Suunnittelu

Perävaunujen suunnittelu perustuu usein tuotantoyritysten vuosien aikana hankkimaan kokemukseen ja osaamiseen sekä loppukäyttäjien osaamiseen. Hyvät ratkaisut soveltuvat yleensä myös erikoislujista teräksistä valmistettuihin kevyisiin ajoneuvoihin. Kehittynyt erikoisluja teräs (AHSS) mahdollistaa kuitenkin uusia ratkaisuja, mutta voi myös vaatia suunnittelumuutoksia suuremman lujuuden hyödyntämiseksi.

Tavallinen perävaunualusta koostuu kahdesta pitkittäisestä pääpalkista, jotka on valmistettu joko standardoiduista kuumavalssausprofiileista tai hitsatuista I-palkeista, sekä useista poikkipalkkiprofiileista. Poikittaispalkkeihin on saatavana ratkaisuja, joissa on avoimia profiileja, putkia tai koteloprofiileja. Perävaunun tyypistä riippuen alustaan voidaan kiinnittää myös pohjapalkkeja ja erilaisia kannatinprofiileja. Perävaunun olkatapin alue koostuu yleensä olkatapin levystä ja joistakin vahvikeprofiileista.

Perävaunualustan parannusmahdollisuuksia rajoittavat yleensä staattisen kuorman kantavuuden lisäksi väsymys ja vakausongelmat. Siksi on hyvä lähtökohta löytää ratkaisu, jonka kantavuus vastaa olemassa olevaa rakennetta, mutta suorituskyvyltään vastaavan tai paremman ajoneuvon saamiseksi on tärkeää käsitellä myös muita teknisiä näkökohtia. On tärkeää huomata, että heikko suunnittelu- tai tuotantolaatu heikentää nopeasti päivityspotentiaalia.

Perusteräksestä valmistetun perävaunualustan mitoitettu kuormitustapaus on yleensä kuormitettavuus pysyvien muodonmuutosten suhteen. Kevyessä perävaunualustassa, jossa paksuuksia on pienennetty ja työkuormitustasoa nostettu, kuormituskapasiteettia ja käyttöikää rajoittavat väsymys, elastiset taipumat ja vakaus.

Perävaunut, jotka altistuvat erilaisille lastaustilanteille huollon aikana.

Onnistuneen päivityksen saavuttamiseksi on tärkeää ottaa huomioon kaikki lastaustilanteet:
a) väsymys usein toistuvissa kuormitusjaksoissa,
b) elastiset muodonmuutokset lastaamisen aikana,
c) kuorman kantokyky, ei pysyviä muodonmuutoksia lastaamisen aikana,
d) vakaus lastaamisen aikana.

Strenx^® 700 MC -terästä käytetään yleisesti perävaunujen alustojen kevyissä ratkaisuissa. Perävaunun rungon päivittäminen 350-teräksestä Strenx^® 700 MC -teräksellä vähentää rungon rakenteellisten osien painoa tyypillisesti noin 30 %, mutta alustan rakenteesta riippuen painon vähennyspotentiaali voi olla suurempi, jopa 50 %. Esimerkkinä on laskettu nykyisen 13,75 metriä pitkän perävaunun pääkannattimen painon alennus, joka on valmistettu 350-teräslaadusta Strenx^® 700 MC -teräksen käyttöönoton myötä. Olemassa olevan rakenteen kantokyky on määritetty, ja Strenx^® 700 MC -teräksestä on ehdotettu sopivaa vaihtoehtoa lastaamiseen.

Perinteisestä teräksestä valmistettujen alkuperäisten runkopalkkien kokonaispaino on 1 085 kg ja Strenx^® 700 MC -teräksestä valmistetun päivitetyn vaihtoehdon kokonaispaino on 704 kg. Tämä tarkoittaa 381 kg:n tai 35,2 %:n painon alenemista. Näitä tuloksia on pidettävä esimerkkeinä. Ajoneuvotyypistä, erityisvaatimuksista ja suunnittelun yksityiskohdista riippuen päivityspotentiaali voi olla pienempi tai suurempi kuin yllä olevassa esimerkissä. Laskelmissa otetaan huomioon vain staattinen kuormitettavuus, mutta ne toimivat hyvänä lähtökohtana kevyen alustan suunnittelussa.

Perinteisesti suunnitellun perävaunualustan pääpalkeissa on joitakin rajoituksia Strenx^® 700 MC -terästä korkeamman lujuuden käyttämisessä rakennelujuuden parantamiseksi. Jotta lujuudesta olisi todellista hyötyä, on tutkittava muita alustakonsepteja. Tietyille erikoisperävaunuille voi kuitenkin olla hyvä valinta korkeammat teräslaadut, kuten Strenx^® 960. Laippoihin tai profiileihin, jotka altistuvat kulumiselle tai kolhuille, kuten takapuskuriin ja väliseinään, voidaan käyttää lujempaa terästä, kuten Strenx^® 1100 -terästä, tai kulutusta kestävää terästä, kuten Hardox^® 450 -terästä. Muissa rungon osissa, kuten lattiapalkeissa, kylmävalssatut teräkset, kuten ^{Docol ®} 1000 DP ja ^{Docol ®} 1200 M, tarjoavat erinomaiset mahdollisuudet painon vähentämiseen merkittävästi. Nämä osat voidaan valmistaa taivuttamalla ja suuremmissa sarjoissa rullamuovaamalla tai leimaamalla.

Yleiskatsaus Strenx^® 700 MC -teräksen perinteisen pääpalkin a) ja päivitettyjen, kevyiden vaihtoehtojen b) ja c) poikkileikkausominaisuuksista ja painonvähennyspotentiaalista.

Taivutusjäykkyyttä pystysuuntaan pidetään usein tärkeänä tekijänä kevyempien ja vahvempien, erikoislujasta teräksestä valmistettujen perävaunujen valmistuksessa. Joillakin markkina-alueilla autojen elastista taipumista säädellään maavaran suhteen, mutta useimmissa tapauksissa taipumisrajoitukset ovat toiminnallisia. Tämä tarkoittaa, että perävaunualustan taipuminen ei saa aiheuttaa ongelmia ovien avaamisessa ja sulkemisessa, ja että rekan ja perävaunun välissä tulisi olla riittävästi tilaa kuormattuna puoliperävaunun vetopöydän alueella. Tiettyjä erikoisperävaunuja, kuten matalia perävaunuja, koskevat elastisia taipumia koskevat vaatimukset voivat rajoittaa materiaalin valintaa.

Koska kaikilla teräslajeilla on sama Youngin moduulisuus, taivutusjäykkyyttä säätelee geometria. Toisin sanoen, kun levyjen paksuutta pienennetään, taivutusjäykkyys pienenee, jos ulkogeometria on sama. Perävaunun alustan taivutusjäykkyys pystysuunnassa määräytyy pitkittäispalkkien muodon mukaan. Jos jäykkyyden pienentäminen aiheuttaa ongelmia, taivutusjäykkyyttä voidaan parantaa lisäämällä poikkileikkausten korkeutta.

Palkin korkeuden nostaminen on tehokkain tapa lisätä taivutusjäykkyyttä. Alueilla, joilla palkin korkeutta on rajoitettu, taivutusjäykkyyttä voidaan kuitenkin parantaa kasvattamalla laipan leveyttä. Tämä toimenpide voidaan suorittaa myös kriittisillä alueilla työrasitustason alentamiseksi ja palkkien sivuttaissuuntaisen jäykkyyden parantamiseksi. Nykyaikaisilla tuotantotekniikoilla laipan leveys voidaan räätälöidä palkin pituuden mukaan kuorman jakautumisen mukaan. Vaikka laipan paksuutta pienennetään, leveyttä voidaan lisätä vain tiettyyn pisteeseen, muussa tapauksessa puristetun puolen laippa on liian ohut ja voi tapahtua paikallista nurjahtamista, mikä rajoittaa laipan materiaalin käyttöä. Jos olemassa oleva perävaunun palkki on jo erittäin korkea, ohuen uuman leikkausvenymä voi rajoittaa mahdollisuutta nostaa korkeutta ja pienentää verkon paksuutta. Epävakaus ja laskentamenetelmät on kuvattu tarkemmin SSAB:n ohutlevyoppaassa.

Laipan leveyttä voidaan säätää taivutusvastuksen parantamiseksi ja taivutusjäykkyyden parantamiseksi kriittisillä alueilla.

Koko ajoneuvon vakaus tiellä tai kippiperävaunujen tapauksessa riippuu useista eri tekijöistä, joiden vuoksi alustan vääntöjäykkyys on yksi osa-alueista. Kun kyseessä on kippi- tai muu perävaunu, jossa on suuria kiertyviä kuormia, tämä on otettava huomioon perävaunualustoja asennettaessa. Alustan vääntöjäykkyyttä säädellään poikkipalkkien rakenteen ja sijainnin sekä poikkipalkkien avulla. Auton runkopalkkien pystysuoran osan ohentaminen vaikuttaa erittäin vähän, mutta poikkipalkkien oheneminen vaikuttaa merkittävästi alustan kiertymisjäykkyyteen. Vakausongelmien välttämiseksi voidaan tehdä rakenteellisia muutoksia, joiden avulla saavutetaan vastaava vääntöjäykkyys tai jopa parempi vääntöjäykkyys alkuperäiseen malliin verrattuna.

Jäykkyys paranee huomattavasti, kun poikkipalkkeihin lisätään profiilit, joissa on suljetut poikkipalkit. Mutta materiaalin optimaalisen hyödyntämisen kannalta poikkipalkkien sijainti on yhtä tärkeää. Jakautuminen tai yhden tai kahden lisäpoikittaistuen asentaminen uudelleen vaikuttaa kokonaisvääntöjäykkyyteen. Poikkipalkit on kiinnitettävä alustan takaosaan. Tämä muutos on kuitenkin ollut monissa tapauksissa liioiteltu, ja siirtämällä poikittaisosia eteenpäin tai ottamalla käyttöön lisäpoikittaistuki etuosan strategisella alueella voidaan parantaa merkittävästi yleistä käyttäytymistä. Koska etuosan pieni kiertyminen aiheuttaa takaosan suuria siirtymiä, etuosan suurempi vääntöjäykkyys voi parantaa kokonaissuorituskykyä.

Toinen tehokas toimenpide on ristiriitojen käyttöönotto. Jotta ristisidonnan materiaalinkäyttö olisi mahdollisimman tehokasta, on tärkeää suunnitella se niin, että se kannattelee vain vetokuormaa yhdessä palkissa ja antaa toisen tangon solkeutua. Siksi tankojen on oltava ohuita, eikä niitä saa hitsata toisiinsa keskeltä. Näiden toimenpiteiden vaikutus osoitetaan vertaamalla kiertokulmaa, joka vastaa tavanomaisen kippiauton alustan takaosan vääntömomenttia. Laskelmien tulokset ovat yksilöllisiä, mutta niissä on esitetty selvästi näiden toimenpiteiden vaikutus alustan jäykkyyteen väännön yhteydessä. Poikkipalkkien kokonaispaino on kaikissa laskennallisissa tapauksissa ollut vakio. Tämä tarkoittaa sitä, että suljettuja poikkileikkauksia käytettäessä profiilien paksuutta on pienennetty. Tulosten mukaan kudoksen oheneminen vähentää vääntöjäykkyyttä hieman alkuperäiseen rakenteeseen verrattuna. Suljetut poikkipalkit tai kaksinkertaiset poikkipalkit parantavat jäykkyyttä huomattavasti.

Vertaa avoimen profiilin poikkipalkilla varustetun perävaunun alustan vääntöjäykkyyttä suljettuja poikkipalkkeja ja poikkipalkkeja sisältäviin ratkaisuihin.

Kaikki vaunut altistuvat väsymiskuormitukselle ajon ja kuormaamisen aikana. Lastaaminen, joka määrittelee vaunun alustan käyttöiän, koostuu eri luku- ja kokoluokista kerätyistä kuormista. Lastaaminen vaihtelee vaunun tyypin, tieolosuhteiden ja kuormaustilanteen mukaan. Kun perävaunualustaa päivitetään AHSS-teräksellä, rakenteellisten osien paksuus yleensä pienenee. Pellin paksuuden pienentäminen lisää koko alustan rasitusta. Vahvemman materiaalin ansiosta pohjamateriaalin väsymislujuus on suurempi. Hitsiliitoksissa tämä vaikutus on kuitenkin rajallinen, koska hitsaussaumoihin on muodostunut jännityksiä ja alustavia virheitä. Hitsattujen liitosten väsymiskestävyys riippuu siis enemmän suunnittelusta ja valmistuksesta kuin materiaalin valinnasta. Jos käytetään samaa hitsausrakennetta ja hitsauslaatua, alustan väsymiskestävyys heikkenee.

Väsymiskestävyys

Materiaalin väsymiskestävyyttä kuvataan S/N-käyrissä, jotka on saatu koekäyttämällä näytteiden väsymiskokeita, joissa käytettiin aiemmin vakioamplitudia. Tämä tarkoittaa, että näyte altistetaan samalle kuormitukselle useita kertoja, kunnes se rikkoutuu. Kun useita näytteitä on testattu eri kuormitustasoilla, voidaan piirtää S/N-käyrä. Käyrien vasemmassa yläkulmassa kaavion väsymiskestävyys riippuu materiaalin staattisista ominaisuuksista. Kaavion oikeassa alakulmassa väsymiskestävyyttä säätelevät näytteen katkokset. Epäjatkuvuuksia ovat esimerkiksi levyn rullaamisesta, leikatuista reunoista, rei'istä, lovista ja hitsaussaumoista aiheutuvat pintarakenteet. Ne mainitaan väsymislujuuden alenemisjärjestyksessä.

S/N Valssattujen nauhalevyjen kaarevuus, rei'itetty ja hitsattu liitos.

Miksi hitsausliitos on kriittinen alue?

Hitsattujen liitosten väsymiskestävyys perusaineeseen verrattuna on huomattavasti alhaisempi hitsauksen terävän geometrian ja hitsauksen aikana lämmöntuonnista syntyvien jäännösjännitysten vuoksi. Hitsien väsymislujuudesta keskustellaan usein mikrorakenteiden, lämpövaikutusalueiden ja kovuuden suhteen, mutta suurin syy hitsauksen heikkenemiseen on paikallinen jännityspitoisuus ja viat. Kaikki hitsauksen jälkikäsittelymenetelmät keskittyvät jäännösjännityksen vähentämiseen ja hitsausgeometrian parantamiseen. Hyvän väsymiskestävyyden saavuttamiseksi on tärkeää, että hitsausauran siirtymäsäde ja kulma ovat tasaiset.

Terävä ja sileä hitsausauran geometria.

Käynnistys- ja pysäytysasennot

Alku- ja loppuasennot ovat kriittisin osa hitsausta väsymisen suhteen. Koska hitsausprosessi ei ole vakaa, virheiden ja sulkeumien riski näissä asennoissa on suurempi. Tämän vuoksi sidehitsien väsymiskestävyys on niiden rajoitetun pituuden vuoksi alhaisempi kuin jatkuvien hitsien. Pitkittäispalkkien kiinnityshitsauksen on oltava mahdollisimman pieni, ja kiinnityshitsaukset on tehtävä matalan jännityksen alueilla. Ylälaipan ja uuman välinen hitsaus ei ole yhtä herkkä kosketushitsaukselle, koska tähän osaan kohdistuu pääasiassa puristusjännitystä. Hitsatut liitokset on tärkeää suunnitella yleisesti, jotta hitsaus voidaan aloittaa ja pysäyttää alhaisen jännityksen alueilla. Joissakin tapauksissa kalanruotokuviota voidaan käyttää siirtämään alku- ja loppuasentoja pois kaikkein kuormitetuimmalta alueelta, kuten vahvistuslevyn päässä.

Kalanpyrstörakennetta voidaan käyttää hitsaussaumojen aloitus- ja lopetuskohtien siirtämiseksi pois kovan rasituksen alueelta.

Hitsin poikittais- ja pituussuuntainen väsymiskuormitus

Hitsaussauman katkokset suunnataan hitsaussuuntaan ja niitä seurataan tyven ja hitsausvarpaiden mukaisesti. Jos katkokset ovat samansuuntaisia pääasiallisen rasitussuunnan kanssa, niillä on pieni vaikutus hitsauksen väsymiskestävyyteen. Toisaalta jos jännitteet ovat poikittain hitsin suuntaan nähden, hitsin väsymiskestävyys on hyvin alhainen. Esim. alalaippaan hitsatun kiinnityspidikkeen väsymiskestävyys on alle 5 % verkon ja laipan välisen hitsauksen väsymislujuudesta.

Lataaminen

Vaunujen kuormitushistoria on luonteeltaan epäsäännöllinen ja sattumanvarainen, ja niiden käyttöikä on yhteensä 108-109 sykliä. Vaikka useimmissa kuormitussykleissä on vain hyvin vähän voimaa, niiden yhdistäminen suurempiin kuormiin tekee niistä silti mahdollisia väsymisen kannalta. Suuria kuormia voidaan havaita halkeamien initiaattoreina ja pieniä kuormia halkeamien prograattoreina. Näiden yhteisten vaikutusten vuoksi vakioamplitudikuormituksessa havaittu väsymisraja katoaa perävaunukäytössä. Ainoa poikkeus on se, että kaikki koko historian kuormat ovat väsymisrajan alapuolella. Siksi kovan rasituksen alueilla on tärkeää, että hitsaussaumojen väsymiskestävyys on hyvä, esimerkiksi pituussuuntaisesti kuormitettujen hitsaussaumojen kohdalla. Vähän väsymistä kestävät hitsaussaumat on sijoitettava matalan rasituksen alueille, esim. pääpalkkien pystysuoran osan neutraalin kerroksen lähelle.

Esimerkiksi pystysuuntaan taivutettavaan palkkiin hitsattua kulmapidikettä voidaan verrata vaihtoehtoiseen malliin. Globaaleissa taivutuksissa palkkien laippoihin kohdistuu enimmäisrasitusta, ja neutraalin kerroksen puristus ja kireys vaihtelevat. Ylhäällä olevassa mallissa (a) kiinnityskannatin hitsataan laippojen läheltä palkin poikkileikkauksen eniten kuormitetulla alueella olevan hitsauksen aloitus- ja pysäytysasennoilla. Alhaalla olevassa kokoonpanossa (b) kulmapidike on suunniteltu uudelleen tulppahitsattavaksi lähempänä neutraalia kerrosta. Tällöin hitsiliitoksen jännitystaso laskee 50 %. Tällainen rasituksen väheneminen pidentää väsymislujuutta 8 kertaa aikaisempaan malliin verrattuna.

Uudistamalla hitsattavat liitokset vähärasiteisilla alueilla väsymiskestävyys paranee.

Jos alustaan kohdistuu vääntörasitusta, esimerkiksi kippi- tai puutavara-alustalla, on erittäin suositeltavaa käyttää poikkipalkkeihin profiileita, joiden poikkileikkaus on suljettu. Useimmissa tapauksissa poikkipalkki voidaan hitsata suoraan verkkoon ilman lisävahvikkeita. Raskaissa ajoneuvoissa poikkipalkkiin voidaan integroida jäykistin jäykkyyden lisäämiseksi ja jännityksen vähentämiseksi tällä alueella.

Avoimia poikkileikkauksia sisältäviä profiileja voidaan käyttää perävaunuissa, joissa poikkipalkit altistuvat pääasiassa taivutuksille, esim. verho-sivukaaret, kontti- ja pakettiautot. Kuhunkin profiiliin voidaan leikata aukkoja ja profiilit voidaan hitsata pitkittäispalkin uumalevyyn. On kuitenkin huomattava, että avoimen poikkileikkauksen omaavia profiileja ei suositella alustaan, joka altistuu kiertyvälle kuormitukselle.

Toinen ratkaisu on kuitenkin käyttää kiinnityskorvaketta, joka jakaa rasitukset laajemmalle alueelle. Kiinnityskulma voidaan hitsata, niitata tai ruuvata pitkittäispalkin pystysuoraan osaan.

Erilaisia poikittaistukien kiinnityksiä. Käytettävä poikkipalkkityyppi ja kaukovaloihin kiinnittämisen rakenne riippuvat perävaunun tyypistä. Jos perävaunussa on suuria kiertymiskuormia, suosittelemme käyttämään suljettuja poikkipalkkeja. Raskaissa ajoneuvoissa kannattaa yhdistää tällainen profiili U:n muotoiseen jäykisteeseen, joka on hitsattu sekä laippoihin että verkkoon (a). C-profiilin ulkonevien poikkipalkkien hitsaus voidaan rajoittaa profiilin pystysuoraan osaan (b). Poikittaispalkit voidaan myös ruuvata tai niitata kiinni kaukovaloihin.