Аналитический метод расчета напряженно-деформированного состояния диска колеса грузового автомобиля тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.05.03, кандидат технических наук Груздев, Александр Сергеевич

• Груздев, Александр Сергеевич
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Груздев, Александр Сергеевич

Введение.

Глава 1. Современное состояние вопроса конструирования и расчета автомобильных колес.

1.1. Терминология, классификация колес, их основные параметры и обозначения.

1.2. Анализ конструкций отечественных колес для грузовых автомобилей и тенденции их развития.

1.3. Требования, предъявляемые к автомобильным колесам.

1.4. Анализ публикаций по исследуемой проблеме.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Аналитический метод расчета напряженно-деформированного состояния диска колеса грузового автомобиля»

Одним из главных направлений автомобильной отрасли можно выделить проектирование и производство безопасных транспортных средств, выпуск для них высококачественных комплектующих. Неотъемлемой частью автомобиля является колесо, которое во многом определяет основные технико-эксплуатационные показатели транспортного средства. В этой связи разработка аналитических методов расчета элементов автомобильного колеса позволит при проектировании осуществлять правильный выбор конструктивных параметров, колеса, что обеспечит более эффективную реализацию эксплуатационно-технических характеристик автомобиля, и, учитываяшассовый характер производства колес, представляет несомненную экономическую выгоду для производства.

Как известно, автомобильное колесо? является: соединительным элементом между шиной? и ступицей автомобиля и состоит из двух; основных частей — обода, и диска; Являясь одновременно; элементом ходовой части, трансмиссии; систем управления; колесо влияет на тягово-скоростные, топливно-экономические, тормозные свойства, показатели устойчивости и управляемости, плавности хода и т.д. Это? непосредственно связано с процессом качения- колеса, представляющим собой- комбинацию вращения и поступательного движения, при котором показатели! массы и моментов инерции в первую очередь определяют совершенство, конструкции колеса. А потому меры, направленные на снижение массы колеса и моментов инерции при условии обеспечения надежности и безопасности этого узла автомобиля, принесут ощутимый эффект по улучшению- потребительских качеств автомобиля;.

Вместе с тем; проблема расчета; и научно-обоснованного выбора основных параметров автотракторного колеса остается^ во многом не решенной. Особенно это касается? диска колеса, представляющего собой оболочку, находящуюся под действием комплекса неосесимметричных силовых факторов. Отсутствие симметрии нагрузки и сложность формы тела диска делает расчет его напряженно-деформированного состояния весьма трудоемким, требующим введения всевозможных упрощений в расчетную схему. Оттого большинство печатных изданий на тему расчета колес, в большей степени посвящены исследованию прочности обода колеса.

В настоящее время широкое распространение получили численные методы расчета колес и созданные на их основе компьютерные программы, которые позволяют решать задачи любой сложности и рассчитывать диски всевозможных типов и конфигураций. Однако существенным недостатком таких методов является то, что инженеру достаточно сложно отследить и вычленить влияние того или иного параметра на напряженно-деформированное состояние (НДС)- конструкции в целом. Следовательно, оптимизация геометрических параметров автомобильного колеса, направленная на уменьшение его массы без снижения^ прочности и жесткости, является весьма затруднительной ввиду чрезвычайно большого массива обрабатываемой информации.

Работа состоит из пяти глав и приложения: В первой главе содержатся понятия и определения; классификация колес, их основные параметры и требования, предъявляемые1 к автомобильным колесам. Проведен анализ публикаций, посвященных проблеме расчета колеса, и его элементов. На основе изложенного материала сформулированы цель и задачи отдельных этапов работы.

Во второй главе анализируются нагрузочные режимы колеса, выявляются внешние силовые факторы, определяющие прочность диска колеса.

В третьей главе изложено аналитическое решение определения напряженно-деформированного состояния диска автомобильного колеса. Предложен алгоритм расчета стального штампованного автомобильного диска и на конкретном примере аналитически* определены эквивалентные напряжения м диске 5,51x16Н2 с использованием различных расчетных схем.

В четвертой главе содержится описание метода конечных элементов, изложена последовательность определения напряжений с помощью программного комплекса А№У8 10.0 на примере колеса 5,51х16Н2. Полученные результаты имеют достаточно хорошую сходимость с результатами аналитического расчета, не превышающая 15%.

В пятой главе описана разработанная с участием автора экспериментальная установка для проведения стендовых испытаний колеса 5,51x16Н2 при совместном действии осевой и радиальной сил, приведена подробная методика испытаний с оценкой точности эксперимента. Результаты эксперимента подтвердили эффективность использования предлагаемого аналитического метода для определения прочностных свойств дисков автомобильных колес.

Работа завершается основными выводами по работе, в которых обобщены результаты проведенного исследования, даны рекомендации об использовании инженерного метода расчета в практике проектирования автомобильных колес.

Заключение диссертации по теме «Колесные и гусеничные машины», Груздев, Александр Сергеевич

Основные результаты и выводы

1. В результате изучения современных конструкций автомобильных колес и их аналитических и численных методов расчета было принято решение расчет диска стального колеса сосредоточить на аналитическом методе как наиболее приемлемом с точки зрения простоты расчетной процедуры, а также имеющихся аналитических разработок, в частности расчетная модель профессора Балабина И.В., которая позволяет обеспечить возможность направленного поиска наиболее рациональной конструкции элементов автомобильного колеса, чего не обеспечивает метод конечных элементов.

2. Решена задача аналитического исследования НДС различных конструкций дисков автомобильных колес, применяемых в современном автотракторном колесостроении: плоской в виде пластины, конической, сферической и составной оболочек вращения.

3. Результаты численного анализа с применением метода конечного элемента и аналитического метода в целом дают качественно идентичные результаты. Максимальные напряжения действуют около зоны перехода соединения ступицы автомобиля с диском колеса и составляют порядка 144 МПа и 123 МПа при численном и аналитическом методах расчета соответственно. Большое расхождение обнаруживается только в переходной зоне образующей поверхности диска колеса на величину около 40 МПа, что является следствием стыковки зон диска колеса при аналитическом расчете. Это расхождение представляет чисто академический интерес и никак не сказывается на результатах расчета наиболее нагруженных и определяющих несущую способность зонах диска.

4. С помощью численного метода были установлен характер распределения напряжений вокруг вентиляционного отверстия, величина которых не превосходила 116 МПа, что позволяет говорить об отсутствии концентрации напряжений вокруг вентиляционных отверстий, а, следовательно, при аналитическом решении правомерно уменьшение жесткости конструкции диска учитывать по схеме «размазывания», тем самым, значительно упрощая расчетные процедуры.

5. При экспериментальном исследовании НДС диска колеса в условиях радиального и осевого нагружения с помощью специально разработанной лабораторной установки максимальные напряжения равны 109 МПа и действуют в зоны перехода соединения ступицы автомобиля с диском колеса. Это подтверждает результаты аналитического расчета НДС диска колеса, применяемого на автомобилях семейства «Газель». Наибольшее расхождение составило не более 15%, что дает основание рекомендовать разработанный метод для практического применения при расчете и проектировании дисков автомобильных колес.

6. Результаты аналитического расчета позволяют выработать рекомендации для использования в практике конструирования колес под различную нагрузку с выбором толщины и учетом площади (количества) вентиляционных отверстий в диске. Установлено, что форма диска существенным образом влияет на уровень напряжений в диске колеса. Как показывают материалы исследования, максимальные напряжения для диска колеса 5,5хЛ6 в виде конической поверхности составляют 47МПа, сферической поверхности - 75МПа, составной оболочки из двух сферических поверхностей - 195МПа. Как видно, большие преимущества в виде рациональных эксплуатационных качеств и снижения материальных затрат дает диск конической формы, который является более прочным и жестким по сравнению с другими конфигурациями, позволяя при прочих равных условиях обходиться меньшей толщиной заготовки диска. Однако применение таких дисков ограничено из-за габаритных ограничений ступичного узла большинства современных автомобилей, заставляя прибегать к проектированию диска сферической формы или с еще более сложной образующей, что, естественно, сказывается на напряженности диска в худшую сторону и является следствием компромисса при компоновке колесного узла.

7. Используя разработанный метод, можно определить наиболее рациональный вариант конструкции диска колеса и его параметров с учетом действующей нагрузки и особенностей конструктивного исполнения колесного узла. В результате исследования было установлено, что при величине допускаемого нормального напряжения применяемого материала равной 200МПа толщину рассчитываемого диска колеса 5,5Jxl6H2 представляется возможным уменьшить с 7 мм до 5,5 мм с последующей проверкой на усталость. Указанное уменьшение толщины позволит сэкономить около 1 кг стали с каждого диска колеса или с каждой партии в 1 ООО ООО выпущенных колес экономия составит 1000 тонн металлопроката. При этом если количество вентиляционных отверстий с имеющихся на рассчитываемом колесе 5,5Jxl6H2 шести уменьшить до четырех, то можно получить дополнительный запас прочности этого ответственного узла автомобиля.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Груздев, Александр Сергеевич, 2010 год

1. Автотракторные колеса. Справочник / Под общ. ред. Балабина И.В. - М., Машиностроение, 1985. - 272 с.

2. Антонов Д.А. Теория устойчивости движения многоосных автомобилей. -М.: Машиностроение, 1978. 216с.

3. Балабин И.В. Аналитическое определение напряженно-деформированного состояния дисков колес // Тракторы и сельскохозяйственные машины. 2002. - №3 С. 18-20.

4. Балабин И.В. Научные основы расчета и оптимального проектирования колес автомобильного подвижного состава//Всесоюзное научно-техническое совещание «Динамика и прочность автомобиля»: Тез. докл.-М.,-1984.- С. 13.

5. Балабин И.В. О влиянии массы колеса на рабочие процессы автомобиля//Безопасность и надежность автомобилей. М.: МАМИ, 1980. -С. 130-138.

6. Балабин И.В. Расчет и оптимизация материалоемкости элементов конструкции колес автомобильного подвижного состава//Всесоюзное научно-техническое совещание «Динамика и прочность автомобиля»: Тез. докл. -М.,-1984.-С. 21.

7. Балабин И.В. Расчет напряженно-деформированного состояния диска автомобильного колеса // Автомобильная промышленность. — 2001. №6. - С. 18-19.

8. Балабин И.В. Формирование нагрузочных режимов и расчет напряженно-деформированного состояния элементов конструкции колес автомобилей общего назначения: Дис. д-ра. техн. наук. М., 1985. - 416 с.

9. Балабин И.В., Бондарь B.C., Сухомлинов Л.Г. Расчет напряженного состояния ободьев колес автомобилей при осесимметричном нагружении // Труды НАМИ, 1983. с. 24-43.

10. Балабин ИЖ, Зорин В.В., Борисов* Г.Г. Исследование влияния- сил,действующих на колесо автомобиля//Автомобильная промышленность. -1975.-№2.-С. 13-15.

11. Балабин И.В., Зубарев H.A. Исследование силового взаимодействия широкопрофильной шины с ободом // Автомобильная промышленность. -1964.-№6.-С. 16-20.

12. Балабин И.В., Кнороз A.B. Исследование характеристик расхода топлива при установившемся криволинейном движении автомобиля//Автомобильная промышленность. 1980. - №2. - С. 17-19.

13. Балабин И.В., Кнороз A.B. О влиянии дисбаланса на колебания управляемых колес и нагруженность деталей рулевого привода автомобиля с неразрезной передней осью//Автомобильная промышленность. 1975. -№10.-С. 16-18.

14. Балабин И.В., Путин В.А. Автомобильные и тракторные колеса. -Челябинск: Книжное издательство, 1963. 335 с.

15. Балабин И.В., Путин В.А. К вопросу рациональной конструкции крепления дисковых колес грузовых автомобилей. // Автомобильная промышленность. 1963. - №3. - С.24-27

16. Батрак Н.И., Демьянушко И.В., Никитин СВ. Исследование напряженности и долговечности автомобильных колес//Второе Всесоюзное научно-техническое совещание «Динамика и прочность автомобиля»: Тез. докл.-М.,- 1986. -С. 31-32.

17. Беляков Г.И. Исследование работы автомобильного колеса: Дис. канд-а. техн. наук. М., 1975. - 226 с.

18. Беляков Г.И., Цукерберг С.М. Исследование напряженного состояния диска автомобильного колеса в различных эксплуатационных режимах на уменьшенной модели // Экспресс-информация. Конструкция автомобиля. НИИНавтопром. М., 1974, №1, с 18-25

19. Бояршинов СВ. Основы строительной механики машин. М.: Машиностроение, 1973. - 456 с.

20. Бюссиен Р. Автомобильный справочник шасси. М.: Авиаавтоиздат, 1933.-378 с.

21. Вирабов Р.В. Качение упругого колеса по жесткому основанию//Известия ВУЗов. 1967. - №4. - 78-84.

22. Вирабов Р.В. Определение работы трения в контакте при качении колеса с пневматической шиной по жесткому основанию//Автомобильная промышленность.- 1975.-№7.-С. 16-18.

23. Власов В.З. Общая теория оболочек. // М.: Г.И.Т.-Т.Л., 1949.

24. Галлагер Р. Метод конечных элементов. Основы: Пре., С англ. // М.: Мир, 1984.-428 с.

25. ГОСТ 17697-72. Автомобили. Качение колеса. Термины и определения.-М., 1977.-24 с.

26. ГОСТ 5513-75. Шины пневматические для грузовых автомобилей, автоприцепов, автобусов и троллейбусов. М., 1976. - 24с.

27. Грибанов В.Ф., Крохин И.А., Паничкин Н.Г., Санников В.М., Фомичев Ю.И. Прочность, устойчивость и колебания термонапряженных оболочечных конструкций. М.: Машиностроение, 1990. - 368 с.

28. Григолюк Э.И., Фролов А.И., Балабин И.В., Бондарь В.С, Зорин В.В., Сухомлинов Л.Г. О напряженном состоянии дисковых колес грузовых автомобилей при неосесимметричном нагружении//Автомобильная промышленнось. 1982. - №9. - С. 21-23.

29. Григолюк Э.И., Фролов А.Н., Балабин И.В., Бондарь В.С, Зорин В.В., Сухомлинов Л.Г. Исследование осесимметричного/напряженного состояния колес грузовых автомобилей/У Автомобильная промышленность. 1981. -№11.-С. 27-28.

30. Демьянушко, И.В., Есеновский-Лашков Ю.К., Вахромеев A.M. Литые алюминиевые колеса для легковых автомобилей: проектирование, изготовление, контроль качества//Автомобильная промышленность. 2002.-№9-С. 29-31.

31. Демьянушко И.В. Информационные технологии и создание автомобильных конструкций//Автомобильная промышленность. 2003.- №9 -С. 3-5.

32. Демьянушко И.В. Моделирование процесса ударного нагружения колес автомобиля//Мос. гос. автомоб.-дор. ин-т. М. - 1996. - С. 28-37.

33. Демьянушко И.В. От эскиза до металла // Автомобильная промышленность. 1997. - №7. С. 9-10.I

34. Ечеистов Ю.А. Качение' автомобильного колеса по твердойдороге//Автомобильная промышленность. 1963. №3. - С. 30-31.

35. Зенкевич О. Метод конечных элементов. М.: Мир, 1975. - 539 с.49.3убарев H.A. Исследование прочности колес для бескамерных шин// Труды НАМИ. 1960. - вып. 22. - С. 16.

36. Зубарев H.A., Балабин И.В. Исследование прочности колес автомобилей ЗиЛ-150 и ЗиЛ-164//Автомобильная промышленность. 1959.-№8.-С. 10-13.

37. Казей С.И. Теория расчета сферической пологой оболочки на моментное нагружение жесткого центра //Прикладные задачи строительной механики. Сборник статей. РГОТУПС. М.:2005г. С. 34-43.

38. Казей С.И., Казей И.С. Пример практического расчета на основе точного решения, элемента колеса, выполненного в виде пологой сферической оболочки. // Прикладные задачи строительной механики. Сборник статей. РГОТУПС. М.:2005г. С. 50-58.

39. Каплун А.Б., Морозов Е.М., Олферьева М.А. ANSYS в руках инженера: Практическое руководство. М.: Едиториал УРСС, 2003. - 272 с.

40. Карташов Н.С. Прочность и долговечность дисков колес из перспективных материалов современных легковых автомобилей и мотоциклов: Дис. канд. техн. наук: 05.05.03: Москва, 2004, 182 с.

41. Кнороз В.И. Автомобильные колеса. М.: НИИНавтопром, 1972.- 84 с.

42. Кнороз В.И. Исследование рабочего процесса шин и колес и влияния их на топливную экономичность и проходимость автомобиля: Дис.д-ра техн. наук.-М., 1974.-400 с.

43. Кнороз В.И., Кленников Е.В. Шины и колеса. М.: Машиностроение, 1975.-184 с.

44. Когаев В.П., Махутов H.A., Гусенков А.П. Расчеты деталей машин и конструкций на прочность и долговечность. М.: Машиностроение, 1985.223 с.

45. Корнев М.В., Батурин А.И. Оценка НДС двухкомпонентного алюминиевого колеса//Технол. легк. сплавов. 2000. - №3. - С. 31-36.

46. Крылов О.В. Метод конечных элементов и его применение в инженерных расчетах

47. Литвинов A.C. Управляемость и устойчивость автомобиля. М.: Машиностроение, 1971. - 416 с.

48. Литвинов А.С, Роттенберг Р.В., Фрумкин А.К. Шасси автомобиля. -М.:Машгиз, 1963.-503 с.

49. Львовский E.H. Статистические методы построения эмпирических формул. М.: Высш.школа, 1982. — 224 с.

50. Немтинов М.Д., Глинка A.A. Развитие конструкций автомобильных колес//Автомобильная промышленность. 1983. -№8. - С. 12-14.

51. Новицкий П.В., Зограф И.А. Оценка погрешностей результатов измерений. Л.: Энергоатомиздат, 1991. - 304 с.

52. Новожилов В.В. Основы нелинейной теории упругости. М., Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1948. -212 с.

53. Новожилов В.В. Теория тонких оболочек. Л.: Судостроение, 1962. - 324 с.

54. Новожилов В.В., Черных К.Ф., Михайловский Е.И. Линейная теория тонких оболочек. Л.: Политехника, 1991. - 656 с.

55. ОСТ 37.001.404-97 Колеса стальные для пневматических шин. Методы испытаний.- М., 1997. 12 с.

56. Певзнер Я.М Теория устойчивости автомобиля. М.: Машгиз, 1947.156с.

57. Пономарев С.Д. и др. Расчеты на прочность в машиностроении. М.: Машгиз, 1958. -т1.

58. Прочность. Устойчивость. Колебания. Под общ. ред. Биргера И.А., Пановко Я.Г. М.: Машиностроение, 1968. - Т.1.-831 с.

59. Прочность. Устойчивость. Колебания. Под общ. ред. Биргера И.А., Пановко Я.Г. М.: Машиностроение, 1968. - Т.2.-464 с.

60. Пугачев B.C. Теория вероятностей и математическая статистика. М.: Наука, 1979.-496 с.

61. Раймпель И. Шасси автомобиля. Амортизаторы, шины и колеса. М.: Машиностроение, 1986.- 317 с.

62. Савельев Г.В. Автомобильные колеса. М.: Машиностроение, 1983. -51с.

63. Смирнов Г.А. Теория движения колесных машин. М.: Машиностроение, 1981.-271 с.

64. Сорокин М.Г. Концепция развития автомобильной промышленности России//Автомобильная промышленность. 2002. - №7. - С. 1-5.

65. Тимошенко СП. Пластинки и оболочки. М. - JL: Гостехиздат, 1948. - 460 с.

66. Туричин A.M. Электрические измерения неэлектрических величин. -Л.: Госэнергоиздат, 1959. 686 с.

67. Фалькевич Б.С. Теория автомобиля. М.: Машгиз, 1963. - 239 с.

68. Хельдт П. Шасси автомобиля. М.: Государствен. Транспортное изд-во, 1934.-504 с.

69. Черных К.Ф. Линейная теория оболочек. 4.1. Изд. ЛГУ. 1962

70. Черных К.Ф. Линейная теория оболочек. 4.2. Изд. ЛГУ. 1962

71. Чудаков Е.А. Качение автомобильного колеса//Труды автомобильной лаборатории института машиноведения АН СССР. 1948. - вып. 9. - С. 127.

72. Чудаков Е.А. Теория автомобиля. М.: Машгиз, 1950. - 344 с.

73. Arldt Н. Festignetsprobleme an Felgen und Fahrzeugradern//ATZ. 1959. -№4.-C. 103-107

74. Fosberry R.A.C. Investigation of Stresses in public service vehicle tyre wheels// The Institution of Mechanical Engineers, Automobile division Proceedings (London). pt. 3. - 1952-1953. - C.91-100.

75. Ishihara Korchiro, Kawashima Hisakazu. Исследование усталостной прочности колес//Тгапзасйоп Japan Society of Mechanical Engineers. 1989. -№513.-C 1254-1258.

76. Konishi Hamyuki, Fujiwara Akidumi, Katsura Toshiro, Nakata Mamory. Оценка ударной прочности алюминиевых колес//КоЬе Steel Repjrt. 1997. -№2.-С. 25-28.

77. Morita Yoshiyasu, Ishihara Korchiro, Kawashima Hisakazu, Kamatsu Hideo. Анализ напряжений в автомобильном колесе с помощью MK3//Sumitomo Metals. 1987. - №3. - С. 245-263.

78. Morita Yoshiyasu, Kawashima Hisakazu, Ishihara Korchiro. Исследование прочности o6oflbeB//Sumitomo Search. 1989. - №39. - C. 27-32.

79. Ridha R.A. Finite element stress analysis of automotive wheels//SAE Preprint. 760085. - 1976. - С 1-8.

80. Rode Karl. Оптимизация конструкции колеса// Automobile tech. 1993. -№7.-C. 350-353.

81. Zhao Zhen-wei, Wang Buo и др. Совершенствование конструкции колес с применением конечно-элементного анализа//МасЬ. Des. and Manuf. 2000. -№5. - С. 27-28.