Artykuł

Cross Country - prezentacja konstrukcji ramy przestrzennej samochodu rajdowego
Cross Country - prezentacja konstrukcji ramy przestrzennej samochodu rajdowego

 

Oto konstrukcja ramy przestrzennej (kratownicy) dla samochodu rajdowego Cross Country.



 

 

 

Kratownica jest skonstruowana zgodnie z najnowszymi przepisami Załącznika J. Art. 285 – Grupy T1 obowiązującymi od 2010 roku.

 

Prace konstrukcyjne nad tym projektem trwały ponad rok. W tym czasie zostały wykonane wszystkie niezbędne optymalizacje obliczeniowe, regulaminowe, technologiczne wykonania, ergonomiczne oraz konstrukcyjne.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Optymalizacje obliczeniowe

 

Obliczenia wytrzymałościowe wykonał mój kolega mgr inż. Paweł Kwaśniak.

 

Miarą jakości konstrukcji jest jej sztywność skrętna przy obciążeniu skręcającym względem osi podłużnej X oraz sztywność gięta przy obciążeniu zginającym w płaszczyznach XY i XZ.

 

Wykonaliśmy 4 pętle optymalizacji obliczeń MES przy następujących założeniach:

współczynnik nadwyżek dynamicznych 3

masa samochodu 20 000 N

współczynnik nadwyżki masy 10

siła (reakcja) w kole, Fk 10 000 N

ramie sily Fk od osi obrotu, rk 0.9 m

moment skrecajacy, Ms  9 000 Nm

 

Wyniki:

 

Maksymalne naprężenia przy obciążeniu skręcającym 3g przód - 160 MPa

 

 

Maksymalne naprężenia przy obciążeniu skręcającym 3g tył - 160 MPa

 

 

Maksymalne naprężenia przy obciążeniu zginającym 10g - 213 MPa

 

Maksymalne przemieszczenia przy obciążeniu zginającym 10g - 3 mm

 

 

Wyliczona sztywność skrętna dla obciążeń przodu 68 000 N/°

Wyliczona sztywność skrętna dla obciążeń tyłu 58 000 N/°

 

 

 

1. Suma Fiz=0

Fkp+Fkt-Q=0

2. Moment skręcający miedzy osiami

Msp=Fkp*rkp   (Mst=Fkt*rkt, jest reakcja)

3. Siła (pary sil) w gniazdach sprężyn przód

Fsp*rsp+Fsp*rsp-Msp=0

Fsp=Msp/2*rsp

 

Dodatkowo zostało sprawdzone wytężenie wieżyczek amortyzatorów przód/tył 170/167 MPa oraz obciążenia od zespołu napędowego (silnik 500Nm +reduktor) – 144 MPa.

 

Komentarz do obliczeń:

 

Nakład włożonej pracy opłacił się. Wyniki są bardzo obiecujące. Sztywność skrętna rzędu 58 000 N/° jest na bardzo wysokim poziomie. Dość powiedzieć, że najlepsze obecnie produkowane konstrukcje nadwozi samochodów osobowych mają około 20 000 N/° a SUV-y – 30 000 N/°.

Maksymalne obciążenia przy obciążeniu konstrukcji 20 tonami (współczynnik 10) wynosi 213 MPa i jest niewielkie. Stosowana powszechnie na tego typu konstrukcje stal 30HGS ma granicę plastyczności powyżej 800 MPa. Tak wiec można stosować także stale bardziej plastyczne, np. 18G2a o granicy plastyczności rzędu 330 MPa i wciąż mamy 107 MPa nadwyżki wytrzymałości przy założonych współczynnikach nadmiaru.

 

Sama rama przestrzenna bez spawów i bez wsporników waży 287 kg. Docelowo 300 kg podobnie jak inne tego typu mocne konstrukcje.

 

Optymalizacje regulaminowe

 

Konstrukcja jest zaprojektowana zgodnie z wytycznymi Załącznika J. Art. 285 – Grupy T1.

Konstrukcja jest oczywiście z rur stalowych o przekroju kołowym.

Rozstaw osi 2900 mm (regulaminowy 2900 +/- 20 mm)

Odległość powierzchni odniesienia od gruntu 300 mm (reg. 300 mm)

Odległość powierzchni odniesienia od podłogi pod fotelem 300 mm (reg. min 250 mm)

Odległość podłogi pod fotelami do sufitu min 1050 mm (reg. min 1050 mm)

Odległość powierzchni odniesienia do dachu 1450 mm (reg. min. 1450 mm)

Odległość podstawy pałąka głównego od osi tylnej 849 mm (reg. max 950 mm)

Odległość zbiornika paliwa nad powierzchnią odniesienia 300 mm (reg. min 80 mm)

Pochylenie pałąka głównego 10 stopni (reg. max. 10 stopni)

 

Optymalizacje technologiczne wykonania

 

Technologiczność montażu spawalniczego jest zdecydowanie ułatwiona ze względu na minimalizację elementów wielokrotnie przecinających się.

 

 

Dla przykładu węzeł górny pałąka głównego klatki 1:

 

 

Węzeł dolny pałąka głównego klatki 2:

 

 

Węzeł dolny podłużnicy przedniej 3:

 

 

Na podstawę konstrukcji składają się dwie pary prostych rur tworzących główne podłużnice i stanowiących bazę całej konstrukcji:

 

 

Optymalizacje ergonomiczne

 

Kabina spełnia normy widoczności oraz jest wystarczająco obszerna dla 95 centylowego kierowcy (odpowiada to około 190 cm wzrostu).

 

 

W samochodzie sportowym położenie fotela ustala się indywidualne.

Jednakże są pewne podstawowe zasady egronomii, których trzeba się trzymać.

Oto przykładowe rozmieszczenie punktów charakterystycznych w kabinie:

 

 

SgRP – Seating Reference Point – punkt biodrowy H

AHP – Accelerator Heel Point – punkt pięty

BOF – Ball Of Food – punkt styku buta z pedałem gazu

EC – Eyeelipse Centre – środek elipsy wzroku

SWC – Steering Weel Centre – środek kierownicy

H30 = 181

L53 = 840

Ehz = 627

Ehx = 23

H17 = 570

L11 = 626

L40 = 25º

87º - minimalny kąt ugięcia stopy

101º - aktualny kąt ugięcia stopy

125º - wynikowy kąt uda i podudzia

4º - minimalny dopuszczalny kąt pola widzenia w dół

 

Optymalizacje konstrukcyjne

 

Przewidziane zostało miejsce dla zastosowanie dowolnego silnika V6, V8 lub R6.

Dla przykładu ogólny zarys napędu z silnikiem V8:

 

 

Montaż przebiega od przodu przez odkręcenie górnego wzmocnienia silnikowego:

 

 

Również serwisowanie silnika w samochodzie będzie stosunkowo wygodne po odkręceniu tego wzmocnienia silnikowego.

Przewidziane zostało miejsce na demontowany zbiornik paliwa o pojemności około 400 litrów:

 

 

Montaż odbywa się przez odkręcenie bocznego wzmocnienia:

 

 

Można zastosować także większy (wyższy) zbiornik o pojemności około 500 litrów.

Jednak będzie on wtedy niedemontowalny.

 

 

Konstrukcja jest przewidziana dla geometrii wahaczy przednich Mitsubishi Pajero 3 T1 zarówno z przodu jak i z tyłu:

 

 

Dodatkowo przednie podłużnice zostały tak zaprojektowane aby możliwym było zastosowanie rozbudowanego dyferencjału przedniego Pajero 3.

Tą konstrukcję można przystosować do innej geometrii po dostarczeniu odpowiednich danych pomiarowych.

Jest pełna dokumentacja konstrukcyjna 3D oraz 2D zapewniająca całkowitą powtarzalność i wymienność poszczególnych elementów a także łatwe modyfikacje.

 

 

A oto moja propozycja poszycia nadwozia do tego projektu. Jest ona wstępnie opracowana w CAD:

 

 

 

 

 

 

 

Konstrukcja i opracowanie:

mgr inż. Michał Kocerba

szarbia@gmail.com