтовым соединением центральной части колеса с ободом.
Однако перечисленные конструкции обладают простыми формами, в то время как колесо является важной составляющей дизайна автомобиля. В связи с этим началось производство колес методами литья из алюминиевых литейных сплавов, причем в последнее время литые колеса современных легковых автомобилей могут иметь весьма причудливый дизайн. Если, начиная с 90х годов прошлого века, наружный диаметр колес обычно не превышал 13-14 дюймов (обычно принятая система измерения размеров колеса), то в настоящее время диаметр литых колес для легковых автомобилей уже может превышать 20 дюймов. В то же время все большее количество автомобильных фирм применяют литые алюминиевые колеса для грузовых автомобилей и автобусов, обычная размерность - 22,5 дюймов, которые имеют более простые формы, однако их масса меньше массы стальных колес той же размерности почти на 40%..
Процентное отношение между алюминиевыми колесами отечественных производителей видно из диаграммы, приведенной на рисунке 1.1. Важно отметить общую тенденцию роста потребности в колесах из легких сплавов.
Применение литых алюминиевых сплавов для производства колес вызывает, как уже говорилось во Введении ряд проблем, и в первую очередь наименее исследованным является сопротивление колеса ударным нагрузкам - удару. В связи с этим в качестве объекта исследований нами были выбраны литые алюминиевые дисковые колеса легковых автомобилей как наиболее часто применяемые в эксплуатации, и настоящее исследование посвящено проблеме оценки поведения колеса при ударе, так как наименее исследованное сопротивление колеса удару во многом определяет безопасность эксплуатации автомобиля. Ниже применительно к рассматриваемой проблеме мы кратко остановимся на описании конструктивных особенностей литых алюминиевых колес, технологии их изготовления, усилиях воздействующих на колеса в эксплуатации и дадим анализ существующих методов расчетных и экспериментальных исследований прочности алюминиевых литых колес.
Аппаратура для измерения деформаций
Европейская экономическая комиссия - ЕЭК ООН в сотрудничестве с технической организацией европейских производителей шин и ободьев в 1975 г. приняла Правила №124 ЕЭК ООН [43], определяющие перечень и правила проведения типовых испытаний колес автомобилей, терминологию, обозначения (маркировку). В 2007 г. приняты добавления к этим правилам [43] - «Единообразные предписания, касающиеся официального утверждения колес для легковых автомобилей и их прицепов». В этом документе наряду с обычными испытаниями на коррозию и усталость введены обязательные испытания алюминиевых дисковых колес на удар, согласно Приложению 8. Первоначально удар регламентировался как косой под углом 13 к плоскости колеса с шиной (считается, что в основном он имитирует удар при наезде на
Ударный элемент стенда должен находился над шиной и перекрывать закраину обода на 25±1 мм. Ударный элемент поднимается на высоту 230± 2 мм над наивысшей точкой закраины обода и отпускается в свободном падении. Дана принципиальная схема стенда для испытаний на удар.
Считается, что колесо не выдержало испытания, если отмечается любое из следующих явлений: a) одна или несколько видимых трещин уходят вглубь центрального элемента колеса в сборе;
Наличие деформации колеса или трещин в зоне той части обода, на которую пришелся удар лицевой частью ударного элемента, не означает, что колесо не выдержало испытания. Отметим, что в России основным нормативным документом, регламентирующим испытания алюминиевых колес на прочность при различных условиях нагружения, является ГОСТ Р 50511-93 «Колеса из легких сплавов для пневматических шин. Общие технические условия» [27], разработанный совместно коллективами МАДИ (ГТУ) и ГНЦ РФ НАМИ. Позднее ВНИИНМАШ был разработан также ГОСТ Р 52390 - 2005 «Транспортные средства. Колеса дисковые. Технические требования и методы испытаний». Отличие этих стандартов не большое, последний по сути в части испытаний на удар является обобщением стандарта ЕЭК ООН и ГОСТ Р 50511-93. На практике при сертификации литых алюминиевых дисков используются правила ГОСТ Р 50511-93, где обязательными являются испытания дисков из легких сплавов на удар под углом 30. В соответствии с ГОСТ 50511-93 [27] испытания на косой удар моделируют наезд под углом в 30 к оси колеса на препятствие условного автомобиля, имеющего массу около 1000 кг со скоростью 60 км/ч. Испытания проводятся на специальных стендах, на которых колесо устанавливается под углом в 30 и крепится к стойке, имитирующей ступицу автомобиля. Признаются также и испытания под углом 13 . Испытания проводятся на колесе с шиной при свободном падении масс, шина выбирается наименьшего размера из рекомендованных для установки на данное колесо изготовителем. Груз состоит из двух масс, взаимодействующих чрез винтовую пружину, имитирующую жесткость подвески, размеры контактной плоскости ударного элемента (152 - 300)х280 мм. Основная масса груза должна составлять 960 кг, а дополнительная - 100 кг, суммарная жесткость пружин - (0,98 - 1,3) кІІ/мм. Высота падения груза, в отличие от фиксированной в [27], определяется в зависимости от заявленной нагрузки на колесо по формуле (здесь сохранены обозначения ГОСТ):
При расчетных значениях высот меньше 64 мм для колес легковых автомобилей и 127 мм - для грузовых, значения h принимаются равными 64 и 127 мм, соответственно. Принципиальная схема стенда для испытаний колеса на удар, как она приведена в ГОСТ Р 52390 - 2005 показана на рисунке - крепление колеса; 9 - опора колеса; 10 - внешняя закраина обода Отметим, что при сложной спицевой конструкции колеса нормами предписывается проведение испытаний ударом по закраине колеса как против спицы, так и между спицами.
В отечественной и зарубежной практике испытания, при которых ударное нагружение прикладывается к закраине колеса в направлении оси его вращения («осевой» удар) были приняты в качестве сертификационных в восьмидесятые - девяностые годы прошлого столетия. В последующем этот тип испытаний в России проводился только в исследовательских целях. За рубежом испытания на боковой удар продолжают регламентироваться отраслевым стандартом BMW и японским стандартом JSA JIS D 4103-1998 [126], ряд отечественных производителей литых алюминиевых дисковых колес, например крупный производитель алюминиевых литых колес «КиК» позиционируют испытания на удар под 90 в качестве дополнительного нового средства для подтверждения качества своей продукции.
В Великобритании предложен стандарт [123], в котором предусмотрено испытание на косой удар под углом 13 свободно падающим грузом с установленной высоты - Н=0,23 м, а масса падающего груза определяется по формуле масса, приходящаяся на одно колесо автомобиля. В этом случае учитывается влияние реальной нагрузки от массы автомобиля и не учитывается влияние монтажного размера колеса, который никак не связан с грузоподъемностью. Испытания колеса для контроля жесткости закраины обода проводятся путем внедрения стального сферического наконечника (индентора) в закраину колеса, эти испытания также регламентируются ГОСТ 50511-93 [27] и рекомендациями ISO, SAE [124,126].
В японском промышленном стандарте JASO С 608-75 [125], высота падения массы определяется по формуле Н=кхМ [м], где М - масса, падающая на колесо, к - эмпирический коэффициент, зависящий от грузоподъемности автомобиля (для легкового автомобиля к=0,03), что практически совпадает с требованиями [27].
Наиболее высокие требования к колесам для легковых автомобилей с объемом двигателя 1600 - 2000 см3 предъявляются стандартом США ASTM SAEJ175-1996[128].
Ударные испытания могут проводиться на стендах с регулируемым углом установки колеса (в 13, 30 или 90). На рисунке 1.11 приведены фотографии некоторых стендов (японского, итальянского и российского -МАДИ - ИЛКА), которые удовлетворяют требованиям, предъявляемыми национальными стандартами.
Описание стенда для проведения испытаний
В силу слабо выраженной нелинейности поведения материала колеса в пределах нормативной нагрузки при ударе и незначительного разброса значений отношений Єдин / єст, вычисленных в различных точках, и с учетом вышесказанного предлагается ввести в рассмотрение приближенное понятие среднего коэффициента динамичности Кд для литого алюминиевого колеса, который рассчитывается по средним значениям экспериментально соображения позволяют предположить, что значение средний коэффициент динамичности является общим для всех литых колес из алюминиевых сплавов, что связано с высоким показателями внутреннего трения в этом материале и практически не зависит от конструкции колеса. Представления о независимости в определенных пределах для систем с одной степенью свободы динамического поведения объекта при свободных и вынужденных (после приложения импульсной нагрузки) колебаниях с внутренним трением в материале от конструкции приведены в частности в работах Я.Г.Пановко [74]. Это позволяет предположить, что использование экспериментально полученного коэффициента динамичности позволит прогнозировать поведение колеса при ударе (НДС) на основе результатов статического расчета и использовать такой подход на стадии проектирования при сравнительном анализе вариантов конструкций. Для анализа и подтверждения этих соображений в следующей главе (глава 3) приведены результаты исследований другой конструкции колеса и при другом виде удара - при «косом» ударе.
Во второй главе диссертации изложена разработанная методика экспериментального исследования ДС алюминиевого литого колеса в условиях ударного и статического нагружений при осевом приложении нагрузки (боковой силой), разработаны схемы приложения нагрузки и выполнен анализ деформированного состояния методом статической и динамической тензометрии. На базе гидравлического пресса был сформирован стенд для проведения испытаний на статическую нагрузку, позволивший определить особенности ДС в колесе при испытаниях соответствующих стандартным испытаниям на жесткость закраины обода.
По результатам выполненных исследований можно сформулировать следующие основные выводы: - величины прогибов и НДС в зоне приложения нагрузки мало зависит от места ее приложения ( по спицам и между спицами); - полученная картина НДС показывает, что максимальные значения напряжений и деформаций возникают на закраине обода близко к месту нагружения, и далее по колесу практически не распространяются, и таким образом, пластическая деформация при значительной величине нагрузки носит местный характер; - при нагрузке, соответствующей статической для ударных испытаний, независимо от места ее приложения материал колеса работает еще в упругой области; - сделано предположение, что отношение деформаций, определенных при статическом нагружении усилием, соответствующим статической нагрузке при ударных испытаниях, к деформациям при ударе в различных точках колеса практически не зависит от его конструкции и определяется в большей степени поглощающей способностью материала литого алюминиевого колеса, что позволяет ввести понятие среднего коэффициента динамичности Кдср. который для данного колеса определен как Кдср 9,85; - исследования показали, что проведенный анализ динамического поведения алюминиевого литого колеса требует дальнейшего исследования при другом виде удара (косом ударе) и для колеса другой, более сложной конструкции.
В данной главе описываются экспериментальные исследования ДС колеса современной конструкции из литого алюминиево-кремниевого сплава при ударе, ударная нагрузка приложена под углом в 30 к оси вращения колеса. Эти испытания в настоящее время (см. раздел 1. 2.3) являются основными испытаниями на удар по ГОСТ Р 50511-93 [27]. Исследования проводились на стенде МАДИ, аккредитованном для испытаний на косой удар по ГОСТ Р 50511-93.
Для исследований было выбрано отличное от рассмотренного в главе 2 литое алюминиевое колесо современной конструкции со сложным дизайном, которое в настоящее время внедрено в эксплуатацию. Испытания при статическом и динамическом нагружении на стенде проводились с использованием метода статической и динамической тензометрии, что позволило проверить адекватность расчетных моделей статического нагружения колеса, полученных с помощью МКЭ. Анализ деформированного состояния колеса при ударе с шиной и без шины позволил оценить влияние шины на поведение колеса при ударе. Сравнение деформаций при ударном и статическом приложении нагрузки дало возможность проверить высказанное в главе 2 предположение о возможности использования среднего значения отношений этих деформаций в качестве приближенного среднего коэффициента динамичности и предположение о практической независимости этого коэффициента от конструкции колес из литого алюминиевого сплава.
Определение экспериментально полученного среднего коэффициента динамичности и проверка адекватности расчетной модели МКЭ позволили (глава 4) предложить инженерную методику оценки НДС колеса при ударе в условиях сертификационных испытаний. В этой главе содержатся также результаты исследования динамического поведения колеса при ударе, что позволило оценить демпфирование в материале, поглощающую способность литого алюминиевого сплава в конструкции колеса и выяснить наличие зависимости динамического поведения колеса от его конструкции.
В качестве исследуемого объекта было выбрано литое алюминиевое колесо (рисунок 3.1) размерности 7Jxl6 (ширина обода 7 дюймов и посадочный диаметр 16 дюймов), предназначенного для установки на легковые автомобили с максимальной статической нагрузкой на колесо до 6900 Н, и допускающее установку бескамерных шин с шириной профиля 205-235 мм. Расчетный вес колеса в зависимости от исполнения лежит в диапазоне от 10 до 10,4 кг. В колесе на диаметре (PCD) в 114,5 мм расположено пять крепежных отверстий, вылет обода (ЕТ) составляет 35 мм. Данное колесо было разработано ЗАО «КРИСТА» совместно с МАДИ и внедрено в эксплуатацию с торговой маркой «ГЕФЕСТ». Для изготовления колеса использовался литейный алюминиево-кремниевый сплав АК-9 «КРИСТА» с технологией литья с противодавлением (ЛПД); свойства сплава на образцах, вырезанных из колес были приведены выше в таблице 1.3.
Колесо имеет десять вогнутых радиальных спиц, продленных от бортовой закраины обода до центральной части колеса, где их объединяет розетка из пяти литых колодцев овальной формы. Кромки спиц с лицевой стороны колеса имеют выпуклые поверхности, которые замыкаются с аналогичными канавками соседних спиц в центре колеса. Каждый колодец около крепежных отверстий оформлен овальным выступом переменной высоты, переходящим в кольцевой выступ вокруг центрального отверстия колеса. Таким образом, колесо имеет достаточно причудливый дизайн и получение расчетной модели МКЭ здесь не представляется тривиальным.
Сравнительный анализ результатов эксперимента и приближенного расчета деформаций при ударе в литых алюминиевых колесах с использованием среднего коэффициента динамичности
В результате расчета было получены значения деформаций в колесе без шины. На Рисунках 4.10 и 4.11 представлены картины распределения деформаций в направлении оси Z. Как следует из анализа полученных данных, независимо от зоны приложения нагрузки, максимальные деформации (до 40-Ю"5) возникают с наружной стороны диска в середине спиц, расположенных вблизи этой зоны; деформации же на ободе оказались существенно меньшими (Рисунок 4.10 и 4.11).
Для сравнения с экспериментальными данными анализировались деформации в тех зонах модели, которые соответствовали местам и направлениям установки тензорезисторов в эксперименте. Значения компонент деформаций в узлах этих элементов определялись с учетом направления соответствующего тензорезистора, как показано ниже.
Рисунок 4.12 - Расположение тензорезисторов на КЭ модели
При выполнении расчета КЭ-комплекс отображает значения деформаций в узлах относительно глобальной системы координат XYZ (X -ось колеса; Z - ось симметрии колеса). С целью сравнения результатов расчета с экспериментальными данными значения деформаций в узлах пересчитывались с учетом направления тензорезисторов. Для сравнения полученных значений деформации на модели были определены по 3 узла, расположенных в месте крепления каждого датчика (рисунок 4.12).
Анализ расчетных и экспериментальных значений деформаций показал удовлетворительную сходимость - средняя величина погрешности составляет 10 - 11%. Таким образом, эти исследования позволили уточнить КЭ-модель, разработанную с учетом современных подходов к генерации КЭ-моделей. Сравнение расчета МКЭ с использованием программного комплекса MSC.NASTRAN свидетельствуют об адекватности расчетной модели и расчетного анализа НДС колеса при статическом нагружении.
Сравнительный анализ результатов эксперимента и приближенного расчета деформаций при ударе в литых алюминиевых колесах с использованием среднего коэффициента динамичности
Как уже отмечалось, нами предложено использовать расчет МКЭ при статической нагрузке, соответствующей массе ударяющего элемента стенда в условиях сертификационных испытаний на удар. Деформации при ударе определяются как произведение расчетных деформаций при статическом нагружении на экспериментально полученный средний коэффициент динамичности:
В табл. 4.5 приведены расчетные значения деформаций колеса при ударе вдоль оси (боковом), полученные на основе соответствующего статического расчета МКЭ с учетом значений коэффициента динамичности Кдср. = Ю (раздел 3.3.2). В первых двух столбцах таблицы приведены номера тензорезисторов, которые были установлены при проведении статических и ударных испытаний в одних и тех же местах колес.
В табл. 4.6 приведены расчетные значения деформаций колеса при ударном нагружении под углом 30 к его оси (косой удар), полученные на основе соответствующего статического расчета МКЭ с учетом значений коэффициента динамичности Кдср 10 (раздел 3.3.2). Номера тензорезисторов (т/р) при статических и ударных испытаниях совпадают между собой. Среднее значение погрешности составляет 4,4 %
Результаты расчета на удар были получены для двух различных видов удара и для различных конструкций литых алюминиевых колес и сопоставлены с соответствующими результатами экспериментов. Расчетные значения деформаций на внешней закраине обода при нагружении по спице и между спиц, а также максимальный уровень осевых перемещений, практически с небольшой погрешностью совпадают с экспериментальными результатами. Различие в результатах 14% по одному Т/Р (см. табл. 4.6, Т/Р
Таким образом, расчет литого алюминиевого колеса при статическом нагружении в условиях его имитации статического нагружения при испытаниях на ударном сертификационном стенде, может быть использован для анализа НДС при ударе при этих испытаниях с использованием приближенного значения среднего коэффициента динамичности Кдср.д:10. На основе результатов вышеприведенных исследований была сформулирована методика сравнительной оценки сопротивления колеса ударному нагружению для условий сертификационных испытаний в условиях ударного стендового нагружения.
Ниже на основе выполненных экспериментально-расчетных исследований разработаны рекомендации по применению полученного приближенного среднего значения коэффициента динамичности и общие положения сравнительной инженерной методики оценки сопротивления литого автомобильного колеса из алюминиевого сплава при проектировочном анализе.
Характеристика объекта методики. Настоящая методика распространяется на литые автомобильные колеса из алюминиевых сплавов (силуминов) диаметров от 13" до 18" (далее - колесо). Методика экспериментально подтверждена для дисковых колес спицевого типа, однако можно предположить, что она может быть распространена на вес конфигурации и размерности колес из литейных алюминиевых сплавов.
Назначение методики. Методика предназначена для сравнительной оценки сопротивления модели колеса ударным нагрузкам в условиях сертификационных испытаний при боковом и косом ударах и не требует проведения дополнительных экспериментальных исследований, что позволяет сократить сроки и стоимость доводки конструкций колес.
Основные требования сертификационных испытаний. В соответствии с требованиями сертификационных испытаний (ГОСТ 50511-93, отраслевой стандарт BMW) оценка прочности автомобильных колес производится при осевом (боковом) ударе, приложенном к закраине колеса в направлении оси его вращения, и косом ударе, приложенном под углом в 30 к оси его вращения.
Испытания проводятся на специальных аккредитованных стендах, обеспечивающих заданные условия закрепления колеса и параметры удара.
Проектировочный расчет НДС колеса на статическую нагрузку. После предварительного выбора общего дизайна колеса осуществляется его твердотельное моделирование с использованием известных компьютерных систем CAD - Solid Works и др. Эти процедуры описаны в работах Демьянушко И.В. [30,33], посвященных использованию информационных технологий при создании автомобильных колес. Твердотельная модель (вариант конструкции) разбивается сеткой КЭ с использованием автоматизированных комплексов. Сетка отлаживается в соответствии с рекомендациями, изложенными в [40], кратко рассмотренными в разделе 4.2. далее выполняется поверочный расчет при статическом нагружении в программно-ориентированном вычислительном комплексе (в настоящее время мы используем MSC.NASTRAN), основанном на методе конечных элементов.
