Исследование зависимости деформации кузова автобуса при опрокидывании от величины отклонения координаты центра тяжести Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Исследование зависимости деформации кузова автобуса при опрокидывании от величины отклонения координаты центра тяжести

Б.Ю. Калмыков, И.М. Петриашвили «Институт сферы обслуживания и предпринимательства» (филиал) ДГТУ в г. Шахты

Аннотация: В статье предложена методика определения общей энергии удара и деформации кузова автобуса при опрокидывании. Данная методика учитывает отклонение координаты центра тяжести. Разработаны скорректированные формулы для расчёта высоты падения центра тяжести и общей энергии удара. Проведены экспериментальные расчёты, на основании которых внесены предложения по оптимизации систем пассивной безопасности.

Ключевые слова: автобус, пассивная безопасность, центр тяжести, общая энергия удара, деформация кузова, критическая нагрузка.

Методика оценки прочности конструкции кузова пассажирских транспортных средств (ТС) категории М3 регламентируется Правилами ЕЭК ООН №66 (ГОСТ Р 41.66-00), согласно которым для определения его

несущей способности и энергоемкости производится расчёт общей энергии

*

удара Е, Дж. Существует немало научно-исследовательских работ, посвящённых данному вопросу [1 - 6], среди которых можно выделить предложения по приведению к оптимальному значению высоты опрокидывания автобусов в зависимости от их конкретных габаритов [7].

Стоит отметить, что ни один из указанных способов не учитывает влияния на величину энергии удара и соответственно деформации кузова автобуса при опрокидывании такого параметра, как отклонение поперечной координаты центра тяжести Ах, м от вертикальной оси симметрии. Дело в том, что при определении высоты падения центра тяжести автобуса И, м, необходимо вычислить значение г - расстояния от общего центра тяжести до внешней стороны колеса, составной частью которого является И (рис. 1).

Рис. 1 - Высота падения центра тяжести при опрокидывании Используя рис. 1, найдём значение г, м по формуле:

г =

' Ж Л 2

V 2 у

+ Н 2

(1)

где Ж - ширина ТС, м; Н - высота центра тяжести порожнего ТС, м.

Ввиду конструктивных особенностей некоторых автобусов поперечная координата центра тяжести х, м не всегда расположена на вертикальной оси симметрии. В результате возникновения её отклонения Дх изменяется и расстояние от общего центра тяжести до внешней стороны колеса г (рис. 2).

Рис. 2 - Расстояние от центра тяжести до внешней стороны колеса в случае

возникновения отклонения Дх

Скорректировав формулу (1), получим:

У5 Ах 2 + Н5

(2)

Ж

где = — + Ах - расстояние от центра тяжести до боковины, на которую

происходит опрокидывание ТС, м с учётом отклонения поперечной координаты центра тяжести Дх.

В итоге происходит изменение высоты падения центра тяжести автобуса И и, следовательно, величины энергии удара Е . Для выведения формул расчёта данных параметров, учитывающих величину отклонения поперечной координаты центра тяжести Дх воспользуемся рис. 3.

Рис. 3 - Графоаналитический способ определения высоты падения центра

тяжести автобуса

Проведя ряд несложных преобразований можно получить формулу для определения скорректированного значения высоты падения центра тяжести:

И

Н • г + Н3 • Иа -5ах-УН2 - И Н

0

(3)

где Н - высота ТС, м; И0 - высота опрокидывания ТС, м.

г

Преобразуем формулу для расчёта общей энергии удара Е (ГОСТ Р 41.66-00) с помощью формулы (3):

H ■ r + HS ■ ho -JH2 -h2n E* = 0,75 ■M ■ g--S o h Ax v-^. (4)

Для обоснования выдвинутого ранее предположения о влиянии

отклонения поперечной координаты центра тяжести Ах на величину энергии

*

удара Е произведём её расчёт, используя формулу (4), по известным массогабаритным параметрам пяти автобусов (таблица №1).

Таблица №1

Исходные данные для расчетов

Марка и модель автобуса Массогабаритные параметры

Высота, м Ширина, м Высота расположения центра тяжести, м Высота опрокидывания, м Скорректированная высота опрокидывания, м Полная масса, кг

КаВЗ-3976 3,03 2,38 0,99 0,8 1,09 6289

ПАЗ-3205 2,95 2,5 0,9 0,8 0,93 7460

ЛиАЗ-5256 3,007 2,5 0,87 0,8 0,95 17930

IKARUS-3 50.00 3,37 2,5 1,2 0,8 1,29 15926

MERCEDES-BENZ O 302 V-8 3,14 2,5 1,24 0,8 1,19 17500

В целях дальнейшего аналитического исследования при осуществлении расчёта были введены следующие условия:

- опрокидывание транспортного средства производится на правый

бок;

- Дх принимает отрицательные значения, если поперечная координата центра тяжести х смещена вправо относительно вертикальной оси симметрии.

В результате произведённого расчета построены диаграммы, отображающие зависимость энергии удара Е от отклонения поперечной координаты центра тяжести Дх при стандартной высоте опрокидывания (рис. 4, а) и скорректированной (рис. 4, б).

Используя расчетные данные автобуса ЛиАЗ-5256, найдём отклонения

*

энергии удара ДЕ , % при достижении Дх максимального и минимального значений:

а) при стандартной высоте опрокидывания: Если Дх = 0,3 м, то:

АЕ1, =

Е0,3 1

Е

0

•100%

где Е0 - величина энергии удара, Дж при Дх = 0; Е0*3 - величина энергии удара, Дж при Дх = 0,3 м.

/ MERCEDES-BENZ O 302 V-8 IKARUS-350.00 ЛиАЗ-5256 ПАЗ-3205 КаВЗ-3976

-0,2 -0,3

отклонение координаты ц. т. Дх, м

б)

Рис. 4 - Диаграмма зависимости общей энергии удара от отклонения поперечной координаты центра тяжести: а) при стандартной высоте опрокидывания; б) при скорректированной высоте опрокидывания. Подставим известные значения: 67911,2

ЛЕ*

-1

72485,6 Если Ах= - 0,3 м, то:

•100% = 6,31%.

0,3

0,2

0,1

0

-0,1

АЕ

Е

0,3

е:

-1

•100%

где Е-03 - величина энергии удара, Дж при Дх = - 0,3 м. Подставим известные значения:

ае:

79663,1 --1

72485,6

• 100% = 9,9%.

б) при скорректированной высоте опрокидывания: Если Дх = 0,3 м, то: 76739,9

АЕ:

-1

80713,6 Если Дх= - 0,3 м, то: 87290,4

• 100% = 4,92% .

АЕ:

-1

•100% = 8,14%

80713,6

Исследуемые зависимости можно аппроксимировать полиномами второго порядка:

Е * = 144,82Ах2 + 784,5Ах + 67027 - для первого случая (рис. 4, а);

Е * = 144,83Ах2 + 584,25Ах + 76056 - для второго случая (рис. 4, б).

Таким образом, энергия удара у автобуса ЛиАЗ-5256 может увеличиться до 10%.

Далее используя диаграмму деформации для материала, обладающего идеальными упругопластическими свойствами (рис. 5), можно определить перемещения стоек кузова, возникающие в результате опрокидывания, по следующей формуле:

Е1 - 0,5 • рр • Чр \1 =- /р

г Р

кр

(5)

где 11 - искомое перемещение стойки кузова, мм;

Е - энергия удара, приходящаяся на стойку кузова, Дж; Ркр - критическая нагрузка для стойки, кН;

?! - сила, приложенная к кузову автобуса по схеме эксперимента, представленного на рис. 6.

1ст - перемещение, соответствующее значению заданной силы ?!, мм.

Р 4 кН

Р

кр

Р!

0 1

1, мм

Рис. 5 - Диаграмма деформирования ]-той стойки кузова автобуса

Рис. 6 - Нагружение кузова автобуса ЛиАЗ-5256

Значения перемещений, рассчитанных по формуле (5) для автобуса ЛиАЗ-5256 представим в виде таблицы №2.

Полученные данные свидетельствуют о достоверности выдвинутого предположения о влиянии отклонения поперечной координаты центра тяжести на величину энергии удара. При этом, необходимо отметить, что при

отрицательных значениях Дх происходит практически двукратное

*

увеличение отклонения энергия удара ДЕ , % относительно его величины при положительных значениях Дх, что играет немаловажную роль при проведении инженерных расчётов. Кроме того, увеличение энергии удара на 10% на такую же величину увеличивает значение перемещений стоек кузова в сторону остаточного пространства автобуса.

Таблица №2

Результаты расчета перемещений стоек кузова автобуса ЛиАЗ-5256

№ стойки Перемещение стойки без смещения центра тяжести, мм Перемещение стойки со смещением центра тяжести до 0,3 м, мм Перемещение стойки кузова, %

1 69,7 77,0 9,5%

2 72,3 80,0 10,7%

3 76,0 84,1 9,6%

4 79,7 88,2 9,5%

5 83,4 92,4 9,7%

6 160,4 177,4 9,6%

7 168,3 186,5 9,8%

8 177,0 196,3 9,8%

9 181,2 201,0 9,9%

10 182,4 202,3 9,8%

Результаты экспериментального исследования позволяют учитывать конструктивные особенности ТС [8, 9] при установке дополнительного

оборудования, например, систем безопасности [10], что даёт возможность оптимизировать массогабаритные параметры таких систем и устройств.

Литература

1. Калмыков Б.Ю., Петриашвили И.М. Экспериментальное исследование прочностных характеристик кузова автобуса // Инженерный вестник Дона, 2014, №2. URL: ivdon.ru/magazine/archive/n2y2014/2354.

2. Иванов А.М., Адаев А.В., Юрчевский А.А., Кондратьев В.Д. Методы и инструменты количественной оценки уровня пассивной безопасности автомобилей // Вестник Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ). 2012. № 1. С. 3-9.

3. Калмыков Б.Ю., Высоцкий И.Ю., Овчинников Н.А. Предложения по оценке прочности конструкции пассажирских транспортных средств // Инженерный вестник Дона, 2012, №2.

URL: ivdon.ru/magazine/archive/n2y2012/765.

4. Овчинников Н.А. Конечно-элементный анализ напряженно-деформированного состояния элементов поперечных силовых сечений кузова автобуса в эксплуатации // Инженерный вестник Дона, 2013, №2. URL: ivdon.ru/magazine/archive/ n2y2013/1614.

5. Орлов Л.Н., Рогов П.С., Тумасов А.В., Вашурин А.С. Повышение пассивной безопасности кузовов автобусов // Современные проблемы науки и образования. 2014. № 3. С. 17.

6. Рогов П.С., Орлов Л.Н., Тумасов А.В. Методика экспресс-оценки пассивной безопасности кузовов автобусов // Фундаментальные исследования. 2014. № 9-1. С. 36-40.

7. Калмыков Б.Ю., Высоцкий И.Ю., Овчинников Н.А., Бочаров С.В. Способ определения высоты опрокидывания автобуса для оценки прочности

конструкции его кузова по правилам ЕЭК ООН №66 // Инженерный вестник Дона, 2012, №3. URL: ivdon.ru/magazine/archive/n3y2012/888.

8. Genta, G., Morello, L. Automotive chassis. Volume 1: Components design // Springer, 2009. 621 p.

9. Genta, G., Morello, L. Automotive chassis. Volume 2: System design // Springer, 2009. 825 p.

10. Пат. № 2483961 РФ, МПК B 62 D 25/04, B 60 R 21/13. Устройство для повышения прочности кузова транспортного средства при опрокидывании / Калмыков Б.Ю., Богданов В.И., Фетисов В.М., Овчинников Н.А., Нагай С.Г., Петриашвили И.М.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «Южно-Рос. гос. ун-т экономики и сервиса». - № 2011151627/11 ; заявл. 16.12.2011 ; опубл. 10.06.2013, Бюл. № 16.

References

1. Kalmykov B.Yu., Petriashvili I.M. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2014, №2. URL: ivdon.ru/magazine/archive/n2y2014/2354.

2. Ivanov A.M., Adaev A.V., Yurchevskiy A.A., Kondrat'ev V.D. Vestnik Moskovskogo avtomobil'no-dorozhnogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta (MADI). 2012. № 1. pp. 3-9.

3. Kalmykov B.Yu., Vysotskiy I.Yu., Ovchinnikov N.A. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2012, №2. URL: ivdon.ru/magazine/archive/n2y2012/765.

4. Ovchinnikov N.A. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2013, №2. URL: ivdon.ru/magazine/archive/ n2y2013/1614.

5. Orlov L.N., Rogov P.S., Tumasov A.V., Vashurin A.S. Sovremennye problemy nauki i obrazovaniya. 2014. № 3. p. 17.

6. Rogov P.S., Orlov L.N., Tumasov A.V. Fundamental'nye issledovaniya. 2014. № 9-1. pp. 36-40.

7. Kalmykov B.Yu., Vysotskiy I.Yu., Ovchinnikov N.A., Bocharov S.V. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2012, №3. URL: ivdon.ru/magazine/archive/n3y2012/888.

8. Genta, G., Morello, L. Automotive chassis. Volume 1: Components design // Springer, 2009. 621 p.

9. Genta, G., Morello, L. Automotive chassis. Volume 2: System design // Springer, 2009. 825 p.

10. Pat. № 2483961 RF, MPK B 62 D 25/04, B 60 R 21/13. Ustroystvo dlya povysheniya prochnosti kuzova transportnogo sredstva pri oprokidyvanii [Device for vehicle body strengthening in case of roll-over] / Kalmykov B.Yu., Bogdanov V.I., Fetisov V.M., Ovchinnikov N.A., Nagay S.G., Petriashvili I.M. ; zayavitel' i patentoobladatel' FGBOU VPO «Yuzhno-Ros. gos. un-t ekonomiki i servisa». № 2011151627/11; zayavl. 16.12.201 ; opubl. 10.06.2013, Byul. № 16.