Projekt

Konstrukcje naczep są często wynikiem doświadczenia i wiedzy zdobytej przez lata przez firmy produkcyjne oraz know-how użytkowników końcowych. Dobre rozwiązania mają zastosowanie również do lekkich pojazdów produkowanych ze stali o wysokiej wytrzymałości. Jednak zaawansowana stal o wysokiej wytrzymałości (AHSS) umożliwia nowe rozwiązania, ale może również wymagać zmian konstrukcyjnych w celu wykorzystania wyższej wytrzymałości.

Wspólne podwozie przyczepy składa się z dwóch podłużnych belek głównych wykonanych ze znormalizowanych profili walcowanych na gorąco lub spawanych belek dwuteowych oraz wielu profili poprzecznych. W przypadku poprzecznic dostępne są rozwiązania z otwartymi profilami, rurami lub profilami skrzynkowymi. W zależności od typu przyczepy na podwoziu mogą być również zamocowane elementy podłogowe i różne profile nośne. Obszar sworznia sprzęgu przyczepy składa się z reguły z płyty sworznia sprzęgu i niektórych profili wzmacniających.

Potencjał doposażenia podwozia przyczepy jest z reguły ograniczony nie tylko statyczną nośnością, ale jeszcze bardziej kwestiami zmęczeniowymi i stabilności. Dlatego znalezienie rozwiązania o odpowiedniej nośności do istniejącej konstrukcji jest dobrym punktem wyjścia, ale aby mieć pojazd o odpowiedniej lub lepszej wydajności, ważne jest również uwzględnienie innych aspektów technicznych. Ważne jest, aby zauważyć, że niska jakość projektu lub produkcji szybko zmniejsza potencjał modernizacji.

W przypadku podwozia przyczepy wykonanego ze stali miękkiej przypadek obciążenia jest z reguły udźwigiem pod względem trwałych odkształceń. W lekkim podwoziu przyczepy, w którym zmniejszono grubość i zwiększono poziom obciążenia roboczego, nośność i trwałość użytkowa są ograniczone przez zmęczenie, ugięcia sprężyste i stabilność.

Przyczepy narażone na różne obciążenia podczas pracy.

W celu pomyślnej modernizacji należy uwzględnić wszystkie sytuacje obciążenia:
a) zmęczenie przy częstych cyklach obciążenia o niskim napięciu,
b) odkształcenia elastyczne podczas pracy,
c) nośność; brak trwałych odkształceń przy maksymalnym obciążeniu,
d) stabilność podczas pracy.

Strenx^® 700 MC jest powszechnie stosowana w lekkich rozwiązaniach dla podwozi naczep. Modernizacja podwozia przyczepy z gatunku 350 za pomocą Strenx^® 700 MC zazwyczaj powoduje zmniejszenie masy o około 30% dla elementów konstrukcyjnych podwozia, ale w zależności od konstrukcji podwozia potencjał redukcji masy może być większy, nawet o 50%. Na przykład obliczono potencjalną redukcję masy istniejącej belki głównej przyczepy o długości 13,75 m wykonanej ze stali 350 poprzez wprowadzenie Strenx^® 700 MC. Określono nośność istniejącej konstrukcji i zaproponowano odpowiednią alternatywę dla Strenx^® 700 MC.

Całkowita masa oryginalnych belek głównych wykonanych ze stali konwencjonalnej wynosi 1085 kg, a całkowita masa zmodernizowanej alternatywy w Strenx^® 700 MC wynosi 704 kg. Oznacza to redukcję masy o 381 kg lub 35,2 %. Wyniki te należy traktować jako przykład. W zależności od typu pojazdu, specyficznych wymagań i szczegółów konstrukcyjnych potencjał modernizacji może być mniejszy lub większy niż w powyższym przykładzie. Obliczenia uwzględniają tylko udźwig statyczny, ale stanowią dobry punkt wyjścia przy opracowywaniu lekkiej konstrukcji podwozia.

W przypadku dźwigarów głównych konwencjonalnie zaprojektowanego podwozia naczepy istnieją pewne ograniczenia, aby wykorzystać wyższą wytrzymałość niż Strenx^® 700 MC w celu uzyskania wytrzymałości konstrukcyjnej. Aby móc rzeczywiście korzystać z większej wytrzymałości, należy zbadać inne koncepcje podwozia. Jednak w przypadku niektórych specjalnych naczep właściwym wyborem mogą być wyższe gatunki stali, takie jak Strenx^® 960. Do kołnierzy lub profili narażonych na ścieranie lub wgniecenia, takich jak tylny zderzak i przegroda, można użyć stali o wyższej wytrzymałości, takiej jak ^Strenx ® 1100 lub stali odpornej na ścieranie, takiej jak Hardox ® 450. W przypadku innych części podwozia, takich jak elementy podłogowe, stale walcowane na zimno, takie jak ^Docol ® 1000 DP i ^Docol ® 1200 M, oferują duże możliwości znacznej redukcji masy. Części te mogą być wytwarzane poprzez gięcie, a w przypadku większych serii poprzez formowanie na rolkach lub tłoczenie.

Przegląd właściwości przekroju poprzecznego i potencjału redukcji masy konwencjonalnej belki głównej a) oraz zmodernizowanych, lekkich alternatyw b) i c) w Strenx^® 700 MC.

Sztywność zginania w kierunku pionowym jest często podkreślana jako krytyczny aspekt dla lżejszych i mocniejszych przyczep ze stali o wysokiej wytrzymałości. Na niektórych rynkach ugięcia sprężyste pojazdów są regulowane w odniesieniu do prześwitu podłużnego, jednak w większości przypadków ograniczenia ugięcia są kwestią funkcjonalności. Oznacza to, że ugięcia podwozia przyczepy nie powinny powodować problemów przy otwieraniu i zamykaniu drzwi, a w załadowanym stanie między ciężarówką a przyczepą musi być wystarczająco dużo miejsca w obszarze sprzęgu siodłowego. W przypadku niektórych przyczep specjalnych, takich jak przyczepy niskopodłogowe, wymagania dotyczące elastycznych ugięć mogą ograniczać wybór materiału.

Ponieważ wszystkie gatunki stali mają ten sam moduł Younga, sztywność zginania zależy od geometrii. Oznacza to, że po prostu zmniejszenie grubości blachy istniejących profili spowoduje zmniejszenie sztywności zginania, jeśli zewnętrzna geometria jest taka sama. W przypadku podwozi przyczep sztywność zginania w kierunku pionowym zależy od geometrii podłużnic. Jeśli zmniejszenie sztywności stanowi problem, można zwiększyć sztywność zginania poprzez zwiększenie wysokości przekrojów poprzecznych.

Zwiększenie wysokości belki jest najskuteczniejszym sposobem na zwiększenie sztywności zginania. Jednak w obszarach, gdzie wysokość belki jest ograniczona, sztywność zginania można poprawić poprzez zwiększenie szerokości kołnierza. Środek ten można również podjąć w obszarach krytycznych, aby zmniejszyć poziom naprężenia roboczego i poprawić sztywność w kierunku bocznym belek. Wykorzystując nowoczesne techniki produkcyjne, szerokość kołnierza można dopasować do długości belki zgodnie z rozkładem obciążenia. Ponieważ grubość kołnierza jest mniejsza, szerokość można zwiększyć tylko do pewnego stopnia, w przeciwnym razie kołnierz po stronie ściśnięcia będzie zbyt wąski i może dojść do miejscowego wybrzuszenia, co ograniczy wykorzystanie materiału kołnierza. Jeśli istniejąca belka przyczepy jest już bardzo wysoka, zgięcie ścinające wąskiego mostka może ograniczyć możliwość zwiększenia wysokości i zmniejszenia grubości mostka. Niestabilność i metody obliczeń zostały opisane w Podręczniku SSAB dla blach stalowych.

Można zastosować kołnierze o zmiennej szerokości, aby poprawić odporność na zginanie i sztywność zginania w obszarach krytycznych.

Stabilność całego pojazdu jadącego po drogach lub, w przypadku przyczep wywrotek, podczas rozładunku zależy od wielu różnych czynników, w których sztywność skrętna podwozia jest jednym z elementów. W przypadku wywrotek i innych przyczep, w których występują duże obciążenia skręcające, należy to uwzględnić podczas modernizacji podwozia przyczepy. Sztywność skrętna podwozia zależy od konstrukcji i położenia belek poprzecznych oraz od dostępności belek poprzecznych. Zmniejszenie grubości środnika belek głównych podwozia będzie miało bardzo ograniczony wpływ, natomiast zmniejszenie grubości belek poprzecznych będzie miało znaczny wpływ na sztywność skrętną podwozia. Aby uniknąć problemów ze stabilnością, można wprowadzić zmiany konstrukcyjne, aby osiągnąć pasującą lub nawet lepszą sztywność skrętną w porównaniu z oryginalną konstrukcją.

Zastosowanie profili o zamkniętych przekrojach poprzecznych belek poprzecznych znacznie poprawia sztywność skrętną. Jednak w celu optymalnego wykorzystania materiału równie ważna jest pozycja belek poprzecznych. Redystrybucja lub wprowadzenie jednej lub dwóch dodatkowych belek poprzecznych wpływa na ogólną sztywność skrętną. Generalnie poprzecznice powinny być skierowane w stronę tylnej części podwozia. Jednak zmiana ta była wielokrotnie przesadna w praktyce, a przesunięcie belek poprzecznych do przodu lub wprowadzenie dodatkowej belki poprzecznej w strategicznym regionie przedniej części znacznie poprawi ogólne zachowanie. Ponieważ niewielki obrót przedniej części powoduje duże przesunięcie tyłu, zwiększona sztywność skrętna przedniej części pojazdu może poprawić ogólne osiągi.

Kolejnym skutecznym środkiem jest wprowadzenie skrzyżowań. Aby uzyskać optymalne wykorzystanie materiału wiązania poprzecznego, ważne jest, aby projektować je tak, aby przenosiły obciążenie rozciągające tylko w jednym pręcie i pozwalały drugiemu pręcie na sprzączkę. W związku z tym pręty powinny być smukłe i nie powinny być ze sobą spawane pośrodku. Aby zilustrować efekty tych działań, wykonywane jest porównanie kąta skrętu odpowiadającego momentowi skręcającemu oddziałującemu na tył wspólnego podwozia wywrotki. Wyniki obliczeń są jednoznaczne, ale wyraźnie pokazują, jaki wpływ na sztywność podwozia mają naprężenia skrętne. We wszystkich obliczonych przypadkach całkowita masa belek poprzecznych była stała. Oznacza to, że w przypadku zastosowania zamkniętych przekrojów poprzecznych grubość profili została zmniejszona. Wyniki pokazują, że zmniejszenie grubości wstęgi daje nieco zmniejszoną sztywność skrętną w porównaniu z oryginalną konstrukcją. Wprowadzenie zamkniętych belek poprzecznych lub podwójnego wiązania poprzecznego zapewnia znacznie większą sztywność.

Porównanie odporności na skręcanie podwozia przyczepy z belką poprzeczną o przekroju otwartym z rozwiązaniami z zamkniętymi profilami poprzecznymi i belkami poprzecznymi.

Wszystkie przyczepy są narażone na obciążenia zmęczeniowe podczas jazdy i załadunku. Historia obciążeń określająca żywotność podwozia przyczepy składa się ze zgromadzonych obciążeń o różnej liczbie i wielkości. W zależności od typu przyczepy, warunków drogowych i sytuacji obciążenia wygląd historii obciążenia będzie się odpowiednio różnić. W przypadku modernizacji podwozia przyczepy za pomocą stali AHSS grubość blachy elementów konstrukcyjnych jest z reguły zmniejszona. Zmniejszenie grubości blachy powoduje zwiększenie obciążenia roboczego całego podwozia. Im mocniejszy materiał, tym większa wytrzymałość zmęczeniowa materiału podstawowego. W przypadku połączeń spawanych wpływ ten jest jednak ograniczony ze względu na stężenie naprężeń i początkowe niedoskonałości powstałe na miejscach spawania. Dlatego żywotność zmęczeniowa połączeń spawanych jest bardziej kwestią projektu i produkcji niż wyboru materiału. Zmniejsza to wytrzymałość zmęczeniową podwozia w przypadku takiej samej konstrukcji połączenia spawanego i jakości spawania.

Odporność zmęczeniowa

Odporność zmęczeniowa materiału jest przedstawiona na krzywych S/N, które są tworzone na podstawie testów zmęczeniowych próbek przy użyciu historii obciążenia o stałej amplitudzie. Oznacza to, że próbka jest wielokrotnie poddawana temu samemu cyklowi obciążeniowemu aż do awarii. Po przetestowaniu kilku próbek przy różnych poziomach obciążenia można wykreślić krzywą S/N. W górnej lewej części krzywych na wykresie odporność zmęczeniowa zależy od właściwości statycznych materiału. W prawej dolnej części wykresu odporność zmęczeniowa jest kontrolowana przez przerwy w próbce. Niedoskonałości to na przykład tekstura powierzchni spowodowana toczeniem się blachy, krawędziami cięcia, otworami, nacięciami i spoinami. Są one wymienione w kolejności zmniejszonej odporności na zmęczenie.

Krzywe seryjne próbek arkuszy walcowanych, z wytłoczonym otworem i połączeniem spawanym.

Dlaczego połączenie spawane jest obszarem krytycznym?

Połączenia spawane wykazują znacznie niższą odporność zmęczeniową w porównaniu z materiałem bazowym ze względu na ostrą geometrię spawu i naprężenia szczątkowe powstające w wyniku doprowadzania ciepła podczas spawania. Często omawia się odporność zmęczeniową spawów w odniesieniu do mikrostruktur, stref wpływu ciepła i twardości, ale główną przyczyną osłabienia spawu jest lokalne stężenie naprężeń i wady. Wszystkie metody obróbki końcowej spawów mają na celu zmniejszenie naprężeń szczątkowych i poprawę geometrii spawania. Aby uzyskać dobrą odporność zmęczeniową, ważne jest, aby mieć gładki promień przejścia i kąt przy nosku spawanym.

Ostra i gładka geometria noska spawanego.

Pozycje startu i zatrzymania

Pozycje rozpoczęcia i zatrzymania są najbardziej krytyczną częścią spawania w odniesieniu do zmęczenia. Ponieważ proces spawania nie jest stabilny, ryzyko powstania wad i wtrąceń w tych pozycjach jest większe. Dlatego ze względu na ograniczoną długość spoiny sczepne mają niższą odporność na zmęczenie niż spawanie ciągłe. Spawanie sczepne belek podłużnych należy zminimalizować, a spawy sczepne wykonać w obszarach o niskim napięciu. Spaw pomiędzy górnym kołnierzem a przekładką jest mniej wrażliwy na spawanie klejowe, ponieważ ta część jest głównie narażona na naprężenia ściskające. Ważne jest, aby połączenia spawane zostały zaprojektowane w taki sposób, aby początek i koniec spawania znajdowały się w obszarach o niskim napięciu. W niektórych przypadkach można zastosować konstrukcję typu „rybi ogon” w celu przesunięcia pozycji początkowej i końcowej z najbardziej narażonego obszaru, jak na końcu płyty wzmacniającej.

Konstrukcja typu „rybi ogon” może być wprowadzona w celu przesunięcia pozycji początkowej i końcowej spawania z obszaru o wysokim napięciu.

Poprzeczne i wzdłużne obciążenie zmęczeniowe spoiny

Przerwy w spawie są zorientowane w kierunku spawania i podążają za stopką i palcami spawanymi. Jeśli przerwy są równoległe do głównego kierunku naprężenia, mają one niewielki wpływ na odporność zmęczeniową spoiny. Z drugiej strony, jeśli naprężenia są poprzeczne do kierunku spawania, odporność zmęczeniowa spawu będzie bardzo niska. Np. żywotność zmęczeniowa kątownika mocującego spawanego do dolnego kołnierza wynosi mniej niż 5% żywotności zmęczeniowej spoiny między pasem a kołnierzem.

Historia wczytywania

Historia obciążenia przyczep jest nieregularna i losowa, a całkowita liczba cykli obciążenia w okresie eksploatacji wynosi 108-109 cykli. Nawet jeśli większość cykli obciążeniowych ma bardzo małą wielkość, ich połączenie z większymi obciążeniami nadal sprawia, że są potencjalnie krytyczne dla zmęczenia. Duże obciążenia mogą być postrzegane jako inicjatory pęknięć, a małe jako propagatory pęknięć. Ze względu na te połączone efekty granica zmęczeniowa występująca przy obciążeniu o stałej amplitudzie w zastosowaniach z przyczepami zanika. Jedynym wyjątkiem jest sytuacja, gdy wszystkie obciążenia w całej historii są niższe od limitu zmęczenia. Dlatego w obszarach o dużym napięciu ważne jest, aby spawy miały dobrą odporność zmęczeniową, np. spawy obciążone wzdłużnie. Spawy o mniejszej wytrzymałości zmęczeniowej należy wykonywać w miejscach o niskim napięciu, np. w pobliżu warstwy neutralnej wstęgi dźwigarów głównych.

Przykładowo można porównać alternatywną konstrukcję kątownika mocującego spawanego do belki poddanej wygięciu w kierunku pionowym. Przy obciążeniu podczas gięcia globalnego maksymalne naprężenia występują na kołnierzach belki i zmieniają się pod względem kompresji i naprężenia na warstwie neutralnej. W konstrukcji górnej (a) kątownik mocujący jest spawany w pobliżu kołnierzy z pozycją początkową i końcową spawu znajdującego się w najbardziej naprężonym obszarze przekroju belki. W konfiguracji dolnej (b) kątownik mocujący został przeprojektowany w taki sposób, aby był spawany otworowo bliżej warstwy neutralnej. Powoduje to zmniejszenie poziomu naprężenia w miejscu spawania o 50%. Taka redukcja poziomu naprężenia wydłuża żywotność zmęczeniową 8 razy w porównaniu z poprzednią konstrukcją.

Przeprojektowanie połączeń spawanych w miejscach o niskim napięciu poprawia trwałość zmęczeniową.

W przypadku przyczep z obciążeniem skrętnym, na przykład przyczep wywrotek i przyczep z belką nośną, zaleca się użycie profili o zamkniętym przekroju poprzecznym do belek poprzecznych. Takie rozwiązanie umożliwia w większości wypadków spawanie belek poprzecznych bezpośrednio do środnika bez dodatkowych wzmocnień. W przypadku pojazdów do transportu ciężkich ładunków w celu zwiększenia sztywności i zmniejszenia obciążeń w tym obszarze można zamontować usztywniacz wstęgi w mocowaniu belki poprzecznej.

Profile z otwartymi przekrojami poprzecznymi mogą być stosowane w przyczepach, w których poprzecznice są narażone głównie na zginanie, np. boki do zasłon, wsporniki kontenerów i samochody dostawcze. W środniku można wyciąć otwory dla każdego profilu i przyspawać je do środnika belki podłużnej. Należy jednak pamiętać, że profile o otwartych przekrojach poprzecznych nie są zalecane do podwozi narażonych na skręcanie.

Kolejnym rozwiązaniem jest użycie kątownika mocującego, który pozwala rozłożyć naprężenia na większej powierzchni. Kątowniki mocujące mogą być spawane, nitowane lub przykręcane do środnika podłużnicy.

Różne rodzaje mocowań belek poprzecznych. Rodzaj stosowanej belki poprzecznej i konstrukcja mocowania do belek głównych zależą od typu przyczepy. W przypadku przyczep narażonych na znaczne obciążenia skręcające zaleca się użycie zamkniętych profili poprzecznicy. W przypadku pojazdów do transportu ciężkich ładunków zaleca się połączenie takiego profilu z U-kształtnym usztywniaczem wstęgi przyspawanym zarówno do pasa, jak i środnika (a). Spawanie wystających belek poprzecznych C-kształtnych można ograniczyć do środnika profilu (b). Belki poprzeczne mogą być przykręcane lub nitowane do belek głównych.