TRDNOSTNI PRERA ČUN IN IZDELAVA NOSILNEGA OKVIRA …

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

I

TRDNOSTNI PRERAČUN IN IZDELAVA

NOSILNEGA OKVIRA ŠPORTNEGA VOZILA

VOLKSWAGEN BUGGY

Diplomsko delo

Študent: Miro HAJDINJAK

Študijski program: Visokošolski strokovni; Strojništvo

Smer: Konstrukterstvo in gradnja strojev

Mentor: doc. dr. Janez KRAMBERGER

Somentor: mag. Anton PRISTAVEC

Maribor, oktober 2008


II

I Z J A V A

Podpisani Miro HAJDINJAK izjavljam, da:

• je bilo predloženo diplomsko delo opravljeno samostojno pod mentorstvom doc. dr.

Janeza Krambergerja in somentorstvom mag. Antona Pristavca;

• predloženo diplomsko delo v celoti ali v delih ni bilo predloženo za pridobitev

kakršnekoli izobrazbe na drugi fakulteti ali univerzi;

• soglašam z javno dostopnostjo diplomskega dela v Knjižnici tehniških fakultet

Univerze v Mariboru.

Maribor, 20. 10. 2008 Podpis:


III

ZAHVALA

Zahvaljujem se mentorju doc. dr. Janezu

Krambergerju in somentorju mag. Antonu Pristavcu za

pomoč in vodenje pri opravljanju diplomskega dela.

Zahvaljujem se tudi moji Katji, ki mi je ves čas študija

stala ob strani.

Posebna zahvala velja staršem, ki so mi omogočili

študij.


IV

TRDNOSTNI PRERAČUN IN IZDELAVA NOSILNEGA OKVIRA

ŠPORTNEGA VOZILA VOLKSWAGEN BUGGY

Ključne besede: cestno vozilo, podvozje, trdnostni preračun, metoda končnih elementov,

numerična analiza

UDK: 539.4:629.3.028.4(043.2)

POVZETEK

V diplomski nalogi sta predstavljena in opisana postopek numerične analize nosilnega okvira

športnega vozila VW Buggy ter njegova izdelava. Namen dela je bil s preračuni preveriti in

zagotoviti varnost konstrukcije za njene uporabnike in hkrati preprečiti predimenzioniranje

novega podvozja. V delu so prikazani postopek priprave numeričnega modela, izdelava mreže

končnih elementov, definiranje vseh robnih pogojev obremenitve in vpetja modela. Prav tako

so analizirani rezultati numeričnih analiz po MKE za različne obremenitvene kombinacije. V

drugem delu naloge je predstavljen postopek izdelave nosilnega okvira za VW Buggy.


V

STRENGTH CALCULATION AND THE MAKING OF THE BEAM

FRAME OF VOLKSWAGEN BUGGY SPORTS VEHICLE

Key words: road vehicle, chassis, strength calculation, finite element method (FEM),

numerical analysis

UDK: 539.4:629.3.028.4(043.2)

ABSTRACT

In this thesis procedure of numerical analysis of the beam frame of VW Buggy sports vehicle

and the making of it are presented and described. The purpose of this work was to examine

and ensure safety of the construction for its users and at the same time prevent oversizing of

the new chassis. In the text procedure of making the numerical model, the net of finite

elements, definitions of all border conditions of loading and holding the model are shown.

Results of numerical analysis by the FEM for different cases of loading have also been

analized. In the second part of the text the procedure of making Buggy is presented.


VI

KAZALO

KAZALO................................................................................................................................ VI

1 UVOD ........................................................................................................................... - 1 -

1.1 PREDSTAVITEV PROBLEMA ......................................................................................- 1 -

1.2 STRUKTURA DIPLOMSKEGA DELA ............................................................................- 1 -

2 KONSTRUKCIJSKE ZNAČILNOSTI OSNOVNEGA PODVOZJA VOZILA . - 2 -

2.1 KRATKA ZGODOVINA AVTOMOBILA HROŠČ ............................................................- 2 -

2.2 KONSTRUKCIJSKE ZNAČILNOSTI VOZILA VW HROŠČ ..............................................- 4 -

2.3 VW BUGGY .............................................................................................................- 5 -

2.4 SKLOPI VOLKSWAGEN BUGGYA ..............................................................................- 6 -

3 DOLOČITEV ZAHTEVNIKA KONSTRUKCIJE PODVOZJA VOZILA.......... - 7 -

3.1 DIMENZIJE VOZILA ..................................................................................................- 8 -

3.2 MATERIAL PODVOZJA ..............................................................................................- 8 -

3.3 PLATIŠČA IN PNEVMATIKE .......................................................................................- 9 -

Premer in širina platišča ............................................................................................... - 9 -

3.4 OBREMENITVE .......................................................................................................- 10 -

Lastna teža................................................................................................................... - 11 -

Osebe ........................................................................................................................... - 11 -

Sile med vožnjo ............................................................................................................ - 11 -

3.5 KOMBINACIJE OBREMENITEV ZA TRDNOSTNI PRERAČUN .......................................- 11 -

Določitev kombinacij na osnovi standarda SIST EN 1993 (EC3)............................... - 11 -

4 TRDNOSTNI PRERAČUN PODVOZJA VOZILA PO MKE ............................. - 12 -

4.1 MKE MODEL .........................................................................................................- 12 -

4.2 ROBNI POGOJI VPETJA............................................................................................- 13 -

4.3 OBREMENITVE .......................................................................................................- 13 -

4.4 OBREMENITVENI PRIMER 1 ....................................................................................- 15 -


VII




4.8 OBREMENITVENI PRIMERI 5, 6, 7 IN 8 ....................................................................- 19 -


5 REZULTATI PRERAČUNOV ................................................................................ - 21 -

5.1 OBREMENITVENA KOMBINACIJA 1.........................................................................- 21 -









6 IZDELAVA NOSILNE KONSTRUKCIJE VOZILA ........................................... - 42 -

6.1 DEMONTAŽA KABINE.............................................................................................- 42 -

6.2 POPRAVILO DELOV PODVOZJA ...............................................................................- 43 -

6.3 PREDELAVA PODVOZJA..........................................................................................- 44 -

6.4 PREDELAVA SPREDNJEGA MOSTU ..........................................................................- 48 -

6.5 PRIPRAVA NADGRADNJE ........................................................................................- 49 -

6.6 MONTAŽA NOVIH ZAVOR .......................................................................................- 50 -

6.7 PRITRDITEV NADGRADNJE NA OKVIR .....................................................................- 51 -

6.8 NANAŠANJE OSNOVNEGA PREMAZA NA KAROSERIJO .............................................- 52 -

7 SKLEP ........................................................................................................................ - 53 -

SEZNAM UPORABLJENIH VIROV............................................................................. - 54 -

ŽIVLJENJEPIS................................................................................................................. - 55 -


VIII

UPORABLJENI SIMBOLI IN KRATICE

ET - razdalja med simetralo platišča in naležno površino platišča

F - sila

G - gravitacijska sila

E - modul elastičnosti

ISO - International Standard Organisation

MKE - Metoda končnih elementov

VW - Volkswagen

SIST EN 1993 - Evrokod 3: Konstruiranje jeklenih konstrukcij

KDF - moč skozi veselje (nem., Kraft durch Freude)

MSN - mejno stanje nosilnosti

MSU - mejno stanje uporabnosti


- 1 -

1 UVOD

1.1 Predstavitev problema

Področji diplomskega dela sta bili trdnostni preračun podvozja športnega vozila VW Buggy in

njegova izdelava. Zaradi vgradnje motorja z večjo močjo je bilo potrebno opraviti tudi

trdnostne preračune predelanega podvozja. Podvozje vozila je bilo skrajšano skupno za

trideset centimetrov in s tem posledično tudi dno podvozja. Nosilni okvir vozila je bil

oblikovan in izdelan po trdnostnih preračunih.

Podvozje je bilo v celoti računalniško modelirano, kar je pripomoglo k hitrejšemu

postopku preračuna trdnosti. Izbrani so bili materiali in dimenzije, ki so bili podlaga za

začetek preračunavanja podvozja in dokazovanja njegove trdnosti.

Za osnovo buggya smo izbrali Volkswagnovega Hrošča, saj je njegovo podvozje

odlično za takšne predelave, ker so vzmetenja sprednje kot tudi zadnje osi neodvisna od

nadgradnje. To pomeni, da noben del vzmetenja ni pritrjen na nadgradnjo.

1.2 Struktura diplomskega dela

Uvodnemu poglavju sledi poglavje, v katerem so opisane konstrukcijske značilnosti

osnovnega podvozja vozila VW, iz katerega je kasneje nastalo modificirano športno podvozje.

V tretjem poglavju je podrobno opisan zahtevnik podvozja. Podane so glavne dimenzije

novonastalega podvozja, materialne lastnosti in obremenitve. V četrtem poglavju je opisano

numerično modeliranje podvozja. Predstavljeni so trdnostni preračuni, priprava robnih

pogojev vpetja in priprava mreže. V petem poglavju so predstavljeni rezultati trdnostnega

preračuna za posamezne obremenitvene kombinacije. Šesto poglavje predstavlja izdelavo

športnega vozila na podlagi preračunov. V sedmem poglavju je podan sklep diplomskega

dela. V zadnjem, osmem poglavju so navedeni viri, iz katerih smo črpali potrebne

informacije.


- 2 -

2 KONSTRUKCIJSKE ZNAČILNOSTI OSNOVNEGA

PODVOZJA VOZILA

2.1 Kratka zgodovina avtomobila Hrošč

Korenine avtomobila Hrošč segajo v leto 1912, ko je dr. Ferdinand Porsche zasnoval prvi

štirivaljni motor z nasproti stoječimi bati, namenjen za pogon letal. Ta zgodnji projekt je bil

podoben kasnejšim avtomobilskim serijskim motorjem. Vendar se zgodba o hrošču resnično

začne šele leta 1931, ko je dr. Ferdinanda Porscheja najel nemški proizvajalec motociklov

Zündapp, ki je želel izdelovati tudi avtomobile. Ferdinand Porsche je bil samostojni inženir

od leta 1926 oz. doktor strojniških ved. Preden ga je najel Zündapp, je delal za Horcha,

Wandererja in Mercedes – Benza. Zündapp je leta 1932 po Porschejevih načrtih izdelal

prototip avtomobila za testiranja, ker pa se je v tem času povečalo povpraševanje po motornih

kolesih, ga avtomobilska industrija ni več zanimala. Jezen Porsche je zamisel prenesel k drugi

tovarni motociklov, NSU. Izdelali so več prototipov, tokrat s torzijskim vzmetenjem –

Porschejev izum. Izdelali so tudi dvotaktni motor, kasneje pa so se spet oprijeli motorja z

nasproti stoječimi bati (boxer motorja). Tudi tovarna NSU se ni nikoli odločila za serijsko

proizvodnjo tega avtomobila. Porsche ni hotel zavreči načrtov, zato je pisal nacistični vladi. V

pismu je poudarjal prednosti svoje vizije in hkrati predlagal, da bi bil ta avto popolnoma

»ljudski avto«. Kar hitro je dobil odgovor od vodje, Adolfa Hitlerja, ki ga je izzval z razvojem

petsedežnega avta, ki zmore voziti ves dan ob končni hitrosti 100 km/h. Ker je bil Hitler

prepričan, da bo to »ljudski avto«, je določil dokaj nizko prodajno ceno. Prvi prototip je bil

končan leta 1935. Oblikoval ga je Erwin Komenda. Ta hrošč je bil zelo podoben kasnejšemu,

najbolj prepoznavnemu modelu. Avto so prvič razstavili leta 1936 na berlinski razstavi

avtomobilov. Tovarno z imenom Volkswagen so postavili v kraju Wolfsburg, kjer je tudi

ostala. Časopisna hiša New York Times je prva poimenovala avto Hrošč, ko so ga leta 1938

predstavili novinarjem. Vendar ga je Hitler uradno poimenoval KdF-Wagen. KdF je pomenilo

»Kraft durch Freude« (moč skozi veselje). Kompaktni motor so spojili s štiristopenjskim

menjalnikom. Neodvisno obešene polgredi so prenašale moč na zadnji par koles. Polgredi so

bile vzmetene torzijsko. Osnova obes je bila centralno pritrjena na platformo, ki je mnogo let

pozneje postala glavna baza za izdelavo raznovrstnih buggyev. Proizvodnja je potekala do leta

1939, ko je Hitler napadel Poljsko. Takrat so začeli za potrebe vojske namesto hroščev

izdelovati terenskim vozilom podobna vozila imenovana Kübelwagen. Šele po vojni leta 1945


- 3 -

so ponovno začeli izdelovati hrošče pod nadzorom Britancev. Avto se je začel prodajati leta

1947. Britanski nadzorniki so leta 1949 prepustili nadzor in vodenje tovarne Nemcem. Leta

1974 je matična tovarna v Wolfsburgu prenehala izdelovati hrošče. Z izdelavo so nadaljevali

v Mehiki. Od takrat pa vse do leta 2002 so skupaj izdelali 22,5 milijonov hroščev [7].

Slika 2.1: VW Hrošč


- 4 -

2.2 Konstrukcijske značilnosti vozila VW Hrošč

Hrošči so prepoznavni po svoji trpežnosti in preprostosti, kar dokazuje edinstvena pol stoletja

trajajoča proizvodnja. Kot je načrtoval in Hitlerju zagotavljal že sam Porsche je bil avto

preprost za uporabo – »ljudski avto«, saj ni zahteval posebnih spretnosti za vožnjo in

vzdrževanje. S konstrukterskega stališča je bil hroščev zračnohlajeni motor v primerjavi s

takratnimi preprostejši za vzdrževanje in popravilo. Povrh je bilo mehanikom in kleparjem

delo olajšano zaradi njegove konstrukcije, ki je bila montažna. To pomeni, da se je dalo

konstrukcijo razstaviti na podvozje oz. šasijo in nadgradnjo oz. karoserijo brez rezanja kovine,

torej le z vijačenjem. Tako je bilo lažje zamenjati katerikoli konstrukcijski del.

Navedeno dokazuje neodvisnost podvozja in karoserije. Konstrukcijska posebnost pri

hrošču je tudi namestitev vzmetenja. Slednje je pritrjeno na podvozje in ni odvisno od

karoserije. Ravno tovrstna konstrukcijska rešitev vzmetenja je omogočila razvoj in izdelavo

Kübelwagnov ter predelanih vozil t. i. buggyev .

Podvozje je sestavljeno iz (slika 2.2):

• glavnega nosilca v obliki U profila z zadnjim mostom (sredina podvozja);

• stranskih nosilcev v obliki kvadratnega profila (leva in desna stran);

• dna iz pločevine (leva in desna stran);

• sprednjega mostu:

o dve torzijski vzmeti,

o štiri roke s končniki;

• dveh torzijskih vzmeti zadaj (levo in desno);

• nosilcev polgredi (levo in desno);

• pesta, koles, zavor, itd.

Karoserija je sestavljena iz:

• ohišja kabine,

• vrat (levo in desno),

• pokrova motorja,

• pokrova prtljage,

• stekla,


- 5 -

• ogledal,

• notranje opreme (sedeži, instrumenti, obloge na vratih, radio, itd.).

Slika 2.2: Razstavljena podvozje in karoserija

2.3 VW Buggy

VW Buggy (slika 2.3) je, kot pove že samo ime, sestavljen iz Volkswagnovega Hrošča.

Tovrstno predelavo omogoča montažnost hroščeve konstrukcije, kar je navedeno v prejšnjem

poglavju. Iz razstavljenega hrošča je izvzeto podvozje, ki je osnova buggya. Na to šasijo je

nameščena nadgradnja iz poliestra. Te nadgradnje so različnih oblik in dimenzij. Tako lahko

sestavimo dvosed, dvosed s skrajšano nadgradnjo, pri katerem motor ni skrit pod karoserijo,

štirised ipd. Vse ostalo, kar ne spada k podvozju (npr. števci, sedeži, volan ipd.), so lahko od

kateregakoli vozila. Poleg podvozja iz hrošča uporabimo še motor in menjalnik. Vgraditi je

možno tudi Porschejeve motorje in menjalnike, vendar potem to ni več pristno vozilo. Izgled

buggya je v veliki meri odvisen od domišljije osebe, ki ga izdeluje, zaradi tega je vsak VW

Buggy unikatno vozilo.


- 6 -

Slika 2.3: VW Buggy

2.4 Sklopi Volkswagen Buggya

Volkswagen Buggy je tako kot VW Hrošč v grobem sestavljen iz dveh sklopov. To sta

podvozje in poliesterska nadgradnja. Nadgradnja je na robovih privijačena na podvozje.

Sklopi podvozja so hroščevi, prav tako tudi vsi drugi deli, razen nadgradnje.


- 7 -

3 DOLOČITEV ZAHTEVNIKA KONSTRUKCIJE PODVOZJA

VOZILA

Nova oblika vozila nima več kovinske nadgradnje, saj le-to nadomešča nadgradnja iz

poliestra, zato se nosilnost celotne konstrukcije zmanjša. Konstrukcija, katere nosilnost je bila

s predelavo že oslabljena, ne bi prenesla še dodatne obremenitve, kot je modifikacija motorja.

Zaradi tega je bilo potrebno opraviti preračune podvozja in na novo izdelati podvozje vozila.

Za preračunavanje je bilo potrebno čim bolj natančno posneti dimenzije obstoječega

podvozja v programski opremi SolidWorks [10], kar je predstavljalo izhodišče za preračune.

Model je bil zmodeliran brez zračnosti med sprednjimi vilicami zglobov in mostom, kjer so se

vmes nahajali ležaji, saj bi vsaka zračnost pomenila dodaten problem pri mreženju MKE

modela v programu Abaqus 6.7-1. Program namreč ne bi prepoznal modela kot celote, ampak

kot dva ali več delov. V izogib takšnim nevšečnostim, smo bili prisiljeni naš model do

določene mere poenostaviti. Model, ki smo ga izdelali v SolidWorksu, so sestavljale le lupine

oz. površine. Pri modeliranju je bilo potrebno upoštevati tudi dimenzije vozila, kot so

medosna razdalja, maksimalna širina skupaj s kolesi itn.

Namen dela je bil s preračuni preveriti in zagotoviti varnost konstrukcije za njene

uporabnike in hkrati preprečiti predimenzioniranje novoizdelanega podvozja. Določiti je bilo

potrebno tudi obremenitve. Masa vozila ni smela presegati 650 kg, dolžina je lahko bila 3 m.

Celotno vozilo je moralo biti montažno, torej se lahko nadgradnja sname s podvozja. Njegova

nosilnost se je morala povečati tudi zaradi nadgradnje in namestitve močnejšega motorja. S

povečano nosilnostjo smo zagotovili varnost potnikov in njegovo uporabnost. Izdelava vozila

je temeljila na rezultatih trdnostnih preračunov.


- 8 -

3.1 Dimenzije vozila

Upoštevati smo morali Pravilnik o dimenzijah, masah in opremi vozil, objavljen v Ur. l. RS,

št. 24/96 [1], ki v 2. členu pojasnjuje, kako se merijo največja dolžina, širina in višina vozila.

V 3. členu le-tega pa je zapisano:

• v točki 1c: največja dovoljena dolžina vozila za skupino vozil (motorno in

priklopno vozilo) je 18 m;

• v točki 2b: največja dovoljena širina vozila je 2,55 m;

• v točki 3: največja dovoljena višina vozila je 4 m.

Dolžina podvozja znaša 2865 mm, širina 1060 mm in višina 1040 mm. Na sliki 3.1 so

prikazane glavne dimenzije podvozja vozila VW Buggy.

Slika 3.1: Model podvozja vozila modeliran v programski opremi SolidWorks

3.2 Material podvozja

Podvozje je varjeno iz konstrukcijskega jekla S355JRG2. Meja tečenja je 355 MPa, natezna

trdnost pa 490 MPa.


- 9 -

3.3 Platišča in pnevmatike

Platišča, ki so uporabljena na vozilu, smo izbrali glede na dimenzije pnevmatik. Na vozilo

smo namestili lita platišča in pnevmatike dimenzij 185/55 R 14 spredaj in 225/55 R 15 zadaj.

Premer in širina platišča

Oznaka velikosti platišča je označena s premerom in širino, pri čemer so uporabljene cole/inč.

Slika 3.2: Dimenzije platišča

Oznaka ET označuje razdaljo med simetralo platišča in naležno površino platišča. ET torej

označuje, ali bo pnevmatika skrita pod blatnikom, ali se bo dotikala njegovih notranjih delov,

ali pa bo del pnevmatike zunaj roba blatnika.

Slika 3.3: Simetrala platišča

Oznaka 5×100 pomeni, da je platišče pritrjeno s petimi vijaki, ki so razvrščeni na obodu 100

mm. Pri izbiri platišč je torej, poleg števila vijakov za pritrditev, pomemben tudi obod

vijakov. Lahko se zgodi, da vijaki ne nalegajo na površino in tako ni mogoče namestiti

platišča na vozilo.


- 10 -

Slika 3.4: Obod vijakov

Skupaj s platišči je potrebno kupiti tudi ustrezne vijake. Konusi vijakov so si med seboj

podobni, vendar ne povsem enaki.

3.4 Obremenitve

Na sliki 3.5 je prikazan globalni koordinatni sistem konstrukcije podvozja, v katerem smo

definirali obremenitve.

Slika 3.5: Globalni koordinatni sistem


- 11 -

Lastna teža

Lastna teža je bila določena v zahtevniku in je znašala 650 kg.

Osebe

Za maso oseb smo določili 100 kg po osebi.

Sile med vožnjo

Pri trdnostnem preračunu vozila smo upoštevali udarce med vožnjo kot mnogokratnike

zemeljskega pospeška:

• V smeri vožnje; sunek dvakratne skupne teže konstrukcije in bremena faktor 2 za

smer -Y

• Prečno na smer vožnje; sunek skupne teže konstrukcije in bremena faktor 1 za smer

+X

• Pravokotno na cestišče gor; sunek skupne teže konstrukcije in bremena faktor 1 za

smer -Z

• Pravokotno na cestišče dol; sunek skupne teže konstrukcije in bremena faktor 2 za

smer +Z

3.5 Kombinacije obremenitev za trdnostni preračun

Določitev kombinacij na osnovi standarda SIST EN 1993 (EC3)

Pri trdnostni kontroli nosilnega okvira smo upoštevali naslednje varnostne faktorje za jeklene

konstrukcije:

• Pri kontroli trdnosti konstrukcije (mejno stanje nosilnosti – MSN)

o 1,35 za obremenitve, ki so stalno prisotne (lastna teža, stalne obtežbe)

o 1,5 za obremenitve, ki niso vedno prisotne – so variabilne (osebe)

• Pri kontroli uporabnosti konstrukcije (mejno stanje uporabnosti – MSU)

o 1 za vse obremenitve, če so že upoštevani drugi faktorji


- 12 -

4 TRDNOSTNI PRERAČUN PODVOZJA VOZILA PO MKE

Trdnostni preračun smo naredili po MKE metodi, s pomočjo programske opreme Abaqus 6.7-

1. V ta program smo uvozili model, ki smo ga pred tem zmodelirali v programski opremi

SolidWorks 2007. V programski opremi Abaqus 6.7-1 smo le domodelirali toge elemente. Ti

elementi so: motor z menjalnikom in oba sedeža.

4.1 MKE model

Model nosilnega okvira je varjena konstrukcija, zato smo vse sestavne dele združili v celoto.

To smo lahko naredili ob predpostavki, da so zvari enake kvalitete kot osnovni material. Na

sliki 4.1 je prikazan računski model podvozja vozila. Podvozje je modelirano z lupinskimi

elementi. Zaradi poenostavitve modela so sedeža in motor z menjalnikom modelirani kot toga

telesa.

Podvozje je sestavljeno iz 87498 elementov, sprednja prema iz 13961 elementov, motor

iz 2189 elementov in vsak sedež iz 1338 elementov. Vsi elementi so linearni.

Slika 4.1: Mreža končnih elementov


- 13 -

4.2 Robni pogoji vpetja

V vseh obremenitvenih primerih smo model vpeli v vseh štirih kolesih, le v četrtem in osmem

primeru, kjer deluje sila s strani, sta bili vpeti bočni kolesi. Model smo obremenili z

ustreznimi silami glede na nosilnost oziroma uporabnost.

Ux, Uy, Uz = 0

Slika 4.2: Prikaz vpetja modela

4.3 Obremenitve

Modelu, ki je bil preračunan na nosilnost, smo dodali faktor EC3. Lastno težo smo pomnožili

s faktorjem 1,35, osebe pa s faktorjem 1,50. Vse skupaj smo pomnožili še s pospeškom, ki je

bil določen 2G v smeri vožnje in pravokotno na cestišče dol, 1G pa pravokotno na cestišče

gor in prečno na smer vožnje. Izjema je bil varnostni pas, ki smo ga obremenili z 20 kN,

kakor določa predpis.

Obremenitve v modelu za dokaz uporabnosti so pomnožene le s pospeškom v ustrezni

smeri. Obremenitve se ne množijo z nobenim faktorjem.

Kombinacije obremenitev za dokaz nosilnosti (MSN), so prikazane v preglednici 4.1.


- 14 -

Preglednica 4.1: Tvorjenje kombinacij za dokaz nosilnosti (MSN)

Kombinacija Vrsta kontrole Obremenitveni primer Koeficient Opombe

MSN lastna teža (+Z) 1,35 v MSN lastna teža (-Y) 2,70 smeri MSN oseba v vertikalni smeri (+Z) 1,50 vožnje

1.

MSN oseba v smeri vožnje (-Y) 3,00

MSN lastna teža (+Z) 2,70 pravokotno na

2. MSN oseba v vertikalni smeri (+Z) 3,00 cesto dol

MSN lastna teža (+Z) -1,35 pravokotno na 3. MSN oseba v vertikalni smeri (+Z) -1,50 cesto gor

MSN lastna teža (+Z) 1,35 MSN lastna teža (+X) 1,35 prečno na MSN oseba v prečni smeri (+X) 1,50 smer vožnje

4. MSN oseba v vertikalni smeri (+Z) 1,50

9. MSN varnostni pas 1,00


- 15 -

4.4 Obremenitveni primer 1

V prvem obremenitvenem primeru, ki upošteva zaviranje v smeri vožnje, je bil okvir vozila

obremenjen z lastno težo (teža podvozja, menjalnika, motorja, sedežev in varnostnega loka) in

težo oseb, kar skupaj znaša 9,5 kN. Masa okvira je porazdeljena enakomerno po okviru, masa

oseb je locirana na vsak sedež.

Slika 4.3: Prikaz delovanja sile v smeri vožnje;

lastna teža (+Z) ×1,35+ lastna teža (-Y) ×2,70+ oseba (+Z) ×1,5+ oseba (-Y) × 3,00


- 16 -


V drugem obremenitvenem primeru je bil okvir vozila obremenjen z lastno težo in težo oseb.

Sila zaradi pospeškov je bila usmerjena pravokotno na cestišče v smeri dol.

Slika 4.4: Prikaz delovanja sile – dol;

lastna teža (+Z) ×2,7 + oseba (+Z) ×3,0


- 17 -


V tretjem obremenitvenem primeru so nastopale enake obremenitve kot v drugem, le da je bil

varnostni koeficient drugačen, saj je bila sila obrnjena pravokotno na cesto gor.

Slika 4.5: Prikaz delovanja obremenitve – od spodaj navzgor;

lastna teža (+Z) ×-1,35 + oseba (-Z) ×-1,50


- 18 -


V obremenitvenem primeru prečno na smer vožnje so bile obremenitve lastne teže in teže

oseb.

Slika 4.6: Prikaz delovanja sile prečno na smer vožnje;

lastna teža (+Z) ×1,35 + lastna teža (+X) × 1,35 + oseba (+X) ×1,50 + oseba (+Z) × 1,50


- 19 -

4.8 Obremenitveni primeri 5, 6, 7 in 8

V teh obremenitvenih primerih so bile obtežbe enake kot v prvih štirih, le da smo tukaj

kontrolirali uporabnost konstrukcije. To pomeni, da je pri vseh obremenitvah varnostni

koeficient enak ena, saj ne upoštevamo varnostnih faktorjev, ki so bili pomembni pri kontroli

nosilnosti.

Preglednica 4.2: Tvorjenje kombinacij za dokaz uporabnosti (MSU)

kombinacija vrsta kontrole obremenitveni primer koeficient opombe

MSU lastna teža (+Z) 1,00 MSU oseba v vertikalni smeri (+Z) 1,00 v MSU oseba v smeri vožnje (-Y) 2,00 smeri

5. MSU lastna teža (-Y) 2,00 vožnje

MSU lastna teža (+Z) 2,00 pravokotno na

6. MSU oseba v vertikalni smeri (+Z) 2,00 cesto dol

MSU lastna teža (+Z) -1,00 pravokotno na

7. MSU oseba v vertikalni smeri (+Z) -1,00 cesto gor

MSU lastna teža (+Z) 1,00 prečno MSU oseba v prečni smeri (+X) 1,00 na smer MSU oseba v vertikalni smeri (+Z) 1,00 vožnje

8.

MSU lastna teža (+X) 1,00 9. MSN varnostni pas 1,00


- 20 -


V devetem obremenitvenem primeru je obravnavan varnostni pas. Vsako točko vpetja smo

obremenili s silo 20 kN, kakor zahtevajo standardi.

Slika 4.7: Prikaz delovanja sile na varnostni pas;

varnostni pas (-Y) × 1,00


- 21 -

5 REZULTATI PRERAČUNOV

V tem poglavju so prikazani rezultati preračunov vseh obremenitvenih primerov.

Trdnostna numerična analiza okvira (izračun napetosti in pomikov) je bila v četrtem

poglavju narejena s programom Abaqus 6.7-1 [7].

5.1 Obremenitvena kombinacija 1

Pri obremenitvi v smeri vožnje nastopijo največje sile na sprednjem delu nosilnega okvira s

sprednjo premo. Posledica tega so največje napetosti v sprednjem mostu. Njihova najvišja

vrednost je bila 266 MPa pri velikosti mreže 20 mm.

Slika 5.1: Prikaz primerjalnih napetosti [MPa] za obremenitveno kombinacijo 1


- 22 -

Slika 5.2 prikazuje detajl, kjer nastopa največja napetost. Napetost se pojavlja na stičišču

sprednjega mostu in podvozja. Za preračun smo predpostavili, da sta ta dela varjena. V

praktičnem modelu je to vijačna zveza. Ker pa je to že obstoječi del podvozja, ki ga nismo

spreminjali, smo napetosti sprejeli in nismo korigirali prereza z nobeno ojačitvijo.

Slika 5.2: Prikaz detajla največje primerjalne napetosti na obremenitveni kombinaciji 1


- 23 -


Slika 5.3 ponazarja napetosti, ki se pojavijo ob delovanju obremenitve na avto pravokotno na

cestišče dol. Vozilo se deformira, vendar še ni prisotna plastična deformacija. Napetosti se

pojavijo predvsem v zadnji premi, na sredini vozila ter na spoju varnostnega loka in nosilnega

okvira. Največja napetost je na stičišču loka in okvira ter znaša 241 MPa.

Slika 5.3: Prikaz primerjalnih napetosti za obremenitveno kombinacijo 2


- 24 -

Kot je razvidno iz slike 5.4 je varnostni lok pritrjen na nosilno konstrukcijo le z naležno

površino. Lok smo pritrdili z vijačno zvezo, saj smo morali zagotoviti montažnost celotne

konstrukcije. Na cev smo privarili kotni profil, ki smo ga pozneje privijačili na okvir. S tem

smo mu povečali naležno površino, tako da se je napetost porazdelila po večji površini.

Slika 5.4: Prikaz detajla največje primerjalne napetosti pri obremenitveni kombinaciji 2


- 25 -


Slika 5.5 ponazarja obremenitev nosilnega okvira pravokotno na cestišče gor. V tem primeru

se lokalni maksimum prav tako nahaja na spoju varnostnega loka in nosilnega okvira, le da je

napetost manjša in znaša 120 MPa.



- 26 -

V tej obremenitveni kombinaciji se pojavlja napetost na istem mestu kot v prejšnji, kjer je že

opisan postopek, s katerim smo to napetost zmanjšali.

Slika 5.6: Prikaz detajla največje primerjalne napetosti za obremenitveno kombinacijo 3


- 27 -


V četrti obremenitveni kombinaciji je vozilo podprto le na stranskih kolesih. Zaradi tega so

tudi največje napetosti na kolesih, kakor je razvidno iz slike 5.7. Maksimalna napetost se

pojavlja v kolesu in znaša 141 MPa. Preostali del konstrukcije je manj obremenjen.



- 28 -

Slika 5.8 kaže točko maksimalne napetosti, ki se nahaja na notranjem robu kolesa. To

napetost lahko zanemarimo, saj ne vpliva na deformacijo podvozja.

Slika 5.8: Prikaz detajla največje primerjalne napetosti za obremenitveno kombinacijo 4


- 29 -


Peta obremenitvena kombinacija obravnava pomike nosilnega okvira pri obremenitvi v smeri

vožnje. Iz slike 5.9 je razvidno, da so pomiki za to kombinacijo v mejah dopustnega.

Maksimalen pomik znaša 4,4 mm.

Slika 5.9: Prikaz pomikov v Z smeri za obremenitveno kombinacijo 5


- 30 -

Na sliki 5.10 je prikazan del konstrukcije, na katerem je prisoten največji pomik. Razvidno je,

da se pomiki pojavljajo na kolesu. Na ostalih delih podvozja je prisoten manjši pomik.

Slika 5.10: Prikaz detajla največjega pomika za obremenitveno kombinacijo 5


- 31 -


V obravnavani obremenitveni kombinaciji se pojavlja največji pomik v zadnjem delu, in sicer

znaša 5,8 mm.

Slika 5.11: Prikaz pomikov za obremenitveno kombinacijo 6


- 32 -

Na sliki 5.12 je prikazana točka lokalnega maksimuma na zadnjem delu motorja.

Slika 5.12: Prikaz detajla največjega pomika pri obremenitveni kombinaciji 6


- 33 -


V sedmi obremenitveni kombinaciji se lokalni maksimum prav tako pojavlja v zadnjem delu

motorja tako kot v šesti kombinaciji. Razlika je le v vrednosti lokalnega maksimuma, ki znaša

2,9 mm.



- 34 -

Spodnja slika prikazuje točko lokalnega maksimuma na robu motorja, ki pa je v dopustnih

mejah.

Slika 5.14: Prikaz detajla z največjim pomikom pri obremenitveni kombinaciji 7


- 35 -


Slika 5.15 prikazuje rezultat vseh pomikov na nosilnem okviru. Ta obremenitev deluje prečno

na cestišče. Lokalni maksimum se pojavi v stranskem delu okvira. Njegova vrednost je 3,5

mm.

Slika 5.15: Prikaz pomikov podvozja za obremenitveno kombinacijo 8


- 36 -

Točka največjega pomika v obremenitveni kombinaciji 8 se nahaja malo pred varnostnim

lokom. Pomiki so v mejah dopustnega.

Slika 5.16: Prikaz detajla največjega pomika pri obremenitveni kombinaciji 8


- 37 -


Na sliki 5.17 so prikazane napetosti za deveto obremenitveno kombinacijo. Največje napetosti

se pojavijo v okviru pod spojem varnostnega loka. Obe točki vpetja varnostnih pasov smo

obremenili z 20 kN. Največja napetost je 303 MPa.

Slika 5.17: Prikaz največjih napetosti za deveto obremenitveno kombinacijo


- 38 -

S slike 5.18 je razvidno področje največje napetosti za deveto obremenitveno kombinacijo.

Pojavlja se na spoju varnostnega loka in okvira podvozja.

Slika 5.18: Detajl največje napetosti za deveto obremenitveno kombinacijo


- 39 -

Deveta obremenitvena kombinacija obravnava tudi pomike, do katerih pride, če na vsako

točko vpetja varnostnih pasov delujemo s silo 20 kN. Največji pomik nastopa v stranskem

delu okvira in znaša 4,3 mm.


Documents

TRDNOSTNI PRERA ČUN IN IZDELAVA NOSILNEGA OKVIRA …