Конструкция рам

Лонжеронные рамы состоят из двух продольных балок специального профиля (лонжеронов), поперечин и местных усилителей (там, где это требуется).

Лонжероны изготавливаются штамповкой из листовой стали и обычно имеют профиль поперечного сечения в виде швеллера с отношением высоты поперечного сечения к ширине полки = 2,8-3,5. Полки швеллера обращены внутрь. Толщина листовой стали, идущей на изготовление лонжеронов, δ = 5 – 10 мм. В качестве материалов выбираются низкоуглеродистые, хорошо штампуемые в холодном состоянии стали 15, 20, 25 и 25 кп. Иногда применяются титанистые стали 30Т (автомобили Зил), позволяющие благодаря их более высоким механически свойствам несколько снизить (на 15-20 %) вес рамы.

В соответствии с характером нагружения рамы для двухосных автомобилей наибольшее сечение лонжерона находится в средней части рамы, а к краям оно уменьшается. Это обеспечивает изгибную равнопрочность лонжерона, способствует уменьшению веса рамы и облегчает более удобную установку передних и задних рессор. Кроме того, такая конструкция лонжерона по длине дает возможность снизить высоту центра тяжести автомобиля.

Сечение лонжеронов трехосных многоцелевых и народнохозяйственных автомобилей (Зил-131, Урал-4320, КамАЗ-4310 и КрАЗ-255Б и др.) в задней части такое же, как и в средней, поскольку 70 % нагрузки падает на заднюю тележку.

Для некоторых армейских автомобилей КрАЗ-255Б применяются не штампованные, а прокатные профили из малоуглеродистых низколегированных сталей типа 14ХСНД; 19ХГС и др.

Материал прокатных профилей имеет более высокие механические характеристики, чем листовая сталь. Однако вес рам из прокатных профилей выше, так как лонжероны имеют в этом случае по всей длине равное сечение.

По форме в плане лонжеронные рамы могут быть прямоугольные с параллельными лонжеронами и постоянной шириной полки (автомобили Зил-131, Урал-4320, КрАЗ-255Б), прямоугольные с параллельными лонжеронами и сужающимися к передней части полки.

Габаритные размеры лонжеронных рам определяются исходя из заданных габаритных размеров автомобиля.

 

Хребтовые рамы имеют одну центральную несущую балку обычно трубчатого сечения. Такой тип рам получил применение на чехословацких автомобилях «Татра».

Хребтовые рамы при высокой изгибной прочности в отличие от лонжеронных рам хорошо сопротивляются деформациям кручения и поэтому наиболее пригодны для установки на полноприводных (особенно многоосных) автомобилях, предназначенных к эксплуатации в тяжелых дорожных условиях.

К числу недостатков хребтовых рам относятся:

трудность доступа к механизмам силовой передачи при обслуживании и ремонте; при замене деталей силовой передачи и регулировках необходима частичная, а иногда и полная разборка несущей системы;

необходимость использования высококачественных хромистых, хромомолибденовых и других легированных сталей для изготовления картеров и соединительных патрубков;

повышенная конструктивная сложность силовой передачи и ходовой части и более жесткие требования к точности изготовления и сборке.

Расчет рамы является в значительной мере приближенным и всегда дополняется данными натурных или модельных испытаний.

В существующей практике используются два дополняющих друг друга видов расчетов:

расчет на изгиб от вертикальной нагрузки с учетом возможного дополнительного нагружения;

расчет на кручение, возникающее при форсировании автомобилями кюветов, канав, рвов и других препятствий.

Действием продольных нагрузок, возникающих от веса смонтированных на раме агрегатов при неравномерном движении (торможении, разгоне), пренебрегают.

Не учитываются в расчетах также различные реактивные (тормозные, от картеров силовой передачи, рулевого механизма) моменты, воспринимаемые рамой.

Расчет рамы на изгиб. Расчет на изгиб сводится к расчету главного несущего элемента – лонжеронов. Каждый лонжерон рассчитывается на половину всей приходящейся на раму нагрузки, при этом упрочняющее действие поперечин не учитывается.

В основу расчета кладутся статические веса смонтированных на раме агрегатов и механизмов. Динамические нагрузки учитываются введением в расчетные формулы эмпирических коэффициентов динамичности.

Лонжероны рассчитываются в следующем порядке:

в определенном масштабе на листе бумаги откладывается длина рассчитываемого лонжерона;

отмечаются от какого-либо одного из концов лонжерона продольные координаты нагрузок от сил веса агрегатов, смонтированных на раме, кабины и кузова (указанные на рисунке силы означают):

 

Рис.6.1. Схема для расчета лонжеронной рамы на изгиб

Р₁ – вес радиаторов;

Р₂ – вес, приходящийся на переднюю опору двигателя;

Р₃ – вес механизмов управления;

Р₄ – вес, приходящийся на заднюю опору двигателя;

Р₅ – вес кабины;

Р₆ – вес раздаточной коробки;

Р₇ – вес запасного колеса;

Р₈ – вес топливных баков).

Силы веса агрегатов условно принимаются приложенными в центре тяжести, а вес кузова с находящейся в нем нагрузкой – равномерно распределенным по длине грузовой платформы;

отмечаются на рассчитываемом лонжероне положение вертикальных реакций опор рессор;

определяются значения опорных реакций рессор Т;

подсчитываются изгибающие моменты М_х и строится эпюра изгибающих моментов. При этом:

М_хi = М_i-1 + Q_i-1 · Δℓ ,

где: М_хi – изгибающий момент в рассчитываемом сечении;

М_i-1 и Q_i-1 - изгибающий момент и перерезывающая сила в

предыдущем сечении, значения которых уже известны;

Δℓ - расстояние между i – м и i – 1-м сечениями;

 

по найденным значениям М_хi и известным значениям моментов сопротивления изгибу W_хi подсчитываются напряжения изгибу в xi-м сечении:

σ =

При расчетах используется таблица «Геометрические и секториальные характеристики сечений основных форм, применяемых при конструировании рам»;

полученные расчетные напряжения сравниваются с допускаемыми для аналогичных рам.

Статический расчет трубы хребтовой рамы аналогичен приведенному.

Примерный вид эпюры изгибающих моментов применительно к рамам автомобилей многоцелевого назначения (6х6) мы видим на рисунке. Эпюра имеет две характерные точки, в которых моменты достигают наибольшей величины: точку А, соответствующую сечению у переднего конца грузовой платформы, и точку Б, относящуюся к сечению, где заделана в раме ось балансира задней подвески (у двухосных автомобилей – у задней опоры задней рессоры).

Наличие значительного свеса ℓ_о (консоли) рамы у трехосных автомобилей с балансирной задней подвеской приводит к появлению в раме опасных отрицательных изгибающих моментов.

В опасных сечениях расчетные напряжения σ достигают ± 350-650 кгсм² (меньшие значения для более легких автомобилей).

Величина допускаемых напряжений с учетом возможного кратковременного динамического нагружения в первом приближении может быть подсчитана по формуле:

[ σ ] ,

где: [ σ ] = [450630] кг/см²

σ_s – предел текучести материала лонжерона, равной 2500-3500 кг/см²;

R_д – коэффициент запаса на динамическую нагрузку, равный 2,5-2,7.

В реальных условиях поломки лонжеронов происходят не обязательно в точках А и Б наибольших статических напряжений. На прочность рам большое влияние оказывают концентраторы напряжений, какими являются отверстия под заклепки (или болты) для крепления кронштейнов, вырезы в лонжеронах, места окончания усилителей. Именно в районе концентраторов напряжений нередко появляются всевозможные трещины.