5.3.2 Расчет конструкции стапеля

Для расчета приспособления для правки кузовов (рис. 5.6) автомобилей берем за основу БС-132. Выбор обусловлен простотой конструкции.

Рис. 1.7 Стапель: 1 – гидроцилиндр; 2 – силовая стойка; 3 – рама; 4 – опора рамы; 5 – зажим; 6 – балка опорная стойки; 7 – опорная пластина балки; 8 – гидронасос.

Стенд состоит из рамы прямоугольного сечения, к которой с помощью болтов крепятся зажимы для кузова, а также силовая стойка. Силовая стойка выполнена на поворотном основании, что даёт возможность легко менять вектор действия силы. Кузов устанавливается на стапель с помощью зажимов, которые крепятся к отбортовкам порогов автомобиля.

Зажимы должны обеспечивать легкое и качественное крепление кузова на стапеле. При ослаблении болтов зажимов направляющие стержни могут перемещаться в продольном направлении, что позволяет использовать зажимы для автомобилей разной ширины. На свободном конце стержней закреплены тиски, в которые зажимаются пороги кузова. Для универсальности крепления необходимо чтобы тиски перемещались во всех трех плоскостях. В горизонтальном направлении перемещается стержень. При необходимости можно переставить стержень в другом направлении, что вдвое увеличивает пределы установки кузова. Перемещение тисков в продольном направлении производится перемещением стойки на другие отверстия в раме.

Рис. 5.8 Общая конструкция крепления

Расчет элементов крепления кузова автомобиля на стапеле

Расчет стержня на изгиб. Стержень одним концом закреплен в зажиме на верхнем конце стойки, на другом конце закреплены тиски. В сечении стержень представляет собой круг со снятым сегментом, что препятствует проворачиванию стержня и обеспечивает его надежную фиксацию.

Рис. 5.9 Сечение стержня

Длина стержня 300 мм. Принимаем массу ремонтируемого автомобиля 3000 кг. Тогда на один стержень действует масса 750 кг. Найдем максимальный изгибающий момент, действующий на стержень.

. (5.1)

где F - сила действующая на стержень, Н;

L - плечо действия силы, L=0,2 м.

При расчете изгибаемых элементов по допускаемым напряжениям исходят из условия прочности по нормальным напряжениям:

≤[σ], МПа, (5.3)

где М_мах ─ максимальный изгибающий момент, Н·м;

W_z ─ момент сопротивления сечения относительно нейтральной оси;

- допускаемое напряжение для Ст3 ГОСТ 380-94 =160 МПа.

Подбор сечения производят по наиболее напряженному сечению, в котором изгибающий момент достигает максимальной величины. Из условия прочности при заданном изгибающем моменте определяется требуемый момент сопротивления:

. (5.4)

По нему назначаются размеры поперечных сечений балки так чтобы действительный момент сопротивления был бы близок к требуемому.

Момент сопротивления:

.

Далее считаем расчетный момент сопротивления исходя из формы сечения. Для простоты вычислений принимаем, что сечение стержня есть круг. Момент сопротивления находится по формуле:

, м³, (5.5)

Из условия находим минимальный радиус сечения.

, м, (5.6)

.

Из конструктивных соображений принимаем стержень диаметром 70 мм.

Расчет стойки на сжатие

Условие прочности при расчете по допускаемым напряжениям заключается в требовании, чтобы наибольшее напряжение, возникающее в стержне, не превышало допускаемого напряжения.

Расчетная формула для подбора сечений получается из расчета прочности в предположении, что действительные напряжения равны допускаемым:

, м², (5.7)

где - максимальное усилие, на деталь взятое по модулю;

F – площадь поперечного сечения;

- допускаемое напряжение для Ст3 ГОСТ 380-94 принимаем равное =160 МПа.

.

Минимальная площадь поперечного сечения стойки равна 0,5 см².

Расчет силовой стойки

Силовая стойка создает вытягивающее усилие и дает возможность приложить это усилие в любой точке кузова и под любым углом, что обеспечивает максимальную универсальность стапель. Силовая стойка состоит из элементов ее крепления к раме стапеля, силового элемента и непосредственно самой стойки, которая через цепь передает вытягивающее усилие.

Принимаем высоту (исходя из технических данных аналога и высоты кузова легкового автомобиля) силовой стойки два метра и гидроцилиндр грузоподъемностью 10 т точку приложения силы гидроцилиндра принимаем на расстоянии 0,5 м от начала стойки. Высота стойки 2 м дает возможность ремонтировать наиболее распространенные дефекты. Точки крепления гидроцилиндра принимаем исходя из конструкции аналога.

Рассмотрим стойку, как балку, воспринимающую изгибающее усилие. Сила от гидроцилиндра действует под углом, поэтому:

.

Рис 5.10 Силовая схема силовой стойки.

Составляя сумму моментов сил относительно точки В, получаем:

, (5.8)

отсюда:

, Н, (5.9)

.

Сумма сил по оси y равна нулю, тогда:

, (5.10)

отсюда:

, Н. (5.11)

Тогда:

.

Наибольший изгибающий момент имеет место в месте приложения силы F, в опасном сечении, где нагрузка меняет знак:

, Н·м. (5.12)

Изгибающий момент:

.

Момент сопротивления изгибу для квадратного сечения рассчитывается по формуле:

, м³, (5.13)

где Н – размер сечения балки, м;

а – толщина стенки балки, м.

Момент сопротивления:

.

Напряжение изгиба в опасном сечении:

, МПа. (5.14)

Материал стойки - Ст 3 ГОСТ 380-91.

Предельное напряжение изгиба .

Условие прочности соблюдается:

.

Окончательно принимаем сечение квадратную трубу шириной 150 мм и толщиной стенки 15 мм.

Расчет крепления силовой стойки

Расчет пальца крепления на срез и на смятие. В нижней точке крепления силовой стойки находится палец, на котором стойка может совершать колебательные движения. Определяем силу, действующую на палец. Для этого составляем уравнение моментов относительно точки С.

Условие прочности на срез при работе пальца по двум плоскостям:

, МПа, (5.15)

где Р - нагрузка в соединении, Н,

d - диаметр пальца, d =22 мм.

- допустимое напряжение на срез для Сталь 40 ГОСТ 1050-88 =140 МПа.

Так как сила F действует под углом 45º, то нагрузку можно найти по формуле:

, Н, (5.16)

где:

Тогда нагрузка:

.

Условие прочности:

.

Условие выполняется.

Рис 5.11 Схема крепления силовой стойки.

Расчет пальцев крепления гидроцилиндра

Расчет пальца крепления на срез и на смятие. Гидроцилиндр крепится на двух пальцах. Расчет пальцев гидроцилиндра ведем по формуле (5.15), где расчетная нагрузка Р равна рабочему усилию гидроцилиндра, т.е. Р=98100 Н, а диаметр пальца принимаем равным d=32 мм.

Условие прочности для пальцев выполняется:

.

Окончательно принимаем диаметр пальцев d=22 мм.

Расчет крепления силовой стойки

Расчет болтов крепления силовой стойки. Силовая стойка к раме стапеля крепится на двух болтах. Болты крепления рассчитываем на срез. Условие прочности на срез болтов [11]:

, МПа, (5.17)

где Р – сила действующая в горизонтальной плоскости на болты, Н;

- напряжение среза, для Сталь 40 ГОСТ 1050-88 =140 МПа.

Силу действующую на болты можно принять равной горизонтальной реакции в точке А силовой стойки. Так как стойка крепится двумя болтами М18, то сила Р действующая на каждый из них будет равна Р=23122 Н.

Условие прочности выполняется:

.

Окончательно принимаем болты крепления М18.

Расчет балки крепления на изгиб

При расчете изгибаемых элементов по допускаемым напряжениям исходят из условия прочности по нормальным напряжениям:

Наибольший изгибающий момент будет в месте стыка балки с рамой от вертикальной реакции силовой стойки в точке А, т.е.

.

Момент сопротивления изгибу для квадратного сечения рассчитывается по формуле:

, м³, (5.18)

где Н – размер сечения балки, м;

а – толщина стенки балки, м.

Момент сопротивления:

.

Напряжение изгиба в опасном сечении:

, МПа. (5.19)

Материал стойки - Ст 3 ГОСТ 380-94 .

Предельное напряжение изгиба .

Условие прочности соблюдается:

.

Окончательно принимаем сечение квадратную трубу шириной 150 мм и толщиной стенки 20 мм.

Расчёт продольной балки рамы

Балка рассчитывается на изгиб по формуле [11]:

, МПа, (5.20)

где М – изгибающий момент в опасном сечении, Н·м;

- момент сопротивления сечения при изгибе, м³;

- допустимое напряжение на изгиб, МПа.

Схема сил, действующих на балку представлена на рис. 5.12.

Сила P действующая на балку создается весом автомобиля.

Для вычисления M прежде всего необходимо отыскать реакции. На рис. 5.12. намечено предполагаемое направление этих реакций RА, НА и RB.

Из условия равенства нулю суммы проекций всех сил на ось балки получаем:

Н_А =0 Н.

Составляя сумму моментов сил относительно точки В, получаем

;

отсюда:

,

.

Из условия равенства нулю суммы проекций всех сил на ось балки:

,

отсюда:

,

.

Рис. 5.12 Расчетная схема продольной балки рамы

Наибольший изгибающий момент имеет место в месте крепления болтами платформ:

Момент сопротивления сечения (см. рис. 5.13) ослабленного отверстием под болт, находим по формуле:

, м³, (5.21)

Рис.5.13 – Сечение балки

Принимаем размеры сечения:

B=240 мм, H=120 мм, b=224 мм, h=104 мм, а=18 мм.

Найдем:

.

Допустимое напряжение изгиба для материала Ст 3 ГОСТ 380-94 . Условие прочности при изгибе:

,

Условие выполняется.

Расчет сварного шва проушин

Проушины осей гидроцилиндра приварены к стойке. Необходимо рассчитать сварной шов на прочность. [11]

Исходные данные:

1. Нагрузка равная половине усилия гидроцилиндра Р=50000 Н.

2. Допустимое касательное напряжение сварного шва [τ] = 100 МПа .

Для расчета используют следующую формулу:

, МПа, (5.22)

где: t-толщина сварного шва, равна толщине свариваемой детали, t=0,008 м;

l- длина сварного шва, равна периметру проушины, т.е. l=0,20 м.

Подставив значения в формулу, получим:

.

Уход за стапелем, безопасность конструкции

Основные детали стапеля изготовлены из углеродистых сталей, и поэтому они подвержены коррозии. Во избежание этого, все детали съемника, кроме резьбовых и отверстий под болты, следует покрыть краской марки ПФ-115.

В процессе эксплуатации регулярно подкрашивать места сколов краски. Для снижения трения и увеличения ресурса резьбовые поверхности необходимо перед сборкой покрыть консистентной смазкой Литол-24 по ГОСТ 21150-87.

Смазывать резьбовые соединения необходимо по мере необходимости, но не реже, чем раз в полгода. Масло в гидроцилиндре следует менять каждые два года.

В целях безопасности:

- перед началом работ необходимо затянуть все резьбовые соединения усилием 120-150 Н·м;

- запрещается использовать поврежденные цепи;

- запрещается стоять напротив силовой стойки во время работы.

Технико-экономическая оценка стенда

Основанная элементная база стенда будет производиться из стандартных изделий (труба прямоугольная, труба квадратная, пруток цилиндрический, и т.д.). Следовательно, их доступность является высокой, в то время как цена достаточно низкой. При производстве стенда не требуется использования сложных технологических процессов.

Основные работы составляют: сварочные, сборочные и окрасочные. Гидроцилиндр, цепи, крюки, гидронасос представлены на рынке широко и будут заказываться у соответствующих производителей, и что позволяет достичь высокой надежности (т.к. серийное производство) и низкой цены.

В общем, проектируемая конструкция при производстве значительно выгоднее, нежели покупка готового стапеля.