3.1 konstrukcje cienkoscienne i ramy nadwoziowe

3.1 Konstrukcje cienkościenne Podstawowym kryterium konstrukcyjnym dla kadłuba jest lekkość i odpowiednia sztywność na eksploatacyjne obciążenia (szkice poniżej). Dlatego większość nadwozi samochodów osobowych to konstrukcje cienkościenne:

• lekkie i sztywne, posiadające wysoką częstotliwość drgań własnych, • cechujące się odpowiednią trwałością i odpornością na zderzenia

Uzyskanie powyższych parametrów uzyskiwane jest poprzez zastosowanie:

• wytłoczek blaszanych, cienkościennych profili zamkniętych lub materiałów kompozytowych na płaty nośne kadłuba

• materiałów o niskich gęstościach i wysokich parametrach wytrzymałościowych • sztywnego połączenia elementów tworzących kadłub

schematyczne przedstawienie stopnia wytężenia węzłówek szkieletu nadwozia samonośnego przy zadziałaniu momentu skręcającego.

3.1.1 Podstawowe przypadki obciążeń eksploatacyjnych nadwozia obciążęnia pionowe statyczne obciążęnia pionowe dynamiczne

złożenie pionowych i poziomych obciążeń dynamicznych przy hamowaniu (mnożnik dynamiczny sił poziomych 1,8, sił pionowych 3,5) najechanie na nierówność - statyczne obciążenie, pionowe niesymetryczne (wywołuje MS1) złożenie pionowych i poziomych obciążeń dynamicznych przy jeździe po łuku (wywołuje MS2)

Moment skręcający Moment ten występuje na nadwoziu, gdy jedno z kół osi odrywa się od nawierzchni.

21

11p

pS

rGM = [Nm]

Gp1 – maksymalny nacisk na oś mniej obciążoną rp1 – rozstaw kół przednich.

Graniczna teoretyczna wysokość nierówności h1 powodująca oderwanie jednego z kół od nawierzchni (nierówność pod jednym z kół osi mniej obciążonej):

1.

211

1 2 calk

pp

krG

hϕ

= [m]

może osiągnąć wartość 1 m, ponieważ sztywność skrętna całego układu (nadwozia, opon i zawieszenia) przedstawiona modelem obliczeniowym jak na szkicu

optpopcalk kkkkk .1.1.1.1.

11111

ϕϕϕϕϕ

+++=

[Nm/deg] osiąga np. dla autobusu wartości rzędu kφcalk1=2000 Nm/deg. Należy przy tym zauważyć, że sztywność samego nadwozia jest rząd wielkości większa.

Aby urealnić wielkość momentu skręcającego, do celów obliczeniowych wprowadzamy wartość H rzeczywistej eksploatacyjnej wysokości nierówności

1

111 2 h

HrGM p

pS =

Analogicznie możemy obliczyć wartości nacisków kół

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=

1

11 1

2 hHG

G ppp

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+=

1

11 1

2 hHG

G ppl

Ze wzrostem prędkości ruchu po okręgu powiększają się naprężenia konstrukcji nośnej do momentu oderwania wewnętrznego koła od nawierzchni. Dalszy wzrost siły odśrodkowej powoduje przechylanie pojazdu i niewielkie zmiany naprężeń. W celu obliczenia momentu skręcającego wynikającego z jazdy po łuku możemy teoretycznie określić wartość przyspieszenia odśrodkowego powodującego oderwanie jednego z kół od nawierzchni. Do wyzerowania reakcji przy wewnętrznym kole dojdzie w momencie osiągnięcia przez pojazd przyspieszenia odśrodkowego:

hgray 2

=

g – przyspieszenie ziemskie, r – rozstaw kół (przy założeniu, że środek masy pojazdu leży na wzdłużnej płaszczyźnie symetrii), h – odległość środka masy pojazdu od nawierzchni drogi. Moment skręcający osiągnie wówczas wartość maksymalną równą:

hgrhm

hamM zreszyresS 22 ==

mres – masa resorowana, hz – ramię działania siły odśrodkowej przyłożonej w środku masy resorowanej względem punktów mocowania zawieszenia do ramy.

Moment ten może być zastąpiony parą sił działających w punktach mocowania zawieszenia do ramy:

z

S

rM

P 2=

rz – poprzeczny rozstaw punktów mocowania elementów sprężystych zawieszenia do ramy.

Stopniowo obciążając nadwozie do maksymalnej wartości momentu skręcającego możemy wyznaczyć (również na kompletnym pojeździe) charakterystykę sztywności skrętnej mierząc bezwzględny kąt skręcenia nadwozia

nadw

Snadw

Mk

ϕ=

Pomiar kąta skręcenia kątomierzem optycznym

3.1.2 Sztywność nadwozia Jest to odpowiedź struktury kadłuba na statyczne wymuszenia eksploatacyjne:

• moment skręcający nadwozie od sił pochodzących z zawieszenia • obciążenie zginające od masy własnej i ładunku

Sztywność skrętna nadwozia mierzona jest w Nm/deg lub Nm/rad natomiast sztywność giętna nadwozia w N/mm Obydwie wielkości, dla celów porównawczych, mierzone są na stanowiskach zbudowanych wg poniższego schematu:

Przykładowe maksymalne wartości osiągane dla samochodów osobowych typu sedan: sztywność na zginanie mierzona na tunelu 6500 do 8000 N/mm sztywność na skręcanie w osi przedniej 25000 do 29000 Nm/deg Większe wartości sztywności nie są wymagane i ekonomicznie są niezasadne Sztywność dynamiczna określająca częstotliwość drgań własnych nadwozia dla zginania wynosi 26 do 30 Hz dla skręcania 1 – sza 20 do 29 Hz dla skręcania 2 – ga 39 Hz wykresy

Kryterium dobroci struktury cienkościennej określa stosunek masy szkieletu nadwozia do jego sztywności i pola powierzchni płyty podłogowej w rzucie z góry i w przeciągu ostatnich 15-tu lat polepszyła się trzykrotnie: mGer - masa brutto kompletnego szkieletu CT – sztywność nadwozia z szybą przednią, w osi kól przednich, bez ładunku A –powierzchnia w rzucie z góry (rozstaw kół x rozstaw osi) Przykład 1: nadwozie duże , sztywne i ciężkie 330kg/25000(Nm/deg) x 4,8 m2=2,8 Przykład 2: nadwozie średnie, średnio sztywne

250kg/10000(Nm/deg)x4,0 m2=6,3

Przykład 3: nadwozie małe, mało sztywne

250kg/5000(Nm/deg)x3,8 m2=13,2

3.1.3 Rodzaje struktur nośnych Przybliżony procentowy udział elementów nadwozia w przenoszeniu obciążeń w zależności od rodzaju struktury nośnej przedstawia poniższa tabela: Konstrukcja Rama

prawie- płaska

Wyodrębniona rama przestrzenna

Nadbudowa Uwagi, opis, przykłady

80%

- 20 % Nadbudowa rozłącznie

ołączona z ram p ą (Mercedes M, Nissan Terano,

Niesamonośna

100% Ciężarowe

Mieszana 40% - 60% Nadbudowa sztywno połączona z ramą (Jeep Cherokee, Mitsubishi Pajero)

80%

20% (poszycia i szyby)

Rama przestrzenna z profili zamkniętych (Audi A2 i A8, BMW Z8, Ferrari, Honda NSX,

Samonośna szkieletowa

-

60% 40% (szyby) Autobusy

Samonośna powłokowa

- 10% (łoża silnikowe i zawieszeniowe)

90% (podłużnice, poprzeczki, powłoki)

Rama przestrzenna z podłużnic, poprzeczek i powłok (większość seryjnych samochodów osobowych)

Kadłuby samonośne

a) konstrukcje powłokowe strukturę nośną stanowi rama przestrzenna utworzona z profili uzyskanych poprzez celowe kształtowanie cienkościennych powłok (poszyć) zewnętrznych i wewnętrznych nadwozia przy zastosowaniu dodatkowych podłużnic i poprzeczek

b) konstrukcje szkieletowe strukturę nośną stanowi wyodrębniona rama przestrzenna utworzona z profili zamkniętych: standartowych (hutniczych) i specjalnych (ekstrudowanych =wyciskanych lub hydroformowanych)

Poszycia zewnętrzne stanowią blachy albo panele z tworzyw sztucznych. Te ostatnie w przypadku autobusów i kabin ciężarówek umożliwiają wykonanie tanich wersji wariantowych.

Konstrukcje niesamonośne Wyodrębniona rama i nadbudowa połączone są rozłącznie

Konstrukcje mieszane Dająca się wyodrębnić rama połączona jest z nadbudową w sposób trwały

Ramy nadwoziowe Rama konstrukcji mieszanej

Przestrzenna rama szkieletowa konstrukcji samonośnej

Rama konstrukcji niesamonośnej samochodu terenowego

Rama konstrukcji niesamonośnej samochodu dostawczego, ciężarówki

Ostatnie dwa przykłady mogą nasunąć wątpliwość czy lepszym technicznie rozwiązaniem jest rama wykonana z profili otwartych czy zamkniętych. Dla wyjaśnienia tego problemu przytoczone zostaną poniżej dwa przykłady z zastosowaniem wzorów Bredt’a: chcemy porównać wskaźnik wytrzymałości do masy dwóch profili otwartego i zamkniętego, przyjmujemy następujące założenia:

• identyczne jest pole przekroju poprzecznego (masa) obu profili, • identyczne jest obciążenie.

Profil otwarty:

Naprężenia według wzoru Bredta:

2

max

31

ii

sOTW

bhk

M

Σ=τ

Skręcenie:

3

31

ii

sOTW

bhkG

M

Σ=φ

dla: h1=19,4 cm h2=6,7 cm b1=0,6 cm b2=0,3 cm Ms=5000kGcm k=1,1 G=8,2⋅105 kG/cm2

τmaxOTW=1155 kG/cm2

φOTW=0,00234 rad/cm

Profil zamknięty:

min

max 2 bFM

sr

sZAMKN =τ

τmaxZAMKN=64 kG/cm2

∫=bds

GFM

sr

sZAMKN 24

φ

φZAMKN=1,4⋅10-5 rad/cm

Zestawiając wyniki otrzymujemy dla tego samego momentu skręcającego profil:

172=ZAMKN

OTW

φφ kąt skręcenia profilu zamkniętego jest ok. 170 razy mniejszy niż

profilu otwartego

18max

max =ZAMKN

OTW

ττ w profilu zamkniętym występują naprężenia 18-krotnie mniejsze jak

w profilu otwartym

Ramy pomocnicze = łoża silnikowe, łoża zawieszeniowe, łoża silnikowo-zawieszeniowe. Zoptymalizowane rozwiązanie ram szczątkowych z lat 40-tych. Umożliwia podmontowanie kompletnego układu napędowo-jezdnego poza kadłubem samochodu i optymalne wprowadzenie sił skupionych w strukturę nadwozia. odlewana

hydroformingowana, spawana

gięta, spawana

tłoczona, spawana, hydroformingowany element w przedniej części – zoptymalizowany energochłonnie

Ramy pomocnicze = belki wspornikowe deski rozdzielczej, zastrzały

zastrzały dosztywniające Podsumowanie O umowności przytoczonego powyżej podziału struktur nośnych może świadczyć połączenie prawie płaskiej ramy niesamonośnej z przestrzenną rama szkieletową (samonośną) konstrukcji autobusu.