CC BY
58
УДК 621.01 Проф. М.П. Мартинщв, д-р техн. наук - НЛТУ Украти, м. Львм; acnip. К.Е. Голенко, acnip. О.В. Житенко - НУ "Львгвська полтехнша"
РОЗРАХУНОК ПРОСТОРОВО1 КОНСТРУКЦП ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО АВТОМОБ1ЛЯ
Вдосконалено конструкщю рами спортивного автомобшя, запропоновано методику розрахунку конструкцп рами за умови мщносп та жорсткосп з врахуванням динамiчних навантажень. Виявлено небезпечш мюця, напруження в яких вищi за до-пустимi i запропоновано рекомендацп для змiцнення рам.
Prof. M.P. Martynziw - NUFWT of Ukraine, L'viv; post-graduate K.E. Golenko;
post-graduate O.V. Zhytenko -NU "L'vivs'kaPolitekhnika"
Calculation of spatial construction of experimental car
The construction of frame of sporting car is improved, the method of calculation of construction of frame is offered from the condition of durability and inflexibility taking into account the dynamic loadings. Found out dangerous places, tensions in which are higher than possible and recommendations are offered for strengthening of frames.
Вступ
Пщ час анаизу конструкцш кузовiв спортивних автомобшв спостерь гаеться велике розходження конструкцш кузовiв каркасного типу, що обу-мовлене простотою ix виготовлення (використання стандартних профшв) i високою мщшстю конструкци. У виготовленш кузовiв автомобшв широко застосовуеться модульний принцип - це здешевлюе конструкщю, скорочуе час на виробництво i дае змогу робити моделi рiзниx геометричних парамет-рiв з подальшою можливютю встановлення рiзноманiтниx вузлiв та агрегатiв. У виробництвi кузовiв iндивiдуальниx спортивних автомобiлiв провiднi фiр-ми вiдмовилися вiд застосування дорогих штамшв i широко використовують як обшивку кузова суцшьнотягнул борти. Застосування полiуретановиx к^'в змiцнюе конструкцiю i знижуе вартiсть виготовлення кузова.
Найбшьш важким режимом експлуатаци, з погляду мщносп i жорсткостi несучоi системи кузова, е режим подолання коротких перешкод (поглиблень, вистушв) косим курсом. При цьому на кузов ддать переважно кососиметричш навантаження, що викликають вигин у горизонтальнш i вертикальны площинах i кручення щодо подовжньоi осi. Мiцнiснi характеристики е основними критерiями при ощнюванш потенцiалу керованостi i безпеки спортивного автомобшя. Виходячи iз глобальноi потреби отримання максимально високих характеристик мщносп при жорсткосп та сумщент iз мшь мальною спорядженою масою автомобшя, питання оптимiзацii просторовоi конструкци е надзвичайно гострим у галузi спортивного автомобшебудування.
г* • • •
Загальш в1домост1
Запропонований автомобiль (рис. 1) е спортивним, 2-мюним, задньоп-ривiдним, середньомоторним купе з оригшальним дизайном, побудованим на стандартних, перевiрениx часом та дорогами вузлах та агрегатах. В основi конструкци лежить просторова рама, яка забезпечуе високу мщшсть та висо-кi показники надшносп, керованостi та стабiльностi на дорозь Зовнiшнi па-нелi виготовлеш iз скловолокна, що забезпечуе низьку вагу, мщшсть та дов-
говiчнiсть. Наявнiсть захисних брусiв у дверях i вдало розроблено! силово! кштки салону, травмобезпечно! колонки, iнерцiйних 3-точкових ременiв без-пеки та енергопоглинальних зон деформаци спереду та позаду забезпечують безпрецедентний рiвень пасивно! безпеки, що е одшею з перших вимог до спортивного автомобшя. З метою зниження вартост кiнцевого продукту та тдвищення його ремонтопридатностi шд час проектування розрахунково! конструкци рами були враховаш особливостi вузлiв та агрега^в, виготовленi на теренах кра!н СНД. При цьому вдалося досягнути високих тягово-швид-кiсних характеристик та гостро! керованостi, якi значно перевищують анало-пчш показники автомобшв-донор1в.
Рис. 1. Зображення просторово'1 конструкцП спортивного автомобшя
Конструктивш особливост
На основi вибраних агрегатiв створено електроннi креслення, як дали змогу точно визначити основш параметри рами (рис. 1) та силових елеменпв (лонжерони, поперечини). Незважаючи на вiдносно невеликi габаритш розмь ри, стало можливим забезпечити достатнш простiр пасажирського салону i одночасно отримати мiцну силову клггку, що разом iз переднiми та задшми зонами зминання е визначальними аспектами пасивно! безпеки. При проекту-ваннi рами особливу увагу придшено вимогам, що ставляться до спортивного автомобшя, а саме: легкост конструкци та жорсткостi на кручення ^ як результат, високо! поперечно! стшкосп та керованостi автомобiля. Таю висок результати стали доступними завдяки створенню просторово! конструкци, виконано! зi сталевого профiлю рiзного типу. У перспективi можна розгляну-ти можливють виконання рами з алюмiнiевого профшю, що дасть змогу значно зменшити масу. Для вирiшення поставленого завдання серед матерiалiв, вживаних у виготовленш кузова автомобiля, пропонуеться збшьшити частку використання алюмiнiю, нержавдачо! стал^ композитних матерiалiв, якi ви-тюняють за фiзичними показниками звичайну сталь. Алюмшш i нержавiючу сталь при виробнищв не треба покривати антикорозшним складом, що зде-шевлюе виробництво при невеликих об'емах створення спортивних автомобь лiв. Нержавiюча сталь володiе високою мiцнiстю, що мае велике значення за важких умов експлуатацп. К^м того, цей матерiал вщповщае вимогам безпеки i охорони навколишнього середовища.
Виходячи iз потреби у простой конструкци та високих вимог, що ставляться до керованост спортивного автомобшя, виршено встановити спе-
реду незалежну, пружинну пiдвiску на подвiйних поперечних важелях i3 ста-бiлiзатором вщ моделi ВАЗ-2107. Вибiр схеми задньо! пiдвiски був продикто-ваний встановленням силового агрегату вщ ВАЗ-2110, що дало змогу отрима-ти вдале компонування задньо! частини авто. Отже, як задню пiдвiску вико-ристано незалежну, пружинну шдвюку типу McPherson 3i стабiлiзатором вiд ВАЗ-2110. Бшьш високi параметри керованостi можна досягнути при вико-ристаннi бiльш жорстких пружин та газонаповнених спортивних амортизато-рiв. Обрання подано! вище тдвюки надало змогу визначити точки кршлення !! до просторово! рами автомобшя i, як результат, проаналiзувати мюця найбiльших напружень при рiзних видах навантажень.
Як базовий силовий агрегат, з метою зниження вартост авто в початко-вш комплектацН та збереження достатньо високих тягово-швидюсних власти-востей, використано 16-клапанний, 4-цилiндровий, шжекторний двигун ВАЗ-
3 * *
21103 об'емом 1600 см в зборi з механiчною 5-ступеневою коробкою швид-костей. Особливiсть конструкцП' рами передбачае можливiсть встановлення двигунiв та трансмiсiй iнших iноземних фiрм-виробникiв (наприклад, VW 1.8T 150 к.с.), а також визначити максимальш напруження у вузлах просторово! конструкцП автомобшя, перевiрити !х граничнi значення з умов безпеки.
Методика розрахунку рами на кручення
Розрахунок несучо! системи автомобшя на мщшсть, жорстюсть, забез-печення безпеки та довговiчностi е невщ'емною частиною процесу проекту-вання кузова. У шженернш практицi пiдчас розрахунку кузовних конструк-цiй широко використовують метод кiнцевих елементiв, який використано для розрахунку запропоновано! моделi, що складаеться з деякого числа елемент1в певно! конфiгурацi!, при вiдповiдному завданш граничних умов i зовшшньо-го навантаження [1]. Метод кшцевих елеменлв [3] дае змогу набути значень напруги i деформацiй в конструкцП, зютавлеш з результатами експеримен-тальних дослiджень, що iстотно скорочуе об'ем подальших натурних випро-бувань несучих систем автомобшв. Проте точнiсть результат i час розрахунку багато в чому залежать вiд того, наскшьки детально конструкцiя кузова представлена розрахунковою моделлю. Детальнiше розбиття конструкцП на кiнцевi елементи дае, як правило, точнiшi результати, а зростаючий при цьому час розрахунку компенсуеться в даний час швидким зростанням про-дуктивностi обчислювально! техшки. Сучасний рiвень розвитку засобiв i ме-тодiв розрахунку конструкцiй дае змогу з усшхом вирiшувати задачi оптимь зацП для достатньо складних систем, таких як кузов спортивного автомобшя [2]. Але до постановки такого завдання для прогнозування можливого ефекту вщ оптимiзащ! необхщна ощнка ращональносл початкового проекту кузова з погляду ефективност використання матерiалу. Провести таку оцiнку можна на основi аналiзу поля еквiвалентно! напруги в несучш системi [4]. При експлуатацН кузова виникають навантаження рiзного характеру, тому пiдчас розрахунку доводитися враховувати декшька режимiв роботи несучо! конструкцП. Яюсна оцiнка рiвня напруженост силових елементiв кузовiв [5] при використанш графiчних засобiв сучасних паке^в програм дае змогу одержати детальшше уявлення про характер роботи несучих систем, що, без-умовно, сприяе проектуванню рацiональнiших конструкцiй.
Процес виконання наукових дослщжень проводили в такш послщов-ностi: створення 3D моделi за кресленнями базових та оригшальних агрегатiв у програмах KOMQAC-3D V6 та SolidWorks 2004 зi задаванням матерiалу ть ла та дотриманням його реальних розмiрiв. В основу рами закладено сталевi профшьш труби стандартного перерiзу. Пiсля побудови моделi автоматично встановлено масу тша, центр ваги та осьовi моменти шерци.
Вибiр програмного забезпечення для розрахунюв продиктований не-обxiднiстю у сумщент коректно'' роботи програми для розрахунку та зазна-чених вище KOMQAC-3D V6 та SolidWorks 2004. Таким вимогам вщповща-ли модуль COSMOS Works та NASTRAN 2003. Через високу складшсть об'емно' моделi COSMOS Works не змiг створити сггку, тому довелось звер-татись до програми NASTRAN 2003. Остання за рахунок специфжи розбиття Ытки (у найбшьш складних мiсцяx автоматично зменшуе розмiр елемента, згущуючи Ытку) дозволила створити сiтку достатньо високо'' якостi, що лягла в основу подальших розраxункiв.
Розрахунки виконували таким чином. Шсля створення сiтки було задано матерiал, характеристики якого вщповщають матерiалу Сталь 10. Модель була закршлена в 3-ох точках - мiсцяx закрiплення пружин тдшсок. Тип закрiплення по дiагоналi - фiксований. Вивiшене було передне лiве колесо, тому, що передня вюь менш навантажена. Задне праве мюце крiплення пружини було зафжсоване у вертикальному напрямку. Маса вузлiв та агрега-тiв була замшена силами, прикладеними в точках кршлення ix до кузова.
Маси вузлiв було прийнято такими: двигун зi всiм обладнанням, коробкою передач та головною передачею 200 кг (4 сили по 1000 Н); сидшня + водш 100 кг (4 сили величиною 500Н); бензобак; акумулятор, запасне колесо, багаж; не шдресореш маси тдшски.
Анал1з отриманих результат1в
Внаслщок проведених розрахунюв отримано дiаграми напружень, пе-ремщень та деформацiй:
• передня частина: максимальне значения напружень при кручеин досягло 9.74x10s Па, що е значно вище, тж граииця мщност! Такий результат обу-мовлеиий вщсуттстю передньо1 балки в 3D модели Напружеиия у вс1х реш-та елементш передньо1 частиии не перевищили 5.6x10 Па, що гарантуе дос-татиш запас мщиост! Максимальне значення перемiщеиия стаиовить 0.00251 м. У середньому в передиш частит перемщення 0.0022 м. Дане значення не впливае на показники кероваиост i стшкост!;
• задня частина: враховуючи середиьомоторие компоиуваиия автомобшя, зад-ия частииа була спроектоваиа з профшьних труб достатиьо великого счення
з метою забезпечеиия жорсткосп конструкци. Середие значения напружень
7
становить
4.2x10' Па, що е зиачио меише гранищ текучоси. Перемщення -0.0008 м ие впливае иа стаб1льиу стльиу роботу сумiжниx вузл1в, розташо-ваиих в цш зот. Дат результата дають змогу встаиовити агрегати бшьшо'' маси та иотужиост1, що i иеобхвдио було забезпечити;
• середня частииа (силова клгтка салону): специфша даио'' частиии кузова по-лягае у забезпечеит достаттх показнишв безпеки вод1я та пасажира при можливому удар1 i одиочасио жорсткому з'едиаит передиьо'' та задиьо'' частиии авто. При цьому повинен залишатись достатиш простр салоиу тсля
аварiйноi ситуаци. Тому при проектувант була придшена особлива увага си-ловш частинi салону. Середне напруження становить 5.6x10 Па, перемщен-ня - 0.0022 м. Максимальне значения перемщень обумовлене забезпеченням достатньо! жорсткост цього елементу [6] з метою запоб^ання розтрюкуван-
ня скла та гидклинювання дверей.
Й-Лн ь-:| Ьу 31 Т
М»■ \Чие»0.0Ю51 (П Н 1ЯП
ПвТогтллИоп5 5сз1ш1 Ьу 32 7 №х. ч/лие = 0.002Ы ш
32.7
МП '.'Лл! = аДП261 м
й£|[а_1лАй 0|£р1ае внпвт [щ]
^г"1"пэ:игг- чсасс Ьу 3?.7 Моч УУаШв - 0.0ЩЫ гл
амз ом:? птгь оиг-1 с «г? ом?
0М1в о миг
0.М14
о.ши
0.М1
о.таое
0.М06
о.юм о.кюг а
[> IОйрасьтап! | т
Рис. 2. Дiаграми напружень та перемщень просторово'1 конструкци автомобтя
мдчасрозрахунку на кручення
Шдчас розрахунку було враховано фжсований тип закршлення. Маса вузлiв та агрегат1в була замiнена силами, прикладеними в точках кршлення !х до кузова. Оскшьки пiдчас розрахунку на згин задаеться коефщ1ент запасу (к=2), то прискорення вшьного падiння було збшьшено в 2 рази з метою збшьшення маси системи, вiдповiдно маси агрегат1в були збiльшенi вдвiчi.
Внаслщок проведених розрахункiв отримано дiаграми напружень, перемщень та деформацш, (рис. 2.):
• передня частина: максимальне значення напружень виаслiдок згииу досягло 2.97х108 Па, що е значно вище, иiж границя мiциостi. Даний результат обу-мовлений вiдсутиiстю передиьо!' балки в 3Б моделi. Напруження у всх реш-та елеменпв передиьо!' частиии ие перевищили 5.6x10 Па, що гарантуе дос-таттй запас мiциостi. Максимальие значения перемщення стаиовить 0.000533 м. В середньому в передиiй частииi перемiщеиия 0.000267 м. Даие значения ие впливае иа показники керованост i стшкостц
• задня частина: враховуючи середньомоторне компонування автомобiля, задня частина була спроектована з профшьних труб достатньо великого перерiзу з
метою забезпечення жорсткост конструкци. Середне значення напружень
7
становить
4.2x10' Па, що е значно менше границi текучоси. Перемiщення -0.000533 м, що не впливае на стабшьну стльну роботу сум!жиих вузл!в, роз-ташованих в цш зон!. Данi результати (рис. 3) дають змогу встановлення агрегатов 6!льшо!' маси та потужносп, що задовольняе вимогам проектування;
• середня частина (силова клiтка салону): специфша дано! частиии кузова по-лягае у забезпечент достатнiх показнишв безпеки вод1я та пасажира при
можливому удар1 1 одночасному жорсткому зеднант передньо1 та задньо1 частин авто. При цьому повинен залишатись достатнш простр салону тсля аваршно! ситуаци. Тому при проектувант була придшена особлива увага си-ловш частит салону. Середне напруження становить 5.6х107 Па, перемщен-ня - 0.00147 м. Максимальне значення перемщень обумовлене забезпечен-ням достатньо! жорсткост цього елементу з метою запоб1гання розтршкуван-ня скла та тдклинювання дверей [7].
DtroniKlijiii ectfcd by 514
nil at a 199 e->D 1Щ и
1J6B c-»Q 1 £4 1«
i л G-9 1 25
1.12 c-a
£0 547 | t 4. Hj a*7
n-7 ml в->7 <t*7
iJSn МАД1 51Ю« i Pt )
tcded by 51.4 Mbv. VDIUE - 237**% Pn
CoioTialijni Kdod by л k'a*.Vdi№-0.D015in
nan Mis.es ЭИваа ( Pi h
DeH(_MAG QfeDltcertlM* 114)
Рис. 3. Дiaгpaми напружень та перемЩень просторово'1 конструкци автомобтя
вна^докрозрахунку на згин
Висновок. Проанатзувавши розрахунки, можна зробити висновок про загальну мщшсть запропоновано'' рами i незначнi деформаци, яю не впливають на роботу закршлених на нiй вузлiв та агрега^в. Проте було вияв-лено небезпечш мiсця, напруження в яких вишд за допустимi, через що вони можуть зруйнуватися. Такий результат був зумовлений вщсутшстю поперечно'' балки в 3D модель У результат вказаного вище, можна вважати, що вста-новлення передньо'' балки додатково збшьшуе наявну високу жорстюсть при крученш. Такi результати дають змогу стверджувати, що виконання високих вимог, яю ставляться до спортивного автомобшя, а саме висою показники ке-рованостi, курсово'' стiйкостi, активно'' та пасивно'' безпеки, вимагають вста-новлення поперечно'' балки в 3D модель
Л^ература
1. Работнов Ю.Н. Мехашка твердого тша, що деформуеться. - М.: Наука, 1988. - 231 с.
2. Дьяконов В.П. Системи символьно'' математики Mathematica 2 i Mathematica 3. - М.: СКпресс, 1998. - 198 с.
3. Зенкев1ч О.Ш. Метод кiнцевиx елеменпв в техшщ. - М.: Мир, 1975. - 178 с.
4. Кргер 1.А., Мавлютов Р.Р. Отр матер1ал1в. - М.: Наука, 1986. - 320 с.
5. С'ярле Ф.К. Метод юнцевих елеменпв для елштичних завдань: Пер. з англ. - М.: Мир, 1980. - 203 с.
6. Васидзу К.А. Вар1ацшш методи в теори пружносп i пластичностт Пер. з англ. - М: Мир,1987. - 231 с.
7. Партон В.З., Перлш П.1. Методи математично'' теори пружносп. - М.: Наука, 1981. - 229 с.
