Opracowanie konstrukcji stalowej naczepy wywrotki typu

Konstrukcje |
Motoryzacja
ARTYKUŁ SPONSOROWANY
Opracowanie konstrukcji stalowej
naczepy wywrotki typu half pipe
przeznaczonej do pracy w trudnych
warunkach eksploatacyjnych
Rosnące wymagania i potrzeby klientów przyczyniają się do wprowadzania na rynek coraz to nowych produktów.
Nie inaczej wygląda sytuacja w przemyśle motoryzacyjnym. W budowie naczep występuje tendencja do tworzenia coraz
lżejszych wyrobów, przy zachowaniu wymaganej nośności i wytrzymałości. Na przestrzeni ostatnich kilkunastu lat masa
własna naczep znacząco się zmniejszyła. Jest to głównie zasługą kreatywności inżynierów projektujących nowe rozwiązania
konstrukcyjne, w których głównymi kryteriami optymalizacyjnymi są: masa oraz stosowanie nowoczesnych materiałów
o wyższych parametrach wytrzymałościowych. Od pewnego czasu na rynku pojawiła się potrzeba stworzenia naczepy
wywrotki o podwyższonej wytrzymałości, mogącej pracować w trudnych warunkach eksploatacyjnych. Opracowana
konstrukcja wywrotki stalowej stanowi odpowiedź firmy Wielton na to wymaganie.
Maciej Kaczor, Piotr Wysota
P
odczas opracowywania nowych
produktów można wyróżnić szereg etapów, począwszy od analizy rynku i badań potrzeb klientów, poprzez projektowanie, obliczenia metodą
elementów skończonych (MES), aż do
budowy prototypu i przeprowadzania
badań rzeczywistych obiektów. Poniżej
zamieszczono skrótowy opis tych etapów.
a
Od koncepcji do projektu
Początkowym etapem procesu projektowania jest określenie wymagań, które
musi spełniać produkt. W oparciu o nie
określa się wytyczne, którymi należy się
kierować projektując wyrób. W przypadku konstrukcji nośnej chodziło
b
Rys. 1 Wyniki dla ramy – rozkłady naprężeń redukowanych wg hipotezy Hubera [MPa] podczas: a) jazdy,
b) początku podnoszenia skrzyni ładunkowej
30
Projektowanie i Konstrukcje Inżynierskie | listopad 2013 | www.konstrukcjeinzynierskie.pl
| Konstrukcje
Motoryzacja
ARTYKUŁ SPONSOROWANY
Rys. 2 Wynki dla skrzyni ładunkowej
– rozkłady naprężeń redukowanych
wg hipotezy Hubera [MPa] podczas:
a) jazdy, b) rozładunku
a
Symulacje numeryczne
b
o znaczące zwiększenie wytrzymałości, tak aby mogła
przenieść obciążenie od pojazdu, którego dopuszczalna masa całkowita wynosiła 51 ton (18 ton na siodło
i po 11 ton na każdą oś). Należało również opracować
takie rozwiązanie, aby można było bez przeszkód zamontować elementy układu hydraulicznego, pneumatycznego,
elektrycznego oraz podzespoły
wyposażenia. Innym ważnym
etapem podczas projektowania
było opracowanie rozwiązania
skrzyni ładunkowej. Zdecydowano się na skrzynię typu HP – half
pipe (ang. połowa rury) o przekroju zwiększającym się ku tuło- a
wi – kształt typu konisch (niem.
stożkowy). Jednocześnie projektowano i dobierano pozostałe
elementy wyposażenia naczepy:
układ zawieszenia, ogumienie,
układ hamulcowy, siłownik hydrauliczny, układ oświetlenia,
kosze kół zapasowych, podest,
b
skrzynka narzędziowa, zderzak
itp.
Po opracowaniu wstępnej
postaci projektowej naczepy
przeprowadzano analizy wytrzymałościowe oraz wyznaczano naciski na osie i siodło.
W tym celu posłużono się kilkoma programami do obliczeń
wytrzymałościowych.
Na podstawie wyników uzyskiwanych z obliczeń modyfikowano projekt naczepy, tak aby wyeliminować miejsca
potencjalnie zagrożone uszkodzeniem. Przed każdymi
zmianami analizowano wyrób pod kątem technologicznym. Na rysunkach 1 i 2 przedstawiono przykładowe
rezultaty obliczeń.
Projektowanie i Konstrukcje Inżynierskie | listopad 2013 | www.konstrukcjeinzynierskie.pl
Rys. 3 Rysunki
złożeniowe:
a) całej naczepy,
b) podwozia
31
Konstrukcje |
Motoryzacja
ARTYKUŁ SPONSOROWANY
Rys. 4 Wykonana
naczepa wywrotka
Końcową fazą tego etapu była budowa naczepy. Wykonaną wywrotkę przedstawiono na rysunku 4.
Testowanie prototypu
Następnie przystąpiono do badań wykonanej naczepy.
Pierwszy etap to badania weryfikacyjne. Zostały one
przeprowadzane na terenie zakładu i miały na celu
sprawdzenie poprawności działania poszczególnych
podzespołów oraz systemów. Po pozytywnym przejściu tego etapu nastąpiły testy właściwe – badania walidacyjne produktu. Te badania przeprowadzono w terenie, w skrajnie niekorzystnych warunkach pracy:
Rys. 6
Przebieg
zmienności
naprężeń
podczas
rozładunku
Postać konstrukcyjna
Gdy model doprowadzono do postaci, w której nie występowały skupiska naprężeń ani odkształceń – nie było
miejsc potencjalnie niebezpiecznych – przystąpiono
do opracowywania dokumentacji technicznej do procesu wytwarzania oraz technologii produkcji.
Na rysunku 3 przedstawiono wybrane rysunki z dokumentacji technicznej wywrotki.
Ramę oraz większość podzespołów wykonano ze stali
S700 (granica platyczności R0.2 = 700 MPa), a skrzynię
ładunkową ze stali HB 450 (R0.2 = 950 MPa).
Rys. 5 Tensometry zamontowane na naczepie: a) T1, b)T8, c) 13
32
Projektowanie i Konstrukcje Inżynierskie | listopad 2013 | www.konstrukcjeinzynierskie.pl
Rys. 7
Przebieg
zmienności
naprężeń przy
przejeździe
przez duże
nierówności
| Konstrukcje
Motoryzacja
ARTYKUŁ SPONSOROWANY
Tab. 1 Naprężenia maksymalne uzyskane z pomiarów
tensometrycznych oraz analiz MES
Naprężenie maksymalne
Miejsce
pomiaru
Tensometria
MES
T1
79,80
78,20
2,00
T2
103,90
106,20
2,21
T5
115,50
112,30
2,77
T7
88,90
90,40
1,69
T10
96,20
98,70
2,60
T14
113,80
116,20
2,11
T16
112,80
115,10
2,04
Różnica [%]
w sytuacjach niebezpiecznych, przy znacznym przeciążeniu wywrotki. Podczas badań zastosowano czujniki tensometryczne do pomiaru stanu naprężeń i odkształceń w warunkach dużego przeciążenia naczepy.
Na podstawie wyników analiz MES dobrano liczbę oraz
lokalizację punktów pomiarowych. Przykłady zamontowanych tensometrów przedstawiono na rysunku 5.
Badania przeprowadzono dla kilku wariantów obciążeniowych. W każdym przypadku mierzono wielkości
podczas załadunku, różnych wariantów jazdy oraz rozładunku. W rezultacie otrzymano rozkłady naprężeń
oraz odkształceń dla poszczególnych etapów badania.
Przykładowe wyniki badań przedstawiono na rysunkach 6 i 7.
W tabeli 1 podano wybrane wielkości zmierzone czujnikami tensometrycznymi oraz wyznaczone w symulacjach wytrzymałościowych (wyznaczając różnicę jako
wielkość bazową przyjęto naprężenie pozyskane z tensometrii).
Biorąc pod uwagę fakt, że naczepę wykonano z materiałów o wysokich własnościach wytrzymałościowych
(R0.2 = 700 MPa oraz R0.2 = 950 MPa), występujące naprężenia są niewielkich wartości zatem nie zachodzi niebezpieczeństwo odkształceń trwałych ani tym bardziej
uszkodzenia produktu. Podczas jazdy nawet po dużych
nierównościach drgania nie były przenoszone na ramę.
Na podstawie wyników analiz wytrzymałościowych
oraz rezultatów badań testowych można stwierdzić, że
naczepa może być bez przeszkód stosowana zgodnie ze
swoim przeznaczeniem. W trakcie badań nie wykryto
żadnych nieprawidłowości.
Ponadto warto zwrócić uwagę na fakt, że w obu przypadkach (tensometry i MES) naprężenia wyszły zbliżone (różnice są poniżej 3%) co dowodzi poprawności
przeprowadzonych obliczeń.
Podsumowanie
Celem opracowania nowej naczepy wywrotki było stworzenie uniwersalnego wyrobu, który z jednej strony połączy funkcjonalność i użytkowość wywrotek standardowych, a jednocześnie zapewni większą wytrzymałość,
stabilność oraz możliwość pracy w trudnych warunkach
eksploatacyjnych. Dzięki współpracy specjalistów z wielu dziedzin stworzono produkt, który stanowi ciekawe
rozwiązanie konstrukcyjne i może stanowić uzupełnienie oferty o ten typ wyrobów na rynku.
Rys. 8 Jazda
po dużych
nierównościach
Maciej Kaczor,
Dyrektor Działu Badań i Rozwoju
Piotr Wysota
Specjalista ds. obliczeń wytrzymałościowych
WIELTON S.A.
Literatura
Prochowski L., Żuchowski A.: Samochody ciężarowe i autobusy.
WKiŁ, Warszawa 2011.
E. Rusiński: Zasady projektowania konstrukcji nośnych pojazdów
samochodowych, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2002.
SSAB Documentation, Guaranteed tensile properties of Hardox,
2012.
VDI 2700: Securing of loads on road vehicles.
Projektowanie i Konstrukcje Inżynierskie | listopad 2013 | www.konstrukcjeinzynierskie.pl
33