2 Описание объекта исследования и моделей

2.1 Описание конструкции лонжеронных автомобильных рам

Рама служит остовом для крепления узлов и агрегатов автомобиля. Она должна обладать достаточной жесткостью, чтобы по действием инерционных и реактивных нагрузок относительное расположение укрепленных на ней механизмов оставалось неизменным, а деформации кузова были минимальными.

В зависимости от конструкции рамы разделяют на лонжеронные и хребтовые. Лонжеронные рамы состоят из двух продольных лонжеронов и нескольких поперечин. Поперечины соединяют лонжероны рамы, придают ей жесткость и служат опорой для узлов. В связи с тенденцией снижения высоты применяют преимущественно периферийные и Х-образные рамы (рис. 1). В случае использования лестничных рам для понижения уровня пола высоту сечения их лонжеронов в необходимых местах уменьшают за счет увеличения ширины.

Рис. 1 – Лонжеронные автомобильные рамы: а – периферийная; б – X-образная; в – лестничная

При использовании периферийной рамы ширина и высота туннеля для карданного вала и труб системы выпуска газов минимальные, однако ширина порогов больше, чем при использовании рам других типов.

Положение поперечин по длине рамы зависит от размещения агрегатов шасси, кабины, платформы и т.д. Преимущественно применяются податливые на кручение поперечины открытого профиля. В некоторых случаях для обеспечения минимальной жесткости рамы на кручение применяют поперечины закрытого профиля, обычно из круглых труб.

Иногда поперечиной соединяют наиболее нагруженные кронштейны. Применение крестообразных поперечин целесообразно в широких и коротких рамах, что увеличивает их жесткость, однако, приводит к увеличению напряжений в местах соединений. Повысить жесткость рамы на кручение можно введением элементов вынесенных из плоскости рамы и жестко соединенных с ней вертикальными кронштейнами (жесткость рамы повышается при установке параллельно ее плоскости жесткого элемента).

Конструкция рамы выполняется так, чтобы напряжения в полках лонжеронов при кручении распределялись равномерно, т.е. не было значительных местных напряжений от стесненного кручения. Рекомендуются соединения поперечин и лонжеронов, которые позволяют создать небольшое стеснение концевых сечений в узле. Наиболее удачными соединениями с точки зрения минимизации напряжений от стесненного кручения являются Н-образное и П-образное, а также швеллер, усиленный уголком. Свобода депланации в них обеспечивается путем присоединения только части контура поперечин к лонжерону.

Конструкция лонжеронных рам должна быть легко изгибаемой на труднопроходимых дорогах до тех пор, пока не будут разработаны конструкции мягких подвесок с вертикальным ходом, достаточным для достижения минимальных перемещений базы, что особенно важно для автомобилей высокой проходимости.

Закрытый коробчатый профиль поперечин приводит к наибольшей жесткости рамы, но и большим осевым напряжениям. Применение открытого трубчатого профиля поперечин приводит к большим крутильным напряжениям, но меньшему на 40% максимальному напряжению, к падению жесткости в 1,5-3 раза. Применение П-образного открытого профиля поперечин приводит к снижению жесткости на 10%, но уменьшению напряжений в 2-2,5 раза. [2]

Расчет поперечных сечений несущих элементов, конструктивные формы, а значит, масса и расход материалов обычно определяются условиями обеспечения прочности и жесткости. В то время как для стационарных объектов масса определяет лишь расход материалов и их стоимость, то для подвижных, например, автомобилей, она влияет и на технико-экономические показатели (грузоподъемность, скорость и др.). [1]

Для изготовления лонжеронов применяют углеродистую сталь марок 25 кп, 30 кп и низколегированные стали марок 15ГЮТ, 10ХСНД; для поперечин используют углеродистую сталь 20, 25, 25 кп [4]. Иногда применяются титанистые стали 30Т, позволяющие благодаря более высоким механическим свойствам снизить вес рамы. Для некоторых автомобилей применяются не штампованные, а прокатные профили из малоуглеродистых низколегированных сталей 14ХСНД, 19ХГС и др.

К числу специальных требований, предъявляемых к раме, относятся:

1) высокая изгибная и крутильная жесткость и прочность (при минимальном весе), исключающие расшатывание и поломки элементов рамы при движении автомобилей со значительными перекосами осей и колес;

2) целесообразность конструкции, позволяющей наиболее удобно и экономно разместить и закрепить все монтируемые на раме агрегаты, а также установить достаточные по вместимости грузовые емкости;

3) рациональность геометрической формы, допускающей низкое расположение центра тяжести автомобиля, значительные ходы подвески и большие углы поворота управляемых колес.