Расчет прочности силовых конструкций ТС

Материал подготовлен экспертами Испытательной лаборатории "УСЛУГИ-АВТО" Аттестат аккредитации RA.RU.21АК44

• Процедура переоборудования в ВАИ
• Процедура переоборудования в ГИБДД
• Расценки по экспертизе
• Наши работы

ЭКСПЕРТНАЯ ОЦЕНКА ПРОЧНОСТИ РАМ ГРУЗОВЫХ АВТОМОБИЛЕЙ СЕМЕЙСТВА ГАЗ-3302 С УДЛИНЕННОЙ КОЛЕСНОЙ БАЗОЙ И ЗАДНИМ СВЕСОМ.

Удлинение рам грузовых автомобилей очень распространенное переоборудование. Особенно популярным за последние несколько лет стало переоборудование автомобилей производства группы "ГАЗ" семейства Газель. Чтобы определить как удлинение снижает прочность рамы и до какого разумного размера ее все таки допустимо удлинять был произведен расчет. 

1. Объект экспертной оценки. 
Грузовые автомобили класса N1 семейства ГАЗ-3302, в которые вводятся изменения в конструкцию путем удлинения колесной базы и заднего свеса без изменения разрешенной полной массы и распределения нагрузки на оси базового автомобиля. Диапазон изменения колесных баз: 3500 мм, 4100 мм, 4200 мм, 4570 мм, 5250 мм. Цель экспертной оценки – техническая экспертиза конструкции транспортного средства.

2. Требования нормативных документов и производителей автомобилей к возможности удлинения колесной базы и заднего свеса.

Большинство производителей грузовых автомобилей класса N1 не требуют специального разрешения на изменение колесной базы и заднего свеса при выполнении следующих требований:
-запрещается увеличение нагрузки на оси и изменение распределения нагрузки на оси сверх разрешенных нормативными документами и производителем. 
-при переоборудование рамы автомобиля применяемые материалы и профили должны быть не хуже по качеству прочностным характеристикам материалов и профилей, применяемых в рамах базовых серийных автомобилей.
-сварные работы приводят к ухудшению характеристик материалов. 

Следовательно, при проверке напряжений в зонах, подвергнутых сварке, необходимо учитывать снижение показателей прочности примерно на 15 %.
Запрещается сверлить отверстия в полках лонжеронов несущей рамы автомобиля. Новые отверстия не должны сверлиться в зонах повышенного напряжения (таких как опоры рессор), а также в местах изменения сечений лонжеронов. Диаметр отверстий должен быть пропорционален толщине стали лонжерона и не должен превышать 13 мм. Расстояние от центра отверстия до края лонжерона не должно быть менее 30 мм. Центры отверстий не должны располагаться на расстоянии менее 30 мм друг от друга или по отношения к существующим отверстиям. Отверстия должны располагаться в шахматном порядке.

Необходимо использовать соединения аналогичные по типу и классу прочности креплениям рамы базового серийного автомобиля. Болты и заклепки должны быть упрочненными и закаленными, гайки – самостопорящиеся. Болтовые соединения должны затягиваться установленным моментом затяжки.
При удлинении разрезы на лонжеронах не допускаются в зонах, где изменяется форма и ширина профиля, или в местах высокой концентрации напряжений (например, кронштейны рессор, силовые поперечины). Разрезы не должны производиться через имеющиеся в лонжероне отверстия.
При удлинении колесной базы лонжерон-удлинитель должен иметь момент сопротивления сечения не ниже величины для лонжерона базовой серийной рамы, с ближайшей колесной базой.

Стык основного лонжерона и лонжерона-удлинителя должен быть усилен укрепляющим профилем, имеющим характеристики аналогичные стали, использованной для базовой рамы. Укрепляющий профиль должен крепиться только к вертикальной стенке лонжерона с использованием сварочных швов, точечной сварки, болтов и заклепок. Сечение и длина сварных швов, а также число и расположение болтов и заклепок должны быть достаточными для передачи изгибающего момента. 
Все добавляемые детали рамы должны быть защищены от коррозии.

Удлинение колесной базы должно производиться на серийно выпускаемом автомобиле с колесной базой, длина которой ближе всего к требующемуся новому размеру колесной базы. 
Величина усилий в раме с удлинённой базой не должна превышать допустимых, принятых производителем для серийного базового образца, при допущении, что нагрузка равномерно распределена, а рама рассматривается в качестве балки на двух опорах. 
Необходимо использовать дополнительные силовые поперечные балки при удлинении базы более чем на 600 мм. Как правило, расстояние между двумя силовыми поперечными балками не должно быть более 1000…1200 мм и менее 600 мм.

При удлинении заднего свеса необходимо помнить о том, что подобное изменение конструкции приводит к уменьшению нагрузки на переднюю ось. Необходимо контролировать выполнение норматива, регламентирующего нагрузку на переднюю ось не менее 25 % от полной массы автомобиля для категории N1.
При перемещении задней поперечной балки необходимо использовать соединения аналогичные с исходным (т.е. число болтов (заклепок), размеры, класс прочности).
Требования к соединению удлинителя заднего свеса с основным лонжероном, аналогичные требованиям удлинения базы.
При значительном удлинении заднего свеса необходима установка дополнительной силовой поперечной балки, если расстояние между поперечинами больше 1200 мм.

3. Оценка прочности рамы.
В качестве базовой, выбрана рама серийно выпускаемого сертифицированного автомобиля ГАЗ-330202, имеющего максимальную колесную базу 3500 мм, полную массу 3500 кг (1290 кг на переднюю ось, 2210 кг на заднюю ось). Габаритные размеры автомобиля приведены на 
Рис. 1.

габариты транспортного средства

На основании сертифицированного базового автомобиля, любые изменения базы автомобилей семейства ГАЗ-3302 до значения 3500 мм при выполнении требований п. 2 можно считать соответствующими нормам прочности, принятым в отечественном автомобилестроении.
Оценку прочности рам с заданным диапазонам колесных баз произведем, как статический расчет лонжерона в виде балки постоянного сечения на двух опорах, принятый при конструировании рам грузовых автомобилей. Сечение лонжерона и удлинителя – швеллер гнутый равнополочный 170х70х6 мм, соответствующий профилю лонжерона в середине колесной базы автомобиля ГАЗ-3302. Материал лонжерона – сталь с пределом текучести 250 Мпа.
Балка нагружается сосредоточенными и распределенными по длине силами, соответствующими подрессоренным массам установленных на раме агрегатов, кабины, платформы, экипажа и груза до значения нагрузок на оси от полной массы за вычетом неподрессоренных масс. Опоры балки соответствуют центрам колес автомобиля. Расчетная схема показана на 
Рис.2.

Рис 2 расчетная схема при расчете на прочность

Расчет производится в соответствии с известными правилами теории сопротивления материалов. В результате вычисляются максимальные нормальные напряжения и коэффициент запаса прочности.
Эпюра напряжений лонжерона рамы базового автомобиля ГАЗ-330202 с колесной базой 3500 мм показана на Рис.3. Максимальные напряжения – 34 Мпа, коэффициент запаса прочности – 7.
Рис 3

Рис 3 Эпюра напряжений лонжерона рамы колесная база 3500 мм

Эпюра напряжений лонжерона рамы автомобиля с колесной базой 4100 мм показана на Рис.4. Максимальные напряжения – 49,5 Мпа, коэффициент запаса прочности – 5.
Рис 4

Рис 4 Эпюра напряжений лонжерона рамы колесная база 4100 мм

Эпюра напряжений лонжерона рамы автомобиля с колесной базой 4200 мм показана на Рис.5. Максимальные напряжения – 51,8 Мпа, коэффициент запаса прочности – 4.8.
Рис 5

Рис 5 Эпюра напряжений лонжерона рамы колесная база 4200 мм

Эпюра напряжений лонжерона рамы автомобиля с колесной базой 4570 мм показана на Рис.6. Максимальные напряжения – 60 Мпа, коэффициент запаса прочности – 4.2.
Рис 6

Рис 6 Эпюра напряжений лонжерона рамы колесная база 4570 мм

Эпюра напряжений лонжерона рамы автомобиля с колесной базой 5250 мм показана на Рис.7. Максимальные напряжения – 76,5 Мпа, коэффициент запаса прочности – 3.3.
Рис 7

Рис 7 Эпюра напряжений лонжерона рамы колесная база 5250 мм

Расчет рам с удлиненной базой колес производился без удлинения заднего свеса автомобиля ГАЗ-320202. С точки зрения сопротивления материалов задний свес лонжерона рамы является консольной балкой с равнораспределенной по длине нагрузкой. Удлинение заднего свеса приводит к перераспределению реакций опор (нагрузок на оси), как указывалось выше, следовательно, к переопределению напряжений по длине рамы. Но, при этом, коэффициент запаса прочности не ухудшается. Для подтверждения этого вывода на Рис.8 показана эпюра напряжений лонжерона рамы с колесной базой 5250 мм и задним свесом, удлиненным на 700 мм.

Рис 8

Рис 8 Эпюра напряжений лонжерона рамы колесная база 5250 мм задний свес 700 мм

Расчет на прочность рамы при удлинении только заднего свеса следует выполнять только при увеличении заднего свеса более чем на 60 % от колесной базы, или при установке в заднем свесе сосредоточенного груза (например, крана-манипулятора или тяжелого грузоподъемного борта).

4. Заключение о возможности внесения изменений в конструкцию.
Проведенная экспертная оценка прочности рам грузовых автомобилей семейства ГАЗ-3302 с удлинённой колесной базой (в диапазоне: 3500 мм, 4100 мм, 4200 мм, 4570 мм, 5250 мм) и удлиненным задним свесом соответствуют нормам прочности, принятым в отечественном автомобилестроении (коэффициент запаса прочности не менее 3 для грузовых автомобилей категории N1 при эксплуатации по дорогам I-IV категории с твердым покрытием).
На основании изложенного, при выполнении требований п.2, на переоборудованный аналогичным образом автомобиль может быть выдано положительное заключение (протокол) в отношении прочности конструкции.