Расчет прочности колеса согласно правилам ЕЭК ООН №124 «Единообразные предписания, касающиеся официального утверждения колес для легковых автомобилей и их прицепов» заключается в проведении расчета колеса на косой удар, изгиб при кручении и изгиб при качении.
Данный документ применим для новых сменных колес, предназначенных для транспортных средств следующих категорий:
- M_1, M_1 G- легковые автомобили и легковые автомобили повышенной проходимости соответственно
- N_1, N_1 G- фургоны, предназначенные для перевозки грузов, имеющих полную массу не более 3,5 тонн, и фургонов повышенной проходимости соответственно
- O_1 и O_2 – фургоны, полная масса которых не превышает 0,75 тонн, и соответствующих фургонов повышенной проходимости.
Прочностной расчет колеса позволяет производителям транспортных средств создавать более безопасные и надежные продукты. Также это позволяет конструкторам и инженерам оптимизировать конструкцию колеса, чтобы уменьшить вес или улучшить аэродинамику.
Прочность колеса можно оценить не только по результатам проведения натурного эксперимента, но и при помощи виртуального эксперимента (например, конечно-элементного моделирования).
В ходе эксплуатации диск колеса может быть подвержен возникновению царапин, трещин или вмятин (рисунок 1) вследствие езды по неровным дорогам или же столкновения с различными препятствиями. Царапина или небольшая трещина станет причиной коррозии диска, более крупная трещина может привести к довольно быстрой утечке воздуха или почти сразу же выпустить воздух из шины. Возможно и то, что диск погнётся или даже сломается вследствие ДТП.
В данной работе объектом исследования является колесо легкового автомобиля. В данной статье мы рассмотрим расчётные случаи, касающиеся прочностного расчета колеса:
- расчет диска колеса на косой удар;
- изгиб при кручении;
- изгиб при качении.
Геометрическая модель диска
Диск представляет собой литую конструкцию, его геометрическая модель представлена на рисунке 2.
Расчет на изгиб при кручении
Согласно приложению 6 ЕЭК ООН №124 в ходе испытания на изгиб при кручении имитируются поперечные силы, воздействующие на колесо при движении автомобиля по кривой. Обод колеса жестко закрепляется, а в зоне крепления колеса к ступице прилагается изгибающий момент, вычисляемый по следующей формуле:
Критерий прочности при расчете на изгиб при кручении – число циклов до разрушения.
Граничные условия и нагрузки при расчете кручения колеса представлены на рисунке 3.
Расчет при качении
Согласно приложению 7 ЕЭК ООН №124 в ходе испытания при качении имитируется напряжение, возникающее в колесе при движении транспортного средства по прямой, посредством вращения колеса. Зона крепления колеса к ступице жестко закрепляется, по ободам действует испытательная нагрузка (сила), к внешней поверхности колеса приложено давление, имитирующее давление воздуха в шине.
Испытательная нагрузка вычислена по следующей формуле:
Критерий прочности при расчете при качении – число циклов до разрушения.
ГУ и нагрузки при расчете на качение представлены на рисунках 4 – 5.
Расчет на косой удар
Согласно приложению 8 ЕЭК ООН №124 в ходе испытания на косой удар проверяется прочность колеса на разлом на закраинах и в других критических точках при ударе колеса о препятствие. При проведении испытания на диск, закреплённый под углом 13° относительно вертикали, свободно падает ударный элемент, что позволяет имитировать потенциальный удар колеса о препятствие. Масса падающего груза вычислена по следующей формуле:
Скорость груза перед ударом вычисляется по следующей формуле:
На рисунке 6 представлена постановка задачи при расчете на косой удар.
Результаты расчетов
Расчет на изгиб при кручении
Распределение эквивалентных напряжений по Мизесу представлено на рисунке 7. Из рисунка видно, что максимальные напряжения возникают в местах соединения спиц диска с ободом и ступицей соответственно. Максимальные напряжения, возникающие в диске при проведении испытания, не превышают предел временного сопротивления, равный 294,3 МПа.
Количество циклов до разрушения при нагружении 75% Mbmax приведено на рисунке 8.
Конструкция колеса проходит испытание на изгиб при кручении, так как количество циклов до разрушения больше, чем 200000 для 75% Mbmax (для ТС категорий M1, M1G, являющихся нестальными конструкциями).
Расчет на качение
Колесо удовлетворяет испытанию на качение, если число циклов до разрушения не менее:
Распределение эквивалентных напряжений по Мизесу представлено на рисунке 9.
В соответствии с кривой Велера, характеризующей поведение материала при циклическом нагружении и приведенной на рисунке 10, получено распределение количества циклов до разрушения, представленное на рисунке 11.
Из результатов рисунка 11 можно сделать вывод, что прочностной расчёт при качении пройден успешно, так как количество циклов до разрушения больше, чем Nc=869700, определённому согласно формуле (6).
Результаты расчета на косой удар
В данном расчете оценивается возможность появления сквозных трещин в центральном элементе колеса.
Колесо удовлетворяет испытанию на косой удар если приведенные напряжения не превышают предела временного сопротивления.
На рисунке 12 приведено распределение приведенных напряжений во всем колесе.
Из рисунка 12 видно, что максимальное напряжение в колесе при расчете на косой удар не превышает предел временного сопротивления, следовательно, разрушения, согласно Правилам ЕЭК ООН №124, не наблюдается
Заключение
В прошлом для проведения прочностных расчетов колес ставились натурные опыты. С развитием технологий появилась возможность проводить такие расчеты в программных комплексах, использование которых позволяет снизить денежные затраты за счет отказа от натурного эксперимента, а также дает возможность корректировки геометрии колеса в процессе его оптимизации.
Наша компания может провести прочностной расчет колеса, а в случае несоответствия данного колеса прочностным критериям и его геометрическую оптимизацию.
