Особенности расчета потенциальной энергии удара автобуса при опрокидывании в сфере транспортного машиностроения

УДК 656.1

ОСОБЕННОСТИ РАСЧЕТА ПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ЭНЕРГИИ УДАРА АВТОБУСА ПРИ ОПРОКИДЫВАНИИ В СФЕРЕ ТРАНСПОРТНОГО МАШИНОСТРОЕНИЯ

© 2010 г. Б.Ю. Калмыков, НА. Овчинников, О.М. Калмыкова

Южно-Российский государственный университет South-Russian State University

экономики и сервиса, г. Шахты of the Economy and Service, Shahty

Предлагается метод расчета потенциальной энергии удара автобуса при опрокидывании. Метод может быть использован в транспортном машиностроении при определении деформации конструкции кузова автобуса.

Ключевые слова: автотранспортное средство; автобус; энергия; опрокидывание; прочность кузова.

In the article the method of calculation of the potential energy of the blow of a bus overturning is described. The method is used in transport mechanical engineering when defining the deformation of bus body.

Keywords: vehicle; bus; energy; overturning; durability of body.

Транспортное машиностроение является одной из важных отраслей машиностроительного комплекса Российской Федерации. Выделение из всего машиностроительного комплекса его транспортной подотрасли произведено на основе отраслевой классификации, применяемой в зарубежных статистических и профессиональных источниках. Согласно этой классификации, в машиностроительном комплексе выделяются четыре основные подотрасли - общее машиностроение, электронное и электротехническое машиностроение, транспортное машиностроение и металлообработка. Подотраслью современного транспортного машиностроения является автомобилестроение, особое место в которой занимает производство автотранспортных средств (АТС), доля которых в структуре производства всей автомобильной техники наиболее высока.

При эксплуатации АТС необходимо определить эксплуатационный ресурс, т.е. наработку до его капитального ремонта. Для расчета этого ресурса необходимо скорректировать значение пробега АТС до капитального ремонта, указанное заводом-изготовителем с точки зрения безотказности работы агрегатов и узлов АТС.

В «Техническом регламенте о безопасности колесных транспортных средств» [1] указано, что конструкция транспортного средства с учетом его категории и назначения обеспечивает минимизацию травмирующих воздействий на находящихся в транспортном средстве людей и возможность их эвакуации после дорожно-транспортного происшествия. Кроме того конструкция транспортных средств категорий М2, М3 (автобусы) обеспечивает соблюдение специальных требований к безопасности пассажирских транспортных средств большой вместимости.

Однако существующие методы определения наработки АТС до капитального ремонта решают задачу

только по расчету максимального срока эксплуатации АТС без отказа его агрегатов. Следовательно, для удовлетворения требований существующих нормативных документов, регламентирующих безопасность пассажирских перевозок [1-5], необходимы методы, определяющие предельное значение пробега АТС, по достижении которого конкретные его узлы, агрегаты и системы не будут отвечать условиям конструктивной безопасности.

Учитывая цели, сформулированные в Техническом регламенте о безопасности колесных транспортных средств, назрела необходимость пересмотра методов определения пробегов АТС до капитального ремонта. Следовательно, необходим метод, позволяющий:

- решить задачу по определению ресурса безопасной эксплуатации автобусных кузовов и пробега, при котором кузов автобуса не будет соответствовать требованиям прочности;

- установить новые сроки капитального ремонта кузова автобуса, учитывая вопросы пассивной безопасности конструкции;

- привести в соответствие автобусы, находящиеся в эксплуатации, требованиям Технического регламента о безопасности колесных транспортных средств.

Таким образом, разработка метода определения наработки АТС до капитального ремонта является актуальной.

Научная новизна исследования заключается в разработке математической модели деформации при опрокидывании конструкции кузова автобуса, находящегося в эксплуатации, при допущении идеально упруго-пластических свойств его материала.

Цель данной работы - разработка метода расчета предельного срока эксплуатации автобуса, определяющего значение времени (лет) или пробега (км), перейдя которые по прочностным характеристикам

кузова автобусов не будут удовлетворять требованиям ГОСТ Р 41.66-00 [6] при опрокидывании.

Автобус соответствует требованиям ГОСТа [6], если его кузов имеет достаточную прочность для того, чтобы во время и после его испытаний или расчетов удовлетворялись следующие условия:

- ни один из сместившихся элементов кузова не заходил в остаточное пространство;

- ни одна из частей остаточного пространства не выступала за пределы кузова.

При проведении натурных испытаний оценка целостности остаточного пространства производится путем сравнения экспериментальных данных перемещений нескольких шпангоутных рам кузова на уровнях 1250 и 500 мм от пола с допустимыми значениями этих перемещений (рис. 1).

А + А, = 0,

где А и А, - работа внешних и внутренних сил (соответственно положительная и отрицательная при на-гружении).

Учитывая, что А1 = - и, уравнение (1) можно заменить равенством

А = и,

где и - потенциальная энергия деформации.

Расчет потенциальной энергии деформации удара автобуса при опрокидывании или общей энергии удара автобуса при опрокидывании Е , регламентирован Правилами № 66 - приложение 5, добавление 1 [6].

При проведении расчетов следует учитывать следующие допущения:

- поперечное сечение кузова четырехугольное;

- система подвески жестко закреплена;

- движение секции кузова представляет собой чистое вращение вокруг оси опрокидывания.

Если высота падения центра тяжести h, определяется графическим методом, то энергия удара Е рассчитывается по следующей формуле:

Е* = 0,75Mgh,

где М - масса транспортного средства в снаряженном состоянии, кг; g = 9,81 м/с2 - ускорение свободного падения.

Кроме того, энергия удара может быть определена по формуле:

Рис. 1. Схема расположения остаточного пространства при оценке прочности кузова: Нп - высота установки пассажирских сидений

При проведении расчетов также придерживаются описанной оценки целостности остаточного пространства, т.е. на основе данных не разрушающего кузов эксперимента рассчитываются перемещения элементов шпангоутов кузова на уровнях 1250 и 500 мм от пола и сравниваются с допустимыми значениями этих перемещений [6, 7].

В данной статье авторами предлагается расчет потенциальной энергии удара автобуса при опрокидывании, используемой при определении деформации конструкции его кузова.

Согласно четвертой энергетической теории прочности, наступление в деформируемом теле опасного пластического состояния (при сложном напряженном состоянии) наступает тогда, когда та часть потенциальной энергии деформации, которая связана с изменением формы тела, достигнет опасного значения, определяемого для линейного напряженного состояния [8].

Согласно закону сохранения механической энергии, кузов автобуса при опрокидывании переходит из недеформированного состояния в деформированное. Суммарная работа, произведенная в результате деформации элементов кузова внешними и внутренними силами, равна нулю:

E* = 0,75Mg

i

iW)

l 2 )

Л

W I 2-2 И3

--4И2 -0,82 + 0,8-^-

2H И

где W - общая ширина транспортного средства, м; Н3 - высота центра тяжести порожнего транспортного средства, м; Н - высота транспортного средства, м; 0,8 - минимальное значение высоты опрокидывающей платформы, м; 0,75 - коэффициент, учитывающий массу автобуса, влияющую на энергию удара [6].

Рассчитанная таким образом энергия распределяется неравномерно вдоль продольной оси автобуса. Так как в зависимости от компоновочной схемы автобуса и в основном от места расположения силового агрегата наибольшая концентрация этой энергии будет выделяться именно там, где он расположен.

На рис. 2 показаны примеры компоновочных схем силового агрегата городских автобусов, которые в зависимости от его расположения в автобусе (впереди, в базе или в заднем свесе) будут по-своему влиять на распределение энергии удара и соответственно на безопасность при опрокидывании. Поэтому общую энергию удара можно разделить на энергию, приходящуюся на переднюю и заднюю оси автобуса

Е Епо + Езо,

где Епо, Езо - соответственно энергии, приходящиеся на переднюю и заднюю оси автобуса.

2

Значения энергий Еп, Ез пропорциональны соответствующим массам автобуса, приходящимся на переднюю и заднюю оси, и определяются по формулам:

ЕПо = Е* Мп / М;

приходящиеся на

Езо = Е Мз / М,

где Мп, Мз - соответственно массы, переднюю и заднюю оси автобуса.

Введем допущение о том, что общая энергия удара автобуса рассеивается по пластическим шарнирам, которые располагаются на нагружаемой стороне каждой /-й шпангоутной рамы кузова автобуса ниже максимальной верхней границы остаточного пространства. В оставшихся шарнирах общая энергия концентрироваться не будет.

где Е1, Е2i - энергии, сконцентрированные в шарнирах /-й рамы соответственно выше и ниже значения Нп + 0,05 м, Дж; Еч - энергия, приходящаяся на ту часть автобуса, которой принадлежит /-я шпангоутная рама, Дж; k - количество пластических шарниров /-й рамы, располагаемых в интервале от Нп + 0,05 м до Нп + 1,25 м; п - количество пластических шарниров/-й рамы, располагаемых в интервале от Нп до Нп + 0,05 м.

Р

Остаточное пространство

Рис. 2. Компоновочные схемы автобусов: V//A - двигатель; - коробка передач; — - карданная передача

На рис. 3 показано расположение пластических шарниров в поперечном сечении кузова.

Энергия деформации j-й шпангоутной рамы Е.j состоит из суммы энергий, сконцентрированных в пластических шарнирах, расположенных до верхней границы остаточного пространства пассажирского салона автобуса, т.е.

n

Ej = £ E ,

i =1

где Еi - значение энергии, накопленное i-м шарниром.

Согласно теореме Бетти о взаимности работ и перемещений, распределение энергий Еi по шарнирам j-й рамы пропорционально возникающим в них напряжениям, т. е.

E1i = E4a1tJ /(£ a1y. + £ ст2..);

i=1 i=k+1

E2,. = E4c2y. /(£aiy. + £ c2y.):

i=1 i=k+1

Рис. 3. Схема расположения пластических шарниров /-й шпангоутной рамы в поперечном сечении кузова автобуса: Р - направление приложения усилия при нагружении кузова автобуса • - пластический шарнир с учетом энергии удара автобуса; О - пластический шарнир без учета энергии удара автобуса

Используя схематизированные диаграммы деформирования идеального упругопластического материала, получаемые при неразрушающем контроле кузова автобуса [7] и используя полученные выражения распределения общей энергии удара, можно рассчитать перемещения, возникающие при опрокидывании автобуса.

На рис. 4 представлена диаграмма деформирования идеального упругопластического материала в осях усилие-перемещение - Р - I.

Обозначим через t момент времени, которому соответствуют некоторые значения силы Р и перемещения I (рис. 4). В последующий бесконечно малый промежуток времени dt сила Р получит приращение dP, а элементы кузова сместятся на перемещение dl. Составим выражение работы силы Р на перемещении dl:

dA = Pdl.

Работа dА равна площади dЕ при учете масштабов, в которых отложены значения Р и I (рис. 4).

dA = dЕ.

Р

Полную работу А при изменении силы Р от 0 до кр, т.е. при увеличении внешней силы неоднородная упругая деформация растет и достигается критическое состояние, при этом интегрированием получим выражение:

p=p„

кр

A = J dA .

а

г

б

д

в

е

р=о

Р  Н

Р

dP Р

0 l dl lg, lp l, м

Рис. 4. Диаграмма деформирования у'-й шпангоутной рамы автобуса: Р^ - критическая сила, Н; /кр - перемещение, соответствующее значению критической силы, м

Подставив выражение (2) в формулу (4), получим:

A = J Pdl

P=0

Таким образом, учитывая равенство (3) и формулы (4), (5), запишем:

р=р р=р р=р

р=0 р=0 р=0

Следовательно, работа А равна общей энергии удара Е* и равна площади диаграммы деформирования, заштрихованной на рис. 4.

Определив площадь диаграммы деформирования, можно перейти непосредственно к расчетам деформации конструкции кузова автобуса при его опрокидывании.

Литература

1. Постановление Правительства Российской Федерации от 10 сентября 2009 г. №720 «Об утверждении технического регламента о безопасности колесных транспортных средств» // Российская газета: сетевая версия. 2010. URL: http://www.rg.ru/2009/09/23/avto-reglament-dok.html (дата обращения 15.01.2010).

2. Федеральный закон о безопасности дорожного движения (№ 196-ФЗ от 10.12.1995, редакция от 01.12.2007) // Официальный сайт ГИБДД МВД России. 2009. URL: http://www.gibdd.ru/documents/ (дата обращения 05.12.2009).

3. Приказ Минавтотранса РСФСР от 31 декабря 1981 г. № 200 «Об утверждении правил организации пассажирских перевозок на автомобильном транспорте» // Собра-ниие законов: сетевая версия. 2010. URL: http://sklad-zakonov.narod.ru/transp/pMt_200_paks1.htm (дата обращения 05.12.2009).

4. ГОСТ Р 51160-98 Автобусы для перевозки детей. Технические требования(с изменениями от 23 мая 2003 г., 29 октября 2007 г.) // Собраниие законов: сетевая версия. 2010. URL: http://sklad-zakonov.narod.ru/gost/Gr51160-99.htm (дата обращения 05.12.2009).

5. ГОСТ Р 41.36-2004 (Правила ЕЭК ООН № 36) Единообразные предписания, касающиеся сертификации пассажирских транспортных средств большой вместимости в отношении общей конструкции. - Введ. 9 марта 2004, № 125-ст. М., 2004. 42 с.

6. ГОСТ Р 41.66-99 (Правила ЕЭК ООН № 66) Единообразные предписания, касающиеся официального утверждения крупногабаритных пассажирских транспортных средств в отношении прочности верхней части конструкции. Введ. 26 мая 1999, № 184-ст. М., 2000. 19 с.

7. Калмыков Б.Ю., Дерюшев В.В., Овчинников Н.А. Автобусы. Пассивная безопасность: монография / Б.Ю. Калмыков, Ростов н/Д., 2007. 152 с.

8. Степин П.А. Сопротивление материалов : учеб. для не-машиностроит. спец. вузов: 9-е изд. М., 1997. 320 с.

p=p

Поступила в редакцию 11 февраля 2010 г.

Калмыков Борис Юрьевич - канд. техн. наук, доцент, заведующий кафедрой «Организация и безопасность движения», Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса. Тел 8(8636)22-20-37. E-mail: obd@sssu.ru

Овчинников Николай Александрович - ассистент, кафедра «Организация и безопасность движения», ЮжноРоссийский государственный университет экономики и сервиса. Тел. 89185444571. E-mail: NikolaOv@.ru

Калмыкова Ольга Михайловна - инженер, кафедра «Организация и безопасность движения», ЮжноРоссийский государственный университет экономики и сервиса. Тел. 8 (8636) 22-20-37 E-mail: obd@sssu.ru

Kalmykov Boris Yurievich. - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, head of department «Organization and Road Safety», South-Russian State University of the Economy and Service. Ph. 8(8636)22-20-37. E-mail: obd@sssu.ru

Ovchinnikov Nikolay Aleksandrovich - assistant, department «Organization and Road Safety», South-Russian State University of the Economy and Service. Ph. Тел. 89185444571. E-mail: NikolaOv@.ru

Kalmykova Olga Mihaylovna - engineer, department «Organization and Road Safety», South-Russian State University of the Economy and Service. Ph. 8 (8636) 22-20-37. E-mail: obd@sssu.ru_