Назначение. Классификация. Требования. Несущие системы автомобиля являются основанием, на котором монтируют двигатель, агрегаты трансмиссии



Несущие системы автомобиля являются основанием, на котором монтируют двигатель, агрегаты трансмиссии, механизмы систем управления, дополнительное и специальное оборудование, а также кабину и грузонесущую емкость (в грузовых автомобилях). Несущие системы классифицируют в зависимости основного несущего элемента силовой схемы автомобиля:

1. рамные (кузов разгруженный);

2. кузовные – несущий кузов (каркасный, с несущим основанием, панельный);

3. рамно-кузовные – интегральная несущая система.

Рамы делят на лонжеронные (лестничные, Х-образные, с Х-образными поперечинами, периферийные) и хребтовые – цен­тральные:

Кузова по назначению делят на грузовые, пассажирские (легковых автомобилей и автобусные), грузопассажирские, специаль­ные:

Кузова легковых автомобилейклассифицируют в зависимости от числа дверей и конструкции крыш: закрытые (седан, лимузин, купе и др.), открытые (фаэтон, кабриолет и др.), комбинирован­ные (ландо, тарга и др.). Кроме того, выделяют однообъемные, двухобъемные, трехобъемные кузова:

Кузова грузовых автомобилей классифицируют на кузова обще­го назначения (бортовая платформа) и специализированные (са­мосвалы, фургоны, цистерны, контейнеровозы и т.д.).

Несущая система воспринимает все нагрузки, действующие на автомобиль в условиях эксплуата­ции: нагрузку от веса груза, пассажиров, агрегатов и механизмов; усилия от направляющего, упругого, гасящего и стабилизирую­щего устройства подвески; силы, возникающие при колебаниях, разгоне, торможении и повороте автомобиля. Кроме того, при наличии прицепа или полуприцепа у автомобиля на несущую си­стему дополнительно действуют нагрузки от тягово-сцепного или опорно-сцепного устройства.

Несущая система работает в тяжелых условиях и при больших нагрузках. Она подвергается изгибу и кручению. Работоспособность несущей системы определяется ее прочностью и жесткостью под действием динамических нагрузок, возникающих в процессе экс­плуатации.

Основные требования к несущей системе следующие:

1. минимальная масса при необходимой долговечности, включая и коррозион­ную стойкость, соответствующей сроку службы автомобиля;

2. достаточная для работы агрегатов и узлов автомобиля жест­кость;

3. форма рамы (кузова) должна обеспечивать удобство монтажа агрегатов, малую высоту центра тяжести и малую погрузочную высоту;

4. форма и конструкция кузова должны обеспечивать необходи­мые комфортабельность, травмобезопасность, а также требова­ния моды;

5. общие требования.

Минимальная масса кузовов легковых автомобилей и кабин грузовых автомобилей обеспечивается применением мягкой низ­коуглеродистой (из-за глубокой штамповки) листовой стали, толщина которой обычно уменьшена до 0,8 мм. Рамы изготав­ливают из листовой стали толщиной 2 ¸ 4 мм (рамы больших легковых автомобилей), 5 ¸ 12 мм (лонжероны рам автобусов и грузовых автомобилей), 4 ¸ 8 мм (поперечины рам автобусов и грузовых автомобилей).

Долговечность несущей системы, соответствующая сроку служ­бы автомобиля, должна обеспечить срок службы самой несущей системы, превышающий долговечность всех механизмов, агрега­тов и систем автомобиля, а также увеличить пробег автомобиля до капитального ремонта и общий пробег в эксплуатации.

Повышение коррозионной стойкости и, следовательно, дол­говечности кузовов легковых автомобилей обеспечивается приме­нением листовой стали с добавлением меди либо оцинкованной. Ненагруженные панели кузова изготавливают из пластмасс. Иног­да кузова легковых автомобилей и кабины специальных грузовых автомобилей изготавливают из алюминиевого листа или из пласт­масс. Для наружных панелей кузовов автобусов все чаще применя­ют алюминиевые листы.

Жесткость несущей системы, исключающая нарушение усло­вий работы агрегатов и механизмов автомобиля, должна обеспе­чить неизменное взаимное их положение на несущей системе при любых условиях и режимах движения, а также предотвратить по­ломки и обрывы крепления агрегатов и механизмов и заклинива­ние окон, дверей кузова и кабины автомобиля.

Достаточная жесткость рам в основном обеспечивается при изгибе лонжеронами (при кручении также и поперечинами) необходимой высоты и толщины. Для повышения жесткости кузовов используют закрытые или открытые профили, образующие каркас, либо выштампованные или дополнительные ребра.

Низкое положение центра тяжести автомобиля должно повы­сить его устойчивость и, следовательно, безопасность даже при высоких скоростях движения. Значительный ход подвески должен повысить плавность хода и проходимость автомобиля, а большие углы поворота управляемых колес – улучшить управляемость и маневренность автомобиля.

Травмобезопасность кузова (внутренняя) обеспечивается умень­шением инерционных нагрузок при наездах спереди и сзади (на­пример, создание более жесткого салона при менее жесткой пе­редней и задней частях легкового автомобиля), ограничением пе­ремещения людей при авариях (применение ремней и подушек безопасности), устранением травмоопасных деталей, сохранени­ем жизненного пространства при опрокидывании.

Травмобезопасность кузова (внешняя) обеспечивается совер­шенствованием бамперов, устранением травмоопасных деталей и выступов, применением боковых и задних ограждений на кузовах грузовых автомобилей, а в некоторых случаях применением за­щитных приспособлений, уменьшающих травмы пешеходов при наезде на них.

 

Расчет рамы автомобиля

Рама автомобиля представляет собой пространственную несущую систему, нагруженную статическими и динамическими нагрузка­ми. Напряжения в элементах рамы опре­деляются: изгибом в вертикальной плоско­сти под влиянием симметричной системы сил; кручением вокруг продольной оси под влиянием кососимметричной системы сил; изгибом в горизонтальной плоско­сти; местными нагрузками (подвеска топ­ливного бака, запасного колеса, усилия при буксировке и др.).

Статические нагрузки возникают под действием собственного веса рамы и веса механизмов, кузова и полезного груза и от реакций опор рессор. Уже после сборки автомобиля в его раме возникают напря­жения изгиба, составляющие 10 ¸ 15% предела текучести материала. При этом напряжения в лонжеронах в 2 ¸ 2,5 раза превышают напряжения в поперечинах.

При движении автомобиля на раму дей­ствуют динамические нагрузки. Основ­ной причиной возникновения симметрич­ных динамических нагрузок являются силы инерции подрессоренных масс, действую­щие на раму при колебаниях автомобиля. Вертикальные и угловые колебания авто­мобиля в вертикальной плоскости обус­ловлены симметричными составляющими прогибов подвески. Эти колебания вызы­вают изгиб рамы, создавая напряжения в лонжеронах и незначительные напряже­ния в поперечинах.

Изгибающая динамическая нагрузка зависти от статической нагрузки и вертикальных ускорений в точках приложения вертикальной нагрузки:

.                                                      (9.1)

Динамические нагрузки существенно превышают статические и определяются с помощью коэффициента динамичности:

.                                                      (9.2)

Кососимметричные составляющие про­гибов подвески вызывают бортовую качку и кручение рамы, создавая напряжения в поперечинах.

При кручении рамы возникают горизон­тальные составляющие нагрузок. Они за­висят от боковой жесткости рессор и смещения оси вращения от плоскости рамы, а также от угла закручивания. Чем больше жесткость рессор, смещение оси вращения и угол закручивания, тем больше горизонтальные усилия. Таким образом, элементы рамы при перекосе находятся в сложном нагружении под действием вертикального изгиба, стеснен­ного кручения, горизонтального изгиба и др.

Для расче­та рамы обычно рассматривают два режима:

1. движение с большой скоростью по дороге с мелкими неровностями (симметричное нагружение);

2. преодоление больших неровностей с вывешиванием некоторых колес (кососимметричное нагружение).

Для того чтобы не только оценить общую податливость рамы и действующие в ней напряжения, но и выявить опасные места резкого изменения деформаций и напряжений и темп их изменения по длине рамы, значения прогибов, углов закручивания и напряжений следует рассчитывать для ряда поперечных плоскостей, проходящих через характерные точки (места присоединения поперечин, изменения высоты или ширины сечения лонжерона, приложения нагрузок и т.д.). Результаты расчета целесообразно представлять в виде эпюр прогибов, углов закручивания и напряжений по длине рамы.

Расчет на симметричное нагружение (изгиб) простейшей лестнич­ной рамы заключается в определении прогибов и напряжений в лонже­ронах, представленных в виде элементарной балки на опорах.

Напряжение изгиба в каждом расчетном сечении лонжерона определяют по формуле:

,                                                     (9.3)

где  – изгибающий момент.

Изгибающий момент в расчетном сечении лонжерона рассчитывают по формуле:

,                                            (9.4)

где  и  – изгибающий момент и перерезывающая сила в предыдущем сечении, значения которых уже известны;  – расстояние между сечениями.

Допускаемые напряжения при кратковременных динамических нагрузках можно приближенно определить как

,                                             (9.5)

где  – предел текучести материала лонжерона.

При расчете на кососимметричное нагружение (кручение) рама, состоящая из двух лонжеронов, связанных несколькими поперечи­нами, будет представлять собой статически неопределимую систему. Силовые факторы, действующие в элементах статически неопредели­мой системы (и углы закручивания), могут быть определены различ­ными методами, излагаемыми в курсах сопротивления материалов, которые связаны с громоздкими и трудоемкими вычислениями. Однако при некоторых допущениях расчет может быть значительно упрощен. Если предположить, что деформации изгиба в элементах рамы малы по сравнению с деформациями кручения, то можно вос­пользоваться следующим приближенным методом.

При расчете на кручение рама рассматривается как плоская система, состоящая из прямолинейных тонкостенных стержней. Так как жесткость на изгиб у лонжеронов в сотни раз больше их жесткости на кручение, деформациями изгиба пренебрегают.

При прогибе поперечные сечения стержней остаются плоски­ми, а при кручении они искривляются (депланируют). Искривле­ние сечений по длине стержня неодинаково. В узлах, усиленных косынками и приклепанных к полкам лонжеронов, искривление считают равным нулю, а в остальных сечениях оно может быть существенным. Такой характер деформации называется стеснен­ным кручением.

При стесненном кручении кроме касательных напряжений кручения в сечениях лонжеронов из-за искривления появляют­ся дополнительные нормальные напряжения.

В поперечинах рамы дополнительных нормальных напряжений не возникает из-за их более эластичного крепления к стенкам лонжеронов. Поэто­му считают, что поперечины рамы испытывают свободное кру­чение.

Разрезав поперечины в плоскости симметрии рамы и приложив в местах разреза внутренние крутящие моменты и перерезыва­ющие силы переходят от статически неопределимой системы к статически определимой, которую и принимают за расчетную схему (б). Строят эпюры изгибаю­щих моментов (в) и бимоментов (г). По этим двум эпюрам определяют суммарные напряжения и строят их эпю­ру (д).

Момент, закручивающий раму, зависит от большого количества факторов, и может быть определен по формуле:

,      (9.6)

где  – высота преодолеваемых автомобилем неровностей;  – колея колес;  – угловая жесткость рамы;  – угловая жесткость подвески.

Из формулы (9.6) следует, что чем меньше угловая жесткость рамы, тем меньше закручивающий момент и, следователь­но, выше прочность рамы. Кроме того, более эластичная рама вместе с подвеской обеспечивает лучшую приспособляемость ко­лесам автомобиля к дорожным неровностям и постоянный кон­такт колес с дорогой. Однако при слишком эластичной раме воз­можно нарушение взаимного положения и условий работы агре­гатов и механизмов, установленных на раме. Оптимальная жест­кость рамы на кручение окончательно определяется и выбирается при доводочных испытаниях.

Суммарные нормальные напряжения в сечениях лонжеронов при стесненном кручении рассчитывают по формуле:

,                                             (9.7)

где  и  – изгибающий момент и момент сопротивления сечения изгибу;  – биомомент;  – секториальный момент сопротивления сечения.

Биомомент для наиболее распространенного швеллерного сечения лонжеронов определяют по формуле:

,                                                    (9.8)

где  – угол закручивания рамы на длине базы автомобиля;  – модуль упругости 1-го рода;  – секториальный момент инерции сечения;  – длина рассматриваемого отрезка лонжерона;  – база автомобиля.

Результирующие касательные напряжения кручения при дефор­мации лонжеронов рамы в общем случае складываются из каса­тельных напряжений свободного кручения, касательных напряже­ний изгиба и касательных напряжений стесненного кручения.

Наиболее значительными из них являются касательные напря­жения свободного кручения, которые составляют 85 ¸ 90% от ре­зультирующих напряжений.

Для лонжеронов, имеющих швеллерное сечение, касательные напряжения свободного кручения определяют по формуле:

,                                                 (9.9)

где  – толщина профиля лонжерона;  – модуль упругости 2-го рода;  – изгибно-крутильная характеристика поперечного сечения лонжерона.

Напряжения для рам грузовых автомобилей, имеющих швеллер­ное сечение, при закручивании на угол  = 10 ¸ 12° составляют  = 5 ¸ 20 МПа (меньшие значения для лонжеронов, большие – для поперечин), а суммарные нормальные напряжения         = 100 ¸ 300 МПа.

Во время движения автомобиля по неровной дороге при мак­симальном закручивании рамы напряжения в ее элементах в  3 ¸ 5 раз больше напряжений, возникающих после установки на раме кузова, агрегатов и механизмов.

В рамах грузовых ав­томобилей с обычной грузовой платформой наибольшие напряже­ния в лонжеронах возникают в зоне третьей поперечины, примерно у переднего борта кузова. У седель­ных тягачей наибольшие напряже­ния в лонжеронах возникают в зоне пятой поперечины у кронштейнов подвески. Из поперечин наиболее нагруженной обычно является пер­вая поперечина.

Сла­быми местами рамы являются зоны присоединения к лонжеро­нам поперечин, кронштейнов и других деталей.

Заклепочные соединенияработа­ют при стесненном кручении и горизонтальном изгибе. Независи­мо от технологии клепки заклепки разрушаются от изгиба.

В предель­ном случае можно рассматривать изгиб стержня заклепки в услови­ях, когда стенки отверстия не препятствуют деформации изгиба под действием изгибающего момента

,                                        (9.10)

где  – усилие, создающее изгибающий момент; ,  – толщины соединяемых деталей.

Напряжение изгиба у головки заклепки рассчитывают по формуле:

,                                                  (9.11)

где d – диаметр заклепки.

Напряжение среза (оно почти в 2 раза меньше напряжения изгиба) определяют по формуле:

,                                                    (9.12)

где  – усилие, создающее напряжение среза.


Дата добавления: 2018-02-28; просмотров: 1551; Мы поможем в написании вашей работы!






Мы поможем в написании ваших работ!