КАРКАС КУЗОВА АВТОБУСА ТИПА МОНОКОК

Техническое решение относится к автомобилестроению, в частности, к конструкции кузова автобуса.
Из существующего уровня техники известен каркас кузова автобуса закрытого типа, описанный в книге Павловского Я. «Автомобильные кузова» - Москва: «Машиностроение», 1977, стр. 341, включающий основание, передок, задок, левую и правую боковины и крышу, состоящие из продольных, поперечных или вертикальных балок (лонжеронов, поперечин, стоек и дуг), жестко соединенных между собой и подкрепленных тонкостенными обшивками на всей площади кузова, кроме проемов окон, дверей и люков (традиционная схема). Недостатком такой конструкции является высокая нагруженность оконных и дверных стоек изгибом при эксплуатации автобуса, а также относительно низкая изгибная и крутильная жесткость кузова в целом.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является каркас кузова автобуса, описанный в патенте на полезную модель №39562 «Каркас кузова автобуса», опубликованном 10.08.2004 (МПК B62D 21/02, B62D 25/02, B62D 31/02, автор и заявитель Песков В.И., RU), состоящий из каркасов левой и правой боковин, каркаса крыши и каркасов передка и задка, выполненных из тонкостенных металлических силовых элементов прямоугольного сечения так, чтобы создавалась система продольных, поперечных и диагональных связей в виде жестких треугольников (треугольная схема), в том числе в зоне оконных проемов левой и правой боковин и оконных проемов задка. Данная конструкция может быть рассмотрена в качестве прототипа.
Конструкция прототипа имеет ряд недостатков.
1. Проемы лобового окна передка прототипа образованы вертикальными и горизонтальными силовыми элементами (по традиционной схеме), что обосновано необходимостью обеспечения регламентированной обзорности с места водителя, поэтому они имеют низкую сдвиговую жесткость в плоскости передка по сравнению с остальными частями конструкции, выполненными по треугольной схеме. Это снижает жесткость передней части кузова при его аварийном боковом опрокидывании. Также это снижает крутильную жесткость кузова в целом и ведет к возникновению повышенных напряжений в стойках лобового окна при их местном изгибе на режиме закручивания кузова.
2. Описанная в патенте прототипа конструкция каркаса кузова не имеет развитой надоконной секции, что делает практически невозможной организацию дверных проемов в боковинах кузова без нарушения механики их прочностной работы по треугольной схеме. Для дверных проемов, как и в случае проемов лобового окна, происходит возврат к традиционной схеме организации каркаса. Это ведет к снижению жесткости кузова в целом на режимах изгиба и закручивания. Также при этом возникают повышенные напряжения в дверных стойках при их местном изгибе на указанных режимах нагружения кузова.
3. В патенте прототипа ничего не сказано о каркасе основания кузова. Видимо подразумевается его организация по традиционной схеме, что влечет за собой все указанные недостатки данной схемы.
Решаемая задача - совершенствование конструкции кузова автобуса.
Технический результат - повышение жесткости на сдвиг отдельных частей каркаса и жесткости на изгиб и кручение каркаса кузова в сборе, а также повышение пассивной безопасности кузова автобуса.
Этот технический результат достигается тем, что каркас кузова автобуса типа монокок, содержащий передок, левую и правую боковины, основание, крышу, задок и поперечные перегородки салона, выполненные в виде стержневых ферм мостового типа, местами подкрепленных листовыми обшивками, или в виде несущих многослойных панелей, или в виде комбинации из этих конструкций, т.е. в виде подкрепленных панелей, вместе образуют замкнутую структуру каркаса кузова, сконструированную таким образом, что при нагружении этой структуры скручивающей нагрузкой, отдельные стержни этой структуры испытывают в основном растягивающую или сжимающую нагрузку, но не изгибную, а обшивки и панели испытывают сдвигающую нагрузку в их плоскости.
Предлагаемая конструкция приведена на рисунке - вид общий.
Каркас кузова автобуса типа монокок содержит следующие основные структурные части: левую 1 и правую 2 боковины, передок 3, задок 4, крышу 5, основание 6, включающее колесные ниши 7, также может присутствовать одна или несколько поперечных перегородок салона 8. Боковины 1, 2 обязательно имеют развитые надоконные секции 9, что позволяет организовывать в них дверные проемы без нарушения желаемой механики прочностной работы. Основные перечисленные структурные части каркаса кузова выполнены в виде стержневых ферм мостового типа, возможно подкрепленных листовыми обшивками (например, части 1, 2, 3, 4, 8), или в виде несущих многослойных панелей (например, части 5, 6), или в виде комбинации стержневых ферм и многослойных панелей. При этом формируется замкнутая конструкция каркаса кузова, каждая структурная часть которой способна эффективно сопротивляться сдвигающей нагрузке, приложенной вдоль мест соединения структурных частей, за счет растяжения, сжатия, сдвига, но не за счет изгиба отдельных силовых элементов. Перегородки салона 8 при образовании такой замкнутой конструкции могут дополнять или замещать функции задка 4 или иногда даже передка 3 (в зависимости от расположения).
Для показанного на рисунке примера конструкции в случае размещения места водителя не по правой стороне автобуса, а по середине, возможно обеспечить надлежащую обзорность с места водителя в соответствии с требованиями ГОСТ Р 51266-99.
Каркас кузова автобуса типа монокок работает следующим образом. При переезде колесами одной из осей автобуса дорожной неровности, возникающая на колесах нагрузка может быть разложена на симметричную, вызывающую изгиб кузова, и на несимметричную, вызывающую закручивание кузова (Павловский Я. «Автомобильные кузова» - Москва: «Машиностроение», 1977, стр. 267 и 269). Симметричная нагрузка, приложенная к колесам, через аппарат подвески, который крепится, например, к колесным нишам 7, передается на боковины 1 и 2, далее на основание 6. Далее нагрузка перераспределяется основанием 6 и прикладывается к полезному грузу: стоящим или сидящим на сиденьях пассажирам, вызывая их вертикальное ускорение. Несимметричная нагрузка, приложенная к колесам, например, передней оси, так же через аппарат подвески и колесные ниши 7 у передней оси передается на боковины 1 и 2, далее через колесные ниши 7 у задней оси на аппарат подвески и колеса задней оси. При этом создаются моменты сил, приложенные к боковинам 1 и 2, пытающиеся повернуть их в противоположные стороны в плоскости боковин. В силу замкнутости предлагаемой конструкции каркаса кузова автобуса типа монокок вдоль мест соединения боковин 1 и 2, передка 3, задка 4, крыши 5, основания 6 и перегородок салона 8 возникают сдвигающие усилия, препятствующие скручиванию кузова. Т.к. структурные части кузова 1, 2, 3, 4, 5, 8 выполнены в виде ферм мостового типа или многослойных панелей, то их стержни нагружены растяжением или сжатием, а обшивки - сдвигом в своей плоскости, исключается изгиб отдельных силовых элементов. За счет этого обеспечивается высокая жесткость кузова на режимах изгиба и кручения. Основание 6, выполненное, например, в виде несущей многослойной панели, на режиме закручивания кузова так же подвергается только сдвигу. На режиме изгиба кузова основание 6 подвержено изгибу на пролете между боковинами, что неизбежно. На режиме аварийного бокового опрокидывания кузова вся сминающая нагрузка, приложенная к одному из верхних углов кузова, воспринимается передком 3, задком 4 и перегородками салона 8. Ввиду того, что структурные части кузова 3, 4 и 8 выполнены в виде ферм мостового типа или многослойных панелей, они эффективно сопротивляются сжатию их диагоналей, демонстрируя высокую жесткость конструкции, тем самым, повышая ее пассивную безопасность.
Проведенный подробный анализ предлагаемой конструкции (Воронков О.В. «Совершенствование весовых, жесткостных и прочностных показателей автобусных кузовов путем использования свойств конструкций типа «монокок»: диссертация на соискание ученой степени к.т.н. - НГТУ, Нижний Новгород, 2014) подтверждает обоснованность предлагаемых конструктивных решений и их перспективность.