Расчет на прочность рамы квадроцикла

Заказчик: Caiman ATV – предприятие, занимающееся производством, продажей и сдачей в прокат квадроциклов-болотоходов (бигфутов) на колесах низкого давления.

При производстве рамы квадроцикла у заказчика использовались готовые шаблоны, кондукторы для сварки и схемы установки и заготовки деталей. Нормальной конструкторской документации на раму не было.

Перед нами стояла задача разработки твердотельной 3D модели. Это необходимо для изготовления настоящей рабочей документации, изготовления доплнительной оснастки для сборки, написания программ для ЧПУ трубогиба, лазерной резки и прочностного расчета рамы.

Также мы проверим существующую конструкцию рамы и узнаем выдерживает ли она все возможные при её эксплуатации нагрузки при максимальной загрузке квадроцикла (максимальная масса у него аж 1500 кг): нагрузки при ударах на оси на неровной дороге и при приземлении, если квадроцикл вдруг оторвется от земли.

На первом этапе проводим все необходимы измерения рамы и строим твердотельную 3D модель.

На втором этапе приступаем к расчетам рамы на прочность.

По условиям задачи в раме постоянно действуют следующие нагрузки: F₁ – Сила тяжести пассажиров и груза, Н.

3 пассажира (принимаем среднюю массу 80кг) и 200кг груза. F₁=4312Н

F₂ - Сила тяжести создаваемая силовым агрегатом (ДВС и КПП), Н. По данным заказчика масса ДВС 112кг, масса КПП 40кг. F₂=1490 Н

Расчет 1 – Удар по передней оси

Максимальные напряжения 270 МПа, 209 МПа и 176 МПа.

Механические свойства для стали 30 ГОСТ 1050-2013

Коэффициенты запаса:

По временному сопротивлению:

k_в=σ_в/σ

k_в1=1,81

k_в2=2,34

k_в2=2,78

По пределу текучести:

k_т=σ_т/σ

k_т1=1,09

k_т2=1,41

k_т2=1,67

Рама имеет участки с низким коэффициентом запаса по пределу текучести. Возможно возникновение пластических деформаций.

Расчет 2 – Удар по задней оси

На раму постоянно действуют силы тяжести пассажиров, груза и силового агрегата (F₁ и F₂).

Для имитации удара передняя ось при расчете была жестко закреплена. Ко всем элементам рамы приложено ускорение a₁=16,7 м/с², возникающее при падении скорости движения со 60км/ч до 0км/ч в течении 1сек. Также приложена сила F₂=2540 Н, которая возникает вследствие инерции силового агрегата под воздействием ускорения a₁.

Максимальные напряжения 387 МПа, 278 МПа и 338 МПа.

Механические свойства для стали 30 ГОСТ 1050-2013

Коэффициенты запаса:

По временному сопротивлению:

Коэффициенты запаса:

По временному сопротивлению:

k_в1=1,27

k_в2=1,76

k_в2=1,45

По пределу текучести:

k_т1=0,76

k_т2=1,06

k_т2=0,87

Рама имеет участки с низким коэффициентом запаса. Возможно возникновение пластических деформаций и поломка.

Расчет 3 – Расчет падения с высоты

На раму постоянно действуют силы тяжести пассажиров, груза и силового агрегата (F₁ и F₂).

Для имитации падения квадроцикла с высоты в расчете была жестко закреплено основание. Ко всем элементам рамы приложено ускорение a₁=3g. Нагрузки F₁ и F₂ возросли пропорционально a₁.

Возникающие напряжения в данном случае значительно меньше допускаемых.

Расчет 4 – Кручение рамы, наезд одного колеса на возвышенность

Для расчета задняя ось была жестко закреплена, к передней оси приложен вращающий момент от сил тяжести.

Возникающие напряжения значительно меньше допускаемых.

Выводы

Критические места рекомедуется усилить для избежания пластических деформаций.

В основании на внутренних ребрах толщиной 4 мм возникают значительные напряжения, коээфициент запаса по пределу текучести меньше единицы. Рекомендуется увеличить толщину до 8 мм.