Посилення лонжеронів Волги (частина 1)
Перед прочитанням статті попрошу ознайомитися з основними базисами: 1. При проектуванні автомобілів і будь-яких рухомих систем практично не розглядається статичне навантаження окремо, тільки у світлі максимально допустимого динамічного змінного навантаження, що в рази перевищує статичне і багаторазово перевищує статичне за швидкістю наростання зусилля (g). Так, стоячий кузов впливає на лонжерон із прискоренням g, у той час як підвіска, що отримала реактивне навантаження від попадання у вибоїну, впливає на лонжерон із прискоренням 2-5g (залежить від геометрії ями та швидкості автомобіля). Нескладно порахувати зусилля F = mg: кузов покладає на передній лонжерон близько 500 кг маси, звідси F = 500 кг * 9.8 = 4900 Н, тоді як балка та двигун загальною вагою близько 350 кг створює від реакції з дорогою зусилля F = 350 кг * (2…5) * 9.8 = 7000…17500Н. Вывод: у статті не розглядаю статичну навантаження, лише зовнішнє навантаження системи під час руху.
2. Не знаю, наскільки офіційно, але у нас у конструкторів є такий двонаправлений термін як відгин/притиск зварного шва, емпірично сформульований (досвідченим шляхом). Що це означає? Все просто:
Дослідним шляхом доведено, що при дії сили F1, що працює на відгин (розрив) зварного шва, відбувається значне руйнування зварного з'єднання від найближчої точки і проходить до далекого краю зварного шва. Викликано це тим, що в основному починає чинити опір край зварного шва і не витримує. У випадку з навантаженням силою F2, відбувається ж притиск зварного шва. Зважаючи на те, що працює весь зварний шов, як правило в цих випадках гніт або саму консоль до якої прикладенозусилля, або деталь-основа, до якого приварена консоль - зварний шов страждає винятково рідко.
Думаю не секрет, для тих хто хоча б хоч трохи стосувався СОПРОМАТу, що передні автомобільні лонжерони утворюють підрамник, по суті своїй є нічим іншим, як консолями — несучими елементами, що мають з одного боку (сторони моторного щита) жорстке закладення, і позбавлені опори з іншого сторони.
Відповідно, якщо наприклад навантажити консольний кінець лонжерону силою F, то з огляду на важіль утворений цією консоллю (а у Волги важіль становить до 1м), край балки невблаганно почне прагнути вниз, по вектору докладання сили. У цій картині можливі три сценарії розвитку подій: 1. Жорсткість консолі і міцність загортання перевищує величину моменту, що крутить, створюваного зусиллям F — абсолютно нічого видимого оку не відбудеться. 2. Жорсткість конструкції поступається моменту, що крутить, в деякому діапазоні пружної деформації конструкції, але сумарна міцність більше величини крутного моменту - можливий невеликий вигин консолі, який зникне при зникненні сили F. 3. Жорсткість конструкції істотно менша за крутний момент — можлива залишкова деформація як самої консольної балки (лонжерона) так і руйнування жорсткого загортання (надрив зварних швів або стінок лонжерону).
У деяких межах пункти 2 і 3 вирішувала встановлена інженерами ГАЗу - так звана укосина, яка створювала для лонжерона ніщо інше як другу точку опори. Заради справедливості варто відзначити, що укосина є простим листовим швелером, який в силу своєї природи та місця.установки притримує лонжерон в обох напрямках.
Нехай частина консолі як і раніше продовжувала існувати, але система ставала жорсткою і певною мірою нерухомою. Відповідно, якщо прибрати укосини, то при різкому вивішуванні передньої осі автомобіля в повітрі (наприклад політ у яму), лонжерон почне під вагою двигуна і важкої балки підвіски провисати вниз (не забуваємо ще про вагу бризковиків, крил, капота та іншого що переважно спирається на лонжерон). А оскільки лонжерон пов'язаний з бризковиками і підрядними підсилювачами лонжерона біля самого основи моторного щита, то він тягтиме їх за собою - це призведе до розриву зварного шва (зверху вниз) кріплення бризковика до моторного щита і подальшого руйнування ближніх точок. Тим самим стає ясно, що без укосин міцності передка Волзі не домогтися. Інше питання в тому, чи є здорові альтернативи укосинам, адже очевидно, що дане технічне рішення інтуїтивно наклеюється, але явно не з найбільш конструктивно вдалих: 1. Займає багато корисного простору в моторному відсіку. 2. Середньо утримує підрамник від горизонтальних переміщень. 3. Дуже низька межа міцності та жорсткості — в українських дорожніх умовах подекуди на межі міцності.
Додатково варто відзначити той факт, що у Волги відсутній осудний зв'язок між лонжеронами, від чого при кренах виникає взаємне гуляння в підрамнику.
Не забудемо і ще про один момент — якщо навіть укосина (і її зварні шви) і витримає навантаження, що накладається на неї лонжероном, то поверхня, до якої приварена укосина (моторний щит), є тонкостінною штампованою листовою деталлю, нічим по суті не посиленою крім невеликих. ребер жорсткості.Моторний щит може як коливатися слідом за укосиною через свою парусність, так і зовсім обірватися в місцях зварювання (сопливого точкового зварювання).
Висновок: Усі посилення бризковиків і лонжеронів виконані шляхом кріплення підсилювачів до моторного щита є вкрай хисткими та недовговічними.
Міцні коробчаті конструкції в Волзі, починаються тільки з порогів кузова, все інше тонкостінні зварені листові деталі.Отже якісно зміцнити лонжерони всередині лише моторного відсіку — неможливо!
Подивимося на класичну структуру кузова сучасного автомобіля з двома підрамниками – переднім та заднім.
На відміну від переднього підрамника, задній живе дуже комфортним життям, тому що повністю приварений до поверхні кузова та не має консолей. Заради економії, з розвитком штампування, автовиробники навчилися позбавлятися повноцінної рами і впроваджувати її локально у вигляді підрамників, там де потрібна підвищена несуча здатність на тлі тонколистового кузова, наприклад в місцях установки елементів підвіски і важких агрегатів.
Чим відрізняється рамна конструкція від конструкції автомобіля з несучим кузовом? Все очевидно з назв рішень: рама - єдина платформа, що несе на собі все, де кузов лише лежить зверху і прикручений, щоб не брякнутися з рами при повороті. У конструкції з кузовом, що несе, саме листовий штампований кузов несе на собі левову частку навантаження.
Більшою мірою, перетворити несучий кузов на напів-несучий або напів-рамний можна з'єднавши і зміцнивши два існуючі підрамники один з одним. У цьому випадку двигун, як і кузов, будуть однаково підресореними на рамі, утвореній з'єднаними лонжеронами, а моторний щит.якому приварена вся "морда" Волги перестане в суті своїй бути несучим елементом який раніше тримав на собі передній підрамник, а навпаки почне триматися сам за новостворену раму. деформації моторного щита та відриву лонжеронів, тепер приведе лише до загального нахилу всієї рами вперед.
Дякую за увагу. Продовження статті буде у наступній частині.