Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ состояния вопроса по теме Постановка задачи исследования 9
1 1 Основные проблемы исследований пассивной безопасности кузовов при опрокидывании автобуса 9
12 Компоновочные схемы автобусов 14
13 Варианты конструкций автобусов дальнего следования 19
1 4 Автобусные кузова 20
1 5 Материалы, используемые для изготовления кузовов автобусов 30
1.6 Выводы по 1 главе
Постановка цели и задачи исследования 35
2 Теоретические основы исследовании 37
2 1 Обзор существующих теорий прочности 37
2 2 Работа внешних сил Работа внутренних сил (потенциальная энергия деформации) 47
2 3 Энергетический метод определения критической силы 48
2 4 Диаграммы деформирования 48
2 5 Выводы по 2 главе 51
3 Теоретическая разработка метода оценки прочности верхней части конструкции кузовов автобусов для условий Правил ЕЭК ООН № 66 52
3 1 Критерий оценки безопасности автобусов при опрокидывании 52
3 2 Структура предлагаемого экспериментально-расчетного метода 55
3 Постановка эксперимента нагружением автобуса при работе материала конструкции кузова в упругой зоне 56
З 4 Кинематический анализ формоизменения конструкции кузова 61
3 5 Оценка прочности кузова по энергии формоизменения конструкции автобуса 69
3 6 Выводы по 3 главе 82
4 Оценка прочности кузова комплектного автобуса экспериментально-расчетным методом 83
4 1 Цели экспериментального исследования прочности кузова автобуса 83
4 2 Испытательное оборудование 84
4 3 Экспериментальное исследование 85
4 4 Обработка экспериментальных данных 96
4 5 Испытание комплектного транспортного средства на опрокидывание 100
4 6 Анализ теоретических и экспериментальных данных 105
4 7 Выводы по 4 і лаве 108
5 Оценка прочности секций кузова автобуса экспериментально-расчетным методом 109
5 1 Данные об автобусе, представляемые заводом-изготовителем 109
5 2 Экспериментальное исследование секций 111
5 3 Кинематический анализ секций кузова автобуса ПАЗ-3205 113
5 4 Энергетический анализ секций кузова автобуса ПАЗ-3205 114
5 5 Выводы по 5 главе 120
Общие результаты и выводы
- Варианты конструкций автобусов дальнего следования
- Энергетический метод определения критической силы
- Оценка прочности кузова по энергии формоизменения конструкции автобуса
- Испытание комплектного транспортного средства на опрокидывание
Варианты конструкций автобусов дальнего следования
Развитие самолетостроения в нашей стране способствовало появлению теоретических работ по тонкостенным конструкциям таких ученых как В.К. Беляева, В.З. Власова, А.А. Уманского, АД. Феофанова.
Наиболее капитальные работы в области расчета кузовов вагонов выполнены Е.Н. Никольским.
Экспериментально - исследовательские и расчетные работы в области исследования прочности несущих систем появились впервые около 30 лет назад. Среди них работы Е. Л. Чудакова, В. Л. Марковикова, Б. С. Фалькевича, И. К. Цнитко.
С 50 годов Д. Б. Гельфгатом и В. А. Ошноковым в НАМИ [20, 23], Н. Ф. Бочаровым в МВТУ [8, 9] производились исследования прочности рам грузовых автомобилей. Достоверность результатов, полученных в работе, доказана теоретическими исследованиями.
Вопросы усталостной прочности рамных конструкций разработаны М. Н. Заксом, М. М. Кобрыным, Л. М. Дельчуком. К наиболее ранним работам по исследованию и расчету несущих систем автобусных кузовов следует отнести работы С. И. Котляра [33-35].
Более точным методам расчета кузова автобуса как сложной тонкостенной конструкции посвящены работы Ц. Бжоски, Я. Павловского /Польша/ [57, 87, 88], Б. Шамо, П. Михельберга /Венгрия/.
С 1955 г. в НАМИ проводились систематические исследования прочности кузовов автобусов отечественного производства.
В результате этих работ под руководством Д. Б. Гельфгата и Н. И. Воронцовой была создана методика исследования, усовершенствована тензометрическая аппаратура и стендовое оборудование, а затем разработан метод расчета несущих автобусных кузовов на изгиб статической нагрузкой
[13, 14, 16]. Исследованы практически все автобусные кузова как опытного, так и серийного производства - всего около 36 кузовов для заводов ПАЗ, ЛАЗ, КАВЗ, ЗИЛ, Ликино, РАФ и зарода им. Урицкого.
Большое значение для развития науки о кузовах автобусов имеют работы В. В. Осепчугова [56-58], М. Б. Школьникова [81-86], К. М. Атояна [1-4], В. А. Колтунова, Р. А. Акопяна. А. С Ташлыцкой.
В работах Н. И. Воронцовой [9-11] представлена оценка прочности и жесткости несущих систем автобусов путем экспериментальных исследований автобусов методом тензометрии.
И. К. Коршаковым [31] разработаны методы экспериментального исследования и оценки пассивной безопасности легковых автомобилей при фронтальных столкновениях. Эти методы позволяют получить необходимые экспериментальные данные для разработки практических мероприятий по повышению безопасности и производить оценку безопасности легковых автомобилей по результатам их испытаний.
А. И. Рябчинским в работе [74] проведены исследования ударно-прочностных качеств кабины грузового автомобиля, которые влияют на пассивную безопасность при его опрокидывании. Составлена математическая модель продольного опрокидывания грузового автомобиля, совершающего три полных оборота, представлены величины угловой скорости автомобиля в момент непосредственно перед ударом, кинетическая энергия, теряемая при ударе, соответствующие определенной фазе процесса опрокидывания.
Кроме того, в работах А. И. Рябчинского [69-73. 75] рассмотрены вопросы оценки пассивной безопасности легковых автомобилей и методы испытаний легковых автомобилей на пассивную безопасность, сертификация автотранспортных средств.
Вопросам оценки пассивной безопасности посвящены работы Э.Н. Никульникова, Ю.Ф. Благодарного, И.Н. Порватова. [39-42] Л.С. Гаронина, С.С. Дмитриченко. Прочностными расчетами кузовов автобусов, как в целом, так и различных его частей занимаются конструкторские бюро автобусных заводов, ведущие научно-исследовательские и учебные институты: ГНЦ РФ НАМИ, МГТУ МАМИ, МАДИ (ТУ), НГТУ. Анализ существующих методов оценки прочности кузова автобуса для условий Правил ЕЭК ООН №66
Существующие методы оценки прочности кузова автобуса можно разделить на три группы, экспериментальные; расчетные; комплексные (экспериментально-расчетные или расчетно-экспериментальные).
Экспериментальные методы оценки прочности кузова автобуса являются наиболее предпочтительными, но, как отмечалось выше, они являются самыми дорогостоящими.
Экспериментальные методы оценки прочности кузова автобуса подробно описаны в приложениях к Правилам ЕЭК ООН № 66 [93]. Правила предусматривают три вида испытаний:
Детальный анализ Правил ЕЭК ООН №66 (ГОСТ 41.66-99) представлен в приложении Г. Оценка прочности кузова автобуса на основе расчетных методов применяется в основном в европейских странах на специализированных программных комплексах, основывающихся на методах конечных элементов (МКЭ) и конечных разностей (МКР). Трудностями к применению данных программных комплексов являются:
Энергетический метод определения критической силы
К настоящему времени сложилась достаточно твердая концепция автобуса класса III в нескольких вариантах, уже ставших классическими. Подавляющее число автобусов класса III имеют заднемоторную компоновку с продольным расположением силового агрегата в заднем свесе. Эта компоновка позволяет реализовать колесные формулы как 4x2, так и при необходимости 6x2 с подкатной осью. Имеются также шарнирно-сочлененные автобусы класса III, выпускаемые в ограниченном количестве. Основные варианты конструкций автобусов дальнего следования представлены на рис. 1.2. -силовой агрегат; 2 - пассажирская дверь; 3 -аварийная дверь; 4 - багажные отсеки; 5- спальное место водителя; 6 - бар, туалет, гардероб. Наиболее распространенной в течение длительного времени была конструкция автобуса дальнего следования, при которой пол салона имел высоту 900-1200 мм. а под ним размещались багажные отсеки (рис.1.2,а). Рабочее место водителя выполняется на одном уровне с пассажирским помещением.
Следующим шагом в развитии конструкции автобуса дальнего следования явилось возвышение пассажирского помещения по отношению к отделению водителя (рис. 1.2,б), что позволило улучшить обзорность для пассажиров, увеличить объем багажных отсеков и выполнить спальное отделение для водителя. Дальнейшим развитием этой концепции, позволившей улучшить обзорность пассажирам при сохранении остальных преимуществ, явилось выполнение пассажирского помещения наклонным по типу "амфитеатр" (рис. 1.2,в). Все указанные варианты могут иметь в задней части туалет, гардероб, бар.
При анализе прочности кузова автобусов дальнего следования следует отметить следующее: повышение уровня пола, как правило, приводит к повышению высоты центра тяжести автобуса, что в свою очередь приведет к увеличению общей энергии удара при опрокидывании автобуса. Однако использование дополнительного оборудования (туалет, бар) в задней части автобуса позволит увеличить прочность корпуса кузова в целом.
Кузов автобуса предназначен для размещения пассажиров, багажа и обслуживающего персонала. Он состоит из корпуса и оборудования, включающего в себя обивки, сиденья, оконные стекла, системы отопления, вентиляции и освещения и т.д. Кузов должен обеспечивать заданные механические свойства при минимальной массе, которая определяется геометрическими размерами кузова и сечений профилей каркаса, воспринимаемыми кузовом нагрузки, материалами, из которых он изготовлен, технологией изготовления и сборки, конструктивными решениями [17, 84, 127 135].
Классификация автомобильных кузовов Классификация автобусных кузовов осуществляется по способу и степени восприятия действующих нагрузок. Любой кузов в той или иной степени воспринимает часть общей совокупности действующих нагрузок, поэтому за основу принимается восприятие кузовом статических изгибных нагрузок. В этом случае выделяется три типа автобусных кузовов: 1) рамный кузов, у которого статическая нагрузка и реакции подвески воспринимаются преимущественно рамой, эластично связанной с корпусом (рис.1.3,а); 2) кузов с несущим основанием, у которого статическая нагрузка и реакции подвески воспринимаются преимущественно основанием, жестко связанным с корпусом (рис.1.3,6); 3) несущий кузов, у которого полная статическая нагрузка распределяется по всем элементам корпуса (рис. 1 3,в).
Основным преимуществом рамной конструкции кузова является то, что она позволяет выпускать автобусы различного назначения на унифицированном шасси. Такой кузов имеет как бы двойное основание: раму и собственно основание корпуса, что несколько утяжеляет кузов, практически не повышая его прочность. При одинаковой технологии изготовления корпуса 12-метровый автобус с рамным кузовом, как правило, на 400-600 кг тяжелее автобуса с кузовом с несущим основанием и на 1000-1400 кг тяжелее автобуса с несущим кузовом.
Основными преимуществами несущего кузова являются его меньшая масса при равной прочности и большие возможности в части реализации требуемых компоновочных решений (понижение уровня пола, использование подпольного пространства для размещения багажных отсеков и оборудования и т.д.).
Конструкции автобусных кузовов: а) рамный кузов; б) кузов с несущим основанием; в) несущий кузов. В настоящее время большинство городских автобусов изготовляется с несущим кузовом или кузовом с несущим основанием, что соответствует обшей тенденции к снижению уровня пола в городских автобусах. Автобусы классов II и III изготовляются как с несущим кузовом, так и на специальном автобусном шасси, выпускаемом ведущими европейскими фирмами (Daimler-Benz, Volvo, DAF, Scania, NAW). Как уже отмечалось выше, снижение уровня пола приводит к понижению центра масс автобуса, что в итоге ведет к повышению прочности кузова при опрокидывании автобуса
Однако наметившаяся тенденция к изготовлению кузовов с несущим основанием позволяет снизить снаряженную массу автобуса при равной прочности корпуса. Уменьшение массы автобуса, как и ч первом случае, отразится на прочности кузова автобуса, т. к. снаряженная масса автобуса прямо пропорционально зависит от общей энергии удара автобуса в момент опрокидывания. Поэтому, чем меньше масса автобуса, тем меньше общая энергия удара и, следовательно, меньшим деформациям подвергается корпус кузова автобуса.
Корпус любого кузова состоит из боковин, крыши, нижней части (рамы с основанием, основания), передней части (передка) и задней части (задка). Схема классического корпуса автобуса состоит из следующих основных элементов, поперечины, боковые стойки и дуги крыши, образующие одноконтурную раму, называемую шпангоутом; основание, передающее полезную нагрузку на шпангоуты; панели боковых стенок и крыши; межоконные панели и надрессорные балки.
Схема классического корпуса автобуса представлена на рис. 1.4. Способы соединения частей корпуса Части корпуса соединяются сваркой, клепкой или болтовыми соединениями. Если на ранних конструкциях автобусов с рамными кузовами каркас устанавливался на раму посредством упругих элементов, то в настоящее время с появлением специальных автобусных шасси чаше осуществляется жесткое соединение корпуса кузова с рамой. Рама в этом случае снабжается
Оценка прочности кузова по энергии формоизменения конструкции автобуса
Все кузовные листы после горячей прокатки проходят процесс травления, т. е. удаления с поверхности окалины, потому что окалина как плохой проводник электричества препятствует контактной электросварке. Затем следует холодная прокатка. От количества операций холодной прокатки зависит важное свойство листов - чистота поверхности, а также сортность. Не касаясь чисто металлургических вопросов, таких как использование для листов глубокой вытяжки только некоторых частей слитка, необходимо сказать, что штампуемость листа зависит от чистоты его поверхности. Даже незначительные риски или неровности вызывают при штамповке трещины в детали. Поэтому листы следует по возможности дольше хранить в упаковке и очень аккуратно транспортировать.
Легкие сплавы Из легких сплавов наиболее применимы в кузовостроении алюминиевые сплавы литейные и деформируемые. Д16Т, АД1, АМц, АМеї, АМг2, АМгЗ, АМгб, АМг5, АДгЗІ, АДЗЗ, АД35 и др. Литейными добавками к алюминию является медь, магний, марганец, цинк, хром и кремний. Механические свойства алюминиевых сплавов зависят от термообработки - закалки и старения. Плотность равна 2,7 г/см . Литейные и деформируемые алюминиевые сплавы свариваются в защитном газе. Такой вид соединения применяется в среднеиагруженных деталях. Особо нагруженные элементы соединяют заклепками. Чаще всего в кузовах встречаются мало- и средненагруженные элементы, для соединения которых кроме контактной электросварки шовной или точечной в углекислом газе можно использовать стыковую сварку сопротивлением. Коррозионная стойкость легких алюминиевых сплавов достигается анодированием либо нанесением металлопокрытий
Применяются также алюминиевые листы, покрытые с одной стороны прочной и коррозийно-стойкой пленкой из пластмасс. Эти листы имеют очень хороший внешний вид и могут без дополнительного покрытия использоваться для элементов наружной и внутренней отделки. Кроме того, разнообразная фактура поверхности пленки позволяет применять покрытые ею листы для элементов подножек, дверей, частей пола и разных декоративных деталей.
Развитие промышленности большой химии создает широкие возможности для применения новых материалов в автомобильных кузовах. Это видно из постоянно растущей по массе доли пластмасс в автомобилях.
Однако показатель массы не отражает фактического состояния, так как эти материалы, как правило, очень легкие. Если же учитывать показатели поверхности или массу заменяемых деталей, то фактическое состояние значительно более выгодно для пластмасс.
Существует большое разнообразие пластмасс, которые могут быть использованы в автомобильных кузовах. Элементарные сведения о материале и их основные названия необходимы для общих вопросов, связанных с прочностью кузовов.
Первоначально в качестве искусственных материалов в кузовостроении использовались фенольные смолы с наполнителем в виде текстиля или картона. Однако лишь освоение синтеза полиэфирных смол, армированных стекловолокном, открыло новые и необычайно интересные возможности применения их в корпусах автомобильных кузовов.
Полиэфирные смолы переходят в твердое состояние в результате полимеризации. Они имеют небольшую плотность (1,5-1,8 г/см). Очень хорошие механические свойства полиэфирным смолам придает армирование их стекловолокнами или стеклотканями из нитей толщиной около 0.025 мм. Прочность при разрыве составляет в среднем 2500 кгс/см", а при изгибе 4000 кгс/см . Механические свойства зависят от направления волокон, и поэтому следует следить за тем, чтобы волокна были расположены в разных направлениях с целью обеспечения равномерной прочности. Соединение со стеклянными тканями привело к широкому распространению названия "ламинаты полиэфирные" (стеклопластики), сокращенно PWS (польск. -polistry wzmachiane szklem ) или GRP (англ. - glass reinforced plastics).
Современная технология обеспечивает возможность применения PWS в единичном или малосерийном производстве и решительно преобладает в той области над технологией металлических кузовов.
Кузова из PWS выполняют по моделям фрагментов кузова. Эти фрагменты соответствуют целым комплектам сварным ухтам металлических кузовов. Во многих случаях кузова автобусов из PWS могут состоять только из двух основных частей: крыши и боковины. После подготовки поверхности модели на нее наносят жидкий слой полиэфирных смол и отвердителя кистью или с помощью пистолета-краскораспылителя, затем обкладывают стекловолокном или стеклотканью. Прижим волокна или ткани производится соответствующим оборудованием: при единичном производстве - валиком или механизированным инструментом, при выпуске небольших серий - резиновым мешком, надутым сжатым воздухом; при мелкосерийном производстве -прессом. Эта процедура повторяется несколько раз до получения нужной толщины получающегося при таком способе ламината. После самозатвердевания стеклопластика форму снимают с модели и обрабатывают края и кромки. Эта технология постоянно совершенствуется введением предварительной пропитки стеклянных матов (pregres - англ.), системы подогрева дія ускорения процесса и т. п. Простота технологии формирования крупных элементов и І PWS позволяет экономно производить корпуса, к которым следует отнести крупноразмерные крыши автобусов.
Для окон кузова применяют неорганическое стекло. В зависимости от требуемой прозрачности это зеркальное стекло, например, дія передних сгекол, либо полузеркальное - дня окон, менее важных. Плотность стекла составляет 3,5 г/см\ Стекло, применяемое в кузовостроении, должно быть безопасным, чтобы в случае разрушения не ранило пассажиров. Это необходимое свойство стекла достигается закалкой, в результате которой оно становится значительно прочнее, а в случае разрушения дробится на кусочки с тупыми краями.
Между тем достоинство является и недостатком, так как закаленное стекло теряет прозрачность при случайном ударе. Чтобы избежать этого. определенную область переднего стекла оставляют незакаленной.
Закаленное стекло не может быть подвергнуто уже никакой обработке, например резанию или сверлению отверстий. Нарушение равновесия закаленных частиц стекла вызывает немедленное их рассыпание. Это несовершенство закаленного стекла продиктовало другой способ создания безопасного стекла - не закалкой, а склеиванием. Два или три листа стекла склеивают прозрачной пленкой из полиметилакрилата или полиацетата. Такое склеенное слоями стекло оезосколочно и. следовательно, безопасно, а пленка является хорошим и эластичным связующим звеном. В последнее время все чаще применяют органическое стекло из полиметилметакрилата,
Испытание комплектного транспортного средства на опрокидывание
На основании проведенного сравнительного анализа теоретических и экспериментальных данных установлено. что предлагаемый экспериментально-расчетный метод оценки прочности кузова автобуса применим для расчета секций ку:ова и позволяет рассчитывать перемещения с точностью в пределах 15 %
Разработанный ЭРМ оценки прочности кузоьа удовлетворяет требованиям приложения 6 Правил F3K ООН №66, т к при расчете моделируется поведение конструкции в процессе значительных пластических деформаций; проводится анализ конструкции и выявляются возможные места пластических деформаций; проводятся испытания физико-механических свойств для определения силы, характеризующей пластическую деформацию; устанавливается величина пластической деформации; учитывается деформация материала до и после его пределов упругости; учитывается изменения геометрии конструкции, происходящие на стадии деформации, не превышающей допустимых пределов; при расчете моделируется такая сила и такое направление удара, которые были бы заданы при испытании этой конкретной конструкции кузова методом опрокидывания, предписанным в приложении 3; достоверность расчета доказана путем сравнения с результатами практических испытаний. На основе представленного экспериментально-расчетного метода оценки прочности кузовов автобусов разработан проект стандарта СТО, представленный в приложении В. Разработан экспериментально-расчетный метод оценки прочности кузова автобуса при опрокидывании, позволяющий дать оценку прочности кузова автобуса при проведении сертификации без разрушения кузова, на основе аппарата энергетической теории прочности для условий Правил ЕЭК ООН №66 (ГОСТ 41.66-99).
Для этого предложено три этапа:
Экспериментальное исследование прочности кузова при работе материала в упругой области с регистрацией данных о деформациях, нагружениях и перемещениях для прогнозирования предельных упругих и пластических деформаций элементов кузова с учетом конструктивных особенностей и возникновения пластических шарниров. Для этого разработаны методы экспериментального исследования и специальное оборудование для исследования основных параметров кузова автобуса.
Кинематический анализ прочности кузова автобуса проводят при допущении, что материал конструкции кузова обладает идеально пластическими свойствами. С учетом этого допущения, на основании данных первого этапа и с использованием разработанной математической модели деформации конструкции кузова, составляют уравнения деформации элементов кузова и рассчитывают перемещения частей конструкций в сторону остаточного пространства. По результатам расчетов принимают решения о соответствии конструкции установленным требованиям Правил №66.
Оценку прочности кузова автобуса по энергии формоизменения конструкции проводят при условии, что материал кузова обладает свойствами идеально упруго-пластического материала. При этом на основании данных, полученных на предыдущих этапах, с использованием разработанной соответствующей математической модели, определяются функциональные зависимости деформирования идеально упруго-пластического материала для каждого возможного пластического шарнира. расположенного на исследуемых шпангоутных рамах. Затем принимают решения о соответствии кузова установленным фебованиям Правил №66 (ГОСТ 41.66-99).
Проведено экспериментальное исследование прочности кузова автобуса ЛиАЗ-5256 на созданном стенде и его испытания на опрокидывание для подтверждения точности предлагаемого метода. Сравнительный анализ экспериментально-расчетного и традиционного методов показал, что предлагаемый метод позволяет рассчитывать перемещения элементов кузова с расхождением данных « пределах 15%.
На основе представленного ЭРМ оценки прочности кузова автобуса разработан проект стандарта Ассоциации Автомобильных Инженеров России на метод контроля прочности кузовов автобусов. Созданные теоретические разработки и программный комплекс внедрены на ФГУП «НИЦИАМТ», а также используются в учебном процессе ЮРГУЭС.
