Расчёт рамы
.docРасчёт рамы
Рама автомобиля испытывает статические и динамические нагрузки. Статические нагрузки возникают под действием веса самой рамы, кузова, полезного груза и от реакций опор упругого устройства подвески. Динамические нагрузки возникают при движении автомобиля вследствие действия инерции подрессоренных масс при колебаниях автомобиля.
Раму рассчитывают:
– на изгиб от вертикальной нагрузки (статической и динамической);
– на кручение, которое возникает при переезде автомобилем дорожных неровностей (кюветов, канав и т.п.).
Расчёт рамы является приближённым. При расчёте пренебрегают действием продольных нагрузок, возникающих от установленных на раме агрегатов и механизмов при неравномерном движении автомобиля (торможении, разгоне). В расчётах также не учитывают различные реактивные моменты (тормозные, от картеров механизмов трансмиссии и рулевого управления), которые воспринимаются рамой.
1 – передний буфер; 2 – подножка; 3 – поперечина №1; 4 – лонжерон; 5 – кронштейн амортизатора; 6 – кронштейн задней опоры двигателя; 7 – усилительная подкладка лонжерона; 8 – задний кронштейн передней рессоры; 9 – усилитель лонжерона; 10 – поперечина №2, 11 – кронштейн задней подвески кабины, 12 – поперечина крепления промежуточной опоры, 13 – поперечина №3, 14 – усилительная вставка, 15 – косынка поперечины №4, 16 – поперечина №4; 17 – раскос; 18 – поперечина №5; 19 – буксирный прибор; 20 – кронштейн реактивной штанги; 21 – кронштейн промежуточной опоры; 22 – передний кронштейн передней рессоры.
Рисунок 1 – Рама в сборе автомобиля ЗИЛ-133ГЯ
Расчёт рамы на изгиб
Расчет рамы на изгиб сводится главным образом к расчету лонжеронов. Каждый из лонжеронов рассчитывают на половину всей нагрузки, приходящейся на раму. При этом упрочняющее действие поперечин рамы не учитывается.
Для расчетов используют статические массы агрегатов и механизмов, установленных на раме. Для учета динамических нагрузок в расчетные формулы вводят коэффициент динамичности (для грузовых автомобилей = 2…2,5).
Таблица 1 – Исходные данные для расчёта
-
Полная масса автомобиля , кг
– на переднюю ось
– на тележку:
17835
4460
13375
Неподрессоренная масса, кг
– на переднюю ось
– на тележку:
550
2060
Грузоподъёмность , кг
10000
Масса платформы с наращенными бортами , кг
1046
Масса кабины с водителем и пассажирами и их грузом , кг
674
Масса рамы , кг
838
Масса оперения , кг
159
Массы агрегатов, кг:
– двигатель со сцеплением
– коробка передач
770
320
Масса радиатора с охлаждающей жидкостью , кг
42
Масса топливного бака с топливом , кг
166
Масса запасного колеса , кг
95
Масса АКБ , кг
7,1
Масса основного карданного вала с промеж. опорой , кг
35
1 – радиатор; 2 – оперение; 3 – двигатель со сцеплением; 4 – коробка передач; 5 – АКБ; 6 – кабина, 7 – топливный бак; 8 – запасное колесо; 9 – основной карданный вал; 10 – платформа с наращенными бортами.
Рисунок 2 – Схема распределения нагрузки на лонжерон рамы
Определяем вес составных частей автомобиля, действующих на лонжерон рамы:
– совмещаем нагрузку от радиатора с нагрузкой от двигателя со сцеплением и нагрузкой от оперения
Н
– совмещаем нагрузку от коробки передач с нагрузкой от кабины и двух АКБ
Н
– совмещаем нагрузку от топливного бака с нагрузкой от запасного колеса и нагрузкой от основного карданного вала
Н
– нагрузка от платформы с наращенными бортами Н
Собственный вес лонжерона
Н
Вес груза (при номинальной грузоподъёмности)
Н
Определим реакции на лонжерон:
– от передней оси
Н
– от тележки
Н
Сумма всех сил, действующих на лонжерон, должна быть равна нулю, поэтому составляем уравнение равновесия:
Разница между реакциями и силами, действующими на лонжерон, составила 5227 Н = 533 кг. Поэтому оставшиеся 533 кг распределим по лонжерону. Нагрузку от лонжерона примем как равномерно распределённую нагрузку:
, где – длина лонжерона, = 8,736 м.
Н/м
Нагрузку от груза (при номинальной грузоподъёмности) тоже примем как равномерно распределённую:
, где – длина лонжерона под грузом, = 6,1 м.
Н/м
Лонжерон представляем в виде балки, опёртой на рессоры. Система статически неопределима, так как имеем три опоры. Заменяем реакцию в опоре В силой, действующей на балку , тогда система становится статически определимой, но произойдёт перераспределение масс и реакции в опорах D и Y ( и ) изменятся, поэтому их рассчитываем заново.
Упрощаем выражение и находим .
Н
Упрощаем выражение и находим .
Н
Таким образом, разница между ранее найденными реакциями составила 371 Н.
Выполняем проверку.
Реакции в опорах найдены правильно.
Расчёт моментов, действующих на лонжерон
кНм
Нм = - 0,015 кНм
Нм = 4,24 кНм
Нм = 7,15 кНм
Нм = 14,14 кНм
Нм = 19,22 кНм
Нм = 21,92 кНм
Нм = -4,48 кНм
Нм = -25,69 кНм
Нм = - 0,002 кНм
Для проверки правильности решения, рассчитываем моменты, действующие на лонжерон с обратной стороны (справа):
кНм
Нм = -25,69 кНм
Нм = -4,48кНм
Нм = 21,92 кНм
Нм = 19,21 кНм
Нм = 14,14 кНм
Нм =
= 7,15 кНм
Нм = 4,24 кНм
Нм =
= - 0,016кНм
= 0,84 Нм = 0 кНм
Расходимость полученных значений составила меньше 10 Нм, что говорит о том, что расчёты верны.
На основании проведённых расчётов строим эпюру изгибающих моментов лонжерона (рисунок 3).
Определение напряжений изгиба лонжерона
,
где – максимальный момент, действующий на данном участке;
– момент сопротивления изгибу сечения лонжерона.
Расчётным сечением лонжерона является швеллер. Лонжерон делим на два участка: АD и DJ, имеющие сечения разных размеров.
Рисунок 4 – Расчётное сечение лонжерона
Участок AD: h = 0,12 м, b = 0,06 м, s = 0,006 м.
Участок DJ: h = 0,25 м, b = 0,06 м, s = 0,006 м.
По ГОСТ 8278-83 «Швеллеры стальные гнутые равнополочные. Сортамент» момент сопротивления изгибу равен:
– для участка AD м3
– для участка DJ м3
Тогда напряжения изгиба лонжерона
– на участке AD
МПа
МПа < 100…300 МПа. Условие прочности выполнено.
– на участке DJ
МПа
МПа < 100…300 МПа. Условие прочности выполнено.
Вывод: В результате проведённых расчётов прочность рамы была обеспечена, напряжения изгиба рамы не превышают допускаемые, что обеспечивает надёжную работу узлов и агрегатов, установленных на раме, а также рама частично гасит колебания и работает на изгиб и кручение, не нарушая работоспособность узлов и агрегатов автомобиля.
Расчёт рамы на кручение
Переезд неровностей дороги всегда вызывает скручивание рамы. Поэтому рама наряду с высокой изгибной прочностью должна обладать достаточной прочностью на кручение.
При расчёте на кручение рама рассматривается как плоская система, состоящая из прямолинейных тонкостенных стержней. При прогибе поперечные сечения стержней остаются плоскими, а при кручении они искривляются. Такой характер деформации называется стесненным кручением. При стеснённом кручении кроме касательных напряжений кручения в сечениях лонжеронов из-за искривления появляются дополнительные нормальные напряжения.
Суммарные нормальные напряжения в сечениях лонжеронов при стесненном кручении
,
где Б – бимомент;
– секториальный момент сопротивления сечения (определяем по ОСТ
10016-39)
Бимомент для швеллерного сечения лонжеронов
,
где – угол закручивания рамы на длине базы автомобиля, ;
– модуль упругости первого рода, МПа;
– длина рассматриваемого отрезка лонжерона;
– база автомобиля, = 9,25 м;
– секториальный момент инерции сечения.
Секториальный момент инерции сечения лонжерона определяем по формуле
,
где – толщина профиля (на рисунке 4 обозначено как s);
– высота профиля;
– ширина профиля.
Определяем секториальный момент инерции
– для участка AD
м6
– для участка DJ
м6
Тогда бимомент для швеллерного сечения
– участка AD
Нм
– участка DJ
Нм
Нормальные напряжения при стесненном кручении
– участка AD