Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Исследование платформ в дорожных условиях 11
1.1. Анализ конструкций платформ и эксплуатационных разрушений её элементов 11
1.2.Методика исследования нагруженноети конструкции 23
1.3.Изучение напряжений в элементах платформы 29
1.4.Выявление характерных опасных вариантов нагружения 37
1.5.Выводы
ГЛАВА II. Стендовые исследования платформы и её элементов 51
2.1. Установление параметров для нагружения конструкции в стендовых условиях 52
2.2.Разработка схем и режимов стендовых испытаний деталей и узлов платформы 55
2.3. Оценка напряженного состояния элементов крепления поперечных балок при различных конструктивных исполнениях 69
2.4.Выводы 74
ГЛАВА III. Деформированное состояние деталей крепления поперечных балок 75
3.1. Расчет усилий и напряжений в элементах конструкции 76
3.2. Определение напряжений в деталях крепления поперечных балок с учетом концентрации 83
3.3.Исследование напряженно-деформированного состояния элементов крепления поперечных балок методом фотоупругих покрытий 96
3.4. Сравнение результатов расчета с экспериментальными данными 102
3.5. Выводы 106
ГЛАВА ІV. Долговечность крепления поперечных балок при различных конструктивных исполнениях 108
4.1. Исследование влияния жесткости крепления на долговечность конструкции 109
4.2. Влияние конструктивных особенностей деталей крепления на их долговечность 114
4.3. Расчет элементов крепления на долговечность 119
4.4. Разработка рекомендаций по улучшению существующих конструкций узлов крепления поперечных балок 129
4.5. Выводы 135
Заключение 137
Литература 143
Приложение 149
- Анализ конструкций платформ и эксплуатационных разрушений её элементов
- Оценка напряженного состояния элементов крепления поперечных балок при различных конструктивных исполнениях
- Определение напряжений в деталях крепления поперечных балок с учетом концентрации
- Разработка рекомендаций по улучшению существующих конструкций узлов крепления поперечных балок
Введение к работе
В решениях ХШ съезда КПСС отмечалась необходимость повышения эффективности использования металла, снижения металлоемкости машин и увеличения их надежности. В связи с этим, перед автомобильной промышленностью была поставлена задача - уменьшить потребление металла за пятилетие на 18$. Такое сокращение расхода металла может быть достигнуто, главным образом, за счет развития и совершенствования научных основ проектирования и исследования всех деталей и узлов автомобиля.
В конструкции грузового автомобиля до 15 4 18$ массы занимает платформа, поэтому проблема снижения ее материалоемкости -разумеется без ущерба для прочности и жесткости конструкции -является очень актуальной. Слишком большая масса платформы невыгодна не только с точки зрения увеличения расхода материалов, но и потому, что перевозка излишней массы отражается на экономичности работы всего транспортного средства.
Издавна основным конструкционным материалом при производстве бортовых платформ автомобилей являлось дерево. Его применяли с начала возникновения автомобильной промышленности как материал наиболее доступный, дешевый и легкий. По мере развития серийного производства, вследствие таких недостатков дерева, как анизотропность, влагопроницаемость, сложность соединения и др., стали применять материалы, которые больше соответствовали потребностям быстроразвивающейся автомобильной промышленности. Одним из таких материалов оказалась сталь. С момента освоения проката тонких стальных листов и решения вопроса их штамповки и сварки деревянные каркасы платформ были вытеснены стальными, что открыло возможность увеличения их прочности и долговечности при одновременном снижении массы. Широкие возможности в снижении металлоемкости дало применение в конструкции платформ тонкостенных
стержней гнутого профиля. Значительный эффект, с точки зрения минимизации массы, достигается уменьшением толщины профиля при одновременном увеличении его высоты. Однако тонкостенные стержни, особенно гнутые, обладают рядом особенностей /4, 5, 38, 66, 67, 68/, которые необходимо учитывать при проектировании для достижения требуемой жесткости, прочности и долговечности конструкции.
Одним из основных свойств, характеризующих платформу, является её собственная масса, которая должна быть минимальной с учетом условий, в которых конструкция должна работать. Успешное решение этой задачи возможно при комплексном подходе к вопросам прочности и долговечности всех элементов платформы.
До настоящего времени расчету, проектированию и исследованию открытых бортовых платформ грузовых автомобилей уделялось мало внимания. В то же время имеется большое количество исследований, посвященных прочности и долговечности автомобильных рам /18, 26, 27, 34, 35/. Посвящая свои работы изучению несущей системы автомобиля, большинство исследователей видят, в качестве главной, задачу по изучению рамы, забывая или умалчивая о том, что плат-- форма или другие надстройки также участвуют в формировании несущей системы.
В книге /I/ затрагивается проблема проектирования платформі но подход к её решению слишком упрощен, в связи с этим, содержащиеся в ней сведения лишены научного смысла и носят, по существу, информационный характер. Работы, в которых впервые изучается влияние платформы и способов её крепления на жесткость и напряженность рамы, а значит и всей несущей системы, появились сравнительно недавно /2, 3, 28/. В работе /2/ приводятся данные о нагружен-ности элементов платформы и о влиянии жесткости крепления на напряженное состояние поперечных балок. Но эти результаты получены в виде попутного материала в процессе исследования рамы, поэтому
имеющиеся по платформе сведения недостаточно обширны для того, чтобы их можно было подвергнуть глубокому анализу.
Кочинян Г.Д. /28/ также исследовал влияние кузова и соединительных элементов на жесткость и прочность несущей системы, при этом практически не рассмотрев напряженность кузова и элементов, соединяющих его с рамой.
Владыкин Н.Г. /3/ при исследовании динамики движения грузового автомобиля с вызкоупругим закреплением кузова установил, что жесткость крепления влияет на плавность хода.
В отмеченных работах проблема исследования платформы (кузова) отражена недостаточно хорошо, только как один из факторов, влияющих на отдельные качества несущей системы.
Настоящая диссертация является одним из этапов общего комплекса исследований, базируясь на которые можно было бы в дальнейшем эффективно проводить расчеты, проектирование и доводку новых конструкций платформ. Таким образом, целью данной работы является разработка комплексного метода исследования и доводки прочности и долговечности узлов и деталей платформы большегрузного автомобиля при снижении массы. В связи с этим были поставлены следующие задачи.
Провести анализ существующих конструкций платформ и изучить нагрузки, действующие в элемент, платформы при движении автомобиля по различным дорогам. Выявить наиболее нагруженные элементы конструкции.
Разработать методику определения схем и режимов стендовых испытаний платформы и её отдельных узлов, обеспечивающих получение максимально достоверных результатов^
Расчетно-экспериментальными методами оценить напряженно-деформированное состояние и долговечности несущих элементов платформы конкретной конструкции.
Исследовать влияние различных конструктивных особенностей несущих элементов платформы на их прочность и долговечность,
Разработать рекомендации, обеспечивающие повышение прочности и долговечности деталей и узлов платформы при снижении массы конструкции.
При исследовании нагрузок, действующих на платформу в дорожных условиях, была использована методика, разработанная на автополигоне НАШ /57/, и которая в течение длительного времени успешно применяется при доводке несущих систем автомобилей.
Кроме оценки напряженного состояния конструкции, большой интерес представляет собой выявление нагрузок, возникающих в динамике при движении автомобиля. В работах /2, 23, 29/ описываются методы и схемы замера ускорений в различных направлениях. При исследовании ускорений на колеблющейся платформе использовались датчики ускорений и специальная регистрирующая аппаратура. Полученные данные позволили оценить инерционные нагрузки, действующие : на платформу.
Стендовые исследования и испытания деталей и узлов автомобиля получили в последнее время широкое распространение. Одной из важнейших задач при стендовых испытаниях является выбор критерия, который бы обеспечивал максимальное соответствие с эксплуатационными режимами нагружения. От того, насколько удачно выбран критерий, зависит достоверность результатов исследований. При подходе к вопросу о выборе параметра для воспроизведения эксплуатационных нагрузок в элементах платформы, руководством являлось предположение о превалирующем кососимметричном нагружении платформы в системе автомобиля.
Несмотря на большое количество работ, посвященных стендовым испытаниям рам, среди которых следует выделить работы А.Л,Эйдель-мана /27, 34, 60/ и некоторых других авторов /26, 35, 62/, до настоящего времени методы испытаний платформ и их отдельных уз-
лов отсутствовали. Было бы ошибкой считать, что достаточно установить на раму, нагружаемую одним из известных способов, платформу и вопрос о её стендовых испытаниях будет снят. Это можно утверждать в том случае, когда к раме прикладывается весь комплекс реальных нагрузок. Но существующие методы нагружения рам в стендовых условиях имеют ряд недостатков, которые будут проявляться и по отношению к платформе, снижая качество и достоверность результатов испытаний. К числу недостатков известных методов испытаний рам можно отнести то, что они практически не учитывают силового взаимодействия рамы с платформой, а также воздействия инерционных сил и моментов от массы груза и платформы.
Разработка схем и режимов испытаний отдельных узлов и деталей осуществлялась путем дифференциации нагрузок и выделения из них наиболее опасных. Критерием, определяющим точность нагружения, являлось соответствие характера и месторасположения разрушений, как это предлагалось в работах /26, 27/ применительно к рамам. Такой подход оправдан и подкреплен многочисленными экспериментами.
В работах /2, 3, 28/ исследовалось влияние конструкции крепления платформы на напряженно-деформированное состояние рамы. Это очень важно и для платформы, так как от жесткости крепления и его конструктивных исполнений зависит прочность и долговечность всей конструкции. В диссертации уделено особое внимание вопросу влияния жесткости несущей системы автомобиля, а также жесткости соединения отдельных элементов платформы в узлах на прочность и долговечность конструкции.
При проектировании новой конструкции очень эффективным средством являются расчетные методы, реализуемые на ЭВМ. Расчет напряженно-деформированного состояния каркаса платформы, как стержневой системы, проводился на базе известных методик
- 9 -/58, 59/. В работах /8, 9, 43/ очень подробно рассмотрены вопросы расчета напряженно-деформированного состояния вокруг концентраторов. Задача уменьшения напряжений вблизи концентраторов всегда была актуальной, поскольку они влияют на прочность всей конструкции. Для оценки напряженно-деформированного состояния стержневых конструкций и решения задач теории упругости, одной из которых является проблема вычисления коэффициента концентрации напряжений, широко используются численные методы, к наиболее распространенным из них относится метод конечных элементов /II, 12/. В данной работе был использован именно этот метод.
Моделировать в расчетной схеме все факторы, влияющие на прочность конструкции, практически невозможно. Поэтому при подробных исследованиях целесообразно сочетать расчетные методы с экспериментальными. К экспериментальным методам следует отнести, прежде всего, электротензометрию, а также метод фошоупругих покрытий /44, 46, 47/, который очень эффективен при исследовании концентрации напряжений в деталях сложной формы, испытывающих сложное напряженное состояние.
Долговечность конструкции платформы зависит от многочисленных факторов, в том числе, как отмечалось и от жесткости крепления, т.к. при этом изменяется уровень инерционных нагрузок. Многие исследования по долговечности рам /26, 27, 29, 30, 33/ базируются на стендовых методах. При оценке прочности и долговечности деталей и узлов платформы тоже широко применялись стендовые испытания.
Огромное влияние на долговечность конструкции узлов и деталей оказывают сварочные швы /19, 21, 22, 24, 25, 37/. Для повышения долговечности сварных ооединений необходимо, чтобы места сварки располагались в менее нагруженных зонах.
Для элементов и узлов, находящихся под действием переменных
нагрузок, в конечном итоге важно решить вопрос об обеспечении достаточной долговечности, так как снижение последней приводит к простоям автомобиля и большим затратам на ремонт. Оценить долговечность можно расчетными способами. Но, поскольку, нагрузки обычно меняются во времени случайным образом, расчет чрезвычайно усложнен. Такие расчеты необходимо проводить с использованием результатов стендовых испытаний /31, 36/, так как при этом повышается точность прогноза долговечности натурных деталей.
Решение вопросов методики расчета и экспериментальных исследований долговечности деталей платформы основано на трудах советских и зарубежных ученых, изучавших режимы нагружения в деталях и конструкциях при действии случайных переменных нагрузок и закономерности процесса накопления усталостных повреждений. Фундаментальные исследования в этой области проведены Серенсеном СВ.,и его школой, Решетовым Д.Н., Болотиным В.В., Кинасошвили Р.С, Ко-* гаевым В.П. и др. Из иностранных ученых следует отметить А. Пальм-грена, М.А. Майнера, Б.Ф. Лангера, Ф. Ричарта, Е. Гаснера, В. Вей-буляа,А. Фрейденталя и др.
В данной работе при решении вопросов долговечности конструкции широко применялись ускоренные стендовые натурные испытания. При расчете долговечности деталей применялись методы, которые базируются как на гипотезе линейного суммирования повреждений /31, 36/, так и на гипотезе нелинейного накопления повреждений /10, 14/.
Расчетно-теоретическая и экспериментальные части работы были вып-олнены автором в 1979 - 1983 г.г. в объединении "КАМАЗ", на автополигоне НАМИ и на заводе-ВТУЗе при автозаводе им. И.А.Лихачева.
- II -
Анализ конструкций платформ и эксплуатационных разрушений её элементов
Несмотря на большое количество работ, посвященных стендовым испытаниям рам, среди которых следует выделить работы А.Л,Эйдель-мана /27, 34, 60/ и некоторых других авторов /26, 35, 62/, до настоящего времени методы испытаний платформ и их отдельных узлов отсутствовали. Было бы ошибкой считать, что достаточно установить на раму, нагружаемую одним из известных способов, платформу и вопрос о её стендовых испытаниях будет снят. Это можно утверждать в том случае, когда к раме прикладывается весь комплекс реальных нагрузок. Но существующие методы нагружения рам в стендовых условиях имеют ряд недостатков, которые будут проявляться и по отношению к платформе, снижая качество и достоверность результатов испытаний. К числу недостатков известных методов испытаний рам можно отнести то, что они практически не учитывают силового взаимодействия рамы с платформой, а также воздействия инерционных сил и моментов от массы груза и платформы.
Разработка схем и режимов испытаний отдельных узлов и деталей осуществлялась путем дифференциации нагрузок и выделения из них наиболее опасных. Критерием, определяющим точность нагружения, являлось соответствие характера и месторасположения разрушений, как это предлагалось в работах /26, 27/ применительно к рамам. Такой подход оправдан и подкреплен многочисленными экспериментами.
В работах /2, 3, 28/ исследовалось влияние конструкции крепления платформы на напряженно-деформированное состояние рамы. Это очень важно и для платформы, так как от жесткости крепления и его конструктивных исполнений зависит прочность и долговечность всей конструкции. В диссертации уделено особое внимание вопросу влияния жесткости несущей системы автомобиля, а также жесткости соединения отдельных элементов платформы в узлах на прочность и долговечность конструкции.
При проектировании новой конструкции очень эффективным средством являются расчетные методы, реализуемые на ЭВМ. Расчет напряженно-деформированного состояния каркаса платформы, как стержневой системы, проводился на базе известных методик /58, 59/. В работах /8, 9, 43/ очень подробно рассмотрены вопросы расчета напряженно-деформированного состояния вокруг концентраторов. Задача уменьшения напряжений вблизи концентраторов всегда была актуальной, поскольку они влияют на прочность всей конструкции. Для оценки напряженно-деформированного состояния стержневых конструкций и решения задач теории упругости, одной из которых является проблема вычисления коэффициента концентрации напряжений, широко используются численные методы, к наиболее распространенным из них относится метод конечных элементов /II, 12/. В данной работе был использован именно этот метод.
Моделировать в расчетной схеме все факторы, влияющие на прочность конструкции, практически невозможно. Поэтому при подробных исследованиях целесообразно сочетать расчетные методы с экспериментальными. К экспериментальным методам следует отнести, прежде всего, электротензометрию, а также метод фошоупругих покрытий /44, 46, 47/, который очень эффективен при исследовании концентрации напряжений в деталях сложной формы, испытывающих сложное напряженное состояние.
Долговечность конструкции платформы зависит от многочисленных факторов, в том числе, как отмечалось и от жесткости крепления, т.к. при этом изменяется уровень инерционных нагрузок. Многие исследования по долговечности рам /26, 27, 29, 30, 33/ базируются на стендовых методах. При оценке прочности и долговечности деталей и узлов платформы тоже широко применялись стендовые испытания.
Огромное влияние на долговечность конструкции узлов и деталей оказывают сварочные швы /19, 21, 22, 24, 25, 37/. Для повышения долговечности сварных ооединений необходимо, чтобы места сварки располагались в менее нагруженных зонах.
Для элементов и узлов, находящихся под действием переменных нагрузок, в конечном итоге важно решить вопрос об обеспечении достаточной долговечности, так как снижение последней приводит к простоям автомобиля и большим затратам на ремонт. Оценить долговечность можно расчетными способами. Но, поскольку, нагрузки обычно меняются во времени случайным образом, расчет чрезвычайно усложнен. Такие расчеты необходимо проводить с использованием результатов стендовых испытаний /31, 36/, так как при этом повышается точность прогноза долговечности натурных деталей.
Решение вопросов методики расчета и экспериментальных исследований долговечности деталей платформы основано на трудах советских и зарубежных ученых, изучавших режимы нагружения в деталях и конструкциях при действии случайных переменных нагрузок и закономерности процесса накопления усталостных повреждений. Фундаментальные исследования в этой области проведены Серенсеном СВ.,и его школой, Решетовым Д.Н., Болотиным В.В., Кинасошвили Р.С, Ко- гаевым В.П. и др. Из иностранных ученых следует отметить А. Пальм-грена, М.А. Майнера, Б.Ф. Лангера, Ф. Ричарта, Е. Гаснера, В. Вей-буляа,А. Фрейденталя и др.
В данной работе при решении вопросов долговечности конструкции широко применялись ускоренные стендовые натурные испытания. При расчете долговечности деталей применялись методы, которые базируются как на гипотезе линейного суммирования повреждений /31, 36/, так и на гипотезе нелинейного накопления повреждений /10, 14/.
Оценка напряженного состояния элементов крепления поперечных балок при различных конструктивных исполнениях
Таким образом, из рассмотрения характерных эксплуатационных разрушений деталей платформы следует, что наиболее слабыми, с точки зрения прочности и долговечности, элементами конструкции являются узлы соединения поперечных и продольных балок. Причем, основная причина заключена, видимо, в способе соединения балок, а также в характере усиления, потому что местные вставки приводят к ступенчатому изменению жесткости по длине балки, что неизбежно влечет за собой рост концентрации напряжений в местах изменения сечений.
Применение для поперечных балок открытых профилей может приводить к возникновению депланаций поперечных сечений под действием крутящих моментов, а это накладывает особые требования к конструкции соединительных элементов и жесткости крепления. У большинства конструкций в стыке между поперечной балкой и продольной введена сварка, резко повышающая жесткость соединения и стесняющая делланацию сечения, вследствие чего увеличиваются напряжения от стесненного кручения. Кроме того, в зоне соединения имеются концентраторы напряжений от сварных швов, заклепок, отверстий, значительно ослабляющих сечение балки. Причем, указанные концентраторы располагаются на кромках профиля, где суммарные напряжения, обычно, максимальны.
В конструкции, изображенной на рис. 1.6,сделана попытка исключить стесненное кручение применением балок закрытого профиля. Такое решение, во-первых, увеличивает металлоемкость, во-вторых, приводит к тому, что на каркас платформы (обвязки, продольные усилители) передаются значительные усилия из-за ужесточения узла, в-третьих, это оказывает неблагоприятное воздействие на напряженное состояние рамы из-за изменения соотношения жест-костей на кручение платформы и рамы в большую сторону.
В литературе описываются конструкции /2/, где предприняты шаги в обратном направлении, т.е. снижена жесткость соединения поперечных балок с продольными путем введения различных упругих амортизаторов. Это позволяет почти в 2 раза снизить напряжения от стесненного кручения, но повышает воздействие инерционных нагрузок, уменьшить которые удается лишь увеличением количества поперечных балок, что не рационально.
Для исключения передачи кососимметричных сил на основание платформы существует конструкция, изображенная на рис. 1.24 /20/, в которой передняя часть основания снабжена шарниром, предназначенным для восприятия деформаций рамы. Такая конструкция сложна и металлоемка, так как в этом случае нужен жесткий каркас основания.
Следует отметить, что усиление узлов крепления поперечных балок платформы как за счет увеличения толщины входящих элементов, так и путем введения всевозможных усилителей нерационально, прежде всего, потому, что ведет к росту металлоемкости.
Оценка действующих на платформу нагрузок, которые складываются из распределенных по основанию сил тяжести,инерционных сил от массы груза и платформы, которые которые через борта и , стойки бортов передаются на основание,и нагрузок передаваемых от рамы, представляет большую сложность.
Расчет стоек боковых бортов и самих бортов может быть выполнен обыными методами сопротивления материалов /41/ от инерционных сил, которые могут быть приближенно оценены по величинам замеренных ускорений при заданном распределении масс. При этом можно определить достаточно рациональные сечения как стоек, так и бортов /I/. Расчет же несущих элементов каркаса очень усложнен, поскольку силы взаимодействия рамы и платформы, даже приближенно, оценить трудно. Для этого надо рассматривать общую динамическую модель автомобиля, которой пока нет, а замерить их непосредственно также сложно из-за многоточечного закрепления и сложности конструкции соединительных элементов.
Эффективной оценки нагрузок в несущих элементах каркаса можно добиться используя величины внутренних силовых факторов (ВСФ) в сечениях отдельных стержней, получаемых по результатам тензо-метрических исследований /5, 48/.
Объектом для исследований была выбрана бортовая платформа большегрузного автомобиля модели "КамАЗ" номинальной грузоподъемности 14 тонн. Работы по изучению нагруженности элементов платформы в дорожных условиях проводились на автополигоне НАМИ на базе методики, разработанной НАМИ и автополигонеи/57/.
Программа исследований включала стендовые статические и дорожные тензо- и режимометрические измерения; измерения характеристик жесткости, ускорений, обработку экспериментальных данных. Для оценки напряженного состояния элементов платформы они были обклеены тензорезисторами типа 2ПКБ-20-200ГБ. Статическое тензометрирование проводилось на стенде с механическими подъемниками, нагружающими автомобиль кососимметричными силами путем подъема диаганально расположенных колес на высоту 220 мм. В целях исследования влияния усиливающего действия пола и бортов исследования осуществлялись при следующих комплектных состояниях платформы на автомобиле: - платформа со снятым полом и открытыми бортами; - платформа без пола, но с закрытыми бортами; - платформа в сборе, без полезной нагрузки; - платформа в сборе с полезной нагрузкой 14000 кг, равномерно распределенной по полу. Кроме того, проводились измерения в элементах конструкции при симметричном нагружении распределенным баластом массой 14000 кг. В процессе исследований замерялась угловая жесткость несущей системы автомобиля. При этом определялись вертикальные реакции передних колес, углы закручивания платформы по длине и несущей системы по базе автомобиля. С целью исследования влияния платформы на жесткость несущей системы автомобиля проводились замеры угловой жесткости при незакрепленной на раме платформе. Для измерений напряжений применялся цифровой тензометрический мост ЭДМ-3. Замеры углов закручивания осуществлялись оптическими квадрантами типа К0-І, а определение веритикальных реакций колес проводилось с помощью тензовесов (лодометром) конструкции НАМИ.
Определение напряжений в деталях крепления поперечных балок с учетом концентрации
Жесткость несущей системы влияет на напряженность элементов платформы - с увеличением угловой жесткости напряжения снижаются. При повышении жесткости основания платформы, или при уменьшении жесткости шасси автомобиля (увеличение отношения жесткости автомобиля с платформой к жесткости шасси в большую сторону) напряжения в соединительных элементах повышаются, поэтому их следует выполнять более податливыми.
Борта и пол незначительно влияют на жесткость и напряженность конструкции. Только при загрузке платформы возрастает подкрепляющее действие настила пола.
Платформа при движении автомобиля находится под действием больших инерционных нагрузок. Максимальные ускорения достигают величины 4 . В связи с этим, необходимо обеспечивать достаточные статические запасы прочности несущих элементов.
Наибольшие динамические напряжения появляются в зоне узла крепления при движении автомобиля по дорогам, где происходит его закручивание с одновременным воздействием инерционных усилий и моментов. Как в статике, так и в динамике максимальные напряжения сосредоточены в элементах узла крепления поперечных и продольных балок платформы, что является причиной усталостных разрушений в этих зонах.
Наибольшему повреждающему воздействию подвержены элементы конструкции при движении по дорогам, на которых интенсивно закручивается несущая система (трек, "бельгийская мостовая").
Стендовые испытания отдельных агрегатов, узлов и деталей автомобиля на прочность и долговечность получают все большее развитие в автомобилестроении, постепенно заменяя при решении ряда технических вопросов дорожные и, в частности, полигонные испытания /7/.
При замене эксплуатационных испытаний стендовыми наибольшие успехи достигнуты в оценке усталостной прочности и долговечности конструкции. В последнее время заметно возросло значение стендовых испытаний на долговечность элементов конструкции автомобиля при разработке и доводке новых моделей.
В соответствии с различными задачами стендовых испытаний (испытания агрегатов в целом, испытания отдельных деталей на статическую прочность, усталостную прочность) должны применяться разные стенды и методы испытаний. Стендовые испытания отдельных деталей автомобиля применяются все чаще. Это объясняется тем, что прочность всего узла или агрегата, как правило, лимитируется прочностью нескольких деталей, а иногда и одной.
Повышение прочности и долговечности слабого звена обычно ведет к увеличению ресурса всего узла или агрегата. Исследование прочности и долговечности только таких деталей и простейших узлов позволяет существенно уменьшить стоимость эксперимента, изготовить больше опытных образцов и изучить развитие повреждений при однотипных режимах, так как в этом случае эксплуатационную нагруженность детали можно воспроизвести более точно, чем при испытаниях всего агрегата. Это позволяет довольно просто решать многие вопросы, связанные с качеством продукции, отработкой оптимальной технологии изготовления отдельных деталей, разработкой оптимальной конструкционной формы деталей, а также производить оценку эксплуатационной долговечности отдельных элементов конструкции в стендовых условиях, имитируя эксплуатационные процессы нагружения.
Поэтому задачи по разработке и освоению более совершенных методов и методик исследования узлов в стендовых условиях имеют большую практическую и научную ценность. Разумеется, что детали и узлы платформы автомобиля не являются в этом отношении исключением.
Вопросы выбора критерия, обеспечивающего получения нагрузок при стендовых испытаниях идентичных эксплуатационным, в настоящее время еще не получили должного развития. Это связано с тем, что реальные процессы изменения нагрузок на детали автомобиля весьма сложны и представляют собой в большинстве случаев нестационарные случайные процессы, которые воспроизвести при стендовых испытаниях очень сложно, а иногда невозможно. Поэтому оценка эксплуатационной долговечности конструкции в условиях стендовых испытаний затруднена. Кроме того, испытания, построенные на воспроизведении реального процесса, по длительности приближаются к обычным эксплуатационным испытаниям автомобилей, что лишает стендовые испытания одного из основных их преимуществ - сокращение вре-мвни оценки прочности конструкции. Эти обстоятельства привели к тому, что во многих случаях оценку долговечности в стендовых условиях ведут не путем воспроизведения реального процесса, а создавая условный схематизированный процесс, эквивалентный по повреждающему усталостному воздействию реальному. При этом исходят из следующего: 1. В области упругих деформаций изменение нагрузки между смежными экстремальными значениями не влияет на предел выносливости. 2. Изменение частоты приложения нагрузки не влияет на усталостные свойства материала. 3. Случайный характер чередования нагрузок различной величины с достаточной степенью точности может быть заменен эквивалентным по повреждающему воздействию упорядоченным процессом. В предыдущей главе было показано, что при динамических режимах имеют место следующие виды нагружений платформы. 1. Кручение платформы совместно с шасси автомобиля. 2. Нагружение конструкции инерционными моментами, соответствующими угловыми ускорениями в продольно-вертикальной плоскости. 3. Нагружение силами инерции, возникающими при вертикальных колебаниях платформы.
Разработка рекомендаций по улучшению существующих конструкций узлов крепления поперечных балок
Таким образом, самым распространенным видом деформации платформы (как и рамы) следует считать кручение, поэтому вполне логично в качестве параметра для нагружения конструкции в стендовых условиях выбрать угол закручивания. В пользу этого нагрузочного параметра говорят следующие факты. Во-первых, предыдущими исследованиями установлено, что при статическом кручении как порожней, так и груженой конструкции напряжения, например в поперечных балках, сопоставимы, причем, в первом случае они даже выше, и во-вторых, в динамике в элементах нагруженной платформы возникают высокие напряжения, объяснимые только кососимметричной деформацией. Кроме того, в процессе разложения нормальных напряжений, замеренных при закручивании автомобиля с платформой было установлено, что они слагаются из напряжений от действия нескольких силовых факторов - нормальной силы, изгибающих моментов в вертикальной и горизонтальной плоскостях и бимомента. Следовательно, воспроизведение угла закручивания обеспечивает появление сложного вида нагружения.
Однако, в идеальном случае, критерием, создающим идентичность нагружения в стендовых условиях с эксплуатационными, должна быть эквивалентность повреждающих воздействий в определенных точках конструкции и соответствие характера и месторасположения трещин /25, 26/. Данный показатель выступает практически как основной критерий полноты соответствия реальным условиям нагружения. Поэтому он может использоваться для уточнения схемы и режимов испытаний, а также для детальных или поузловых испытаний конструкции; При разработке стендовых методов исследований платформы в целом, чтобы учесть факторы, вызываемые взаимодействием с рамой и появлением инерционных сил, требуется обеспечить нагружение совместно с рамой. Но такие работы будут очень дорогими. В связи с этим их следует проводить на заключительном этапе доводки конструкции, когда основные элементы и узлы отработаны при более простых испытаниях с помощью упрощенных методик. Так как наиболее напряженными элементами платформы являются узлы соединения продольных и поперечных балок каркаса и входящие в них детали, то задача состоит в том, чтобы обеспечить идентичность нагружения именно этих зон конструкции.
Воспроизвести в стендовых условиях кручение конструкции или, другими словами, обеспечить её кососимметричное нагружение сложно (особенно при динамических испытаниях), так как для этого требуется уникальное оборудование и специальная оснастка. И все же, такие исследования значительно дешевле полигонных, поэтому их развитие и создание соответствующих методов изучения прочности всей платформы на стенде не только желательно, но и необходимо. Как уже отмечалось, наряду с принципами исследований конструкции в целом, очень важно иметь методы стендовых испытаний отдельных узлов и деталей, чтобы с минимальными затратами осуществлять доводку изделий. Рассмотрим данные вопросы.
Для удобства анализа систему сил, воспринимаемых несущей системой автомобиля делят на симметричную и кососимметричную. Под действием симметричной системы сил рама и платформа изгибаются в вертикальной плоскости, при этом у рамы нагружены главным образом её продольные элементы (лонжероны), а у платформы - поперечные балки. Под действием кососимметричной системы сил рама совместно с платформой закручиваются, что в общем случае приводит к сложному нагружению рамы и платформы. Причем, как было показано в главе I, взаимовлиянием платформы и рамы пренебрегать нельзя. Поэтому при разработке схемы нагружения платформы на стенде отмеченное обстоятельство учитывалось в первую очередь. Учитывалось и то, что в реальных конструкциях продольная ось вращения рамы не всегда лежит в её плоскости /42/. Кроме этого,были приняты во внимание особенности работы подвески автомобиля.
Во время движения по неровной дороге рама шасси имеет поперечное покачивание, на рессорах, что приводит к смещению оси вращения несущей системы и может достигать существенной величины. Поворот рамы на угол приводит к тому, что и рессоры будут поворачиваться и смещаться в горизонтальной плоскости, . чему препятствуют оси колес и сами колеса, связанные с дорогой силами трения от вертикальной нагрузки. Деформации рессор вызываютпояв-ление в горизонтальной плоскости дополнительных реактивных моментов и сил, изгибающих раму в её плоскости. Величина этих усилий зависит от боковой жесткости рессор, величины смещения оси вращения и пропорциональна углу закручивания рамы.
.Необходимо учитывать и особенность работы независимой балан-сирной тележки, которая заключается в том, что она плавно окатывает неровности дороги, поэтому в своей задней части рама должна быть установлена на совмещенные цилиндрический и сферические шарниры (см. рис. 2.1), закрепленные неподвижно на силовом основании.
Таким образом, несущая система при нагружении по схеме, в которой учитываются; отмеченные выше, особенноети,имеет все степени свободы, характерные для рамы с платформой при движении автомобиля (см. рис. 2.1).
