книги из ГПНТБ / Бухарин Н.А. Автомобили. Конструкции, нагрузочные режимы, рабочие процессы, прочность агрегатов автомобиля учеб. пособие

крепления цистерны. Это приводит к увеличению угла закручива­ ния на остальной длине рамы, соответственно возрастают напря­ жения кручения и снижается прочность рамы. Обычно применяют крепление накидными лентами, концы которых имеют резьбу и

с пневматической подвеской. Для съема кузова в баллоны под­

чего он отсоединяется от рамы. Давление в баллонах снижается, и автомобиль выезжает из-под кузова. Для удобства маневриро­ вания передние опоры раздвинуты в стороны. Установка другого кузова производится в обратном порядке.

§ 84. ОСНОВЫ РАСЧЕТА РАМ И КУЗОВОВ

Схемы нагружения рамы двухосного автомобиля показаны на рис. XVII.7. В статическом положении (схема а) рама опирается на четыре колеса. Опорные реакции на правые колеса Gln и G2n соответственно равны опорным реакциям на левые колеса G± л и G2J1.

Нагрузки Р х—Рй, действующие на раму в статическом поло­ жении, определяются весом подрессоренных частей автомобиля (двигатель, коробка передач, кабина, платформа с грузом и т. д.). Они действуют симметрично относительно продольной оси авто­ мобиля и вызывают изгиб лонжеронов в вертикальной плоскости. Напряжения от статической нагрузки невелики.

В движении на автомобиль действуют динамические нагрузки, соответственно происходит изменение опорных реакций. Для оценки прочности несущей системы наиболее характерными яв­ ляются два режима нагружения.

П е р в ы й р е ж и м — движение с большой скоростью по дороге с мелкими неровностями. В этом случае подрессоренные части автомобиля совершают интенсивные вертикальные колеба­ ния, и на лонжероны действуют динамические нагрузки, которые могут быть выражены через статические

С некоторым приближением вертикальные динамические на­ грузки в этом случае можно считать симметричными как и при статическом нагружении (рис. XVII.7, а). Следовательно, лонже­ роны рамы при этом режиме работают на изгиб.

В т о р о й р е ж и м — преодоление больших неровностей (рис. XVII.7, б), когда одно колесо разгружается или полностью

491

Рис. XVI1.7. Схемы нагружения рамы и эпюры моментов

492

«вывешивается (движение по разбитой грунтовой дороге, переезд кювета, насыпи под углом). При этом опорные реакции несим­ метричны, и рама работает на кручение.

Момент, закручивающий раму, определяется формулой

где а — угол закручивания рамы на длине, равной базе автомо­ биля; ср — угловая жесткость рамы, Н-м/рад.

Угол закручивания рамы может быть выражен через глубину впадины h

где В — ширина колеи; сп — угловая жесткость подвески, опре­ деляемая из формулы

где В г, В 2 — расстояния между рессорами передней и задней подвесок; сх и с2— жесткости передней и задней рессор; сшх и сша — жесткости шин переднего и заднего колес; В — ширина колеи.

При вывешивании одного колеса момент, закручивающий раму, достигает максимального значения

Мртах= а2^ Р- (XVII.4)

где а 2— расстояние от центра тяжести автомобиля до более на­ груженной оси, опирающейся на два колеса.

На графике, приведенном на рис. XVII.7, в, показаны эпюры моментов, действующих по длине лонжерона рамы двухосного

переднего правого колеса. Как видно из графика, при первом ре­ жиме нагрузки превосходят статические в 2,3 раза, а при втором * режиме в 4,3.

Силы инерции, действующие на раму при разгоне, торможении

иповороте автомобиля сравнительно невелики и обычно не учи­ тываются. Кроме того, на раму передаются усилия от рулевой сошки, тягово-сцепного устройства и амортизаторов. Через под­ веску на раму передаются также горизонтальные силы — тяговая

итормозная. Эти нагрузки учитываются при оценке местной проч­ ности рамы, т. е. тех ее элементов, которые их непосредственно воспринимают.

П р о ч н о с т ь р а м ы п р и и з г и б е оценивается при­ менительно к первому режиму. Рама рассматривается как плоская

493

стержневая система, нагруженная сосредоточенными силами. Криволинейность отдельных стержней, как правило, не учиты­ вается. Расчету подвергается один лонжерон. За расчетную на­ грузку принимают половину всей нагрузки, действующей на раму. Если нагрузка на правый и левый лонжероны в значительной мере неодинаковая, то расчет производится по наиболее нагру­ женному лонжерону.

При расчете на изгиб вертикальные динамические нагрузки определяются путем умножения статических нагрузок .на соот­ ветствующие нм динамические коэффициенты (/ед;). Для определе­ ния динамических коэффициентов величины ускорений подрессо­ ренных масс принимаются на основании экспериментальных дан­ ных.

Действующие на раму статические нагрузки представляют веса отдельных агрегатов, сосредоточенные в их центрах тяжести. Нагрузка от агрегатов, имеющих на раме несколько точек опоры (двигатель, кабина), распределяется по этим опорам в соответствии с расположением их центра тяжести. Вес самой рамы с кронштей­ нами учитывается путем разбивки ее на участки, вес которых при­ нимается сосредоточенным в центре участка.

По величине вертикальных нагрузок, действующих на раму, определяются опорные реакции. При этом рама рассматривается как балка на двух опорах, которыми являются оси автомобиля. Если подвеска автомобиля выполнена на продольных полуэллиптических листовых рессорах, то каждая опорная реакция распре­ деляется на две составляющие, приложенные по концам рессоры к кронштейнам.

Для определения изгибающих моментов используется зависи­

где — эквивалентный момент инерции сечения; у — вертикаль­ ная координата; W — экваториальный момент сопротивления сечения.

При расчете рамы на изгиб предполагается, что нагрузки при­ ложены в центрах изгиба поперечных сечений лонжеронов. В тех случаях, когда действующие силы не совпадают с осью, проходя­ щей через центр изгиба, и вызывают кручение элементов рамы, необходимо определять дополнительные напряжения, вызванные кручением. Так, в местах передачи на раму сосредоточенных на­ грузок от кронштейнов крепления рессор, кабины, запасного

494

К р у ч е н и е ,р а м ы происходит при несимметричном дей­ ствии нагрузки. Лонжеронная рама в этом случае представляет статически неопределимую систему. Степень статической неопре­ делимости определяется выражением

п= 2 ( т — 1),

где т — число поперечин.

Определение неизвестных силовых факторов в общем случае требует решения системы канонических уравнений и представляет трудоемкую задачу. Лонжероны и поперечины в конструктивном отношении представляют тонкостенные профили. Расчет таких профилей на кручение имеет существенные особенности. Попе­ речные сечения стержней при кручении искривляются и стано­ вятся неплоскими, происходит так называемая депланацня. Соеди­ нения поперечин с лонжеронами препятствуют их депланацин. В результате при кручении тонкостенных стержней кроме каса­ тельных напряжений возникают нормальные напряжения стес­ ненного кручения, которые необходимо учитывать. Поэтому расчет рам на кручение базируется на теории тонкостенных профилей [XVII.2,6].

Существуют упрощенные методы расчета автомобильных рам на кручение, учитывающие их характерные конструктивные осо­ бенности.

В работе Д. Б. Гельфгата и В. А. Ошнокова [XVII.3] показано, что стержни автомобильных рам обычно имеют изгибную жест­ кость, во много раз большую, чем жесткость на кручение. На этом основании деформацией изгиба при кручении рамы можно прене­ бречь, считая, что перемещения осуществляются только за счет кручения стержней.

Такое допущение дает возможность все внутренние силовые факторы выразить через один параметр — угол закручивания рамы а или внешний момент Мр и тем самым свести расчет к ста­ тически определимой задаче.

Если раму разрезать по плоскости симметрии и в местах раз­ реза приложить внутренние силовые факторы, то мы получим расчетную схему рамы при кручении (рис. XVII.9), где 1—6 по­ перечины.

Моменты, приложенные к поперечинам, определятся по фор­

где Мр — внешний момент, приложенный к раме [формулы (XVII.2 и 4]; Jni — полярный момент инерции і-й поперечины; / р — приведенный момент инерции всей рамы при кручении.

496

Перерезывающие силы вычисляются по формуле

Рис. XVII.9."Расчетная схема рамы при кручении

Приведенный момент инерции рамы при кручении вычисляется по формуле

Моменты, действующие на участки лонжеронов между попере­

и (XVI 1.8)], действующие на поперечины, вызывают изгиб лонжеро­ нов. Эпюра изгибающих моментов для поперечин определяется перерезывающими силами.

Поломки рам в ряде случаев происходят в местах соединения поперечин с лонжеронами. Часто трещины возникают у края полок лонжеронов. Эти случаи связаны с условиями эксплуата­ ции, которые вызывают значительное закручивание рамы. В нор­ мальных дорожных условиях углы закручивания рамы не пре­ вышают 3—4°. В наиболее тяжелых условиях движения вне дорог они достигают 13— 16°. При этом рама испытывает значительные перегрузки и напряжения в отдельных сечениях доходят до пре­ дела текучести материала.

497

Для оценки прочности стержней рамы при кручении исполь­ зуются приближенные зависимости [XVII.3], основанные на до­ пущении полного запрещения депланации в узлах рамы. Это дает несколько завышенное значение бимомента и составляющей на­ пряжений стесненного кручения.

При кручении тонкостенных стержней нормальные напряже­ ния определяются формулой

Первый член определяет напряжения от изгибающего момента, а второй — стесненного кручения от бимомента В.

Для стержней открытого профиля наибольшие напряжения стесненного кручения

6£а

(XVII. 12)

Т Г ш*

где а — угол закручивания рамы по формуле (XVII.3); / — длина стержня; со — секториальная координата; Ja — секториальный момент инерции сечения стержня.

Приближенное значение бимомента определяется формулой

Для стержней закрытого профиля

Вработе Б. В. Проскурякова [XVII.5] дан метод расчета рам

споперечинами, имеющими большую жесткость при кручении. Рама рассматривается как балка, спаренная из двух лонжеронов

инагруженная сосредоточенными внешними моментами через под­ веску. Внутренние усилия от взаимодействия поперечин с лонже­ ронами заменяются сосредоточенными бимоментами.

498

При конструировании рам в ряде случаев возникает необхо­ димость в местном увеличении сопротивления лонжеронов дей­ ствию изгибающих моментов путем установки усилителей (вставок). Это приводит к ступенчатому изменению жесткости лонжеронов

иможет явиться причиной их поломок у края усилителя от напря­ жений, возникающих при скручивании. При установке такого рода усилителей их крепление должно обеспечивать свободу деформа­ ций полок, при которой устраняется опасность их поломок.

Выбор основных параметров лонжеронных рам в значительной мере основан на приближенных расчетных данных. Жесткость рамы на кручение, а также величины действительных деформаций

инапряжений в наиболее характерных сечениях целесообразно проверять экспериментальным путем на моделях или при натур­ ных испытаниях опытных образцов. Модель рамы изготавливается

вмасштабе не менее чем 1: 5 .

Для определения напряжений, возникающих в отдельных се­ чениях рамы при различных режимах нагрузки, используются проволочные тензометры. В каждой точке должно быть наклеено по три тензометра, образующих розетку деформаций. Если тензо­ метры образуют с осью элемента рамы углы 0°, 60° и 120°, то вели­ чины главных относительных деформаций ех и е2 могут быть вы­ числены по формуле

еі2 = "з (ео "Ь ебо + еі2о) ±

± У (в0 — в60)2 + (е0 — е120)2 ~Ь (ево — еі2 о)2 •

Величины главных напряжений о г и о 2 через главные дефор­ мации выражаются соотношениями:

где (X— коэффициент Пуассона.

Направление главных напряжений с продольной осью обра­ зует угол фо

робчатую оболочку с оконными и дверными проемами. При дви­ жении автомобиля кузов воспринимает изгибающие нагрузки от полезного груза и собственного веса, скручивающие нагрузки при боковом крене и перекосах осей, инерционные нагрузки при раз­ гоне и торможении, испытывает вибрации при собственных коле­ баниях. Расчет несущего кузова производится методами строи­ тельной механики с неизбежными упрощениями и допущениями,

499

500

Рис. XVII. 10. Схемы усилий, действующих на кузов легкового автомобиля при изгибе (а) и кручении (б):