Введение к работе
A j 02,
Актуальность проблемы. Колесо является универсальным движителем современных наиболее массовых транспортных средств. В подавляющем большинстве колеса работают вместе с пневматической шиной. Колесо вследствие специфики своего функционирования является телом вращения. Практически все колеса состоят из ступицы, диска и обода. Ступица является массивной деталью, а диск и обод выполняются тонкостенными со сложным профилем и переменными по толщине. На диске выполняются крепежные и вентиляционные или ручные отверстия. Конструкционные элементы диска между ручными отверстиями, называемые спицы, могут занимать практически всю длину диска. Таким образом, колесо является весьма сложной конструкцией.
Объектом исследования настоящей работы являются колеса легковых автомобилей и мотоциклов с дисками сложного профиля при наличии крепежных отверстий и регулярной системы спиц. Рассматривается наиболее напряженный циклический режим работы - это движение на поворотах.
В последнее время в колесное производство внедряются легкие сплавы взамен конструкционной колесной стали. Обладая достаточной прочностью и жесткостью, легкосплавные колеса значительно легче стальных и обладают значительно меньшим моментом инерции, что является их преимуществом во многих отношениях, в частности по динамике разгона и торможения, по плавности хода и управляемости, по воздействию на подвеску и т.д. К прочности и надежности таких колес предъявляются повышенные требования.
Создание метода расчета прочности, ресурса и пробега колес в виде тонкостенных оболочечных конструкций настоятельно требуется запросами практики при разработке современных легкосплавных автомобильных и мотоциклетных колес и определяет актуальность настоящей работы.
Цель диссертационной работы состоит в разработке метода расчета напряженно-деформированого состояния, ресурса и пробега современных легкосплавных колес, учитывающего реальные конструктивные особенности и реальные, наиболее общие условия нагружения, и применение данного метода к анализу работы конкретных колес легковых автомобилей и мотоциклов.
Направление исследований состоит в объединении- в едином расчетном методе сложность геометрической формы колеса, многослойность, переменность толщины слоев, резкие изменения толщины, наличие крепежных отверстий и регулярных систем спиц на отдельных участках диска, переменный характер поверхностных и контурных нагрузок, цикличность прилагаемых нагрузок, усталостные свойства применяемых материалов и качество обработки штампованных, литых и механически обрабатываемых поверхностей колес.
Методы исследований поставленной проблемы состоят в объединении преимуществ теории тонких оболочек, наиболее популярного и мощного в настоящее время численного метода конечных элементов, метода Фурье решения двумерных математических задач и инженерных методов оценки усталостной прочности конструкций. Метод ориентирован на применение ПЭВМ.
09 MB'
ft*/
Достоверность и обоснованность выводов и положений обеспечивается:
- применением теории тонких оболочек, прошедшей экспериментальную
проверку в классе рассматриваемых оболочечных конструкций;
- использованием надежных методов сопротивления материалов для
стержневых балочных элементов;
использованием проверенных на практике методов оценки усталостной прочности;
применением конечного элемента, обеспечивающего корректный учет резко меняющихся геометрических и механических характеристик и нагрузок;
сравнением с точными аналитическими решениями;
сопоставлением результатов численных решений с экспериментами.
На зашиту выносятся следующие положения
- метод расчета напряженно-деформированного состояния и усталостной
прочности современных колес автомобилей и мотоциклов, рассматривающий
одновременно ступицу, диск с ручными и крепежными отверстиями,
профилированный обод и учитывающий реальные действующие нагрузки,
инженерная методика оценки напряженного состояния и усталости элементов колеса с учетом дискретности спиц;
результаты расчетов современных колес для легковых автомобилей и мотоциклов из легкосплавных перспективных материалов;
экспериментальное исследование по статическому нагружению и усталостному разрушению перспективного колеса легкового автомобиля,
сопоставление результатов расчетов напряженно-деформированного состояния и усталостной прочности колес с экспериментальными данными.
Научная новизна состоит.
в обобщении метода расчета жесткостных характеристик оболочечного слоя с учетом окружных регулярных отверстий многослойной конструкции;
в разработке методики оценки напряженного состояния колеса с учетом дискретности спиц;
в полном учете концентраторов напряжений, размерных факторов и чистоты обработки поверхности в выявленных расчетным путем местах максимальных напряжений колеса и базирующейся на этих факторах возможности расчета усталостной прочности колеса;
в применении данного комплексного метода к расчету реальных колес с возможностью прогноза циклической долговечности и пробега колеса с учетом применяемых типоразмеров шин
Практическая полезность работы определяется:
- разработкой эффективного численно-аналитического метода расчета
прочности современных и перспективных конструкций колес из новых
легкосплавных материалов;
- реализацией алгоритма определения прочности колес в виде программы
на языке ФОРТРАН для ПЭВМ;
- возможностью на этапе проектирования дать в распоряжение конструктору надежный, быстрый и эффективный метод расчета прочности колеса, максимально учитывающий характерные особенности, применяемые материалы и условия функционирования автомобильных и мотоциклетных колес.
Реализация результатов. С помощью разработанной методики рассчитаны прочность, ресурс и пробег промышленных колес 5,5Jxl3H2, СО-317 и прочность и ресурс экспериментального колеса 6Jxl5H2. Колеса изготовлены из легких деформируемых и литейного алюминиевых и магниевого сплавов АВ, АК7 и МА2-1.
Результаты работы внедрены в ОАО «Всероссийский институт легких сплавов» и в ОАО «Ступинская металлургическая компания».
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались на XXXI и ХХХК Международных научно-технических конференциях Ассоциации автомобильных инженеров «Приоритеты развития отечественного автотракторостроения и подготовки инженерных и научных кадров»; на одиннадцатом Международном симпозиуме «Проблемы шин и резинокордных композитов» в ФГУП НИИ Шинной промышленности.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав основной части, основных результатов и выводов, списка литературы (104 наименования) и трех приложений. Диссертация содержит 182 страницы, из них: рисунки и таблицы -35 страниц, список литературы - 11 страниц, приложения - 36 страниц.
