Artykuł
Oto konstrukcja ramy przestrzennej (kratownicy) dla terenowego Baggy4x4.
Jest to projekt samochodu, w ktorym nie bedzie poszycia zewnetrznego a wiec rama przestrzenna pelni role takze estetyczna. Zawieszenie na mostach napedowych o duzym skoku 30 cm. Kola 37x12.5x16.
Korzystajac na doswiadczeniach zdobytych przy pierwszym projekcie Corss Country tym razem opracowanie trwalo okolo 3 miesiecy. Tak jak poprzednim razem zostały wykonane wszystkie niezbędne optymalizacje obliczeniowe, technologiczne wykonania, ergonomiczne oraz konstrukcyjne.
Optymalizacje obliczeniowe
Obliczenia wytrzymałościowe wykonał mój kolega mgr inż. Paweł Kwaśniak.
Miarą jakości konstrukcji jest jej sztywność skrętna przy obciążeniu skręcającym względem osi podłużnej X oraz sztywność gięta przy obciążeniu zginającym w płaszczyznach XY i XZ.
Wykonaliśmy 5 pętli optymalizacji obliczeń MES przy następujących założeniach:
współczynnik nadwyżek dynamicznych 3
masa samochodu 20 000 N
współczynnik nadwyżki masy 10
siła (reakcja) w kole, Fk 10 000 N
ramie sily Fk od osi obrotu, rk 0.9 m
moment skrecajacy, Ms 9 000 Nm
Wyniki:
Maksymalne naprężenia przy obciążeniu skręcającym 3g przód - 314 MPa
Maksymalne naprężenia przy obciążeniu skręcającym 3g tyl - 280 MPa
Maksymalne naprężenia przy obciążeniu zginającym 10g - 221 MPa
Maksymalne przemieszczenia przy obciążeniu zginającym 10g - 2 mm
Wyliczona sztywność skrętna 28 500 N/°
1. Suma Fiz=0
Fkp+Fkt-Q=0
2. Moment skręcający miedzy osiami
Msp=Fkp*rkp (Mst=Fkt*rkt, jest reakcja)
3. Siła (pary sil) w gniazdach sprężyn przód
Fsp*rsp+Fsp*rsp-Msp=0
Fsp=Msp/2*rsp
Dodatkowo zostało sprawdzone wytężenie wieżyczek amortyzatorów przód/tył 310/363 MPa oraz obciążenia od zespołu napędowego (silnik 500Nm +reduktor) – 103 MPa.
Komentarz do obliczeń:
Sztywność skrętna rzędu 28 500 N/° jest na wciaz wysokim poziomie. Ta konstrukcja pokazuje, jak jednak trudno jest zaprojektowac kratownice dla pojazdu na mostach napedowych. Jest tak dlatego, ze w rejonie przejmowania sil od zawieszenia kratownica jest praktycznie otwarta od spodu. A to ze wzgledu na zopotrzebowanie miejsca dla ruchu mostow wlasnie. No bo istota takiego zawieszenia jest duzy skok a dodatkowe konstrukcje zamykajace nad mostami ograniczaly by ruch zawieszenia do gory.
Majac to wszystko na wzgledzie zdecydowalem sie na zamkniecie konstrukcji od spodu dodatkowa rama zawieszeniowa.
Jednak trzeba tez dodac, ze same mosty napedowe (w porownaniu do zawieszenia niezaleznego) biara na siebie czesc obciazen, ktore dzialaja znoszaco sie na kola a tym samym wyreczajac kratownice.
Maksymalne obciążenia przy obciążeniu konstrukcji 20 tonami (współczynnik 10) wynosi 221 MPa i jest niewielkie. Stosowana powszechnie na tego typu konstrukcje stal 30HGS ma granicę plastyczności powyżej 800 MPa. Tak wiec można stosować także stale bardziej plastyczne, np. S350 (18G2a) o granicy plastyczności rzędu 330 MPa i wciąż mamy 109 MPa nadwyżki wytrzymałości przy założonych współczynnikach nadmiaru. Jednak trzeba byc swiadomym, ze w przypadku wytezenia wierzyczek naprezenia maksymalne dochodza do 363 MPa punktowo w miejscach przylezenia sil (mocowania amortyzatorow) i tam nalezy zastosowac odpowiednio rozbudowane wsporniki.
Sama rama przestrzenna bez spawów i bez wsporników waży 305 kg. Docelowo 320 kg
Optymalizacje technologiczne wykonania
Technologiczność montażu spawalniczego jest zdecydowanie ułatwiona ze względu na minimalizację elementów wielokrotnie przecinających się.
Dla przykładu węzeł górny pałąka głównego klatki 1:
Węzeł dolny pałąka głównego klatki 1:
Węzeł górny podłużnicy przedniej 3:
Optymalizacje ergonomiczne
Kabina spełnia normy widoczności oraz jest wystarczająco obszerna dla 95 centylowego kierowcy (odpowiada to około 190 cm wzrostu).
W tego typu samochodzie sportowym położenie fotela ustala się indywidualne.
Jednakże są pewne podstawowe zasady egronomii, których trzeba się trzymać.
Oto przykładowe rozmieszczenie punktów charakterystycznych w kabinie:
SgRP – Seating Reference Point – punkt biodrowy H
AHP – Accelerator Heel Point – punkt pięty
BOF – Ball Of Food – punkt styku buta z pedałem gazu
EC – Eyeelipse Centre – środek elipsy wzroku
SWC – Steering Weel Centre – środek kierownicy
H30 = 250
L53 = 873
Ehz = 627
Ehx = 23
H17 = 620
L11 = 610
L40 = 20º
87º - minimalny kąt ugięcia stopy
87º - aktualny kąt ugięcia stopy
127º - wynikowy kąt uda i podudzia
4.5º - minimalny dopuszczalny kąt pola widzenia w dół
Optymalizacje konstrukcyjne
Przewidziane zostało miejsce dla zastosowanie dowolnego silnika V6 lub V8.
Dla przykładu ogólny zarys napędu z silnikiem V8:
Montaż przebiega przez odkrecenie dolnej ramy zawieszeniowej:
Konstrukcja jest przewidziana dla zawieszenia mostow za pomoca czterech drazkow przykrecanych do dolnej ramy zawieszeniowej
Wstepnie przednie i tylne zawieszenie jest takiej samej konstrukcji.
Oczywiscie jest pełna dokumentacja konstrukcyjna 3D oraz 2D zapewniająca całkowitą powtarzalność i wymienność poszczególnych elementów a także łatwe modyfikacje.
Konstrukcja i opracowanie:
mgr inż. Michał Kocerba
szarbia@gmail.com