CC BY
165
УДК 625.038
РАСЧЕТНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КУЗОВОВ АВТОБУСОВ ИЗ РАЗЛИЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ
В.А. Мацак, начальник сектора,
Н.Ф. Бледная, ведущий инженер-конструктор, АНТК им. О.К. Антонова, г. Киев.
Аннотация. Рассматривается вопрос совершенствования кузовов транспортных средств общего пользования. Задача - создание конструкции кузова со сроком службы не менее 12-15 лет до капитального ремонта. Рассматриваются несколько вариантов комбинированных кузовов из различных материалов. Приводятся результаты прочностных расчетов. Сравниваются деформации, массы и стоимости вариантов.
Ключевые слова: автобус, кузов, материалы, расчет, напряжения, деформации, масса, стоимость.
Введение
Современные требования совершенствования общественного производства ставят своей целью обеспечение народного хозяйства высокоэффективными машинами, в том числе и транспортными средствами общего пользования. Несмотря на то, что эти изделия представляют собой совокупность взаимосвязанных технических решений, многочисленные авторы [1, 2, 3, 4] сходятся во мнении, что основную роль в конструкции автобуса (троллейбуса) играет кузов.
Кузов - самый материалоемкий агрегат, он составляет (40-50)% массы автобуса [1, 2]. По оценкам отдельных авторов себестоимость кузова составляет от 50% [1] до 80% [3, 4] стоимости автобуса.
Велика доля эксплуатационных расходов, связанных с кузовом. Причем, трудовые и материальные затраты на поддержание исправности в несколько раз выше затрат изготовления [3,4]. Как отмечается в [5], из 100% стоимости жизненного цикла автомобиля затраты на его изготовление составляют 13%, на техническое обслуживание -25%, на эксплуатационные ремонты - 50% и на капитальные ремонты - 12%.
Долговечность связана с прочностью и жесткостью кузова и, особенно, с его коррозионной стойкостью [6].
Приведенные параметры напрямую зависят от свойств материалов кузова.
Наиболее явно связь, например, производственных издержек со свойствами материалов проявляется на этапе изготовления кузова. Прежде всего - это цена на полуфабрикаты. Цены на различные конструкционные материалы отличаются значительно, в десятки раз. Далее, каждому материалу присущи свои технологические особенности переработки в готовую деталь, которые требуют различных объемов затрат труда человека, энергии, оборудования и оснастки.
В не меньшей мере такого рода связи характерны и для затрат в эксплуатации транспортного средства. Как отмечается в [7], экономия топлива для более легкого алюминиевого кузова по сравнению со стальным, составляет до 10%. Кроме того, снижение массы автомобиля на 10% увеличивает срок службы шин на 25%.
Специалистами НИИ Укравтобуспром (г. Львов) установлено, что наибольшее влияние на долговечность кузова оказывают факторы напряженности и коррозии [6]. От степени коррозионной стойкости материалов кузова зависит общий срок службы автобуса, объем и число его ремонтов.
Как видно из изложенного, характеристики автобуса в значительной степени определяются свойствами материалов несущей конструкции его кузова.
В связи с многообразием типов и свойств конструкционных материалов возможно существование наиболее рационального их сочетания для определенного типа транспортного средства.
Данная работа представляет собой попытку сопоставления напряженно-деформированного состояния и массово-стоимостных характеристик моделей кузовов автобусов из различных материалов.
Анализ публикаций
Традиционная концепция обеспечения длительности жизненного цикла подвижного состава заключается в изготовлении конструкции из недорогих и недефицитных материалов с поддержанием ее работоспособности с помощью системы ремонтов.
Применение же современных коррозионностойких материалов позволяет, как отмечается в публикациях, существенно увеличить срок службы до коррозионного повреждения и старения конструкции.
Наряду с известными производителями транспортной техники, применяющими новые кузовные материалы, такие как алюминий (Setra, MAN), пластики (Neoplan), нержавеющие стали (Solaris) и т.д., отечественные изготовители также идут по этому пути. Так, в 1993 году АНТК им. О.К. Антонова был создан троллейбус, а в 1995 году - кузов трамвая с широким использованием коррозионностойкого алюминия и пластиков.
И, хотя практика эксплуатации подтверждает рациональность такого подхода, предметное
изучение конструкций кузовов из новых материалов, комбинаций их с традиционными, еще впереди.
Немногочисленные публикации, посвященные этой теме, не дают однозначного ответа о преимуществах того или иного материала. В лучшем случае сопоставляются их удельные характеристики на предмет обеспечения равнопрочности и равножесткости отдельных элементов кузова [1,
2, 3, 5, 8]. Однако, такой подход не дает всесторонней оценки новой конструкции.
Цель и постановка задачи
Авторы, освещающие проблемы общественного транспорта, солидарны в том, что традиционная стальная сварная трубчатая конструкция кузова не обеспечивает приемлемого срока службы. Прежде всего это связано с коррозионным поражением тонкостенных элементов боковин и основания кузова, которое наступает к 5-7 годам эксплуатации.
Признается, что наиболее рациональным следует считать срок службы 12-15 лет и более без капитальных ремонтов, как соответствующий проме-
жутку времени морального устаревания и ресурсам основных комплектующих (силовой привод, мосты, подвеска).
Попытки решить проблему для стального кузова с помощью нанесения защитных покрытий (особенно внутри труб) связаны с проблемами т.н. человеческого фактора, неукоснительного соблюдения технологий, применения кондиционных защитных материалов, обеспечения условий труда, послепродажного сервиса и т.д., поэтому, остаются пока неэффективными.
Кардинальный переход к новым коррозионностойким материалам кузова означает не только рост материальных затрат, но и освоение новых технологий и переоснащения производства.
Однако возможен и такой проектный подход, как сочетание в конструкции разных материалов, в том числе и традиционных. Первоочередная задача при этом - обеспечить равную со стальным кузовом прочность и жесткость, превзойдя его по коррозионной стойкости, для достижения желаемого срока службы.
Результаты расчетов комбинированных кузовов
Исходными предпосылками для назначения типов исследуемых кузовов явились освоенные промышленностью технологии переработки таких материалов как стали, алюминиевые полуфабрикаты и полимерные композиционные материалы - стеклопластики. Эти материалы позволили обозначить три основных гомогенных (однородных по материалу) типа кузова: стальной трубчатый сварной, алюминиевый клепаный и стеклопластиковый.
В комбинированных конструкциях боковины и крыша заменялись на алюминиевые или стеклопластиковые, рама и маски оставались стальными, по следующим соображениям.
Рама - наиболее ответственный агрегат кузова, содержащий поперечные и продольные силовые элементы, ряд точек приложения сосредоточенных нагрузок. Поэтому, она имеет большое число стыков и присоединений, которые наиболее просто оформляются сваркой. Кроме того, значительные толщины стенок и полок в сечениях позволяют не опасаться сквозной коррозии даже при традиционных способах лакокрасочной защиты (грунт + краска + мастика).
Стремление повысить жесткость каркаса, получить ажурное обрамление остекления и упростить стыки стержней вылилось в выполнение каркаса масок также стальным сварным с последующим цинкованием.
Таким образом, расчетам подвергались 5 типов (модулей) каркасов кузовов: однородные - 1 (стальной); 4 (алюминиевый); 5 (стеклопластиковый) и комбинированные - 2 (сталь + алюминий); 3 (сталь + стеклопластик).
Для упрощения расчета объектом исследования был выбран гипотетический модуль кузова. В сечении он соответствовал размерам реальных кузовов, а по длине - примерно равным их базе (рис. 1).
Рис. 1. Модуль кузова
Внешние нагрузки были определены из расчетов на прочность серийного троллейбуса К12.03, изготавливаемого на КиГАЗ «Авиант» по конструкторской документации АНТК им. О.К. Антонова.
Модули рассчитывались на наиболее тяжелые расчетные случаи «изгиб» и «вывешивание», по программе «МА8ТЯА№> с использованием метода конечного элемента.
Архитектура каркаса и сечения основных силовых элементов назначалась по аналогии с кузовами низкопольных автобусов.
Расчеты производились в 2 этапа.
На первом этапе оценивались напряженно-деформированные состояния модулей с одинаковыми сечениями стержней, что позволило сравнить силовую работу отдельных агрегатов и элементов. Деформации модулей из разных материалов существенно отличались (см. рис.2).
-о-Максимальное перемещение т.В (мм) -□-Максимальный угол закручив (град)
равноценного кузова, необходимо, чтобы уровни напряжений в элементах и деформаций (особенно при вывешивании) были близкими.
Поэтому, на втором этапе конструкции модулей подвергались корректировке. В частности, применялись такие меры:
- изменение ширины оконных стоек;
- усиление раскосов боковин:
- введение раскосов на крыше и масках;
- усиление стеклопластиковых стержней углепластиком и др.
В результате, в основном, достигнуты близкие уровни напряжений и величины деформаций кузовов различного типа для одних и тех же расчетных случаев (табл. 1).
Таблица 1 Значения напряжений и деформаций
Расч. Тип модуля
случ. 1 2* 3* 4* 5*
Перемещение Изгиб 59 70 156 135 189
по оси У (мм) Вывеш (т.В) 160 178 174 188 157
Угол закру чивания Вывеш. О .6 00 4.40 4.1 0 4.4 0 3. 6 О
Мах напряжения в элементах (кг/мм2)
Продольные Изгиб 17 20 29 19 17
балки рамы Вывеш 13 14 21 13 12
Поперечные Изгиб 50 56 64 44 89
балки рамы Вывеш 25 24 33 23 41
Продольные Изгиб -13 7 11 -9 11
балки крыши Вывеш -32 7 6 -10 10
Поперечные Изгиб -23 23 20 -26 23
балки крыши Вывеш 39 39 27 -21 12
Угловые балки Изгиб -14 5 5 -8 7
Вывеш -21 4 -4 -5 5
Надокон. балки Изгиб 21 16 14 20 17
бок Вывеш -24 16 -11 21 14
Подокон. балки Изгиб -41 25 -20 28 20
бок. Вывеш -28 -13 -10 -17 12
Таким образом, несмотря на существенные отличия в характеристиках материалов, были созданы практически равноценные несущие конструкции. При разработке новых проектов появляется возможность достаточно объективно сопоставить массово-стоимостные характеристики различных типов кузовов и выбрать предпочтительный (табл. 2).
Рис. 2. Перемещения и углы закручивания модулей Однако, для сопоставительных оценок массы и стоимости, да и самой возможности создания
Таблица 2 Характеристики типов кузовов
Мате- риал модуля Тип модуля
1 1* 2* 3* 4* 5*
Сталь
А 10,8 14,7 10,8 10,8 — —
Б 955 955 416 416 — —
В 10314 14039 4493 4493 — —
Алюминий
А — — 22 — 22 —
Б — — 279 — 443 —
В — — 6138 — 9746 —
Стеклопластик
А — — — 23,4 — 23,4
Б — — — 228 — 260
В — — — 5335 — 6084
Углепластик
А 49
Б 42
В 2058
Масса (кг) 955 955 695 644 443 302
Масса (%) 100 100 73 67 46 32
Стоим. (ШБ) 10314 14039 10631 9828 9746 8142
Стоим. ( %) 100 136 103 95 94 79
Т, лет 5-7. 20-25 15-20 15-20 20-25 25-30
Примечание
А - стоимость изготовления 1 кг конструкции (ЦББ)
Б - масса материала в модуле (кг)
В - стоимость материала в модуле Т - срок службы по коррозии (старению)
1* - модуль, изготовленный из нержавеющей стали
Выводы
Возможно создание кузовов с использованием алюминиевых и стеклопластиковых материалов в несущей конструкции, равнопрочных и равножестких со стальными.
Каждый тип конструкции по п.1 может быть охарактеризован показателями массы, стоимости и предполагаемого срока службы, что позволяет принять обоснованное решение при разработке конкретного проекта.
ность кардинально повысить срок службы, снизить массу при практически той же стоимости кузова.
Реальным подтверждением выводов проведенного исследования служит успешная эксплуатация с 1995 г. троллейбусов К12.03 с кузовами из стальных, алюминиевых и стеклопластиковых материалов.
Литература
1. Павловский Я. Автомобильные кузова. - М.:
Машиностроение, 1977 - 544 с.
2. Долматовский Ю.А. Основы конструирования
автомобильных кузовов. Издание второе, переработанное. - М.: Машгиз, 1962 - 319 с.
3. Антипцев В.П., Благодарный Ю.Ф. Автобусы.
С целью повышения эксплуатационной надежности // Автомобильная промышленность. - 1994. - №6. - С. 25-27.
4. Мушкаев А., Ачкурин В. Коррозионные раз-
рушения кузовов, кабин автомобилей и автобусов / Автомобильный транспорт. -1982. №6. - С. 40-42.
5. Малышев Г.А. Увеличение долговечности ав-
томобильных кузовов. Конструктивные и технологические меры. - М.: Машиностроение, 1966. - 220 с.
6. Атоян К.М., Королевич Л.Н., Макаров В.В.,
Москалев В.В. Исследование совместного влияния основных факторов на долговечность автобусов и определение их оптимальных значений. // Сборник научных трудов. - Львов: ВКЭИавтобуспром, 1988. -С. 123-134.
7. Ипатов М.И. Технико-экономическая оценка
конструкций автомобилей при проектировании (грузовые автомобили). - М.: Государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы, 1963. -188 с.
8. Осепчугов В.В. Автобусы. - М.: Машино-
строение, 1971. - 313 с.
Рецензент: М.А. Подригало, профессор, д.т.н., ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 14 января 2005 г.
Использование алюминиевых и стеклопластиковых материалов взамен стальных дает возмож-
