Studiul Tehnic Si Economic al Solutiilor Posibile Pentru Structura de Rezistenta a Autocamionului

Capitolul 1. Realizarea proiectului de organizare generală a autovehiculului și încadrarea acestuia într-un segment de piață. Detalierea modului de amplasare a subansamblului de proiectat.

1.1 Stabilirea caracteristicilor tehnice ale autovehiculului pentru care se va proiecta structura de rezistență

1.1.1 Alegerea unor modele similare cu autovehiculul a cărui structură se va proiecta

În urma analizei ofertei de piață, am ales 8 modele similare de autocamioane în vederea stabilirii principalelor caracteristici ale autocamionului a cărui structura de rezistență se va proiecta. În continuare sunt prezentate principalele caracteristici pentru modele similare.

Marcă: Iveco ML 150 E 30

Tip: Autoșasiu 4×2

Masă maximă admisibilă: 15 000 kg

Sarcină utilă: 10 323 daN

Marcă: Volvo FL 42R GVW14

Tip: Autoșasiu 4×2

Masă maximă admisibilă: 14 000 kg

Sarcină utilă: 9 455 daN

Marcă: Mercedes-Benz Atego

Tip: Autoșasiu 4×2

Masă maximă admisibilă: 15 000 kg

Sarcină utilă: 10 230 daN

Marcă: Daf LF 180

Tip: Autoșasiu 4×2

Masă maximă admisibilă: 14 000 kg

Sarcină utilă: 9820 daN

Marcă: Renault D 14 MED

Tip: Autoșasiu 4×2

Masă maximă admisibilă: 14 000 kg

Sarcină utilă: 9017 daN

Marcă: Isuzu MZW-6P

Tip: Autoșasiu 4×2

Masă maximă admisibilă: 15 000 kg

Sarcină utilă: 10 470 daN

Marcă: Mitsubishi Fighter 1427

Tip: Autoșasiu 4×2

Masă maximă admisibilă: 13 500 kg

Sarcină utilă: 9420 daN

Marcă: Hino GH 1728

Tip: Autoșasiu 4×2

Masă maximă admisibilă: 16 000 kg

Sarcină utilă: 10 950 daN

1.1.2 Analiza caracteristicilor tehnice generale și ale principalelor subansambluri ale autovehiculelor similare

În continuare se vor analiza caracteristicile tehnice generale pentru cele 8 modele similare alese.

Tabelul 1.1 Soluția de organizare generala a modelelor similare alese

După analiza modelelor similare se observă faptul că soluția de organizare generală pentru toate autocamioanele studiate este aceeași (clasică) cu formula roților 4×2 puntea motoare pentru toate modelele similare fiind puntea spate. Toate cele 8 autocamioane sunt echipate cu motor MAC cu 6 cilindrii în linie, dispus longitudinal. Modele similare sunt echipate cu o cabină de zi, constructiv fiind de tipul cabină avansată ce nu include pat de odihnă pentru conducătorul autocamionului și nu dispune de spațiu suplimentar de depozitare.

Autocamionul a cărui structură de rezistență urmează a fi proiectată va avea ca soluție de organizare generala, soluția clasica deoarece asigură o distribuție mai bună pe punți a greutății totale și oferă un spațiu mai mare pentru organizarea cabinei. Autocamionul va avea formula roților 4×2 cu puntea spate motoare. Cabina va fi una avansata deoarece oferă o manevrabilitate superioară a autocamionului, o vizibilitate mai bună și o masă mai redusă decât celelalte soluții de cabine. Deoarece autocamionul va fi unul de transport de distribuție regional acesta va avea 2 locuri cu o cabina de zi fără pat suplimentar și fără spațiu de depozitare suplimentar.

Tabelul 1.2 Parametrii de performanta ale motoarelor modelelor similare alese

După analiza tabelului 1.2, se poate observa că toate modelele similare alese sunt echipate cu motor cu aprindere prin compresie cu 6 cilindri în linie, motorul fiind așezat longitudinal. De asemenea majoritatea valorilor pentru capacitatea cilindrica se afla în jurul valorii de 7700 cm3. De asemenea, cele mai multe valori pentru puterea maximă se încadrează în intervalul 200 – 210 kW, pe o plaja de turație intre 2100 – 2500 rpm

Autocamionul va fi echipat cu un motor asemănător cu cel al modelelor similare, ale cărui caracteristici le vom calcula intr-o etapa viitoare.

Tabelul 1.3 Descrierea schimbătorului de viteze, a ambreiajului, a sistemului de direcție și a echipamentului electric din dotarea modelelor similare alese

După cum se observa în tabelul 1.3, 7 din cele 8 modele similare alese sunt echipate cu o cutie de viteze automată cu 5 sau 6 rapoarte de transmitere. Ambreiajul se prefera a fi unul automatizat, umed pentru transmiterea unui cuplu mai mare. Ambreiajul pentru modelele similare este acționat hidraulic. Sistemul de direcție din dotarea autocamioanelor similare este de tipul șurub și piuliță cu bile recirculante. Toate cele 8 modele similare au echipamentul electric bazat pe o tensiune de 24 V având câte 2 acumulatori, majoritatea de 170 Ah.

Fiind un autocamion de distribuție, consider că ar trebui echipat cu un schimbător de viteze automat datorită simplității cu care poate fi controlat, 6 trepte fiind suficiente pentru categoria din care face parte. Ambreiajul va fi unul automatizat, umed pentru posibilitatea transmiterii unui cuplu mai mare, cu acționare hidraulică. Fiind cea mai frecvent utilizata soluție, vom echipa autocamionul cu sistem de direcție cu șurub și piuliță cu bile recirculante deoarece frecarea în acest tip de sistem este mult mai mică, acest lucru conducând la un randament cât mai ridicat. Sistemul electric cu care va fi echipat autocamionul va fi pe 24 V cu 2 acumulatori de cate 170 Ah pentru o performanță ridicată.

Tabelul 1.4 Descrierea sistemului de frânare și a suspensiei modelelor similare alese

După analiza tabelului 1.4 se observă că majoritatea autocamioanelor necesare sunt echipate cu un sistem de frânare bazat pe discuri ventilate, 2 modele fiind pe tambur. Sistemul de frânare este acționat pneumatic sistemul având 2 circuite. Majoritatea modelelor similare sunt dotate cu frână suplimentara pe eșapament, opțional se poate opta pentru o variantă cu retarder hidraulic. În dotarea de bază, autocamioanele similare sunt dotate cu suspensie cu arcuri lamelare pe ambele punți, iar opțional majoritatea dispun de dotare cu suspensie pneumatică pentru ambele punți.

Datoriă randamentului superior, se va folosii un sistem de frânare cu discuri ventilate, acționarea fiind pneumatică pe 2 circuite. Autocamionul va dispune de frână suplimentară pe eșapament. Se alege dotarea cu suspensie pneumatică a ambelor punți datorită confortului ridicat de rulare în comparație cu suspensia cu arcuri lamelare.

1.1.3 Analiza caracteristicilor masice și dimensionale ale autovehiculelor similare și predimensionarea autovehiculului a cărui structură de rezistenta se va proiecta

În cadrul acestui subcapitol se vor analiza principalele caracteristici dimensionale și masice ale celor opt autocamione similare alese.

Tabelul 1.4 Parametrii dimensionali ai modelelor similare de autocamioane alese

După cum se poate observa în figura 1.2 lungimea totală a modelelor similare variază în intervalul 9075 – 9942 mm, lățimea variază în intervalul 2200 – 2450 mm iar înălțimea modelelor similare se regăsește în intervalul 2830 – 2585 mm. Valorile ampatamentului se găsesc între 5350 mm și 5510 mm, consola față având valori în intervalul 1135 – 1440 mm iar consola spate variază între 2400 mm și 3115 mm.

Figura 1.2 Variația caracteristicilor dimensionale a modelelor similare

Pentru predeterminarea principalilor parametrii dimensionali se aplică metoda intervalelor de încredere [26].

Etapele metodei:

Calculul mediei valorilor cunoscute de la modelele similare, pentru parametrul :

= (1.1)

= valoarea cunoscuta a parametrului de la modelul j;

= numarul de modele similare la care se cunoaste valoare lui x;

Calculul abaterii medii pătratice a valorile parametrului respectiv:

= (1.2)

Calculul coeficientului de variație a valorilor parametrului respectiv:

= [%] (1.3)

Determinarea intervalului de încredere pe baza inegalității:

(1.4)

= (1.5)

t = parametru ce se alege in funcție de k si P, unde:

k = -1 , iar P reprezintă gradul de încredere.

Valorile obținute prin calcule se vor structura în tabelul 1.5. În funcție de aceste valori, se vor alege principalele caracteristici dimensionale ale autocamionului de proiectat.

Tabel 1.5 Valori obținute prin utilizarea metodei intervalului de încredere

Pentru dimensionarea autocamionului se alege o lungime totală de 9700 mm deoarece este o valoare aproximativ utilizată de majoritatea constructorilor si consider că este o lungime suficientă pentru a permite un ampatament de 5500 mm . Pentru consola față se alege dimensiunea de 1350 mm, suficientă pentru montarea grupului motor. Consola spate urmează a fi dimensionată la dimensiunea de 2850 mm. Pentru lățime si înălțime se vor folosii valori apropiate de valoarea medie utilizată de principalii constructori.

Tabelul 1.6 Parametrii masici ai modelelor similare de autocamioane alese

Tabel 1.7 Valori obținute prin utilizarea metodei intervalului de încredere

1.1.4 Definitivarea tipului de autovehicul a cărui structură se va proiecta și încadrarea acestuia într-un segment de piață

Autocamionul a cărui structură de rezistență se va proiecta va avea caracteristicile modelelor similare, particularitățile acestuia urmând a fi stabilite în capitolele ce urmează.

Principalele caracteristici ale autocamionului sunt prezentate în tabelul următor:

Tabel 1.8 Principalele caracteristici ale autocamionului

1.2 Realizarea proiectului de organizare generală

1.2.1 Stabilirea dimensiunilor postului de conducere

Pentru a creste eficienta conducătorului autocamionului, se impune realizarea unei bune organizări a postului de conducere. Dimensiunile cabinei și amplasarea organelor de comandă trebuie să asigure condiții de muncă optime pentru conducătorul autovehiculul. Astfel, pentru proiectarea cabinei autocamionului se vor avea in vedere următoarele aspecte: dimensionarea postului de conducere si amplasarea scaunelor.

Pentru organizarea si dimensionarea postului de conducere se va utiliza un manechin bidimensional , realizat in AutoCAD si reprezintă principalele segmente ale corpului unei persoane adulte de sex masculin, in vedere laterala. Manechinele sunt de 3 tipuri, simbolizate prin procentajele de 10, 50 si 90%. Semnificația acestui procentaj este următoarea: pentru manechinul de 90%, in cadrul unui eșantion, 90% din adulți au lungimea gambei si a coapsei mai mici sau egale cu lungimile corespunzătoare acestei tipodimensiuni de manechin.[10]

Manechinul folosit pentru dimensionarea postului de conducere în cazul autocamionului de proiectat este unul de 90% și este prezentat în figura 1.2.1 de mai jos.

Figura 1.4 Manechinul utilizat pentru dimensionarea postului de conducere

Tabelul 1.9 Dimensiunile segmentelor piciorului în funcție de mărimea procentuală a manechinului [12]

Dimensiunile postului de conducere le voi alege conform STAS R10666/1-76.

Pentru stabilirea dimensiunilor habitaclului interior se urmăresc următoarele condiții tehnice:

– Scaunul conducătorului autovehiculului va fi separat de scaunul pasagerului;

– Trebuie să fie posibila reglarea scaunului conducătorului autovehiculul astfel încât să asigure unghiurile optime ale poziției corpului pentru toate cele trei grupe dimensionale reprezentative: 10%, 50% și 90%;

– În jurul volanului trebuie să existe o zonă liberă de 100 mm măsurați în planul acestuia;

– Pentru proiectarea planșei de bord se impune condiția ca toate butoanele utilizate in timpul procesului de conducere sa poată fi manevrate fără a se modifica poziția corpului.

– Volanul trebuie dispus astfel încât conducătorul autocamionului sa poată atinge partea superioara fără modificarea poziției.

Manechinul folosit pentru predimensionarea postului de conducere este caracterizat de poziția punctului R, astfel înălțimea articulației R trebuie sa fie mai mare decât 100 mm [12], iar scaunul trebuie sa aibă un dispozitiv de reglare a poziției relative fata de parbriz si fata de comenzi pe direcția orizontala.

Se definesc următorii parametri:

-α: unghiul dintre axa torsului rezemat pe scaun si axa verticala;

-β: unghiul articulației soldului;

-γ: unghiul articulației genunchiului;

-δ: unghiul articulației gleznei.

Valorile unghiurilor α, β, γ, δ se aleg in funcție de valorile recomandate in [12]. Acestea sunt prezentate in tabelul 1.2.2.

Tabelul 1.10 Valorile unghiurilor α, β, γ, δ

In figura 1.2.2 este prezentata dispunerea manechinului pe scaun si reprezentarea unghiurilor principalelor articulații ale manechinului.

Figura 1.5 Dispunerea manechinului pe scaun

Dimensiunile postului de conducere și amplasarea organelor de comandă sunt reglementate prin STAS R 10666/1-76 și regulamentul nr.35 ECE-ONU. Dimensiunile postului de conducere, ale locului de muncă al conducătorului și amplasarea organelor de comandă trebuie să asigure condiții de muncă optime, astfel încât acesta să depună un efort fizic minim pentru a se putea concentra asupra circulației rutiere. Având in vedere timpul îndelungat pe care conducătorul îl petrece în interiorul cabinei autocamionului, se înțelege că microclimatul trebuie să-i ofere, în măsura posibilului, condițiile optime, inclusiv repaus, de care el are nevoie la deplasarea pe distanțe apreciabile.

Pentru proiectarea planșei de bord se impune condiția ca toate butoanele utilizate in timpul procesului de conducere sa poată fi manevrate fără a se modifica poziția corpului. De asemenea volanul trebuie dispus astfel încât conducătorul autocamionului sa poată atinge partea superioara fără modificarea poziției.

În figura 1.2.3 este prezentat modul de amplasare a comenzilor prin pedale față de postul de conducere.

Figura 1.6 Dispunerea pedalelor fata de postul de conducere

1.2.2 Stabilirea dimensiunilor interioare habitaclului

Cabina autocamionului va fi o cabina de zi, cu o construcție avansata. Avantajul acestui tip de cabina este ca ajuta la obținerea unei console fata cu o dimensiune redusa, implicit valoarea lungimii totale va fi redusa. Podeaua se afla deasupra roților si a motorului, astfel organizarea interioara depinde de poziționarea si dimensiunile motorului.

In tabelul 1.2.3 sunt prezentate dimensiunile recomandate de constructorii de autocamioane si valorile alese pentru organizarea spațiului interior al cabinei.

Tabelul 1.11 Dimensiunile cabinei [12]

Valorile alese sunt puțin mai mari decât valorile dimensiunilor recomandate in scopul de a mari spațiul interior al cabinei pentru a creste confortul conducătorului autocamionului si a pasagerului.

In figura 1.2.4 am prezentat modul de organizare interioara a cabinei, din doua vederi pentru modelul similar Volvo FL 42R [11].

In figura 1.2.5 este prezentata o vedere din lateral a cabinei cu dimensiunile alese, iar in figura 1.2.6 este reprezentarea cabinei prezentata printr-o vedere de sus.

Figura 1.7 Model de organizare cabina Model similar [11]

Fig. 1.8 Organizarea interioara a cabinei autocamionului in vedere laterala (desen realizat in AutoCAD)

Figura 1.9 Organizarea interioara a cabinei autocamionului in vedere de sus (desen realizat in AutoCAD)

S-a optat pentru echiparea cabinei autocamionului cu doua locuri pentru obținerea unui spațiu generos aflat intre cele doua scaune, spațiu utilizat pentru construirea unui tunel, pentru sporirea compartimentului in care va fi montat motorul.

Scaunele au fost poziționate astfel încât conducătorul autocamionului si pasagerul sa dispună de confortul necesar. Planșa de bord este așezata in așa fel in cat conducătorul va putea accesa toate butoanele necesare fără sa fie nevoit sa își modifice poziția. Intre cele 2 scaune se va dispune un mic spațiu de depozitare.

Stabilirea dimensiunilor compartimentului motor

Cabina avansata a autocamionului are numeroase avantaje însa un dezavantaj major al acesteia îl constituie faptul ca podeaua cabinei limitează înălțimea compartimentului motor. După cum s-a stabilit in subcapitolul anterior, podeaua va fi prevăzuta cu un tunel pentru sporirea dimensiunilor compartimentului motor. In compartimentul motor se va monta blocul motor împreuna cu celelalte subansambluri auxiliare care ajuta la funcționarea corecta a acestuia. In proiectarea spațiului se va tine cont de circulația aerului in vederea obținerii unei răciri cat mai bune. Pentru accesul la motor se adopta soluția prin care cabina se rabatează in partea din fata. Pentru accesul in alte zone se vor prevede uși de acces dispuse frontal si lateral.

Figura 1.10 Organizarea compartimentului motor in vedere de sus (desen realizat in AutoCAD)

Spațiul in care se va monta motorul este delimitat de traversa fata, in timp ce pe lateral este delimitat de poziția lonjeroanelor. In continuare se amplasează ambreiajul si schimbătorul de viteze așezat longitudinal, pe când in partea din fata va fi poziționat radiatorul.

In figura 1.2.7 este prezentat modul in care este organizat compartimentul motor. Acesta are următoarele dimensiuni: 700 mm este spațiul util intre lonjeroane, iar pe înălțime 830 mm din care 200 mm datorita spațiului oferit de tunelul central. Pentru proiectarea compartimentului motor s-a avut in vedere permiterea amplasării celorlalte componente esențiale, precum: suspensia pneumatica, sistemul de frânare, sistemul de direcție cu toate componentele auxiliare.

Stabilirea dimensiunilor compartimentului pentru transportul sarcinii utile

Stabilirea compartimentului pentru transportul sarcinii utile este dependenta in mare măsura de tipul structurii. Autocamionul ce urmează a fi proiectat va beneficia de o structura de tip furgon,destinata special transportului de marfa, structura de care beneficiază toate modelele similare. Dimensiunile structurii de tip furgon trebuie alese încât sa se asigure volumul corespunzător sarcinii utile maxime constructive.

„Datorita varietății mari de bunuri care pot fi transportate este dificil sa se aleagă un volum potrivit al cutiei. Analiza bunurilor transportate a scos in evidenta existenta a trei categorii de bunuri, in funcție de densitatea probabila si abaterea ei pătratica.” [12]

Având in vedere valoarea ampatamentului (5500 mm) si a consolei spate (2850 mm) se alege ca valoare pentru lungimea spațiului util 7700 mm.

Lățimea compartimentului pentru transportul sarcinii utile va fi 2250 mm in timp ce înălțimea diferă in funcție de preferințele clientului. Valoarea de baza a înălțimii va fi 2050 mm

Figura 1.11 Dimensiunile compartimentului pentru transport marfa (desen realizat in AutoCAD)

Volumul util al compartimentului pentru transportul sarcinii utile va fi 35,52 m3.

1.2.5 Stabilirea formei și dimensiunilor exterioare ale autovehiculului

Stabilirea formei si a dimensiunilor exterioare se bazează pe o analiza a arhitecturii constructiv-funcționale. Aceasta analiza se bazează schița de organizare generala a autocamionului. Ținând cont de faptul ca compartimentul pentru transport marfa nu poate varia foarte mult iar alte subansambluri precum: grupul motor, transmisia, rezervorul de aer comprimat, rezervorul de combustibil pot varia ca poziționare se dorește o așezare cat mai echilibrata si mai compacta pentru a obține dimensiuni reduse si o încărcare aproximativ egala pe ambele părți.

După analiza modelelor similare, autocamionul care se proiectează va avea următoarele caracteristici constructive:

Fiind o cabina avansata, motorul va fi amplasat in consola fata deasupra punții intre lonjeroanele ramei șasiu. Acesta este așezat longitudinal. Avantajul acestei soluții constructive îl constituie obținerea unei lungimi mai reduse. In continuarea motorul se afla ambreiajul si schimbătorul de viteze, poziționate intre lonjeroanele cadrului șasiu, fluxul de putere fiind transmis la puntea spate printr-un arbore cardanic. Este preferata soluția clasica deoarece este o soluție compacta si oferă o încărcare echilibrata pe punți, lucru ce ajuta la obținerea înălțimi reduse a centrului de greutate.

Sistemul de frânare se bazează pe echiparea tuturor roților cu discuri ventilate de frâna, cu acționare pneumatica pe 2 circuite. Se folosește acest sistem de frânare datorita stabilității in funcționare la temperaturi joase si ridicate.

Pentru obținerea unui grad de confort foarte ridicat, s-a optat pentru echiparea autocamionului cu suspensie pneumatica pe ambele punți. Un avantaj important îl reprezintă faptul ca are o masa proprie redusa si o construcție mai compacta in comparație cu suspensia clasica cu arcuri lamelare.

Cele 2 punți vor fi punți rigide, puntea spate susținând si diferențialul. Soluția aleasa este motivata de simplitatea constructiva, astfel fiind facilitatea si organizarea celorlalte subansambluri.

Sistemul de evacuare format din galerie de evacuare, amortizor de zgomot si toba finala se afla in întregime pe partea stânga a autocamionului.

Cutia bateriilor acumulatori este poziționată pe partea stânga urmata de rezervorul pentru aer comprimat. Rezervorul de combustibil este așezat pe partea dreapta. In partea din spate se găsește roata de rezerva fixata printr-un suport sub cadru.

figuriiiii

In figura 1.2.9 este prezentata soluția de organizare generala unde se observa poziționarea principalelor subansambluri din structura autocamionului.

1.2.6 Verificarea condițiilor de vizibilitate

1.2.7 Stabilirea caracteristicilor masice ale autovehiculului și determinarea poziției centrului de masă.

Predeterminarea parametrilor de masa a unui autocamion este dificila din mai multe motive. In primul rând trebuie evaluata masa proprie a autocamionului de proiectat. Aprecierea masei proprii a autocamionului este dependenta de dimensiunile acestuia. O masa proprie scăzuta duce la un consum scăzut, de aceea, se optează pentru utilizarea unor oțeluri ușoare sau chiar fabricarea anumitor subansambluri din aluminiu. Aceste lucru depinde in mare parte de condițiile de exploatare, in particular de condițiile oferite de rețeaua de drumuri.

„Stabilirea masei proprii a autocamionului se face prin intermediul coeficientului de tara, folosind date de la modele similare prelucrate statistic. In general, odată cu creșterea sarcinii utile maxime constructive are loc scăderea coeficientului de tara. Aceasta dependenta este prezentata grafic in figura 1.2.11 pentru autocamioane 4×2 cu caroserie platforma deschisa sau caroserie furgon.” [12]

Figura 1.15 Coeficientul de tara in funcție de sarcina utila maxima constructiva a autocamionului [12]

Determinarea poziției centrului de masa este foarte importanta in proiectare. Se prefera ca înălțimea poziției centrului de masa sa fie minima pentru ca autocamionul sa aibă o stabilitate superioara in momentul când acesta virează. De asemenea se prefera o poziție a centrului de masa intr-o poziție simetrica in planul longitudinal al autocamionului la încărcare totala, pentru a nu încărca diferit punțile.

Determinarea poziției centrului de greutate al autocamionului necesita cunoașterea maselor părților sale componente. Pentru determinare poziției, analiza se va realiza pe schița de organizare generala a autocamionului, iar principalele subansambluri se vor încadra in forme geometrice simple pentru o determinare ușoara. Subansamblurile care se au in vedere la determinarea poziției centrului de masa si pentru care trebuie sa se cunoască masele lor sunt prezentate in tabelul 1.2.4. La autocamioane, cabina se considera distinct de caroseria propriu-zisa corespunzătoare încărcăturii si care poate prezenta diferite variante.

Tabel 1.12 Stabilirea maselor pentru principalele subansambluri

Masele subansamblurile care se au in vedere pentru determinarea centrului de masa au fost stabilite pe baza intervalelor recomandate conform [12]. Valorile care nu se încadrează in intervalul recomandat au fost alese in funcție de tehnologiile actuale privind materialele folosite.

Pentru o stabilire mai exacta a centrului de masa al cabinei aceasta se discretizează in elemente componente după cum urmează:

Tabel 1.13 Stabilirea maselor pentru principalele elemente componente ale cabinei

Pentru determinarea poziției centrului de greutate al autocamionului s-a realizat tabelul 1.2.6 in care se prezintă poziția centrului de greutate pentru fiecare subansamblu.

Se vor afla coordonatele centrului de masa pentru cele doua cazuri specifice:

Autocamionul este complet descărcat (G0);

Autocamionul este încărcat la sarcina maxima (G1).

Coordonatele centrelor de masa se stabilesc utilizând următoarele formule:

(1.2.1)

(1.2.2)

unde:

-= masa subansamblului studiat;

-= numarul total de subansambluri;

-= coordonata pe axa 0X a subansamblului;

-= coordonata pe axa 0Z a subansamblului;

Figura 1.16 Poziția centrelor de masa pentru subansamblurile caroseriei

Tabel 1.14 Poziția centrelor de masa pentru subansamblurile caroseriei

In urma măsurătorilor si cu ajutorul formulelor (1.2.1) si (1.2.2) s-au obținut coordonatele centrului de masa a cabinei autocamionului:

; .

Conform măsurătorilor pe schița de organizare generala s-a întocmit tabelul 1.2.7 unde sunt prezentate coordonatele principalelor subansambluri care ajuta la determinarea centrului de masa pentru întregul autocamion.

La sarcina utila maxima, se modifica poziția centrului de masa, iar pentru determinarea noilor coordonate, este necesara determinarea poziției centrului de greutate pentru sarcina utila si pentru conducător autocamionului si pasager.

Pe lângă masele subansamblurilor principale se adaugă masa conducătorului auto, masa pasagerului si masa sarcinii utile conform:

mun=75∙2 + msu, unde: mun reprezintă masa utila nominala, msu reprezintă masa sarcinii utile, iar 75 masa unui pasager, 2 reprezentând numărul de locuri de care dispune autocamionul.

Tabel 1.15 Poziția centrelor de masa pentru subansamblurile principale

In urma măsurătorilor si cu ajutorul formulelor (1.2.1) si (1.2.2) s-au obținut coordonatele centrului de masa al autocamionului: – complet descărcat:

; .

încărcat la sarcina maxima:

; .

1.2.8 Stabilirea dimensiunilor anvelopelor

Pentru stabilirea dimensiunilor pneurilor trebuie să se cunoască încărcarea statică a punților. Aceasta se determină cu ajutorul urmatoarelor relatii de calcul pentru situația în care autocamionul este complet descărcat:

(2.3)

(2.4)

unde G1,0 și G2,0 sunt reprezentate de valaoarea încarcării pe puntea respectivă

a0 este distanta de la centrul de masă la axa punții față

b0 este distanța de la centrul de masă la axa punții spate

L reprezintă ampatamentul

G0 este greutatea autocamionului complet descărcat

Pentru situția în care autocamionul este încărcat la sarcină maximă pentru stabilirea repartizării încarcaturii pe punți se folosesc urmatoarele formule:

(2.5)

(2.6)

unde G1 și G2 sunt reprezentate de valaoarea încarcării pe puntea respectivă

a este distanta de la centrul de masă la axa punții față

b este distanța de la centrul de masă la axa punții spate

G este greutatea autocamionului încărtcat la sarcină totală

Procentual, conform calculelor distribuției încărcarii puntilor se obține valoarea 55,7 % incărcare punte față în situatia de încărcare a autocamionului complet descărcat în timp ce puntea spate va fi 44,3 %. Când autocamionul este încărcat la sarcină totală distribuția încarcaturii are valoarea 31,3 % încarcată puntea față iar puntea spate va fi încarcată în procent de 68,7 %.

1.2.9 Calcul Pmax si alegerea motorului

Capitolul 2. Studiul tehnic și economic al soluțiilor posibile pentru structura de rezistenta a autocamionului. Alegerea justificată și definitivarea soluției tehnice pentru structura de rezistență.

2.1 Considerații generale privind construcția caroseriilor de autocamioane

Caroseria de autovehicul este definită ca fiind ansamblul autovehiculului amenajat special pentru transportul și protejarea persoanelor și/sau mărfurilor, precum și pentru instalarea anumitor utilaje, în funcție de destinație. Caroseria conferă autovehiculului, în același timp, formă estetică și rezistență aerodinamică redusă.

La construcțiile actuale de autocamioane, caroseria se montează pe un cadru-șasiu distinct ce constituie structura de rezistență a autocamionului. Pe acesta sunt montate principalele subansambluri: motor, transmisie, suspensie, punți motoare, direcție etc.

Spațiul util destinat transportului de marfa poate fi de mai multe tipuri, organizarea variază în funcție de destinația autocamionului. Modele similare sunt echipate cu structura de tip furgon. În funcție de destinație, autocamionul poate avea furgon frigorific, poate avea platforma de tip autobasculanta sau poate fi echipat cu cisterna. Exista și autocamioane cu destinație specială, cum ar fi autospeciala de pompieri sau autocamion utilizat pentru salubrizare.

În figura 2.1 este prezentata construcția unui autocamion:

Figura 2.1 Construcția autocamionului

La autocamioane rama șasiu este construită din două lonjeroane având lungimea aproximativ egală cu lungimea totală a vehiculului, rigidizate printr-un număr oarecare de traverse (rama în formă de scară). Această bază portantă este în același timp și baza principală de montaj a autocamionului.

Figura 2.2 Cadru șasiu tip”scara” [1]

Constructiv, cea mai utilizata soluție este rama-șasiu de tip „scara” fiind compus din doua lonjeroane de profil „U” unite de traverse montate rigid. În zonele în care exista tensiuni suplimentare se realizează o ranforsare prin dublarea profilului. Prima traversa are rolul de protecție pentru autocamion iar traversa spate ajuta la montarea cârligului de remorcare. Modul de prindere al traverselor pe cadru șasiu împreuna cu forma constructiva a acestora conduc la obținerea rigidității de torsiune dorita.

Cadrul șasiu este solicitat la încovoiere și la torsiune. Pentru ca autocamionul sa fie exploatat în condiții de siguranța se impun niște limite maxime admisibile pentru cele doua tipuri de solicitări. Astfel, în funcție de destinația autocamionului se alege soluția optima de rigidizare a cadrului șasiu.

Cabina reprezintă structura care oferă spațiul necesar postului de conducere precum și transportării altor persoane. De asemenea, în funcție de organizarea generala, aceasta oferă și spațiul necesar odihnei conducătorului autocamionului.

Pentru o siguranța sporita se impun o serie de cerințe care trebuie respectate [10] :

să asigure protecție la factorul climatic (vânt, ploaie, etc.);

să asigure condiții ergonomice necesare desfășurării activităților de către șofer;

să asigure o bună vizibilitate pentru conducătorul autocamionului;

să asigure un confort ridicat conducătorului auto și pasagerilor;

să asigure o buna aerodinamicitate a caroseriei;

să reziste solicitărilor de oboseala;

să aibă o masa cât mai redusa pentru a obține o masă scăzuta pentru întreg autocamionul;

să prezinte accesul la grupul motor;

să asigure o buna protecție la impact.

O condiție de baza care trebuie respectata este asigurarea unui spațiu minim de supraviețuire pentru conducătorul autocamionului și pasager în următoarele situații limita de impact:

impact frontal al peretelui față;

impact frontal pe colțul superior al stâlpului A;

răsturnare pe acoperiș;

lovire a peretelui spate de către marfa transportată.

Figura 2.3 Încercarea cabinelor autocamioanelor în condiții de impact

În figura 2.3 sunt prezentate încercările pentru impact frontal al peretelui față (1) și pentru impactul frontal pe colțul superior al stâlpului A (2). Energia pentru testul de impact este stabilita în regulamentele europene. Testul este considerat ”trecut” atunci când structura nu se deformează mai mult decât în limite admisibile și se asigura un spațiu minim de supraviețuire pentru conducătorul autocamionului și pasager.

Soluții constructive de cabine pentru autocamioane

Constructorii de autocamioane asigura o gama destul de larga de cabine din punct de vedere dimensional și al dotărilor în funcție de destinația autocamionului:

transport: local, regional, internațional;

utilizare în construcții;

utilizare specializata.

După mărime, cabine se clasifica astfel

scurte;

medii;

lungi.

În funcție de poziția cabinei față de grupul motor/puntea față, cabinele pot fi:

avansate;

semiavansate;

retrase.

Numărul de locuri poate varia intre 2 și 7 locuri. Organizarea interioara a cabinei se realizează în funcție de destinația autocamionului, de numărul de locuri necesare și de necesitatea existenței unui spațiu de odihna.

În figura 2.4 se prezintă câteva soluții de organizare interioara a unei cabine de tip ”avansată”. În imaginea a. este prezentata o cabina de zi fără spațiu de odihna și fără un spațiu de depozitare suplimentar. În imaginea b. este reprezentata o cabina de lungime medie care oferă un spațiu suplimentar pentru montarea unui pat de odihnă sau utilizarea spațiului pentru depozitare. În imaginea c. este prezentata o cabina speciala pentru echipaj ce oferă un spațiu amplu pentru mai mulți pasageri, cu o capacitate de maxim 7 persoane.

O caracteristica importanta a cabinei de autocamion este obținerea unei rezistențe aerodinamice cât mai reduse. Pentru a obține un coeficient aerodinamic (cx) redus se realizează teste pentru observarea curgerii aerului pe suprafața caroseriei. O rezistență scăzuta din partea aerului duce la un consum redus și o putere mai mica pentru atingerea vitezei maxime. În figura 2.5 este prezentat un test pentru observarea modului de curgere al aerului.

Figura 2.4 Soluții de organizare interioara a autocabinei avansate

Figura 2.5 Test pentru observarea modului de curgere al aerului

Datorita reglementărilor privind siguranța în exploatare a autocamioanelor, modul în care se construiește o cabina de autocamion implica utilizarea unor materiale cu o rezistenta crescuta, în timp ce tehnologia inovativa din prezent permite obținerea unei cabine cu o masa redusă. De asemenea se urmărește obținerea unui mediu de lucru cât mai spațios și mai confortabil pentru conducătorul autocamionului.

2.2 Analiza unor soluții constructive de structuri de rezistență pentru cabina de autocamion

Cabina autocamionului are o structura formata din bare și placi. De obicei, componentele se realizează din tabla ambutisata prin sudare, formând un corp unitar.

Greutatea proprie a pasagerilor și a componentelor postului de conducere împreuna cu accesoriile montate în interiorul cabinei și principalele reacțiuni care apar în legăturile dintre rama și cabina produc principala solicitare a cabinei în condiții normale de deplasare.

Deoarece se urmărește obținerea unei rigidități cât mai mari și o comportare buna la impact, structura trebuie sa fie formata din asamblarea principalelor elemente (lonjeroane, traverse și stâlpi) astfel încât solicitările de impact sa se transmită cat mai eficient. Datorita lungimii reduse a cabinei de autocamion, rigiditatea torsională este mai mare decât cea a unei caroserii de autoturism.

Deoarece în proiect se urmărește proiectarea unei cabine avansate în figura 2.6 sunt prezentate principalele elemente componente ale unei cabine avansate de autocamion.

Figura 2.6 Principalele componente structurale ale cabinei autocamionului

Descrierea componentelor conform [10]:

Peretele față (1) este situat intre traversa față a podelei, traversa inferioară a parbrizului și stâlpii din față a pereților laterali. Pentru o mai buna comportare la impact, în dreptul lonjeroanelor principale ale podelei, peretele față poate fi prevăzut cu doi stâlpi scurți.

Pereții laterali (2) au o construcție dependenta de numărul de uși laterale și de existenta unor geamuri laterale. În general, pereții prezintă doi stâlpi care conectează lonjeroanele laterale ale podelei de rama acoperișului. Numărul de stâlpi variază în funcție de lungimea cabinei. Secțiunea stâlpilor se alege astfel încât sa se obțină rezistenta necesara în cazul răsturnării.

Peretele spate (3) are o structura formata din patru stâlpi intre traversa spate a podelei și rama acoperișului. De obicei se montează o traversa pe toata lățimea, poziționată la o înălțime medie, însă pot exista și traverse suplimentare, de cele mai multe ori intre stâlpi centrali. Structura peretelui spate are rolul de a prelua impactul din spate. În figura 2.7 imaginea B peretele spate prezintă un stâlp central montat oblic și doua panouri de dimensiuni mari ce dispun de nervuri pentru diminuarea vibrațiilor.

Figura 2.7 Soluție constructiva de structură cabina cu podea fără tunel central

Acoperișul (4) este format din ramă și cel puțin doua lonjeroane unite prin traverse. Lonjeroanele au rolul de a creste rezistenta structurii în cazul unui impact frontal. Între cele două lonjeroane se poate monta o trapă de siguranță.

Podeaua (5) reprezintă baza portanta a structurii cabinei. Structura podelei are ca elemente foarte importante două lonjeroane amplasate deasupra lonjeroanelor cadrului șasiu. Articulațiile cabinei pentru rabatare sunt amplasate intre aceste perechi de lonjeroane în partea din față, în timp ce în partea din spate sunt montate elementele elasto-amortizoare de rezemare a cabinei. În funcție de soluția constructiva, între cele două lonjeroane se găsește un tunel cu rol de scut termic și fonic (fig. 2.6), acesta fiind poziționat în funcție de amplasarea cabinei fata de motor. În părțile laterale sunt amplasate doua lonjeroane cu rol de prag. În funcție de poziția cabinei față de roți lonjeroanele pot fi drepte (fig. 2.6) sau în trepte (fig.2.7 A). Lonjeroanele cabinei sunt conectate prin traverse în capetele din față și spate și pot exista traverse intermediare în zona centrala a podelei.

2.3 Alegerea soluției tehnice pentru structura de rezistență care va fi proiectată

Având în vedere soluțiile constructive studiate și destinația autocamionului (distribuție pe distanțe scurte), voi opta pentru alegerea unei structuri a cabinei cât mai simplă constructiv din dorința de a obține o masa totala cat mai redusa. Se urmărește obținerea unui spațiu suficient pentru conducătorul autocamionului și pentru pasager și oferirea unui confort sporit.

Ținând cont de soluția de organizare generală a autocamionului trebuie sa alegem o soluție constructiva a structurii cabinei care dispune de o podea cu tunel pentru a beneficia de un spațiu mărit al compartimentului motor. Organizarea generala permite montarea unor lonjeroane laterale drepte cu rol de prag. Lonjeroanele centrale vor avea o secțiune mai mare în partea din față, unde solicitările sunt mai mari, în special când cabina este rabatata, iar secțiunea își micșorează valoarea în partea din spate. Pentru sporirea rezistentei, podea va dispune de o traversa intermediară deasupra tunelului.

Deoarece nu este necesar spațiu suplimentar de odihnă, cabina va avea o înălțime medie, acoperișul va avea o construcție simplă, fără supra-înălțare. Vor exista doua lonjeroane, iar între ele se va beneficia de o trapa de siguranță.

Peretele față va fi echipat cu doi stâlpi montați între traversa inferioara și traversa superioară, cu scopul îmbunătățirii rezistentei în cazul unui impact frontal. De asemenea panourile față nu vor fi complete, ele prezintă decupaje largi pentru reducerea masei totale.

Deoarece înălțimea cabinei este de dimensiune medie, peretele spate va avea o structura clasica cu patru stâlpi, o traversă pe toata lățimea și o traversă suplimentare între stâlpii centrali, cu rol de rigidizare a structurii.

Cabina fiind dotată cu doua locuri și fără spațiu suplimentar de depozitare, pereții laterali vor fi compuși din trei stâlpi ce unesc lonjeroanele laterale ale podelei cu rama acoperișului. Între stâlpul B și stâlpul C se va monta o traversă pentru creșterea rezistentei.

Pentru reducerea tendinței de vibrare a panourilor mari din structurii cabinei autocamionului, acestea trebuie nervurate pe toată suprafața.

Confortul fiind un factor important cabina va dispune de elemente de amortizare pneumatice așezate în partea din spate în partea de îmbinare a cabinei pe cadrul șasiu. Aceste elemente pneumatice au rolul de a absorbii șocurile provenite de la calea de rulare și de asemenea absorb o mare parte din vibrațiile provenite de la motor.

Capitolul 3. Proiectarea generală a structuri de rezistență pentru cabina autocamionului

3.1 Alegerea materialului pentru realizarea structurii de rezistență pentru cabină

Datorită complexității caroseriei, fiind formată din mai multe componente precum: structura caroseriei, componente nestructurale (scaune, parbriz, etc.), componente de închidere (uși, capote, etc.), se utilizează o varietate mare de materiale pentru producerea acesteia.

Pentru alegerea corectă a materialului din care se va construi corpul caroseriei autocamionului, se va tine cont de anumite aspecte importante [10] care ajuta la realizarea unui ansamblu cu o greutate redusă dar în același timp acesta trebuie să asigure rigiditatea și rezistența mecanică necesară funcționării celorlalte subansambluri și protecția pasagerilor când autocamionul este exploatat în condiții obișnuite, dar și în cazul producerii unui accident. Un aspect foarte important în alegerea materialului îl reprezintă prețul de achiziție al acestuia; cu cât acesta este mai mic cu atât și prețul autocamionului va fi mai redus. De asemenea, este important și gradul de prelucrabilitate al materialului.

Materialul preferat de constructorii de autocamioane este oțelul, corpului caroseriei fiind fabricat din table ambutisate îmbinate prin sudura în puncte. De asemenea, pentru structura caroseriei de autocamion, se mai folosesc și semifabricatele laminate în bare.

Un material cu o densitate mai redusa (aproximativ o treime din cea a oțelului) și cu proprietăți mecanice bune în comparație cu unele oțeluri dar cu un preț mult mai ridicat este aluminiul. Aliajele de aluminiu au fost mereu o alternativă bună pentru constructorii de autovehicule la înlocuirea oțelurilor. Chiar daca prețul acestuia este de 3-5 ori mai ridicat decât al oțelului, datorită densității scăzute greutatea totală a unui subansamblu va fi mai cu până la 50% mai redusă, astfel costul de fabricare ar fi doar de două ori mai mare.

În construcția de autocamioane, aluminiul este mai puțin folosit, preferându-se oțelul datorită prețului scăzut al materialului și datorită costului de fabricare și de reparație redus. Pe lângă avantaje ale oțelului se mai pot enumera și o comportare bună din punct de vedere al absorbției energiei de impact și foarte important rezistența mecanică foarte bună și de asemenea o rigiditate bună.

Prin folosirea oțelurilor de înaltă rezistență este posibilă reducerea greutății totale a caroseriilor păstrându-se proprietățile mecanice superioare. Un alt dezavantaj îl reprezintă rezistența la coroziune redusă, dar aceasta poate fi îmbunătățită prin utilizarea tablelor din oțel acoperite cu zinc sau aluminiu prin imersare în băi de metal topit sau prin galvanizare.

Tipul de oțel utilizat pentru construcția corpului caroseriei autocamionului trebuie sa prezinte proprietăți fizico-mecanice ridicate astfel încât tensiunea de curgere în domeniul plastic să fie mai mare decât eforturile unitare la care este supusa caroseria. Oțelul folosit pentru fabricarea componentelor structurii de rezistență trebuie să prezinte o compoziție preponderent feritică cu grăunți foarte fini, datorită proprietăților bune de curgere și gradului de prelucrabilitate prin ambutisare ridicat. Aceasta cerință impune utilizarea unui oțel cu conținut de carbon mai mic de 0,15 % . Prezența cementitei înrăutățește proprietatea de curgere a materialului, ducând la apariția fisurilor; astfel este de preferat evitarea acesteia în compoziția oțelului. Astfel cele mai utilizate oțeluri în construcția corpului caroseriei sunt otelurile aliate cu conținut scăzut de carbon. Deoarece este un oțel convențional cu conținut scăzut de carbon, gama de oțeluri de înaltă rezistență slab aliate (High-Strength Low-Alloy (HSLA) Steels) se preferă ca fiind materialul principal din care va fi fabricată structura.

Figura 3.1 Caracteristici mecanice oțeluri de înaltă rezistență slab aliate

În figura 3.1 se observa faptul că tipul de material ales prezintă valori ale tensiunii de curgere în intervalul 200 – 600 MPa iar valorile pentru tensiunea de rupere se găsesc în intervalul 280 – 800 MPa. În tabelul 3.1 sunt prezentate 3 tipuri de oțel de înaltă rezistență slab aliat.

Tabel 3.1 Proprietăți mecanice oțeluri-carbon de calitate [14,16]

Datorită faptului că are un conținut de 0,15 % carbon și caracteristici mecanice asemănătoare celorlalte două tipuri de oțel selectate, HSLA 950D va fi materialul principal din care va fi fabricat corpul caroseriei autocamionului.

3.2 Definirea dimensiunilor principalelor elemente ale structurii pe baza schiței de organizare generală (dimensiuni+secțiuni)

Principale criterii care ajută la stabilirea dimensiunilor componentelor din structura corpului caroseriei sunt următoarele:

– obținerea unei mase proprii cât mai scăzute;

– obținerea unei structuri cu o bună comportare în condiții de exploatare normala, dar și în cazul producerii unui accident.

Ținându-se cont de aceste aspecte, trebuie adoptată o soluție constructivă optimă din punct de vedere al formei profilului și grosimii alese pentru fabricarea lonjeroanelor, stâlpilor, traverselor și a panourilor care alcătuiesc întreaga structură.

Principalele componente care alcătuiesc cadrul structurii (lonjeroane, stâlpi și traverse) se vor fabrica din tablă de oțel ambutisată îmbinata prin sudura în puncte. Secțiunea acestora este diferită în funcție de locul acestora în structură, foarte important fiind solicitările maxime la care este supus fiecare element în parte. Conform 10 grosimea tablei de oțel pentru fabricarea componentelor de caroserie pentru autocamion se află în intervalul 1,5 – 2 mm. Se alege realizarea componentelor din tablă de 2 mm. La utilizarea tablei de 1,5 mm va scădea masa totală, dar va scădea și rigiditatea și rezistența caroseriei în comparație cu utilizarea tablei de 2 mm.

Elementele de tip panou se vor fabrica din tablă nervurată prin ambutisare. Nervurarea panourilor are rolul de a reduce substanțial vibrațiile care apar asupra acestor elemente, produse de funcționarea motorului și calea de rulare. Conform 10 grosimea elementelor de tip panou se va alege 0.8 mm, nervurile vor avea adâncime cuprinsă în intervalul 15 – 25 mm.

În continuare sunt prezentate schițe din proiectul de organizare generală în vederea stabilirii dimensiunilor componentelor structurii de rezistență a autocamionului.

Figura 3.2 Dimensiunile cabinei conform proiectului de organizare generală în vedere de sus

În figura 3.1 imaginea b (imagine preluată din planșa nr.x formă și dimensiuni exterioare) se observă că lățimea totală a cabinei este 2200 mm, iar în imaginea a se observă că dimensiunea interioară este 2000 mm. Stâlpii față și stâlpii spate se vor construi cu o secțiune de 90 mm, astfel distanța dintre stâlpi va fi 2020 mm, 20 mm urmând sa fie grosimea ornamentelor interioare.

În figura 3.2 se observă că dimensiunea interioară dintre plafon și podea este 1550 mm. Pragul de jos și grinda superioară se vor realiza cu o secțiune de 80 mm. Ținând cont și de ornamentele interioare (20 mm) structurii va avea 1730 mm înălțime. Înălțimea de la podea până la partea superioară a traversei pe care se montează parbrizul este 718 mm. De asemenea se observă ca lungimea podelei este 1430 mm iar în figura 3.1 imaginea b, se observă că lungimea exterioara este 1650 mm.

În figura 3.3 este prezentată dimensiunea dintre lonjeroanele cadrului șasiu, dimensiune importantă deoarece lonjeroanele centrale ale caroseriei trebuie să se suprapună cu acestea. Distanța interioară dintre acestea este 700 mm și este o distanță constantă pe toată lungimea caroseriei.

În continuare sunt prezentate schițe în care se regăsesc dimensiunile principalelor componente ale structurii. Aceste schițe au fost realizate în modulul Drafting CATIA V5 și au fost realizate pe baza schiței de organizare generală.

Figura 3.3 Dimensiunile cabinei conform proiectului de organizare generală în vedere laterală

Figura 3.4 Dimensiunea dintre lonjeroanele cadrului șasiu conform schiței de organizare generala în vedere de sus

Figura 3.5 Dimensiunile peretelui față (desen realizat în modulul Drafting CATIA)

Peretele față este alcătuit din 2 stâlpi laterali cu o secțiune de 90 mm, aceștia fiind ușor curbați în partea de sus pe lungime de 960 mm, forma obținută astfel oferă o mai bună aerodinamicitate, obținându-se o valoare a coeficientului de rezistență a aerului mai scăzută. De asemenea, pentru creșterea rezistenței la impact frontal mai exista 2 stâlpi cu secțiune de 100 mm care unesc traversa inferioară și traversa superioară. Panourile față prezintă decupaje largi din dorința de a obține o masă redusă a structurii. Prima traversa a tunelului cu care este prevăzută podeaua, este fixată de cei doi stâlpi cu secțiune de 60 mm distanțați între ei cu 200 mm. Distanța între lonjeroanele principale este de 700 mm, acestea urmează a fi fixate pe lonjeroanele cadrului șasiu. Înălțimea totală a tunelului este de 330 mm. După cum se observă în figura 3.5 traversele care unesc stâlpi laterali cu stâlpi centrali sunt curbate cu o rază de 2004 mm pentru a oferii o formă care să opună o mai mică rezistență asupra aerului. Aceste traverse au 560 mm în lungime și o secțiune de 80 mm.

În figura 3.5 sunt prezentate dimensiunile elementelor care alcătuiesc peretele spate al corpului caroseriei. Acesta este alcătuit din doi stâlpi centrali cu secțiune de 100 mm și 2 stâlpi laterali cu secțiunea de 90 mm, toți cei patru stâlpi având înălțimea 1700 mm. Aceștia sunt uniți în partea de jos cu o traversă pe toată lungimea de secțiune 60 mm, la o înălțime de 420 mm față de traversa inferioară. Pentru rigidizare se adaugă o traversă suplimentară la o distanță de 560 mm față de traversa superioară. Pe toată suprafața peretelui spate se vor monta panouri cu o grosime de 0.8 mm.

Figura 3.6 Dimensiunile peretelui spate (desen realizat în modulul Drafting CATIA)

În figura 3.6 sunt prezentate componentele ce compun podeaua structurii cabinei. Aceasta este prevăzuta cu un tunel pe toată lungimea aflat între lonjeroanele centrale având o lățime de 700 mm. Acest tunel este construit din trei traverse cu secțiune de 60 mm între care se află panouri cu grosime 0.8 mm. În părțile laterale se găsesc două lonjeroane care au și rolul de prag. Între lonjeroanele centrale și praguri se găsește o traversa la același nivel cu traversa centrală a tunelului. Pe această traversă se vor monta suporții pentru cele două scaune cu care este dotată cabina. Pe cele 2 lonjeroane centrale se vor monta suporții pentru rezemarea structurii pe rama șasiu.

Figura 3.7 Dimensiunile componentelor ce alcătuiesc podeaua (realizat în Drafting CATIA)

Figura 3.8 Dimensiunile componentelor ce alcătuiesc peretele lateral (Drafting CATIA)

Figura 3.9 Dimensiunile acoperișului (desen realizat în modulul Drafting CATIA)

În figura 3.7 se pot observa dimensiunile peretelui lateral al structurii. Conform proiectului de organizare generală lungimea totală a acestuia este 1650 mm. Dimensiunea dintre stâlpul A și stâlpul B este 1055 mm. Traversa dintre stâlpul B și C are o valoare a lungimii egală cu 225 mm și secțiunea acesteia este la fel ca traversa suplimentară a peretelui spate. În figura 3.7 se prezintă și secțiunea pragului și stâlpului A.

În figura 3.8 sunt prezentate elementele componente ale acoperișului caroseriei autocamionului. Traversa față este curbată pe zona dintre lonjeroanele grinzile centrale și cele exterioare cu o rază de 2004 mm în scopul diminuării coeficientului de rezistență al aerului (Cx). Pentru rigidizare și creșterea rezistenței în caz de impact acoperișul este prevăzut cu două grinzi centrale distanțate cu 700 mm și au o secțiune de 100 mm. Traversa superioară față are o lățime de 167 de mm. În partea din spate cele două traverse care unesc grinzile centrale cu cele exterioare au o lățime de 110 mm în timp ce traversa centrală are secțiune de 100 mm. Panourile se vor realiza din tablă de 0,8 mm nervurată prin ambutisare pentru diminuarea tendinței de a vibra.

3.3 Calculul de rezistență al structurii în condiții normale de încărcare

În continuare modelul tridimensional se va supune unor calcule de rezistență realizate cu programul de analiză ANSYS versiunea 16.0. Cu ajutorul programului se vor realiza analize pe baza metodei elementului finit a structurii caroseriei în condiții normale de funcționare dar și în cazul producerii unui accident.

3.3.1 Modelarea geometrică a structurii

Modelul tridimensional a fost realizat în programul CATIA V5 și este de tipul suprafață. Acesta a fost salvat cu extensia geometrie.stp, geometrie ce urmează a fi importată în ANSYS pentru a fi analizată. În figura 3.6 sunt prezentate mai multe vederi ale modelului realizat în CATIA. Geometria modelului a fost realizată în concordanță cu dimensiunile stabilite mai sus. În imaginea a, b, c este prezentat, în trei vederi izometrice, modelul tridimensional fără panouri, iar în imaginea a’, b’, c’ este prezentat modelul după adăugarea panourilor.

Analiza structurii de rezistență se va realiza în aplicația Workbench aparținând programului ANSYS. Analiza va fi de tipul Static Structural – Mechanical.

Prima etapa este importarea geometriei și validarea modelului. Fiind structură de tip suprafață, pentru validarea geometriei este necesara atribuirea grosimii suprafețelor fiecărui element. Conform celor stabilite în subcapitolul anterior, se va folosii tablă de 2 mm pentru stâlpi, lonjeroane și traverse, iar pentru panouri tablă de 0.8 mm.

Geometria este considerată ca fiind validă când este simbolizată:

Figura 3.10 Validarea geometriei importate

Figura 3.11 Structura de rezistență (desen realizat în CATIA V5)

3.3.2 Modelarea materialului

Următorul pas îl constituie modelarea materialului. În urma analizei efectuate într-un subcapitol precedent, acesta va fi un material liniar. Acesta este introdus în librăria de materiale a programului. După selectarea materialului se urmărește validarea acestuia conform figurii 3.11.

În figura 3.12 sunt prezentate caracteristicile noului material conform celor stabilite în subcapitolul 3.1

Figura 3.12 Modelarea materialului ales

3.3.3 Definirea încărcărilor și a reazemelor

Structura de rezistență a cabinei autocamionului se montează pe lonjeroanele cadrului șasiu prin cele patru suprafețe de rezemare aflate la extremitățile celor două lonjeroane centrale. În partea din față cabina se fixează pe articulațiile ce permit rabatarea cabinei, în timp ce în partea din spate aceasta se fixează pe doua amortizoare pneumatice după cum s-a stabilit la sfârșitul capitolului 2. În modelul tridimensional suprafețele de rezemare sunt reprezentate ca fiind suprafețe dreptunghiulare cu dimensiunile 90 mm respectiv 100 mm. Acestea sunt prezentate în figura 3.8. Prin fixarea structurii în acele puncte se limitează gradele de libertate.

Pentru definirea reazemelor se pornește sub-modulul MODEL, în acest modul se adaugă suporții după cum urmează:

Figura 3.13 Stabilirea reazemelor structurii (desen realizat în ANSYS)

După stabilirea reazemelor urmează definirea condițiilor de încărcare. Stabilirea încărcării cabinei constă în încărcarea acesteia cu masele subansamblelor ce urmează să fie adăugate cabinei, sub formă de masă distribuită pe anumite elemente ale structurii. În tabelul următor sunt prezentate masele subansamblurilor care vor încărca structura autocamionului. Masele vor fi distribuite în sub-modulul Geometry.

Tabel 3.2 Masele subansamblurilor cu care va fi încărcată cabina autocamionului

Figura 3.14 Distribuirea maselor pe structură (exemplu distribuire masa parbrizului)

– În figura 3.14 se prezintă modul prin care s-a distribuit masa parbrizului. Această masă s-a distribuit în totalitate pe traversa centrală.

– Masa conducătorului autocamionului împreună cu masa scaunului acestuia precum și masa pasagerului împreună cu masa scaunului au fost repartizate în mod egal pe traversa spate și traversa intermediara, ambele fiind traversele care compun structura podelei.

– Masa ușilor a fost repartizată în procent de 67 % pe stâlpul A al structurii cabinei iar 33% din masa acestora a fost distribuită pe stâlpul B în punctul de închidere al acestora.

– Masa panourilor interioare ale pereților laterali a fost repartizată pe partea interioară a stâlpului B și a stâlpului C și pe lonjeronul dintre acești stâlpi, în mod egal.

– Masa podelei s-a distribuit în mod egal e lonjeroanele centrale și pe traversele podelei.

– Masa echipamentului de bord s-a distribuit în proporție de 33 % pe partea interioară a traversei pe care se montează parbrizul și în proporție de 67 % pe traversa inferioară.

Asupra acestor mase acționează accelerația gravitațională. Datorită acestor încărcări structura este solicitată static.

Masa totală a structurii înainte de încărcare avea valoarea 263.53 kg, masă estimată de program pe baza volumului total de material utilizat și densitatea materialului. După încărcare valoare masei totală are valoarea 650.53 kg.

3.3.4 Realizarea modelului din elemente finite

Caroseria reprezintă o structură realizată complex dintr-un număr mare de materiale diferite asamblate prin tehnologii diferite. Din cauza complexității, analiza structurală a caroseriei este greu de realizat și din acest motiv se adoptă un model simplificat de calcul în faza de proiectare.

Modelele simplificate prezintă următoarele caracteristici 10:

Prin utilizare modelelor simplificate se ține cont ca nu toate componentele sunt la fel de importante la preluarea solicitărilor care apar asupra caroseriei.

Elementele componente ale modelului de calcul pot avea diferite forme geometrie, dar pentru rezultate cât mai exacte, caracteristica geometrică a modelului simplificat trebuie să fie cât mai asemănătoare cu caracteristica reală a elementului.

Împărțirea pe componente se realizează din considerente geometrice fără să se țină cont de considerente tehnologice.

Metoda de calcul cea mai utilizată la analiza structurilor de caroserie este metoda elementului finit. Cu ajutorul acestei metode se pot efectua numeroase calcule de analiză precum: analiză statică, dinamică, modală, de oboseală, aerodinamică, etc. Prin această metodă structura caroseriei este transformată într-un sistem complex de elemente finite. Procedeul prin care se realizează această transformare poartă numele de discretizare. Densitatea de discretizare reprezintă cât de complex este împărțit un subansamblu în elemente finite. Densitatea de discretizare este foarte importantă deoarece în funcție de complexitatea acesteia obținem rezultate cât mai exacte.

În figura 3.15 este prezentat modul de generare al operației de discretizare și date despre mărimea unui element. Discretizarea va fi realizată după algoritmii prestabiliți de către program.

Figura 3.15 Stabilirea proprietăților de mărime ale discretizării și generarea acesteia

În figura 3.16 este prezentat rezultatul discretizării, pe când în figura 3.17 sunt prezentate detalii ale modelului de element finit realizat de către program. În cazul în care discretizarea este prea grosieră este posibilă mărimea unui element.

Figura 3.16 Rezultatul discretizării corpului caroseriei

Figura 3.17 Detalii ale discretizării

Discretizarea după parametrii stabiliți a generat un sistem de elemente finite format din 46353 noduri și 49719 elemente.

3.3.5 Determinarea rigidității torsionale a structurii caroseriei

Principalele solicitări care apar asupra structurii caroseriei autocamionului sunt datorate greutăților subansamblelor așezate pe aceasta, funcționarea anumitor subansambluri și mai ales, deplasării pe calea de rulare. Analizele care se efectuează asupra modelului de elemente finite urmăresc aflarea tensiunilor și deplasărilor maxime la care este supusă structura. Principalul scop este descoperirea locurilor în care există tensiuni peste limita admisă și îmbunătățirea acestora în funcție de încercarea la care este supus.

Tensiunile care apar în structura caroseriei în urma acționarii solicitărilor statice sau dinamice în condiții normale de exploatare nu trebuie să ducă la pierderea funcțiilor niciunei componente. Pentru îndeplinirea acestei condiții se impune ca tensiunile efective maxime să nu depășească două treimi din tensiunea de curgere 10.

(3.1)

Pentru materialul folosit pentru construcția structurii autocamionului e impune ca tensiunile maxime să nu depășească valoarea:

În continuare se va analiza comportarea structurii la torsiune și se urmărește aprecierea rigidității torsionale a acesteia.

Rigiditatea torsională reprezintă una dintre cele mai importante caracteristici ale unei structuri de caroserie. Fenomenul de torsiune apare datorită solicitărilor vertical asimetrice 10. Acestea apar în condiții de exploatare pe drumuri cu denivelări, atunci când roata unei punți întâlnește o denivelare, având ca efect torsionarea structurii.

Figura 3.18 Condiții de rezemare și încărcare pentru determinarea rigidității torsionale

Pentru determinarea rigidității torsionale a structurii cabinei, aceasta se va rezema în partea din spate pe suporți iar pe suporții față va acționa un cuplu de forțe care va realiza torsiunea cabinei conform figurii 3.18.

Cuplul de forțe este format dintr-o forță cu valoarea de 3000 N care acționează pe direcția axei Z în sens pozitiv și o forță cu aceeași valoarea dar care acționează în sens opus.

Figura 3.19 Deformarea structurii pe axa Z și valoarea deplasării punctului de aplicare a forței mm realizată cu programul Ansys

În figura de mai sus se observa ca deplasarea maximă se regăsește în zona stâlpului A, iar valoarea deplasării în zona de aplicare a forței este 0.2791 mm.

Pentru aprecierea rigidității torsionale se urmărește aflarea parametrului Kt. Pentru aflarea acestui parametru se stabilește inițial momentul de torsiune aplicat:

(3.2)

Ținând cont de valoarea forței F = 3000 N și cunoscând distanța l = 0.7 m dintre suporți, Mt = 2100 Nm.

Conform 10 parametrul Kt se calculează cu următoarea formulă:

(3.3)

unde: Mt reprezintă momentul de torsiune aplicat, calculat cu ajutorul (3.2)

φ reprezintă unghiul cu care se torsionează structura în punctul de aplicare a forței exprimat în [°] și se calculează utilizând următoarea formulă:

(3.4)

d reprezentând deplasarea suportului, valoare exprimată în mm, φ = 0,0457°

Conform (3.3) valoarea parametrului pentru aprecierea rigidității torsionale a structurii va avea valoarea: Kt = 45951,9 N∙m/grad.

Conform 10 rigiditatea optimă pentru o cabină de autocamion are valori ale parametrului Kt apropiate de 50000 N∙m/grad. Rigiditatea torsională depinde și de parbriz. După montarea acestuia valoarea parametrului va creste.

Figura 3.20 Tensiuni echivalente Von Misses obținute pentru structură

Figura 3.21 Detaliu zonă maxim solicitată în cadrul încercării rigidității cabinei

În urma analizei tensiunilor maxime se constată ca tensiunea maximă are o valoare mai mică decât două treimi din limita de curgere ceea ce înseamnă ca structura rezistă acestor solicitări. Ca îmbunătățire a zonei în care se găsește tensiunea maximă se recomandă îmbinarea traversei și a stâlpului cu rază de racordare de 5 mm, operație care nu a fost realizată în modelul tridimensional.

3.3.6 Analiza structurii în cazul solicitărilor vertical simetrice

Atunci când ambele roți ale unei punți întâlnesc simultan o denivelare apare încovoierea structurii într-un plan longitudinal. Solicitările de acest tip poartă denumirea de solicitări vertical simetrice.

Pentru a se putea efectua calcule folosind metoda elementului finit pe structură au fost repartizate masele subansamblurilor din componența cabinei (procedeu realizat în subcapitolul 3.3) după care structura trebuie rezemată pe suporți. Pentru simularea solicitărilor vertical simetrice se aplică o accelerație pe axa Z în sens pozitiv.

Solicitarea fiind o solicitare dinamică se analizează în regim static ca fiind:

(3.5)

unde: Pdin reprezintă solicitarea dinamică

mdin = 3 conform 10, reprezentând un coeficient de suprasarcină dinamică determinat experimental

G este greutatea statică a autocamionului

Din relația (3.5) se deduce că:

(3.6)

Din formula (3.6): adin = 3∙g

Figura 3.22 Condiții de rezemare și încărcare pentru determinarea solicitărilor vertical simetrice

În figura 3.22 sunt prezentate reazemele și direcția în care acționează accelerația. În imaginile următoare sunt prezentate deformările structurii în cazul solicitărilor vertical simetrice. Deformările se observa la nivelul panourilor, valoarea maximă pentru deformare fiind 11.14 mm. Principala cauză pentru apariția acestei deformări o constituie faptul ca pentru a obține un model simplificat pentru analiză, panourile nu au fost nervurate.

Figura 3.23 Deplasările obținute în cazul solicitărilor vertical simetrice

Figura 3.24 Deplasările obținute în cazul solicitărilor vertical simetrice după nervurarea unui panou pentru rigidizare

În figura 3.24 se prezintă noile deplasări după nervurarea panoului central. Se poate observa că noua valoare pentru deplasarea panoului este sub 1 mm. Acest lucru ne dovedește necesitatea nervurării panourilor.

În continuare sunt prezentate tensiunile echivalente Von-Misses ce apar în structura de rezistență. Valoarea maximă a acestora se găsește sub limita de curgere, structura trecând cu succes și această încercare.

Figura 3.25 Tensiuni echivalente Von Misses obținute pentru structură

Figura 3.26 Detaliu tensiune maximă obținută pentru structură

În imaginea de mai sus se observă ca tensiunea maximă se găsește local într-un punct unde racordarea este realizată fără o rază de racordare. Prin îmbinarea corectă a traversei cu stâlpul A concentratorul de tensiune va avea o valoare mai mică.

3.3.7 Analiza structurii în cazul răsturnării prin încărcarea acoperișului

O altă încercare la care este supusă structura de rezistență este reprezentată de simularea răsturnării la 180° autocamionului. Conform ”UN Regulation No. 29” 21, în caz de răsturnare structura trebuie să reziste unei forțe egale cu greutatea maximă admisă pe puntea față.

Pentru a trece testul, structura trebuie să se deformeze astfel încât să se asigure conducătorului autocamionului și pasagerului un spațiu minim de supraviețuire, iar tensiunile maxime din structură să fie mai mici decât tensiunea de curgere.

Forța de impact va fi distribuită pe întreaga suprafață a acoperișului formată din grinzi și traverse. Forța va fi aplicată sub formă de presiune distribuită. Pentru a calcula valoarea presiunii se va folosii următoarea formulă de calcul:

(3.7)

unde G1= 4700 daN și reprezintă greutatea maximă admisă pe puntea față (aspect stabilit în subcapitolul 1.7)

A = 1,003 m2 și reprezintă aria secțiunii pe care acționează forța.

În figura 3.27 este prezentat modul de încărcare pentru simularea unei răsturnări. Este prezentată suprafața pe care acționează presiunea calculată anterior. Încercarea cabinei autocamionului în situația răsturnării se va realiza intr-un regim static.

Figura 3.27 Condiții de rezemare și încărcare pentru încercarea structurii în cazul răsturnării

În figura 3.28 sunt prezentate deplasările totale care apar în cazul simulării răsturnării autocamionului. Se observă ca deplasarea maximă are loc pe traversa superioară care leagă stâlpii față ai cabinei. Valoarea maximă a deplasării este aproximativ 15 mm.

Figura 3.28 Deplasările totale realizate în urma răsturnării autocamionului

În continuare sunt prezentate tensiunile echivalente care apar în structura caroseriei în cazul răsturnării. Tensiunea maximă apărută depășește valoare admisibilă și este necesar îmbunătățirea zonei pentru ai crește rezistența.

Figura 3.29 Tensiuni echivalente Von Misses obținute pentru structură

În figura 3.30 este prezentată zona în care apare tensiunea maximă. Se observă că tensiunea maximă se găsește într-o zonă locală, de aceea se adoptă ca măsură de îmbunătățire rotunjirea zonei de îmbinare a traversei cu stâlpul și se recomandă ranforsarea acelei zone prin adăugare de material.

Figura 3.30 Detalierea zonei în care tensiunea echivalentă este maximă

Figura 3.31 Tensiuni echivalente Von Misses obținute pentru structură

După efectuarea ranforsării necesare și îmbinarea traversei cu rază de racordare de stâlpul A se observă o diminuare semnificativă a zonei în care mai devreme apărea o tensiune mult mai mare.

Figura 3.32 Detaliu al zonei ranforsate și noua tensiune care apare în această zonă

În figura 3.32 este prezentată ranforsarea efectuată și noile tensiuni care apar în acea zonă. Deoarece acesta este un model simplificat majoritatea îmbinărilor au muchii drepte și după cum se poate observa aceste muchi pot fi concentratori de efort, toate aceste muchii vor fi rotunjite cu rază de racordare de 5 mm.

În imaginea următoare este prezentat un detaliu al altei zone solicitate puternic. După cum se poate observa aici principala problemă o reprezintă îmbinarea nu foarte bine realizată a suportului de rezemare. De asemenea și pentru acest caz se recomandă ranforsarea zonei.

Figura 3.33 Detaliu zonă în care a apărut tensiunea maximă

3.3.8 Analiza structurii în cazul impactului dintre încărcătură și cabină

În cazul unei decelerații puternice sau atunci când încărcătura nu este fixată corespunzător, aceasta poate să se deplaseze spre cabină și să lovească partea din spate a acesteia. Când acest lucru se întâmplă este necesar ca tensiunile maxime apărute în structura de rezistență să aibă valori sub cele admisibile. De asemenea cabina trebuie sa ofere rezistența necesară astfel încât acestea să se deplaseze doar cu condiția să ofere șoferului și pasagerului un spațiu minim de supraviețuire.

Asemănător cu simularea unei răsturnări, și aceasta analiză se realizează în regim static. Conform ”UN Regulation No. 29” 21, pe peretele spate (stâlpi, grinzi, traverse) se va adăuga o presiune care va fi raportul dintre forța de acționare, reprezentând 20 % din sarcina utilă a autocamionului și aria suprafețelor pe care acționează forța.

(3.8)

unde G1= 2070 daN și reprezintă 20 % din greutatea sarcinii utile

A = 0,946 m2 și reprezintă aria secțiunii pe care acționează forța.

În figura următoare este prezentat modul de încărcare al structurii pentru realizarea simulării impactului din spate. De asemenea în figură se pot observa suprafețele pe care este distribuită presiunea.

Figura 3.34 Condiții de rezemare și încărcare pentru încercarea structurii în cazul lovirii de către încărcătură

Figura 3.35 Deplasările totale apărute în urma lovirii peretelui spate

În figura de mai sus se observă valorile deplasărilor totale. Deplasarea maximă se găsește în partea din față a structurii, la îmbinarea stâlpului cu grinda laterală a acoperișului. Se poate observa că întreg acoperișul este solicitat și pe toată suprafața acestuia apar deplasări ale căror valori sunt apropiate. Traversa suplimentară dintre stâlpii centrali are rolul de creștere a rezistentei peretelui spate.

Figura 3.36 Tensiuni echivalente Von Misses obținute pentru structură

În figura 3.36 sunt prezentate tensiunile echivalente Von-Misses care apar în structură la lovirea peretelui spate de către încărcătură. În figura 3.37 se prezintă în detaliu zona în care se regăsește tensiunea maximă. Aceasta are o valoare mai mare decât tensiunea maximă admisibilă. Pentru a trece această probă, se impune ranforsarea zonei în scopul eliminării concentratorilor de efort.

Figura 3.37 Detaliu pentru tensiunea maximă apărută în structura cabinei

Figura 3.38 Tensiuni echivalente Von Misses obținute pentru structură după modificările aduse acesteia

Figura 3.39 Detaliu zonei de ranforsare și noua tensiune din acea zonă

În figura 3.39 se prezintă un detaliu al zonei și se pot observa modificările aduse pentru creșterea rezistentei. Pe lângă îmbinarea suprafețelor intr-un mod care anulează existența unor puncte care pot fi concentratori de eforturi, se adaugă material suplimentar pentru ranforsare. Acest procedeu se aplică și altor suprafețe care prezintă zone locale în care tensiunea admisibilă este depășită.

3.3.9 Analiza structurii în cazul răsturnării la 90° urmată de impact asupra părții superioare a stâlpului A

Conform ”UN Regulation No. 29” 21 acest test are ca principal scop evaluarea structurii de rezistență a cabinei când aceasta se răstoarnă la 90° și este urmată de impact. Pentru realizarea acestei analize este necesar de un regim dinamic de analiză. Pentru această încercare este selectat sub-modului ”Explicit Dynamics”.

Pentru simularea impactului se folosește un pendul a carui masă trebuie să fie cel puțin 1000 kg iar energia de impact trebuie sa aibă valoarea 29.4 kJ. În figura 3.40 este prezentată geometria structurii, iar la o distanță de 1 mm s-a adaugat pendulul cu o masă de 1078 kg.

O conditie a simulării impactului este reprezentată de selectarea vitezei cu care pendulul loveste partea superioară a stâlpului. Pentru calcularea vitezei se va folosii ecuatii energiei cinetice:

(3.4)

E=29.4 kJ, m=1078

v=7.3 m/s

Figura 3.40 Adăugarea pendulului utilizat la analiza structurii

În figura 3.41 sunt prezentate condiitile de încercare. Structura este fixată pe cei patru suporți iar pendulului i s-a atribuit viteza calculată anterior, 7300 mm/s.

Un alt pas important îl reprezintă adaugarea unui material cu o caracteristică neliară pentru a putea simula deformara structurii. Acesta se adaugă conform modului de lucru folosit la subcapitolul 3.3.2 din baza de materiale a programului Ansys.

Partea finală a analizei o reprezintă analiza rezultatelor. Pe langă deformatia totală și tensiunea maximă echivalentă se doreste și analiza vitezei maxime, viteza maximă pe direcția impactului, ???

Fiind o analiză dinamica este necesară stabilirea unui timp pentru care se desfășoară testul. Se consideră că impactul va avea loc timp de 0.03 secunde.

Din cauza performanțelor nu foarte bune a computer-ului personal și din cauza numărului mare de elemntele obținute prin discretizare, pentru realizarea analizei dinamice a fost estimat o perioadă de 340 ore.

Din acest motiv, acest test a fost realizat în mod static prin aplicarea unei forțe corespunzatoare energiei de 29.4 hJ.

În concluzie structura de rezistență proiectată a obținut rezultate satisfăcătoare din punct de vedere al tensiunilor efective maxime și a deplasărilor totale. Deoarece modelul supus analizei a fost un model simplificat există erori în evaluarea solicitărilor la care este supusă structura ceea ce impune validarea proiectului prin încercare efectivă a unui prototip.

Capitolul 4. Studiul comportamentului cabinei autocamionului la vibrații utilizând analiza modală

Bază teoretică

În limbajul metodei cu element finit, analiza modală se folosește în scopul determinării frecvențelor și modurilor proprii de vibrație pentru structuri și componente ale structurilor. Frecvențele și modurile proprii reprezintă mărimi cu o importanță semnificativă pentru proiectarea structurilor care lucrează în regim dinamic. 17

Modul propriu de vibrație este definit de pulsația proprie și vectorul modal corespunzător. Vectorul modal este descris de mărimi relative care definesc forma modului propriu, nu și valoarea amplitudinii de vibrație care este o mărime care depinde de excitație. Funcție de tipul de normare, valorile vectorilor proprii diferă numai printr-un factor de scalare, adică, din punct de vedere matematic, există o singură constantă nedeterminată pentru fiecare mod propriu. 7

În funcționare, din cauza deplasării pe calea de rulare, la nivelul cabinei apar vibrații provenite de la neregularitățile căii de rulare, funcționarea motorului, transmisiei, etc. Când frecvența de excitație a acestor vibrații externe se suprapune cu frecvența naturală a cabinei, este generat fenomenul de rezonanță. Acest fenomen este periculos pentru structură, deoarece deformațiile mari și foarte mari pot conduce la depășirea eforturilor unitare admisibile. Este recomandat să se evite funcționarea la rezonanță, deoarece aceasta poate conduce la distrugerea structurii. 19

Caracteristica globală de vibrație a caroseriei este puternic influențată de rigiditatea structurii cât și de distribuția maselor. Pentru îmbunătățirea confortului și fiabilității structurii este recomandat descoperirea frecvențelor care produc solicitarea structurii (încovoiere și torsiune) și analiza eforturilor și deplasărilor maxime apărute, în scopul modificării geometriei structurii astfel încât variația de rigiditate sa permită deplasarea frecvențelor proprii în zone spectrale cu excitație de mai mică intensitate.

Vibrațiile pot apărea asupra structurii de rezistență la nivel global sau la nivel local. Când vibrațiile apar la nivel local, se va produce doar deplasarea anumitor componente. În acest caz este recomandat să se efectueze operații de rigidizare a acelor zone. La nivel global, vibrațiile afectează întreaga structură de rezistență.

4.2 Determinarea frecvențelor și modurilor proprii de vibrație pentru structura de rezistență a autocamionului cu ajutorul analizei modale

În continuare se vor analiza frecvențele de apariție a solicitării structurii și modurile proprii de vibrație. Pentru a realiza această analiză, se va utiliza sub-modului programului ANSYS, numit MODAL. Acesta se găsește în fereastra WORKBENCH.

Figura 4.1 Prezentare stabilire parametrii pentru realizarea analizei modale

Modul de lucru este asemănător celui de analiză structurală executat pe parcursul capitolului 3. Cu ajutorul funcției ”Engineering Data” se introduce materialul ales pentru construcția structurii. Geometria se suprapune cu geometria utilizată la capitolul 3. De asemenea, sunt preluate și masele distribuite care încarcă structura.

În cadrul funcției ”Model” se realizează discretizarea structurii. Deoarece fixarea structurii pe suporți complică analiza, aceasta va rămâne nefixată pentru a fi posibilă vibrarea liberă a caroseriei.

Cu ajutorul funcției ”Setup” se vor stabilii detaliile după care va fi realizată analiza. Pentru a descoperii modurile care solicită structura se vor afișa primele 40 de moduri proprii.

Figura 4.2 Stabilirea modurilor proprii calculate

După rezolvarea analizei programul va afișa primele 40 de moduri proprii. Acestea sunt prezentate în tabelul următor:

Tabel 4.1 Frecvențele naturale obținute prin analiză

Toate frecvențele prezentate mai sus au valori mai mici de 100 Hz. Frecvențele căutate pentru analiza structurii sunt cele cuprinse în intervalul 10 Hz – 100 Hz, primele 6 moduri fiind neimportante pentru analiză. Din celelalte moduri, majoritatea sunt reprezentate de frecvențele de excitație ce produc vibrații ale panourilor. Acest fapt se datorează geometriei simplificate a modelului realizat.

Figura 4.3 Modul de deformare al panoului central al acoperișului pentru modul 8

În continuare este prezentată forma modală cu numărul 8 caracterizat de deformarea panoului central al acoperișului. Modul de deformare a fost prezentat în figura 4.3. În figura următoare este prezentată deformarea totală a acestuia.

Figura 4.4 Deformarea panoului pentru modul 8 de vibrație

Deplasarea totală în acest caz este 34 mm, o valoare foarte mare. După nervurarea panoului, deplasarea panoului produsă la frecvența de 15.407 Hz este anulată. Prima frecvență la care apare vibrarea panoului este 53.133 Hz. Acest lucru dovedește necesitatea nervurării panourilor. În figura 4.5 este prezentat rezultatul după îmbunătățirea geometriei panoului.

Figura 4.5 Frecvența naturală pentru care panoul nervurat se deformează

Deformațiile panourilor fiind reduse semnificativ prin nervurarea acestora este necesară descoperirea modurilor proprii care produc solicitări ale structurii. În principiu, frecvențele de excitație care apar în urma funcționării autocamionului au ca principală cauză forțele dinamice produse de neregularitățile căii de rulare, vibrațiile produse de funcționarea motorului, transmisiei, etc. În continuare sunt prezentate principalele moduri proprii care produc solicitarea întregii structurii de rezistență a autocamionului. Au fost găsite 3 moduri în care se observă comportamentul structurii la solicitări.

Tabel 4.2 Frecvențele naturale obținute prin analiză

În imaginile următoare sunt prezentate detaliat cele trei moduri care solicită structura. Pentru observarea modului de deformare, deformațiile sunt amplificate automat de către program.

Dacă se neglijează deformația panoului, acesta necesitând nervurare, se observă că deformația cea mai mare care apare asupra structurii este aproximativ 2.7 mm și se găsește la nivelul primei traverse a acoperișului. În acest mod, structura este solicitată la torsiune în jurul axei Y. Acest lucru se poate observa și din evoluția deformațiilor totale a structurii, în zona inferioară a stâlpului lateral spate deformația structurii este minimă, aproximativ 0.7 mm.

Figura 4.6 Deformația structurii pentru modul 25 de vibrație

În figura 4.7 se observă modul de deformare al structurii. Pentru mai bună observare a deformației deformațiile au fost amplificate de 49 de ori.

Figura 4.7 Modul de deformare al structurii pentru modul 25 de vibrație

Pe lângă analiza deformațiilor totale, s-a efectuat și analiza tensiunii maxime apărută asupra structurii.

Figura 4.8 Efortul echivalent apărut în structură pentru modul 25 de vibrație

Efortul maxim care apare asupra structurii se găsește la nivelul îmbinării stâlpului B și grinda laterală a acoperișului. Efortul are o valoare mai mare decât tensiunea de curgere a materialului ales pentru construcție (310 MPa) dar, pentru că este un efort care acționează local, este recomandat realizarea unei îmbinări care sa nu prezintă muchii drepte și, de asemenea, se impune ranforsarea zonei.

Figura 4.9 Deformația structurii pentru modul 26 de vibrație

În figura 4.9 se prezintă deformația structurii pentru modul 26. Utilizarea structurii într-un regim de funcționare care corespunde frecvenței 28.7 Hz se observă deplasările totale care apar asupra structurii. Deformația panoului se diminuează semnificativ prin nervurarea acestuia, astfel se studiază modul de deformare globală al structurii. În figura 4.10 se observă modul de deformare al structurii. Aceasta este solicitată la torsiune în jurul axei X. Valorile maxime ale deplasărilor se găsesc în zona superioară a stâlpului A, valoarea în acea zonă fiind aproximativ 3.5 mm, pe când în traverselor tunelului central se găsesc deformațiile cele mai mici. Îmbunătățirea structurii se va realiza și prin montarea parbrizului, acesta influențând în mod pozitiv rigiditatea structurii.

Figura 4.10 Modul de deformare al structurii pentru modul 26 de vibrație

În figura următoare se observă distribuția eforturilor maxime care apar asupra structurii când aceasta este utilizată în regimul generat de modul 26 de vibrație. Se poate observa că tensiunea maximă depășește tensiunea de curgere a materialului. Este necesară îmbunătățirea zone de îmbinare și foarte important ranforsarea zonei locale. Deoarece la nivel global nu exista tensiuni peste limita de curgere, este necesară doar ranforsarea anumitor puncte slabe.

Figura 4.11 Efortul echivalent apărut în structură pentru modul 26 de vibrație

Figura 4.12 Deformația structurii pentru modul 33 de vibrație

Deformația totală a structurii, corespunzătoare modului 33 de vibrație este prezentat în figura 4.12. Deformația maximă a structurii are loc în zona superioară a stâlpului A și are valoarea aproximativ 3 mm. Valoarea minimă pentru deformarea structurii se găsește în zona traverselor tunelului central, unde are valoarea aproximativ 0.5 mm.

Figura 4.13 Modul de deformare al structurii pentru modul 33 de vibrație

Figura 4.14 Efortul echivalent apărut în structură pentru modul 33 de vibrație

Efortul maxim care apare în funcționarea într-un regim corespunzător frecvenței de 32.9 Hz, are valoarea 451 MPa. Zona în care se găsește este o zonă locală, astfel se impune ranforsarea acelei zone și îmbinarea suprafețelor fără a exista muchii drepte unor pot apărea concentratori de efort.

Rezultatele obținute pentru structura de rezistență proiectată se vor compara cu rezultate obținute într-un studiu realizat în 2012 și prezentat la conferința internațională MEMS 2012. Studiul se numește ”Modal sensitivity analysis and structural optimization of the cab of light truck” și urmărește analiza unei structuri de cabină prin analiză modală și de asemenea, realizează o optimizare a structurii pentru comportarea la vibrații.

În figura 4.15 următoare sunt prezentate 3 moduri de vibrație obținute.

Primul mod proprii de vibrații obținut în studiu apare la frecvența de excitație de 22.17 Hz, în timp ce pentru structura proiectată primul mod propriu de vibrații se găsește la regimul de funcționare corespunzător frecvenței de 27.263 Hz. Acest fapt se datorează rigidității mai mari a structurii proiectată.

Al doilea mod propriu de vibrații obținut pe parcursul studiului solicită structura la torsiune și apare în regimul de funcționare corespunzător frecvenței de 25,76 Hz, în timp ce modul propriu care solicită structura proprie la torsiune în jurul axei X apare la frecvența de 28,74 Hz. Și în acest caz, frecvența mare a structurii se datorează unei rigidități mai mari.

Al treilea mod propriu apare în regim de funcționare la o frecventă de 38.67 Hz pentru structura utilizată pe parcursul studiului, pe când structura proiectată este solicitată la o frecvență de 32.86 Hz.

Figura 4.15 Moduri proprii de vibrație analizate în lucrarea ”Modal sensitivity analysis and structural optimization of the cab of light truck”

Rezultatele obținute cu ajutorului programului de analiză modală trebuie să fie validate prin simularea experimentală utilizându-se un model cu aceleași caracteristici constructive. Deoarece nu se dispune de un model fizic și nici de aparatura specializată se va prezenta doar modul de lucru și analiza rezultatelor.

Figura 4.16 Rezemarea structurii pentru realizarea analizei modale

Figura 4.17 Puncte de excitare pe cele trei direcții X, Y, Z

În figura 4.16 este prezentat modul de rezemare al structurii pe suporți. Experimental structura va fi rezemată, iar în calcule, analiza modală a fost realizată fără ca structura sa fie rezemată pentru a putea vibra liber. Eroarea provenită din această este una neglijabilă conform 20.

În figura 4.17 este prezentat modul de colectare al deplasărilor prin montarea unor traductoare de poziție pe cele 3 axe: X, Y, Z. În funcție de deplasările colectate de traductoare este realizat un model conform figurii 4.18.

Figura 4.18 Model realizat conform deplasărilor obținute de la traductoare

Partea finală a studiului constă în compararea rezultatelor obținute în urma analizei modale cu cele obținute experimental. Se calculează astfel eroarea relativă între cele două seturi de rezultate. Conform 20 eroare trebuie sa fie mai mică de 10 %.

Din rezultatele obținute prin analiza modală pentru structura proiectată se poate analiza daca frecvența naturală a funcționării motorului se suprapune cu cea a primului mod propriu de vibrații. Este important ca primul mod propriu de vibrație al structurii sa nu coincidă cu vreun regim de funcționare al unui subansamblu, deoarece frecvențele de excitație se suprapun, astfel va apărea fenomenul de rezonanță.

Conform 20 frecvența de funcționare a motorului la mers încet în gol pentru autocamioane se calculează cu următoarea formulă:

(4.1)

unde n=700 rpm, reprezintă turația de mers încet în gol și m=jumătate din numărul total de cilindrii

Conform 19, pentru evitarea fenomenului de rezonanță, este recomandat sa se optimizeze structura astfel încât frecvența modurilor proprii trebuie sa fie cu cel puțin 2 Hz diferită față de frecvența funcționarii altor surse de vibrații.

Deoarece frecvența de funcționare a motorului are valoarea 35 Hz iar cel mai apropiat mod propriu este caracterizat de o frecvență de 32.9 Hz, structura se consideră optimă din acest punct de vedere, probabilitatea sa intre în rezonanță fiind foarte mică.