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

⇐ ПредыдущаяСтр 18 из 18

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)