Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и постановка задачи иссвдований 9
1.1. Актуальность рассматриваемой проблемы 9
1.2. Постановка задачи, цель работы и объект исследований 13
1.3. Обзор опубликованных работ по теме диссертации 18
1.4. Задачи исследований 26
2. Аналитические методы исследования напряженно-деформированного состояния бездисковых ободьев 29
2.1. Выбор расчётных схем 29
2.2. Определение напряжений и перемещений в различных элементах ободьев 34
2.3. Определение нагрузок, воздействующих на обод 42
2.4. Определение краевых граничных условий 58
Выводы по главе 68
3. Оценка состояния бездисковых ободьев автомобильных колес методом конечных элементов 69
3.1. Обоснование выбора численного метода анализа напряжённо-деформированного состояния рассматриваемых конструкций 69
3.2. Алгоритм решения осесимметричной задачи 70
3.3. Оценка неосесимметричных граничных условий для обода, установленного в рабочее положение 87
3.4. Алгоритм решения неосесимметричной задачи 99
Выводы по главе 3 109
4. Экспериментальные исследования ободьев колес автомобилей -самосвалов с особо большой массой перевозимых грузов 112
4.1. Цели и методы экспериментальных исследований. Разработка методик испытаний 112
4.2. Стендовые испытания ободьев колёс большегрузных автомобилей 114
4.3. Натурные тензометрические испытания ободьев колёс автомобилей с особо большой массой перевозимых грузов 129
4.4. Обработка результатов экспериментальных исследований 138
Выводы по главе 4 142
Анализ результатов исследований и выработка рекомендаций по рационализации конструкции бездисковых ободьев 143
5.1. Сравнительный анализ результатов исследований 143
5.2. Выбор критерия прочности для исследуемых ободьев и алгоритм его определения 148
5.3. Определение рациональных параметров бездисковых ободьев^ 154
5.4. Методы повышения несущей способности ободьев 160
Выводы по главе 5 171
Список литературы
- Постановка задачи, цель работы и объект исследований
- Определение нагрузок, воздействующих на обод
- Оценка неосесимметричных граничных условий для обода, установленного в рабочее положение
- Натурные тензометрические испытания ободьев колёс автомобилей с особо большой массой перевозимых грузов
Введение к работе
В "Основных направлениях экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года", принятых на ХХУІ съезде КПСС, отмечается: "Освоить выпуск новых высокоэффективных карьерных автосамосвалов особо большой грузоподъёмности ..." / I /.
Выполняя поставленные задачи, на Белорусском автомобильном заводе было создано несколько моделей автомобилей-самосвалов с особо большой массой перевозимых грузов, а также ряд их модификаций в виде седельных тягачей, автопоездов-углевозов с донной разгрузкой.
В настоящее время Белорусским автозаводом выпускаются следующие автомобили особо большой грузоподъёмности: БелАЗ-549 с массой перевозимого груза 75 т /выпускается серийно/, БелАЗ-7519 с массой перевозимого груза НО т/выпускается промышленной серией/, БелАЗ-7521 с массой перевозимого груза 180 т /заканчи»-ваются испытания опытных образцов/. Модификацией автомобиля-самосвала БелАЗ-549 является выпускаемый промышленной серией автопоезд-углевоз БелАЗ-7420-9590 с массой перевозимого груза 120 т, который предназначен для транспортировки угля и горючих сланцев и имеет платформу с донной разгрузкой.
Эксплуатация большегрузных карьерных автосамосвалов показала значительную эффективность повышения их грузоподъёмности. Это позволяет использовать при разработке карьерным способом месторождений полезных ископаемых высокопроизводительные многокубовые экскаваторы, приводит к снижению стоимости перевозок, экономии то плива, уменьшению потребного числа водителей и т.д.
Поэтому в последние годы наблюдается в ряде высокоразвитых
стран создание моделей автомобилей-самосвалов и автопоездов с повышенной массой перевозимых грузов.
Специфика выполняемых с помощью таких автомобилей работ определяет ряд особенностей их конструкции. Они снабжены гидромеханической или электрической трансмиссией, пневмогидравлической подвеской, системой дополнительного торможения посредством тяговых электродвигателей, которые в этом случае работают в режиме генераторов, бескамерными шинами в сборе с бездисковыми колёсами и т.д. Причём., аналогичные конструкторские тенденции характерны и для зарубежных автомобилей этого класса /см. табл.1/.
Мировая практика создания таких автомобилей показала, что наиболее целесообразным направлением в повышении грузоподъёмности являетсяувеличение нагрузки на ось автомобиля без увеличения числа осей. Большинство моделей автомобилей особо большой грузоподъёмности имеют колёсные формулы 4x2, автопоездов-колёсные формулы 6x4, 6x2.
В таблице I приведены некоторые технические характеристики карьерных автомобилей-самосвалов и автопоездов, выпускаемых в различных странах, иллюстрирующие вышеуказанные тенденции данной отрасли автомобилестроения.
Некоторые технические характеристики отечественных и зарубежных автомобилей и автопоездов большой грузоподъемности
Таблица I
Страна
Завод из-готови -тель или фирма
Модель
Колес -ная фор мула
Масса : Тип перевози -драимого гру- ісмис-за 'сии
Шины
Тип : Размер
Давление
Обод
Тип ї Размер
СССР СССР
to. і
БелАЗ БелАЗ
СССР БелАЗ
СССР БелАЗ
Катерпил-лар
БелАЗ-549 4x2 БелАЗ -7519 БелАЗ
7420-9590 6x4 БелАЗ-7521 4x2
75-80 11,0
12,0 18,0 76,5
Э БК 27,00-49 5,6 БД 19,50-49 Э БК 33,00-51 5,6 БД 24,00-51
Э БК 27,00-49 5,6 БД 19,50-49
Э БК 40,00-57 6,0 БД 29,00-57
Э БК 24,00-49 5,27 БД 17,00-49
Продолжение табл.I
Продолжение табл. I Э - электрическая; БД - бездисковые; Ш - специальные. 2. Величины давлений для пшн:
в числителе - для передних, в знаменателе - для задних.
Постановка задачи, цель работы и объект исследований
В связи с вышеизложенным, особое значение приобретает разработка методик оценки напряжённо-деформированного состояния бездисковых ободьев колёс большегрузных автомобилей и в часнос ти расчётных методик.
Экспериментальные исследования не всегда позволяют оценить напряжения в некоторых зонах обода. Например, весьма затруднительно определить напряжения на внешней поверхности обода, которая после накачивания колеса находится под шиной. Для колёс автомобилей с особо большой массой перевозимых грузов в большинстве случаев используются бескамерные шины /см. табл. I/, что усложняет экспериментальные исследования, поскольку для таких колёс ужесточаются требования к целосности и герметичности соединений различных элементов ободьев.
Основными требованиями, предъявляемыми к расчётным методикам по оценке прочности ободьев колёс автомобилей особо большой грузоподъёмности должны быть: достаточная точность, универсальность, возможность решения оптимизационных задач, простота использования, обеспечивающая применимость такой методики в уело виях завода или проектирующей организации.
Первое из поставленных условий требует проведения исследований прочности ободьев колёс как теоретическими,так и экспериментальными методами.
Расчёты должны основываться как на аналитических методах, которые позволяют наиболее наглядно анализировать влияние различных геометрических и физических параметров на конечный результат, так и на численных методах анализа, позволяющих избежать значительной части априорных допущений и получить наиболее полные результаты.
Экспериментальные исследования позволяют провести сравнительный анализ с результатами расчётов и, при необходимости, уточнить или дополнить алгоритмы расчёта на основе экспериментальных данных.
Методики оценки напряжённого состояния должны отвечать требованиям универсальности по отношению к любым типам бездисковых колёс с тем, чтобы они могли быть использованы при разработке новых конструкций или совершенствовании существующих.
Учитывая массовость производства и значительную металлоёмкость исследуемых ободьев, большое значение приобретает снижение массы ободьев. Проводимые исследования призваны способствовать оптимизации геометрических параметров ободьев, с целью снижения их металлоёмкости и обеспечения необходимой прочности.
Современное поточное производство требует зачастую оперативного решения проблем, возникающих в процессе эксплуатации автомобилей, быстрой разработки новых конструктивных решений. Поэтому важное значение приобретает условие применимости расчётных методик непосредственно на заводе или в проектирующей организации. Таким образом,методика должна быть построена так, чтобы ею мог пользоваться инженер, не имеющий специальной подготовки и применение этой методики не требовало бы значительных затрат времени.
Разработка расчётных методик для оценки параметров прочности ободьев колёс большегрузных автосамосвалов приобретает особое значение в силу специфики производства автомобилей этого класса.
Автомобили с особо большой массой перевозимого груза выпускаются относительно малыми сериями и имеют высокую стоимость. Например, оптовая цена серийных автомобилей БелАЗ-549 достигает 145000 рублей, автопоездов БелАЗ-7420-9590 - 200000 рублей, себестоимость же опытных образцов автомобилей обычно в 3-4 раза выше цены тех же автомобилей, выпускаемых серийно.
Поэтому далеко не всегда представляется возможным использование в целях эксперимента таких дорогостоящих автомобилей.
Проведение стендовых испытаний в силу специфики конструкции большегрузных автомобилей, в частности значительных габаритов и массы отдельных узлов /численные значения габаритных размеров исследуемых ободьев приведены в табл. 1.3/, требует создания специальных испытательных стендов и бывает весьма трудоёмким.
Результатами проведенных расчётов и экспериментов явилось также непосредственное исследование напряжённо-деформированного состояния ободьев 19,50-49, 24,00-51, 27,00-57, которые используются на автомобилях особо большой грузоподъёмности. При этом расчётным и экспериментальным путём были исследованы параметры, в первую очередь определяющие прочность указанных ободьев и предложены конструктивные изменения, способствующие рационализации конструкции ободьев с точки зрения повышения их прочности и снижения массы. Например, при эксплуатации наблюдаются разрушения в замочной и посадочной части основания обода в зонах сварных швов.
Определение нагрузок, воздействующих на обод
Очевидно, что в выражении /2.19/ ;? — h - , а в выражении /2.20/ О h А . Численные расчёты показали, что в большинстве случаев величины касательных напряжений, определяемых по формулам /2.19/, /2.20/, незначительны.
Съёмное посадочное кольцо представляет собой короткую цилиндрическую оболочку переменной толщины, консольно закреплённую и нагруженную распределённой радиальной нагрузкой /см.рис. 2.2. Переменность толщины незначительна, она определяется тем, что наружняя поверхность посадочного кольца имеет наклон 5.
При решении задачи для короткой цилиндрической оболочки необходимо учитывать одновременно граничные условия на обоих краях. Для полученной расчётной схемы решение может быть записано согласно в виде функции А.Н.Крылова; і t fl,У т // - постоянные, численные значения которых определяются из граничных условий; с - длина оболочки. Величины силовых факторов Q/t и определены в разделах 2.3, 2,4 настоящей главы. Выражение для осевых изгибающих моментов имеет соответственно вид Табулированные значения функций Vo, У/ , ( , 5 приведены в /34/.
Определение напряжений в съёмном посадочном кольце может быть проведено с использованием формул /2.17/, /2.18/.
Для упрощения численных расчётов и получения достаточного числа значений напряжений для построения эпюр распределения напряжений по сечениям исследуемых ободьев, приведенные выше алгоритмы оценки основных напряжений программировались для расчёта на ЭЦВМ "Проминь М".
При создании программ учитывалось, что в развёрнутом виде функции А.Н.Крылова могут быть записаны в виде Более подробно алгоритмы расчёта основных элементов ободьев колёс автомобилей с особо большой массой перевозимых грузов изложены в /36/.
Для оценки напряжений в бортовом кольце /бортовая закраина/ рис.2.3, воспользуемся известными зависимостями для осесимметрич - 42 ной деформации колец прямоугольного сечения /34/.
Очевидно, что момент образуемый усилиями Рг и /?г /рис. 2.3 б/, является крутящим по отношению к любому радиальному сечению бортового кольца. Используя рассуждения применительно к кручению тонкостенных конструкций открытого профиля, придём к выводу, что для определения перемещений и напряжений в рассматриваемом кольце его необходимо "распрямить", то есть, заменить поперечное сечение прямоугольным с размерами, соответствующими длине образующей и толщине бортового кольца JvaA - максимальный угол поворота сечения; С - разность радиусов окружностей, по которым распределены усилия Pi и Qz і Е - модуль упругости; - длина образующей кольца; О - толщина бортового кольца; / - радиус окружности приложения усилия «г . Из условий равновесия 27ihQQi =27Г рРг . /2.27/
Тогда на основе выражения /2.27/ величины / и Qz могут быть для зависимостей /2.25/, /2.26/ заменены на / и Pi . Очевидно, что приведенные рассуждения и полученные зависи - 43 мости могут быть распространены и на отбрасываемые краевые элементы основания обода и съёмного посадочного кольца, которые мысленно отсекались при построении расчётных схем, поскольку эти элементы также представляют собой кольца, нагруженные крутящими моментами.
Таким образом, в данном разделе получены аналитические зависимости для оценки напряжённо-деформированного состояния всех элементов бездискового обода при установке его в эксплуатационное положение. Реализация полученных решений, с помощью ЭВМ позволяет получить картину распределения основных напряжений по радиальным сечениям исследуемых ободьев.
Определение нагрузок, воздействующих на обод Осесимметричные нагрузки, действующие на обод, -определяются внутренним давлением в шине. Эти нагрузки можно подразделить на усилия, определяемые непосредственно воздействием накаченного в шину воздуха, а также нагрузки,характеризующие взаимодействие накаченной шины и обода.
Из нагрузок, действующих на основание обода /рис.2.I а/, распределённые усилия о равны по величине непосредственно внутреннему давлению в шине.
Для определения усилий 2 , характеризующих взаимодействие борта шины с посадочной полкой основания обода, рассмотрим характер основных деформаций борта шины при установке её в рабочее положение.
На рис.2.4 показано сечение борта шины, используемой для большегрузных автомобилей. Для повышения жёсткости .борта І в каркасе шины навиваются из проволоки бортовые кольца 3. При посадке шины на обод натяг в основном осуществляется за счёт радиальной деформации посадочной части борта шины 4, которая располагается между посадочной поверхностью обода 2 и шинными бортовыми кольцами 3.
Очевидно, радиальное перемещение пограничного слоя посадочной части борта шины /например точки Я на рис.2.4/ может быть найдено из выражения
Оценка неосесимметричных граничных условий для обода, установленного в рабочее положение
Применительно к расчету бездисковых ободьев наиболее целесообразно использовать численные методы для уточнения напряжений в наиболее опасных зонах конструкции.
На основании выщеизложенного для разработки уточненной методики расчета ободьев был использован метод конечных элементов (МКЭ). /41/, /48/. Выбор МКЭ в качестве инструмента расчета обусловлен рядом соображений.
Метод полностью сохраняет свою общность по отношению к геометрии и свойствам материала. Легко рассчитываются конструкции, состоящие из различных материалов /24/.
Кинематические и статические граничные условия могут быть заданы для любых точек расчетной схемы. Возможен учет произвольных температурных, механических и инерционных воздействий /23/. Получаемые расчетные алгоритмы сравнительно легко могут быть запрограммированы для расчета на ЭВМ.
В основе МКЭ лежит представление исследуемой конструкции в виде системы,составленной из отдельных элементов конечных размеров. Вид элементов конечных размеров определяет тип идеализации, в соответствии с которой конструкция приводится к схеме, состоящей из дискретных тел.
Применительно к ободьям колес или иным конструкциям, представляющим собой оболочки вращения, использование МКЭ дает дополнительные возможности для упрощения решения поставленной задачи. /22/, /23/.
В качестые элемента дискретизации удобно использовать торооб-разный элемент с треугольным поперечным сечением. Такие элементы считаются связанными друг с другом по окружностям, проходящим через вершины (узлы) фигур, лежащих в сечениях элемента (узловые окружности/. Этими элементами легко аппроксимировать сложные сечения обода. Кроме того, в силу постоянства геометрических и физических параметров таких элементов в одном из координатных направлений/в окружном/, возможно упрощение расчётов на основе известных принципов симметрии пространственных систем /49/.
Как будет показано далее, эти принципы, в известной мере, могут быть распространены и для случая решения неосесимметрич-ной задачи.
Запрограммированные алгоритмы расчёта МКЭ позволяют решать задачи оптимизации, а также анализировать степень влияния различных нагружающих факторов на общий уровень напряжений, оценивать влияние геометрических и физических параметров на жестко-стные и прочностные характеристики исследуемых колёс.
Обод представляет собой осестдмметричную конструкцию. Все нагрузки, воздействующие на обод, можно также подразделить на осесимметричные, определяемые давлением накаченного в шину воздуха, и неосесимметричные, которые определяются характером взаимодействия колеса с дорогой. В соответствии с этим удобно разделить поставленную проблему на две самостоятельные задачи: осесимметричную и неосесимметричную /23/.
Рассмотрим воздействие осесимметричной части нагрузок на различные элементы обода.
Выбор расчетной схемы, сводящийся к замене цельной конструкции системой, состоящей из дискретных тел, проводится по известной схеме /47/. Для ободьев в качестве элемента разбиения, как уже отмечалось, использовался торообразный элемент с треугольным или четырехугольным поперечным сечением. Поскольку в рассматриваемом нами случае все физические и геометрические параметры расчетной схемы строго осесимметричны для определения характеров распределения напряжений и перемещений вдоль образующей и по толщине можно рассматривать любое радиальное сечение обода. Такое сечение, очевидно, будет представлять собой контур исследуемой детали, разбитый на сетку треугольных или четырехугольных плоских элементов. (На рис. 3.1. представлена расчетная схема замочного кольца МКЭ). Окружности, проходящие через вершины элементов (узловые окружности), в таком радиальном сечении, которое в дальнейшем будет представлять собой объект рассмотрения, будут выглядеть в виде точек (узловых вершин).
Используя цилиндрическую систему каординат ( Л, , Q ), и, нумеруя узловые вершины для каждого элемента, придем к схеме, представленной на рис. 3.2.
Первый шаг в решении МКЭ сводится к выбору вида поля перемещений. Оно должно удовлетворять условиям совместности и непрерывности деформаций между элементами.
Поскольку нами используется достаточно мелкое разбиение объекта исследований, в том числе и по толщине, зависимости перемещений удобно выбрать в виде линейных функций . /50/. Учитывая тот факт, что геометрия и свойства материала в окружном направлении остаются постоянными, перемещения в этом направлении, очевидно, будут отсутствовать.
Натурные тензометрические испытания ободьев колёс автомобилей с особо большой массой перевозимых грузов
В результате составления уравнений для каждого участка, аналогично выражениям (3.47), (3.48), получаем систему ( П ) уравнений с ( Щ ) неизвестными (см. рис. 3.6).
Решая полученную систему уравнений, найдем перемещения в точках стыка опорных и безопорных зон. Эти значения позволяют оценить неосесимметричные граничные условия для случая произвольного контакта посадочных поверхностей обода и ступицы.
Исходя из полученной системы уравнений, связь между удельными контактными усилиями и радиальными перемещениями в точках стыка опорных и безопорных зон может быть записана в виде
В практике, очевидно,может быть осуществлено неограниченное число вариантов контакта обода и ступицы при монтаже колеса.
Поэтому для расчета необходимо выбрать наиболее неблагоприятный вариант контакта, который может быть реализован в реальных условиях.
Вариант контакта, при котором взаимодействие узлов происходит только в одной зоне может быть осуществлен только при значитель 3 __-зой дуге контакта (не менее -г- /і ).
Контакт, при котором имеются две зоны опирання, будет устой-швым также при значительных длинах дуг каждой из контактных поверх-юстей. При этом необходимо, чтобы зоны располагались диаглетрально.
Наиболее реальным случаем контакта при любой, сколь угодно іалой дуге контактных поверхностей, является опирание с тремя зона-ш контакта. Увеличение числа зон контакта приближает характер, возникаю -;их граничных условий к о се симметричному.
Для трехзонного варианта опирання, используя зависимости (3.48), 3.49), получаем систему шести уравнений. Если обозначить дугу онтактной зоны через (f / , а дугу зоны, где контакт отсутству-т, через 1 2 » то в результате решения системы придем к следу-щему уравнению
Для определения радиальных перемещений в характерных точках необходимо использовать зависимости (3.51) с учетом выражения (3.52).
Таким образом, полученные зависимости позволяют определить характер неосесимметричных граничных условий. Зависимость (3.43) является достаточно универсальной, из нее для зон контакта получаем в соответствии со сделанным допущением (3.42)
При уточненных расчетах, кроме оценки влияния неосесимметрич-ности граничных условий, необходимо учитывать и неосесимметрич-ность внешнего нагружения. Неосесимметричный вид нагружения является наиболее характерным для корпусных и несущих конструкций, которые используются на автомобилях с особо большой массой перевозимых грузов и представляющих собой тонкостенные тела вращешш. К таким деталям наряду с ободьями относятся: корпуса задних мостов, корпуса гидропневмоцилиндрав подвески, топливные и масляные баки цилиндрической формы и т.д. /55/.
Применительно к ободьям колес суммарные величины неосесиммет-ричных нагрузок оказываются равными реактивным воздействиям, действующим со стороны дороги на шину. При этом за счет деформации шины увеличивается эффективная площадь в зоне контакта шины с дорогой и в зоне контакта шины с ободом. Многочисленные эксперименты дали возможность установить, что давление в шине крупногабаритного колеса при действии усилий со стороны дороги практически не меняется, однако в нижней части обода возрастает площадь контакта между шиной и бортшли обода. На рис. 3.7 показано повышение эффективной площади контакта при действии вертикального усилия.
Таким образом, давление борта шины на обод в низшей части будет больше, чем в верхней, причем, часть вертикального усилия (рис. 3.7 б) передается на обод непосредственно через каркас шины за счет сжатия его элементов /9/.
В различных расчетных методиках используются разные схемы приложения контактных нагрузок /57/. На основе анализа этих зависимостей и результатов экспериментальных исследований суммарное неосесимметричное усилие, действующее через один из бортов шины, определялось из выражения /рис.3.8/.
