Исследование зависимости деформации кузова автобуса при опрокидывании от величины отклонения координаты центра тяжести

Исследование зависимости деформации кузова автобуса при опрокидывании от величины отклонения координаты центра тяжести

Б.Ю. Калмыков, И.М. Петриашвили «Институт сферы обслуживания и предпринимательства» (филиал) ДГТУ в г. Шахты

Аннотация: В статье предложена методика определения общей энергии удара и деформации кузова автобуса при опрокидывании. Данная методика учитывает отклонение координаты центра тяжести. Разработаны скорректированные формулы для расчёта высоты падения центра тяжести и общей энергии удара. Проведены экспериментальные расчёты, на основании которых внесены предложения по оптимизации систем пассивной безопасности.

Ключевые слова: автобус, пассивная безопасность, центр тяжести, общая энергия удара, деформация кузова, критическая нагрузка.

Методика оценки прочности конструкции кузова пассажирских транспортных средств (ТС) категории М3 регламентируется Правилами ЕЭК ООН №66 (ГОСТ Р 41.66-00), согласно которым для определения его

несущей способности и энергоемкости производится расчёт общей энергии

*

удара Е, Дж. Существует немало научно-исследовательских работ, посвящённых данному вопросу [1 - 6], среди которых можно выделить предложения по приведению к оптимальному значению высоты опрокидывания автобусов в зависимости от их конкретных габаритов [7].

Стоит отметить, что ни один из указанных способов не учитывает влияния на величину энергии удара и соответственно деформации кузова автобуса при опрокидывании такого параметра, как отклонение поперечной координаты центра тяжести Ах, м от вертикальной оси симметрии. Дело в том, что при определении высоты падения центра тяжести автобуса И, м, необходимо вычислить значение г - расстояния от общего центра тяжести до внешней стороны колеса, составной частью которого является И (рис. 1).

Рис. 1 - Высота падения центра тяжести при опрокидывании Используя рис. 1, найдём значение г, м по формуле:

г =

' Ж Л 2

V 2 у

+ Н 2

где Ж - ширина ТС, м; Н - высота центра тяжести порожнего ТС, м.

Ввиду конструктивных особенностей некоторых автобусов поперечная координата центра тяжести х, м не всегда расположена на вертикальной оси симметрии. В результате возникновения её отклонения Дх изменяется и расстояние от общего центра тяжести до внешней стороны колеса г (рис. 2).

Рис. 2 - Расстояние от центра тяжести до внешней стороны колеса в случае

возникновения отклонения Дх

Скорректировав формулу (1), получим:

У5 Ах 2 + Н5

Ж

где = — + Ах - расстояние от центра тяжести до боковины, на которую

происходит опрокидывание ТС, м с учётом отклонения поперечной координаты центра тяжести Дх.

В итоге происходит изменение высоты падения центра тяжести автобуса И и, следовательно, величины энергии удара Е . Для выведения формул расчёта данных параметров, учитывающих величину отклонения поперечной координаты центра тяжести Дх воспользуемся рис. 3.

Рис. 3 - Графоаналитический способ определения высоты падения центра

тяжести автобуса

Проведя ряд несложных преобразований можно получить формулу для определения скорректированного значения высоты падения центра тяжести:

И

Н • г + Н3 • Иа -5ах-УН2 - И Н

0

где Н - высота ТС, м; И0 - высота опрокидывания ТС, м.

г

Преобразуем формулу для расчёта общей энергии удара Е (ГОСТ Р 41.66-00) с помощью формулы (3):

H  r + HS  ho -JH2 -h2n E* = 0,75 M  g--S o h Ax v-^.

Для обоснования выдвинутого ранее предположения о влиянии

отклонения поперечной координаты центра тяжести Ах на величину энергии

*

удара Е произведём её расчёт, используя формулу (4), по известным массогабаритным параметрам пяти автобусов (таблица №1).

Таблица №1

Исходные данные для расчетов

Марка и модель автобуса Массогабаритные параметры

Высота, м Ширина, м Высота расположения центра тяжести, м Высота опрокидывания, м Скорректированная высота опрокидывания, м Полная масса, кг

КаВЗ-3976 3,03 2,38 0,99 0,8 1,09 6289

ПАЗ-3205 2,95 2,5 0,9 0,8 0,93 7460

ЛиАЗ-5256 3,007 2,5 0,87 0,8 0,95 17930

IKARUS-3 50.00 3,37 2,5 1,2 0,8 1,29 15926

MERCEDES-BENZ O 302 V-8 3,14 2,5 1,24 0,8 1,19 17500

В целях дальнейшего аналитического исследования при осуществлении расчёта были введены следующие условия:

- опрокидывание транспортного средства производится на правый

бок;

- Дх принимает отрицательные значения, если поперечная координата центра тяжести х смещена вправо относительно вертикальной оси симметрии.

В результате произведённого расчета построены диаграммы, отображающие зависимость энергии удара Е от отклонения поперечной координаты центра тяжести Дх при стандартной высоте опрокидывания (рис. 4, а) и скорректированной (рис. 4, б).

Используя расчетные данные автобуса ЛиАЗ-5256, найдём отклонения

*

энергии удара ДЕ , % при достижении Дх максимального и минимального значений:

а) при стандартной высоте опрокидывания: Если Дх = 0,3 м, то:

АЕ1, =

Е0,3 1

Е

0

•100%

где Е0 - величина энергии удара, Дж при Дх = 0; Е0*3 - величина энергии удара, Дж при Дх = 0,3 м.

/ MERCEDES-BENZ O 302 V-8 IKARUS-350.00 ЛиАЗ-5256 ПАЗ-3205 КаВЗ-3976

-0,2 -0,3

отклонение координаты ц. т. Дх, м

б)

Рис. 4 - Диаграмма зависимости общей энергии удара от отклонения поперечной координаты центра тяжести: а) при стандартной высоте опрокидывания; б) при скорректированной высоте опрокидывания. Подставим известные значения: 67911,2

ЛЕ*

-1

72485,6 Если Ах= - 0,3 м, то:

•100% = 6,31%.

0,3

0,2

0,1

0

-0,1

АЕ

Е

0,3

е:

-1

•100%

где Е-03 - величина энергии удара, Дж при Дх = - 0,3 м. Подставим известные значения:

ае:

79663,1 --1

72485,6

• 100% = 9,9%.

б) при скорректированной высоте опрокидывания: Если Дх = 0,3 м, то: 76739,9

АЕ:

-1

80713,6 Если Дх= - 0,3 м, то: 87290,4

• 100% = 4,92% .

АЕ:

-1

•100% = 8,14%

80713,6

Исследуемые зависимости можно аппроксимировать полиномами второго порядка:

Е * = 144,82Ах2 + 784,5Ах + 67027 - для первого случая (рис. 4, а);

Е * = 144,83Ах2 + 584,25Ах + 76056 - для второго случая (рис. 4, б).

Таким образом, энергия удара у автобуса ЛиАЗ-5256 может увеличиться до 10%.

Далее используя диаграмму деформации для материала, обладающего идеальными упругопластическими свойствами (рис. 5), можно определить перемещения стоек кузова, возникающие в результате опрокидывания, по следующей формуле:

Е1 - 0,5 • рр • Чр \1 =- /р

г Р

кр

где 11 - искомое перемещение стойки кузова, мм;

Е - энергия удара, приходящаяся на стойку кузова, Дж; Ркр - критическая нагрузка для стойки, кН;

?! - сила, приложенная к кузову автобуса по схеме эксперимента, представленного на рис. 6.

1ст - перемещение, соответствующее значению заданной силы ?!, мм.

Р 4 кН

Р

кр

Р!

0 1

1, мм

Рис. 5 - Диаграмма деформирования ]-той стойки кузова автобуса

Рис. 6 - Нагружение кузова автобуса ЛиАЗ-5256

Значения перемещений, рассчитанных по формуле (5) для автобуса ЛиАЗ-5256 представим в виде таблицы №2.

Полученные данные свидетельствуют о достоверности выдвинутого предположения о влиянии отклонения поперечной координаты центра тяжести на величину энергии удара. При этом, необходимо отметить, что при

отрицательных значениях Дх происходит практически двукратное

*

увеличение отклонения энергия удара ДЕ , % относительно его величины при положительных значениях Дх, что играет немаловажную роль при проведении инженерных расчётов. Кроме того, увеличение энергии удара на 10% на такую же величину увеличивает значение перемещений стоек кузова в сторону остаточного пространства автобуса.

Таблица №2

Результаты расчета перемещений стоек кузова автобуса ЛиАЗ-5256

№ стойки Перемещение стойки без смещения центра тяжести, мм Перемещение стойки со смещением центра тяжести до 0,3 м, мм Перемещение стойки кузова, %

1 69,7 77,0 9,5%

2 72,3 80,0 10,7%

3 76,0 84,1 9,6%

4 79,7 88,2 9,5%

5 83,4 92,4 9,7%

6 160,4 177,4 9,6%

7 168,3 186,5 9,8%

8 177,0 196,3 9,8%

9 181,2 201,0 9,9%

10 182,4 202,3 9,8%

Результаты экспериментального исследования позволяют учитывать конструктивные особенности ТС [8, 9] при установке дополнительного

оборудования, например, систем безопасности [10], что даёт возможность оптимизировать массогабаритные параметры таких систем и устройств.

Литература

1. Калмыков Б.Ю., Петриашвили И.М. Экспериментальное исследование прочностных характеристик кузова автобуса // Инженерный вестник Дона, 2014, №2. URL: ivdon.ru/magazine/archive/n2y2014/2354.

2. Иванов А.М., Адаев А.В., Юрчевский А.А., Кондратьев В.Д. Методы и инструменты количественной оценки уровня пассивной безопасности автомобилей // Вестник Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ). 2012. № 1. С. 3-9.

3. Калмыков Б.Ю., Высоцкий И.Ю., Овчинников Н.А. Предложения по оценке прочности конструкции пассажирских транспортных средств // Инженерный вестник Дона, 2012, №2.

URL: ivdon.ru/magazine/archive/n2y2012/765.

4. Овчинников Н.А. Конечно-элементный анализ напряженно-деформированного состояния элементов поперечных силовых сечений кузова автобуса в эксплуатации // Инженерный вестник Дона, 2013, №2. URL: ivdon.ru/magazine/archive/ n2y2013/1614.

5. Орлов Л.Н., Рогов П.С., Тумасов А.В., Вашурин А.С. Повышение пассивной безопасности кузовов автобусов // Современные проблемы науки и образования. 2014. № 3. С. 17.

6. Рогов П.С., Орлов Л.Н., Тумасов А.В. Методика экспресс-оценки пассивной безопасности кузовов автобусов // Фундаментальные исследования. 2014. № 9-1. С. 36-40.

7. Калмыков Б.Ю., Высоцкий И.Ю., Овчинников Н.А., Бочаров С.В. Способ определения высоты опрокидывания автобуса для оценки прочности

конструкции его кузова по правилам ЕЭК ООН №66 // Инженерный вестник Дона, 2012, №3. URL: ivdon.ru/magazine/archive/n3y2012/888.

8. Genta, G., Morello, L. Automotive chassis. Volume 1: Components design // Springer, 2009. 621 p.

9. Genta, G., Morello, L. Automotive chassis. Volume 2: System design // Springer, 2009. 825 p.

10. Пат. № 2483961 РФ, МПК B 62 D 25/04, B 60 R 21/13. Устройство для повышения прочности кузова транспортного средства при опрокидывании / Калмыков Б.Ю., Богданов В.И., Фетисов В.М., Овчинников Н.А., Нагай С.Г., Петриашвили И.М.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «Южно-Рос. гос. ун-т экономики и сервиса». - № 2011151627/11 ; заявл. 16.12.2011 ; опубл. 10.06.2013, Бюл. № 16.

References

1. Kalmykov B.Yu., Petriashvili I.M. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2014, №2. URL: ivdon.ru/magazine/archive/n2y2014/2354.

2. Ivanov A.M., Adaev A.V., Yurchevskiy A.A., Kondrat'ev V.D. Vestnik Moskovskogo avtomobil'no-dorozhnogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta (MADI). 2012. № 1. pp. 3-9.

3. Kalmykov B.Yu., Vysotskiy I.Yu., Ovchinnikov N.A. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2012, №2. URL: ivdon.ru/magazine/archive/n2y2012/765.

4. Ovchinnikov N.A. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2013, №2. URL: ivdon.ru/magazine/archive/ n2y2013/1614.

5. Orlov L.N., Rogov P.S., Tumasov A.V., Vashurin A.S. Sovremennye problemy nauki i obrazovaniya. 2014. № 3. p. 17.

6. Rogov P.S., Orlov L.N., Tumasov A.V. Fundamental'nye issledovaniya. 2014. № 9-1. pp. 36-40.

7. Kalmykov B.Yu., Vysotskiy I.Yu., Ovchinnikov N.A., Bocharov S.V. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2012, №3. URL: ivdon.ru/magazine/archive/n3y2012/888.

8. Genta, G., Morello, L. Automotive chassis. Volume 1: Components design // Springer, 2009. 621 p.

9. Genta, G., Morello, L. Automotive chassis. Volume 2: System design // Springer, 2009. 825 p.

10. Pat. № 2483961 RF, MPK B 62 D 25/04, B 60 R 21/13. Ustroystvo dlya povysheniya prochnosti kuzova transportnogo sredstva pri oprokidyvanii [Device for vehicle body strengthening in case of roll-over] / Kalmykov B.Yu., Bogdanov V.I., Fetisov V.M., Ovchinnikov N.A., Nagay S.G., Petriashvili I.M. ; zayavitel' i patentoobladatel' FGBOU VPO «Yuzhno-Ros. gos. un-t ekonomiki i servisa». № 2011151627/11; zayavl. 16.12.201 ; opubl. 10.06.2013, Byul. № 16.