CC BY
98
Анализ материалов для производства рамы болида класса «Формула Студент»
Головин Д. В.
Головин Данила Вячеславович / Golovin Danila Vjacheslavovich - магистрант, кафедра «Автомобили и технологические машины», автодорожный факультет,
Пермский национальный исследовательский политехнический университет, г. Пермь
Аннотация: работа посвящена анализу механических характеристик различных материалов для производства рамы болида класса «Формула Студент».
Ключевые слова: FSAE, Формула Студент, пространственная трубчатая рама, прочность, жесткость.
Формула Студент - международные соревнования, в которых студенты, представляющие свой университет в качестве спортивной команды, должны разработать автомобиль формульного класса. Одним основополагающих этапов при разработке несущей системы является выбор материала для производства.
Выбор материала для изготовления рамы основывается на требованиях регламента, механических характеристиках, группе свариваемости и доступности на рынке. Большинство российских команд «Формула Студент» в качестве материала для изготовления рамы используют сталь 20 по причинам ее невысокой стоимости, доступности и свариваемости без ограничений. В других автоспортивных дисциплинах (картинг, багги, ралли) нередки случаи использования стали 30ХГСА как материала, обладающего лучшими механическими характеристиками. Зарубежные команды «Формула Студент» в качестве материала используют как простую углеродистую сталь 1020, так и легированную хромомолибденовую сталь 4130 стандарта AISI. Регламент соревнований «Формула Студент» также дает возможность использовать в качестве материала алюминиевые сплавы. Поэтому для сравнения материалов выбраны сталь 20, сталь 30 ХГСА, алюминиевые сплавы АМг 6 и Д16Т.
Рама автомобиля «Формула Студент» представляет собой статически неопределимую пространственную стержневую конструкцию, на которую воздействуют статические и динамические нагрузки. Прочность рамы определяется устойчивостью стержней, так как за счет триангуляции узлов и размещения мест креплений подвески в этих узлах, стержни под действием приходящихся нагрузок работают на растяжение и сжатие. Устойчивость стержня прямо пропорциональна изгибной жесткости. Помимо этого, за счет действия кососимметричной системы сил с передней и задней подвески, рама подвержена кручению вокруг продольной оси. Таким образом, жесткость конструкции будет определяться жесткостью стержней при сжатом кручении. Достаточная жесткость конструкции обеспечит кинематическое согласование механизмов при закручивании рамы. Угол закручивания рамы а определяется по формуле (1):
а = Мкр / G р (1)
где Мкр - общий крутящий момент, G - модуль упругости второго рода, J р - приведенный момент инерции всей рамы в целом [1]. Таким образом, жесткость рамы зависит от модуля упругости второго рода материала и приведенного момента инерции всей рамы.
В таблице 1 [2, 3, 4] представлены характеристики рассмотренных материалов.
Было произведено сравнение стержней из разных материалов, исходя из условий равной прочности и равной жесткости, оценочным параметром являлась масса. В качестве эталонов были взяты трубы из стали 20, так как данный материал самый распространенный, с сечениями:
Таблица 1. Характеристики материалов
Сталь 20 Сталь 30 ХГСА АМг 6 Д16
E, Гпа 212 215 71 72
G, Гпа 78 84 27 27
св, МПа* 412 491 315 390
с s, МПа* 245 - 145 255
р , кг/м3 7859 7850 2650 2800
Свариваемость Без ограничений Ограниченно Ограниченно Ограниченно
где E - модуль упругости первого рода, св - временное сопротивление (предел прочности), р - плотность, - не менее (точные характеристики указываются в сертификате испытания партии).
25х2.5 - для передней и главной дуг, трубы крепления плечевых ремней безопасности;
25x1.8 - для передней перегородки, элементов боковой защитной структуры, распорок передней и главной дуг;
25x1.5 - для опор передней перегородки и главной дуги;
18x1.5 - для дополнительных распорок и рычагов подвески,
12x1.5 мм - для рулевых тяг [5].
Использованные формулы для нахождения изгибной си (2) и крутильной ск (3) жесткости стержней: си = Е] с (2) и ск = GJc (3)
где J с = п ( d4 — d4) / 6 4 (4) - момент инерции сечения трубы,
d - наружный диаметр, d 1 - внутренний диаметр.
Таблица 2. Результат подбора сечений труб
Сталь 20 Сталь 30 ХГСА АМг 6 или Д16Т
Наружный диаметр и толщина стенки, мм
25x2.5 25x2.5 30x6
25x1.8 25x1.8 30x4
25x1.5 25x1.5 30x3
18x1.5 18x1.5 22x3
12x1.5 12x1.5 16x2
В результате расчета и подбора диаметров и толщин стенок труб (таблица 2) было выделено два оптимальных варианта замены стали 20:
1. Использование труб с идентичным сечением из стали 30 ХГСА. Данное решение, главным образом, повысит крутильную жесткость на 8 %, так же увеличится прочность конструкции на 1.5 %. Использование стали 30 ХГСА приведет к повышению стоимости материалов для рамы в 2 раза.
2. Использование труб из алюминиевых сплавов с идентичными механическими характеристиками, но с большим диаметром и толщиной стенки. Данное решение позволит снизить массу отдельных элементов в среднем на 20 %. Использование алюминиевых сплавов увеличит стоимость элементов в 4.5 раза.
В качестве материала для рамы болида «Формула Студент» ПНИПУ выбор остановлен на стали 20 для основной структуры по причинам ее невысокой стоимости, доступности и свариваемости без ограничений, задний подрамник будет изготовлен из алюминия для снижения массы, упрощения процессов снятия, установки силовой установки, размещения креплений дифференциала и элементов задней подвески.
Литература
1. Родионов В. Ф., Фиттерман Б. М. Проектирование легковых автомобилей. М.: Машиностроение, 1980. 479 с, ил.
2. Зубченко А. С., КолосковМ. М. Марочник сталей и сплавов. - М.: Машиностроение, 2003. 784 с.: илл.
3. ГОСТ 8733-34. Трубы стальные бесшовные холоднодеформированные и теплодеформированные. Технические требования.
4. ГОСТ 18482-79. Трубы прессованные из алюминия и алюминиевых сплавов. Технические условия.
5. ГОСТ 8734-75. Трубы стальные бесшовные холоднодеформированные. Сортамент.
