РАСЧЕТ ШАССИ
Большинство шасси все еще конструируются , исходя, из опыта его создателя и уже потом проходят практические испытания на трассе.
На самом деле можно моделировать работу шасси на компьютере, чтобы более или менее точно определить его гибкость в зависимости от конструкции шасси.
МОДЕЛИРОВАНИЕ СИЛ СКРУЧИВАНИЯ
На рисунке показано, как при повороте руля на месте приподнимается переднее внешнее колесо. Если шасси будет достаточно жестким, то карт будет стоять на трех колесах, мы помним, это необходимо для получения дифференциального эффекта на задних колесах. Переднее колесо, которое стоит на плоскости, передает на шасси вертикальную силу, которое заставляет скручиваться шасси.
Рис. 169
Приподнятое переднее колесо.
Масса пилота и вес шасси опираются на три точки. При этом не важно, где находятся две точки, на переднем или на заднем мосту, так как это не меняет общего распределения сил и их воздействия. Составляем принципиальную схему действия сил на раму шасси:
-Два подшипника нагружены в поперечном и продольном направлении,
-Шарнир одной из цапф зафиксирован по высоте, но шарнир другой цапфы находится в свободном состоянии, он приподнят над плоскостью.
-вертикальная сила освобожденная во втором шарнире работает на скручивание рамы шасси.
Рис. 170
Принципиальная схема действия сил на раму шасси.
1. задние подшипники зафиксированы по высоте.
2. силы на свободном шарнире рулевой цапфе.
3. зафиксированный шарнир рулевой цапфы.
Эта схема проста и легко моделируется на компьютере. В дальнейшем мы будем ее использовать.
РАСЧЕТ МЕТОДОМ КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
Принцип расчета. Расчет методом конечных элементов заключается в разделении сложной задачи на множество простых задач, которые названы «конечные элементы», по которым очень просто можно произвести расчет воздействия какой-либо силы и взаимодействие «конечных элементов» для получения результата для всей конструкции. Необходимо составить схему равновесия сил, действующих на всю конструкцию.
Этот метод часто используется в промышленном производстве и он позволяет определить деформацию в каждом элементе под действием силы, приложенной в каждой конкретной точке, так рассчитывается деформация всей конструкции.
Метод «конечных элементов» позволяет нам определить величину перемещений различных участков шасси. Элемент жесткости, работающий на участке рамы, обладающим большой подвижностью, конечно, будет работать больше, чем такой же элемент жесткости, используемый на малоподвижном участке рамы. Этот метод поможет определить величину деформации рамы на участке крепления двигателя, проанализировать перемещения точек оси цапфы, а так же определить силы, действующие на узлы и детали шасси.
СИЛЫ, ДЕЙСТВУЮЩИЕ НА ТРУБУ
Правило разложения сил по осям X,Y,Z. Это правило позволяет разложить одну силу на три составляющих и произвести более простые расчеты элемента конструкции по этим трем силам, выраженных в МПа (1 МПа=1 Н/мм²).
Рис. 171
Система осей, которая используется для определения сил действия и противо-действия.
Усилия по оси Х. это силы растяжения и сжатия.
( эпюра это графическое изображение векторов сил, действующих на конструкцию или ее часть)
Рис. 172
Эпюра сжатия трубы.
Рис. 173
Эпюра растяжения трубы.
Рис. 174
Схема возникновения прогиба в результате осевой нагрузки.
Рис. 175
Эпюра чистого прогиба.
Сочетание различных усилий по оси Х.
Рис. 176
а) Эпюра растяжение.
б) Эпюра прогиба.
в) Эпюра прогиба с сжатием.
Усилия по оси Y. Это усилие может быть чистым скручиванием, минимальное усилия в центре трубы и максимальные усилия на внешней стороне трубы.
Рис. 177
Эпюра скручивания.
Рис. 178
Эпюра сдвига.
Усилия по оси Y могут быть усилиями сдвига, в этом случае силы, действующие на трубу, направлены в одном направлении. Так же, все эти силы могут сочетаться.
Рис. 179
а) Эпюра сдвига.
б) Эпюра скручивания.
в) Эпюра сочетания сдвига и скручивания.
Усилия по оси Z. Работа этих усилий аналогична работе усилий вдоль оси Y
Примечание: Для простоты объяснения мы использовали линейные силы, в действительности силы могут быть нелинейными.
Рис. 180
Линейное и нелинейное распределение усилий в трубе.
На самом деле, усилия комбинируются по трем осям X,Y,Z., результирующая которых будет еще сложнее. Необходимо будет использовать алгоритм по сочетанию этих усилий, который покажет нам степень влияния сил на каждый элемент конструкции. Существует несколько способов для определения конечного результата. Усилия в данной методике определяются по правилу VON MISES, то есть определяется пропорциональное отношение действующих сил в % к максимальному усилию, которое может выдержать элемент конструкции без необратимой деформации (речь идет о пределе упругости элемента).
Программное обеспечение GIFTS рассчитывает VON MISES для каждого конечного элемента и представляет его в виде буквенного символа, который соответствует определенной величине пропорции в % к пределу упругой прочности конечного эле-мента. «А» соответствует элементу с меньшим напряжением в данной конструкции, а «J» большему. Правило VON MISES позволяет легко определить напряжение в трубе и определить значение данного усилия в % к пределу упругой прочности трубы.
Рис.181
Деформация металлического образца, подлежащего испытанию, в зависимости от приложенной силы растяжения.
-Первая часть кривой соответствует зоне упругой деформации. Деформация строго пропорциональна приложенной силе. Как только действие силы на образец заканчивается, он возвращается в исходное состояние.
-вторая часть кривой соответствует остаточной деформации, то есть после окончания действия силы на образец, он не восстанавливает полностью первоначальную форму. Образец деформируется до точки В и восстанавливается до точке D. Остаточная деформация будет 0-D.
-Третья часть кривой соответствует разрушению образца.
Применение метода «конечных элементов» к расчету рамы шасси карта. Мы рассматриваем как конечный элемент все прямые части рамы. Все непрямые части рамы должны быть разделены на пять, как бы, прямых частей, что, в конечном итоге, упрощает вычисления.
На практике, существующие шасси картов были измерены и их конструкция была введена в программу промышленного проекта. Полученные данные, любезно предоставила нам компания I.U.T., были введены в программу расчета конечных элементов GIFTS. Это и позволило нам сделать расчет скручивания рамы шасси по усилию, приложенному на одну цапфу.
Исходя из этого можно без труда изменять исходный чертеж и довольно быстро получать новые характеристики, то есть параметры некоего нового шасси. В частности, интересно заметить, что это позволяет определить закономерности изменения прочности шасси в зависимости от перемещения различных частей рамы.
От теории к практике. Разумеется, теоретические расчеты не представляют интереса, если они не соответствуют действительности. Для этого мы провели ряд контрольных испытаний шасси на скручивание на стенде. Эти испытания позволили нам измерить фактическую деформацию от действия вертикально приложенной силы на свободную опору.
Контрольно-измерительный стенд. Он изготовлен в виде жесткой рамы из швеллеров, на которую крепится рама шасси за следующие точки:
-два качающихся подшипника, смонтированных в подшипниковых узлах, закрепленных на кронштейне стенда, фиксируют вал карта в поперечном и продольном положении.
-одна из двух цапф фиксируется, качающемся подшипником, в подшипниковом узле закрепленном на кронштейне стенда.
-вторая цапфа свободна. К ней прикладывается определенная сила через гидроцилиндр. Прилагаемая сила контролируется манометром класса 01.
Рис. 182
а) Задний вал свободно вращается.
б) Вертикальная сила, сообщаемая гидроцилиндром.
в) Зафиксированная цапфа на стенде.
рис. 183
Монтаж цапфы в подшипниковом узле на кронштейне стенда, с качающемся подшипником.
Рис. 184
Гидроцилиндр, манометр, цифровой микрометр.
Рис. 185
Шасси карта на стенде.
Что дает теория на практике. Сравнивая теоретические результаты с данными полученными на испытательном стенде, мы можем сказать, что разница составляет от 7,5% до 4% . В некоторых случаях эта погрешность является несущественной. Эта разница существенна, но только при сравнении двух различных шасси. Если пара-метры для применяемой марки стали неизвестны, используется модуль Янга, составляющий 200.000 МПа, тогда погрешность соответствует сорту применяемой стали. Именно так мы и поступили. Далее, в таблицах даны сравнительные показатели некоторых теоретических и практических деформаций.
Метод конечных элементов не является достаточным для определения точной де-формации шасси под действием данной силы, но с другой стороны он дает хороший расчет закономерности
изменений этой деформации при изменении конструкции. Он позволяет прогнозировать влияние того или другого изменения на упру-гость шасси и приблизительно оценить:
-влияние диаметра трубы на характеристики шасси,
-характер работы каждого элемента рамы шасси,
-влияние дополнительных элементов рамы шасси,
-влияние опор подвески,
-различные формы шасси,
-влияние различных регулируемых зажимов жесткости на раме шасси.
Практические измерения на стенде позволили нам определить влияние опор, крепления рамы шасси на стенде, на общую прочность шасси, что чрезвычайно важно для расчета шасси карта.
