CC BY
46
Интернет-журнал «Науковедение» ISSN 2223-5167 http ://naukovedenie.ru/ Том 8, №4 (2016) http ://naukovedenie. ru/index.php?p=vol8-4 URL статьи: http://naukovedenie.ru/PDF/40TVN416.pdf Статья опубликована 05.09.2016. Ссылка для цитирования этой статьи:
Салмин В.В., Генералова А.А., Бычков Д.С. Разработка прицепа легкового автомобиля с механизмом изменения уровня пола // Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» Том 8, №4 (2016) http://naukovedenie.ru/PDF/40TVN416.pdf (доступ свободный). Загл. с экрана. Яз. рус., англ.
УДК - 629.332
Салмин Владимир Васильевич
ФГБОУ ВО «Пензенский государственный университет», Россия, Пенза1 Заведующий кафедрой «Транспортные машины» Доктор технических наук, профессор E-mail: salmin-penza@yandex.ru
Генералова Александра Александровна
ФГБОУ ВО «Пензенский государственный университет», Россия, Пенза
Доцент кафедры «Транспортные машины» Кандидат технических наук E-mail: generalova_aa@mail.ru
Бычков Дмитрий Сергеевич
ФГБОУ ВО «Пензенский государственный университет», Россия, Пенза Студент 5 курса факультета «Машиностроения и транспорта»
E-mail: deciptikon@mail.ru
Разработка прицепа легкового автомобиля с механизмом
изменения уровня пола
Аннотация. В данной статье предложена конструкция прицепа грузоподъемностью 1,5 т предназначенного для перевозки различных грузов, с возможностью погрузочно-разгрузочных работ в различных условиях и различного веса и объема.
Рассмотрены прикладные аспекты решения задачи анализа статической прочности и жесткости несущих (силовых) элементов конструкции предложенного прицепа. В качестве метода анализа используется метод конечных элементов, а в качестве среды моделирования -SolidWorks (Simulation). 3D модели реализованы в виде деталей и сборок, максимально адаптированных к последующему конечноэлементному анализу.
Конечноэлементная модель сформирована как комбинированная по принципу иерархии (стержни, балки, пластины, оболочки, объёмные тела), что облегчает адаптацию исходной 3D модели к последующей дискретизации. Разработаны граничные условия по перемещениям, обеспечивающие вычислительную эффективность и экономичность модели, а также адекватность получаемых результатов решения задачи анализа напряженно-деформированного состояния (НДС). В качестве внешних воздействий рассматриваются:
• нагрузка прикладывается к задней части рамы прицепа;
1 440031, г. Пенза, улица Кижеватова, дом 30, квартира 198 1
• частотный анализ конструкции;
• нагрузка прикладывается вдоль рамы прицепа.
Результаты анализа НДС несущей рамы прицепа представлены в наглядной форме, пригодной для оценки статической прочности и жесткости конструкции в виде карт эквивалентных напряжений по Мизесу и анимированного деформированного состояния.
Полученные результаты позволяют оценить проектное решение и сделать выводы о его эффективности с точки зрения рациональности выбранной конструктивной схемы. В качестве критериев рациональности рассматривается выполнение условий прочности по напряжениям, отсутствие явно выраженных нелокальных концентраторов напряжений и «мертвых зон».
Ключевые слова: прицеп; высота погрузки; демпфирование; жёсткость; подвеска; статическая прочность и жесткость; напряженно-деформированное состояние; рациональность проектного решения
Введение
Прицепы для легковых автомобилей стали неотъемлемой частью современных темпов жизни. Для многих покупка подобного устройства становится необходимой из-за ведения дел связанных с частыми перевозками габаритных грузов, некоторые нашли возможность дополнительного заработка и многие пользуются, время от времени для решения внутрисемейных задач.
При перевозке грузов возникает проблема при погрузочно-разгрузочных работах, связанная с подъемом груза на высоту пола погрузочной платформы, что не всегда удобно или возможно сделать одному человеку. Решение проблемы облегчения погрузочно-разгрузочных мероприятий является актуальным [1, 2].
Многие современные импортные автомобильные прицепы оборудованы устройством изменения уровня пола [3]. На отечественные прицепы такое устройство не устанавливается. Автомобильный прицеп, усовершенствованный за счет применения механизма изменения уровня пола, позволит реализовывать его на внутреннем и внешнем рынке.
1. Предлагаемая конструкция прицепа
В данной работе предлагается конструкция прицепа грузоподъемностью 1500 кг. Особенностью данной конструкции является способность прицепа изменять уровень пола кузова, что в значительной степени облегчает процесс поргузочно-разгрузочных работ. Кузов прицепа с возможностью изменения уровня пола содержит следующие технические решения:
• механизм подъема и опускания пола кузова;
• приводное устройство.
На рисунке 1 представлена конструкция прицепа, состоящая из рамы 1, редуктора механизма изменения уровня пола 2, пола кузова 3, который через рычаги шарнирно соединен с рамой 1, подвески 4 с колесом 5 и задней стенки 6, которая предотвращает выпадения груза из кузова во время движения, а так же обеспечивает жесткость прицепа.
1 - рама, 2 - редуктор механизма изменения уровня пола, 3 - пол кузова, 4 -подвеска,
5 - колесо, 6 - задняя стенка Рисунок 1. Конструкция прицепа (разработано авторами)
Конструкция задней стенки позволяет легко открывать и закрывать доступ в кузов прицепа.
В конструкции прицепа специального назначения применяется рычажно-пружинная независимая подвеска, которая позволяет более динамично реагировать на неровность дорожного покрытия и более устойчива в поворотах (рис. 2 - 3).
Рисунок 2. Общий вид подвески (разработано авторами)
1 - ступица, 2 - шина, 3 - диск, 4 - гайки Рисунок 3. Элементы колеса подвески прицепа (разработано авторами)
Колесо прицепа состоит из диска 3 и шины 2 при помощи 4-х гаек 4 соединяется со ступицей 1 (рис. 3). Цапфа 2 прикреплена к рычагу подвески 1 при помощи болтов 5 и гаек 6. К цапфе 2 присоединяется ступица 3, которая фиксируется гайкой 4 (рис. 4).
з_/
1 - рычаг подвески, 2 - цапфа, 3 - ступица, 4 - гайка ступицы, 5 - болты цапфы,
6 - гайки цапфы Рисунок 4. Подвеска прицепа (разработано авторами)
Демпфирование дорожных неровностей осуществляется амортизатором 1, который шарнирно закреплен одним концом к рычагу подвески 2, а вторым, к раме прицепа 3 при помощи болтов 4 (рис. 5).
1 - амортизатор, 2 - рычаг подвески, 3 - рама прицепа, 4 - болты Рисунок 5. Демпфирующие элементы подвески прицепа (разработано авторами)
Рычаг подвески 2 с сайлентблоком 3 шарнирно соединен с рамой 1 при помощи болта 4 (рис. 6).
Механизм изменения уровня пола кузова прицепа (рис. 7) состоит из редуктора 1, который передает крутящий момент от ручки привода к валу-шестерне 2, который соединен с передним валом 3, промежуточным валом 5, задним валом 6. Синхронность подъема или опускания кузова прицепа обеспечивается за счет применения цепного привода 7. Посредством рычагов 4 механизм изменения уровня пола соединен с полом кузова прицепа.
1 - рама прицепа, 2 - рычаг подвески, 3 - сайлентблок, 4 - болт Рисунок 6. Рычаг подвески прицепа (разработано авторами)
1 - редуктор, 2 - вал-шестерня, 3 - вал передний, 4 - рычаги, 5 - вал промежуточный,
6 - вал задний, 7 - цепь Рисунок 7. Механизм изменения уровня пола кузова (разработано авторами)
Опорой 3, валов механизма изменения уровня пола кузова, являются подшипники скольжения, расположенные в раме прицепа 1 и крышке прицепа 2 (рис. 8).
1 - рама прицепа, 2 - крышка рамы, 3 - опора вала Рисунок 8. Крышка рамы (разработано авторами)
1 - вал-шестерня, 2 - цепь, 3 - подшипник, 4 - крышка балки, 5 - болты Рисунок 9. Механизм изменения уровня пола кузова (разработано авторами)
В крышке балки 4 установлен подшипник 4, который облегчает вращение вала-шестерни 1. На поверхности вала-шестерни нарезана звездочка, которая при помощи цепи 2 передает крутящий момент на другую сторону, обеспечивая согласованное перемещение пола. Крышка балки 4 крепиться с помощью 4-х болтов (рис. 9). Валы 3 вращаются во вкладышах 2, которые фиксируются корпусом опоры 3. Один из рычагов прикреплен к подвижной гайке 4, которая перемещается при вращении вала 3. Другой рычаг прикреплен к неподвижной гайке 5 (рис. 10).
1 - корпус опоры, 2 - вкладыш, 3 - вал, 4 и 5 - подвижная и неподвижная гайка Рисунок 10. Механизм изменения уровня пола кузова (разработано авторами)
Во время погрузочно-разгрузочных работ может возникнуть ситуация, когда необходимо переместить прицеп на другое место. Если дно прицепа будет опускаться всей плоскостью на землю или асфальтовое покрытие, то перемещение будет затруднительно. Подъем и последующее опускание пола прицепа займут дополнительное время и силы. Для обеспечения легкости перемещения с максимально опущенным кузовом установлены 6 колесиков (рис. 11).
Рисунок 11. Установка колесика на пол прицепа (разработано авторами)
2. Анализ напряжённо-деформированного состояния конструкции прицепа
Во время эксплуатации прицеп воспринимает нагрузки от дорожного полотна и груза, крутящие и изгибающие моменты, поэтому необходимо выяснить соответствие конструкции рамы прицепа заявленным требованиям прочности [4, 5]. При эксплуатации прицеп используется совместно с задней стенкой, которая повышает сопротивление рамы прицепа изгибающим моментам, увеличивая жесткость конструкции [6]. В связи с этим, расчет был произведён в сборе. Проверочный расчёт выполнялся в программных комплексах Ansys и SolidWorks [7, 8]. Моделировалось несколько ситуаций:
• нагрузка прикладывается к задней части рамы прицепа;
• частотный анализ конструкции;
• нагрузка прикладывается вдоль рамы прицепа.
Наиболее адекватное представление о НДС конструкции даёт карта (эпюра) напряжений, построенная на деформированной конечноэлементной модели конструкции. В качестве напряжений для рассматриваемого класса задач целесообразно выбрать эквивалентные напряжения по четвертой энергетической теории прочности (напряжения по
Мизесу) [9, 10]. Эти напряжения целесообразно использовать в качестве критерия прочности для пластичных материалов, к которым относятся конструкционные стали. Для адекватного восприятия деформированного состояния задается достаточно большой масштаб. На рис. 12 показана такая карта напряжений, дающая полное представление об НДС конструкции в целом.
Рисунок 12. Эпюра напряжений (разработано авторами)
Рисунок 13. Эпюра перемещений (разработано авторами)
Рисунок 14. Эпюра деформаций (разработано авторами)
«акпя зтмпип ми» ем да »я >яеда
I ЛЕ7СТЮ
Щ атчип I имая
. II *»»ЧИ
ГШ »Л
Рисунок 15. Эпюра коэффициента запаса прочности (разработано авторами)
Грузоподъемность прицепа 1500 кг, поэтому необходимо проверить работоспособность механизма и сопротивление нагрузкам.
Результаты исследования
Таблица 1
Свойства деталей
Имя тела Материал Масса, кг 3 Объем, м
1 2 3 4
Вал передний 2 шт. Сталь 40Х ГОСТ 4543-71 5,2745 6,7191e-004
Вал задний 2 шт. Сталь 40Х ГОСТ 4543-71 4,0524 5,1623e-004
Вал промежуточный 2 шт. Сталь 40Х ГОСТ 4543-71 5,2745 5,7897e-004
Вал-шестерня 2 шт. Сталь 40Х ГОСТ 4543-71 5,187 6,6077e-004
Вкладыш 16 шт. БрОФ7 1,7636e-002 2,2466e-006
Гайка подвижная 4 шт. Сталь 20 ГОСТ 1050-88 0,63589 8,1005e-005
Опора вала 4 шт. Сталь 20 ГОСТ 1050-88 0,62824 8,0031e-005
Рычаг 8 шт. Сталь 40Х ГОСТ 4543-71 1,3132 1,6729e-004
Пол прицепа 1 шт. Сталь 20 ГОСТ 1050-88 53,917 6,8684e-002
Постель вкладыша 16 шт. Сталь 40Х ГОСТ 4543-71 0,24976 3,1816e-005
Таблица 2
Параметры приложенной силы
Имя/Тип Сила
X Component 0, Па
Y Component 15000, Па
Z Component 0, Па
Таблица 3
Параметры приложенной силы
Деформация, м Энергия деформации Перемещение, м
Min 0 6,3441e-013 -2,11e-004
Max 2,6622e-003 6,185e-003 2,7301e-004
Си««** »шаебомвйСЬ Мм кс«ци»ч №<«м*и 2
M'D
«»i v.^a'» to* »o>||iMtirt иганяржкч ■
Таблица 4
Результаты исследования напряжений
Коэфф. Силы, Па Экспонента силы Коэфф. Пластичности Экспонента пластичности Циклический коэфф. Силы, Па Циклическая экспонента силы
9^+008 -0.106 0.213 -0.47 1^+009 0.2
Таблица 5
Результаты исследования деформаций
Температура, С' Модуль Юнга, Па Коэффициент Пуассона Объемный модуль, Па Модуль сдвига, Па
2х+011 0.3 1.6667e+011 7.6923e+010
Таблица 6
Результат проверки запаса прочности
Имя исследования Запас прочности
Min 1,47
Рисунок 16. Создание ограничений (разработано авторами)
Рисунок 17. Приложение силы (разработано авторами)
Рисунок 18. Эпюра запаса прочности (разработано авторами)
»,500 1,500
Рисунок 19. Эпюра общей деформации (разработано авторами)
Выводы
Анализ полученных результатов позволяет сделать следующие выводы:
1. Напряжённое состояние несущей рамы электромобиля в статической постановке удовлетворяет условиям прочности. Максимальное напряжение по Мизесу не превосходит величины условного предела текучести.
2. Концентрация напряжений носит локальный характер как по длине элементов конструкции, так и в пределах поперечных сечений. Данный факт исключает возникновение пластических шарниров, представляющих опасность для несущей способности конструкции и её элементов.
3. Локализация максимумов напряжений в подконструкциях (элементах и деталях) не носит по отношению друг к другу скачкообразного характера, что свидетельствует о выборе рациональной конструктивной схемы и проектного решения.
4. Проведенный анализ механизма изменения уровня пола кузова прицепа, показал зоны максимальных и минимальных деформаций, перемещений и напряжений. Анализ результатов доказал работоспособность деталей и соответствие предъявляемым требованиям. Экспертиза на патентную чистоту показала, что данная конструкция обладает патентной чистотой как изобретение в отношении России, США, Германии, Франции.
Все иллюстрации в данной работе являются авторскими и представляют собой копии экрана (скриншоты), полученные в процессе проектирования и анализа конструкции в программных комплексах Ansys и SolidWorks.
ЛИТЕРАТУРА
1. Автомобили и тракторы. Основы эргономики и дизайна: Учебник для студентов вузов, обучающихся по специальности "Автомобиле- и тракторостроение" направления подготовки дипломированных специалистов "Транспортные машины и транспортно-технологические комплексы" / И.С. Степанов, А.Н. Евграфов, А.Л. Карунин, В.В. Ломакин, В.М. Шарипов; Под общ. ред. В.М. Шарипова. - М.: МГТУ "МАМИ", 2002. - 230 с.
2. Павловский Я. Автомобильные кузова. М., Машиностроение, 1977. - 544 с.
3. Волгин, В.В. Прицепы к легковым автомобилям. - М.: Астрель, 2005. - 89 с. ISBN 5-17-031213-X.
4. Павлов, В.А. Транспортные прицепы и полуприцепы [Текст] / В.А. Павлов, С.А. Муханов. - М.: Воениздат, 1981. - 191 с.
5. Конструкция автомобиля. Шасси / Под общ. ред. А.Л. Карунина - М.: МАМИ, 2000. - 528 с.
6. Махров Г.А., Чугунов М.В., Кудаев С.П. Анализ динамических характеристик конструкций подвижного состава в среде SolidWorks // Universum: Технические науки: электрон. научн. журн. 2014. №11 (12) . URL: http://7universum.com/ru/tech/archive/item/1753.
7. Алямовский А.А. COSMOSWorks. Основы расчета конструкций на прочность в среде Solid Works. - М.: ДМК Пресс, 2010, - 784 с., ил. (Серия «Проектирование»).
8. Алямовский А.А. Solid Works 2007/2008. Компьютерное моделирование в инженерной практике / А.А. Алямовский, А.А. Собачкин, Е.В. Одинцов, Ф.И. Харитонович, Н.Б. Пономарев, - Спб.: БХВ-Петербург, 2011. - 1040 с.: ил. + DVD - (Мастер).
9. Чугунов М.В., Кечемайкин В.Н., Панин М.В., Полунина И.Н., Махров Г.А. Анализ статической прочности и жесткости несущих элементов конструкции электромобиля BravoEgo // Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» Том 8, №3 (2016) http://naukovedenie.ru/PDF/134TVN316.pdf (доступ свободный). Загл. с экрана. Яз. рус., англ.
10. Чугунов М.В., Осыка В.В., Кудаев С.П., Кузьмичёв Н.Д., Клёмин В.Н.Анализ и проектирование несущих элементов конструкций подвижного состава Наука и образование: научное издание МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2014. №9. С. 216-226.
Salmin Vladimir Vasilevich
Penza state university, Russia, Penza E-mail: salmin-penza@yandex.ru
Generalova Aleksandra Aleksandrovna
Penza state university, Russia, Penza E-mail: generalova_aa@mail.ru
Bichkov Dmitriy Sergeevich
Penza state university, Russia, Penza E-mail: deciptikon@mail.ru
Development of a trailer of a passenger car with the mechanism of changes in floor level
Abstract. In the work the construction trailer with lifting capacity 1,5 tonnes designed for transportation of various cargoes, with the possibility of loading-unloading works in different circumstances and different weight and volume.
The applied aspects of the solution for the problem of the static strength and stiffness analysis for the bearing (power) elements of the trailer structure have been considered in this article. The method of finite elements is used as a method of the analysis, and SolidWorks (Simulation) is used as the modeling software. 3D models are realized in the form of the parts and assemblies which are most adapted to the subsequent finite element analysis (FEA).
FEA model is created as integrated complex model by the principle of hierarchy (beams, plates, shells, volume bodies) that facilitates adaptation of an initial 3D model to the subsequent discretization. The boundary conditions on displacements provides computing efficiency and profitability of the model, and also the adequacy and accuracy results of the stressed-deformed state analysis for this solution of the SDS-problem. As external influences are considered:
• the load is applied to the rear of the trailer frame;
• frequency analysis of the structure;
• the load is applied along the frame of the trailer.
Results of the analysis of the SDS for the bearing frame of trailer are presented in the evident form suitable for an assessment of static strength and stiffness of a design in the form of cards of equivalent stresses according to von Mises and the animated deformed state.
These results allow to estimate the design solution and to have conclusions about its efficiency from the point of view of rationality of the chosen constructive scheme. The conditions of strength on stresses are used as criteria of the rational project realization, also absence of the strong not-local stress concentrators and absence of the "dead zones" are considered in this context.
Keywords: trailer; loading height; damping; stiffness; suspension; static strength and rigidity; stress-strain state; the rationality of design decisions
REFERENCES
1. Avtomobili i traktory. Osnovy ergonomiki i dizayna: Uchebnik dlya studentov vuzov, obuchayushchikhsya po spetsial'nosti "Avtomobile- i traktorostroenie" napravleniya podgotovki diplomirovannykh spetsialistov "Transportnye mashiny i transportno-tekhnologicheskie kompleksy" / I.S. Stepanov, A.N. Evgrafov, A.L. Karunin, V.V. Lomakin, V.M. Sharipov; Pod obshch. red. V.M. Sharipova. - M.: MGTU "MAMI", 2002. - 230 s.
2. Pavlovskiy Ya. Avtomobil'nye kuzova. M., Mashinostroenie, 1977. - 544 s.
3. Volgin, V.V. Pritsepy k legkovym avtomobilyam. - M.: Astrel', 2005. - 89 s. ISBN 5-17-031213-X.
4. Pavlov, V.A. Transportnye pritsepy i polupritsepy [Tekst] / V.A. Pavlov, S.A. Mukhanov. - M.: Voenizdat, 1981. - 191 s.
5. Konstruktsiya avtomobilya. Shassi / Pod obshch. red. A.L. Karunina - M.: MAMI, 2000. - 528 s.
6. Makhrov G.A., Chugunov M.V., Kudaev S.P. Analiz dinamicheskikh kharakteristik konstruktsiy podvizhnogo sostava v srede SolidWorks // Universum: Tekhnicheskie nauki: elektron. nauchn. zhurn. 2014. №11 (12) . URL: http://7universum.com/ru/tech/archive/item/1753.
7. Alyamovskiy A.A. COSMOSWorks. Osnovy rascheta konstruktsiy na prochnost' v srede Solid Works. - M.: DMK Press, 2010, - 784 s., il. (Seriya «Proektirovanie»).
8. Alyamovskiy A.A. Solid Works 2007/2008. Komp'yuternoe modelirovanie v inzhenernoy praktike / A.A. Alyamovskiy, A.A. Sobachkin, E.V. Odintsov, F.I. Kharitonovich, N.B. Ponomarev, - Spb.: BKhV-Peterburg, 2011. - 1040 s.: il. + DVD - (Master).
9. Chugunov M.V., Kechemaykin V.N., Panin M.V., Polunina I.N., Makhrov G.A. Analiz staticheskoy prochnosti i zhestkosti nesushchikh elementov konstruktsii elektromobilya BravoEgo // Internet-zhurnal «NAUKOVEDENIE» Tom 8, №3 (2016) http://naukovedenie.ru/PDF/134TVN316.pdf (dostup svobodnyy). Zagl. s ekrana. Yaz. rus., angl.
10. Chugunov M.V., Osyka V.V., Kudaev S.P., Kuz'michev N.D., Klemin V.N.Analiz i proektirovanie nesushchikh elementov konstruktsiy podvizhnogo sostava Nauka i obrazovanie: nauchnoe izdanie MGTU im. N.E. Baumana. 2014. №9. S. 216-226.
