Témata
Reklama

Konstrukční modifikace tělesa zadní nápravy

V době, kdy jsou finální výrobci automobilů a následně jejich dodavatelské řetězce vystaveny stále silnějším tlakům volného trhu, se kritickými parametry konkurenceschopnosti bezesporu stávají cena výrobku, jeho kvalita a dodací termíny. O těchto klíčových parametrech se rozhoduje již v úvodních fázích vývoje výrobku.

V důsledku v úvodu nastíněné situace jsou výrobci stále více motivováni k hledání nových metod práce, k využívání nových technologií a postupů, které jim v konečném důsledku umožní obstát v tvrdém konkurenčním prostředí. Proto nezastupitelnou úlohu ve fázi vzniku výrobku hraje dodavatelský inženýring, který poskytuje výrobcům možnost využít kvalitní externí zdroje v době nedostatku vlastní kapacity nebo při absenci speciálních znalostí a know-how potřebného pro řešení vlastního vývojového projektu. Příkladem takové spolupráce může být projekt modifikace tělesa zadní nápravy nákladního automobilu a autobusu, který firma AV Engineering, a.s. řešila formou dodavatelského inženýringu pro společnost Vamco.
Náprava s charakteristickým zatížením 13 tun je obvyklá pro použití v nákladních automobilech a autobusech. Kombinace standardní a tandemové nápravy umožňuje splnit požadované limity na zatížení zadní nápravy vozidel. Hlavním cílem vývojového projektu bylo proto nahrazení původní konstrukce odlévaného tělesa nápravy za svařované těleso při zachování hlavních parametrů nápravy, tzn. pevnosti a životnosti při současné redukci výrobních nákladů tělesa nápravy.
V úvodní fázi projektu vznikl virtuální prototyp tělesa, který byl následně využit pro řešení modální, statické a harmonické analýzy ve variantě odlévaného a svařovaného tělesa nápravy. Virtuální model byl využit pro porovnání dvou typů náprav (standardní/tandemová), k nalezení modálních frekvencí a modálních tvarů, stanovení rozložení napjatosti v tělese nápravy, určení sil působících na vodicí tyče, návrh umístění tenzorů pro verifikační měření a provedení odhadu životnosti pro jednotlivá zátěžová spektra. Vlastní stavba a ověření virtuálního prototypu zahrnovala všechny podstatné modifikace konstrukce pro splnění podmínek stejné pevnosti a životnosti konstrukce tělesa zadní nápravy, optimalizace jeho funkce a redukci výrobních nákladů.
Reklama
Reklama
Reklama

Geometrický a strukturální model

Geometrický model tělesa nápravy obsahoval samotné těleso nápravy, horní, dolní a centrální držáky, vodicí tyče, pérování a kola.
Strukturální prostorový model obsahoval solid elementy (10uzlové tetrahedron), prutové elementy (2uzlové lines) a elementy typu pružina. Následně byla automaticky vygenerována objemová síť. Strukturální model zahrnoval přibližně 200 000 elementů a 350 000 uzlů (1 100 000 DOFs). Všechny objemové části (těleso nápravy, držáky) byly spojeny v místě šroubů. Efekt listového pérování byl modelován definovanou tuhostí vzhledem k rámu vozidla. Model zahrnoval mimo jiné také funkci listových per, vodicích tyčí a dorazů uložení včetně kol, náprav a převodů.
Strukturální model byl následně využit pro řešení statických a harmonických zátěžných stavů, především vertikální zatížení, příčné zatáčení, dopředné brzdění a brzdění při couvání. Pro vlastní harmonické zatížení byly použity harmonické síly s definovanou frekvencí. Každé harmonické buzení bylo řešeno v pěti hladinách a sloužilo jako vstup pro následné vyhodnocení životnosti konstrukce.

Použité materiály

Originální konstrukce tělesa nápravy byla zhotovena z materiálu GGG 60. Svařovaná konstrukce tělesa byla navržena z materiálů St52-3, B107, SAE 1043, SAE 1030, ERD 6252, C15 DIN 1017.
Lineární analýza strukturálního modelu s kritériem konvergence na zbytkové síly byla použita pro vlastní FEM řešení. To znamená, že sledovaným kritériem je poměr zbytkových sil ve struktuře a reakčních sil působících na strukturu, tedy |Residual force| / |Reaction force|. Tento poměr musí splňovat definovanou toleranci výpočtu konstrukce < 10 %.

Výsledky

Modální analýza
Modální analýza byla provedena pro standard a tandem konfiguraci zadní nápravy a byly nalezeny vlastní tvary a frekvence. První a druhá vlastní frekvence (5 Hz a 8 Hz) odpovídá kmitání soustavy na pérování vozidla. Třetí frekvence odpovídá ohybovému tvaru v horizontální rovině nápravy (37 - 40 Hz).
Na základě provedené modální analýzy bylo zjištěno, že modální chování svařované konstrukce je shodné s modálním chováním originální odlévané konstrukce tělesa nápravy a je splněn požadavek na shodné chování tělesa nápravy z pohledu dynamického chování vozidla (NVH). Analýza také potvrdila zanedbatelné rozdíly z pohledu modálních frekvencí mezi variantou standard a tandem.
Statická a harmonická analýza
Statická simulace byla provedena pro standard a tandem provedení při odlévané a svařované konstrukci tělesa nápravy. Sledovanými veličinami statické simulace byly deformace a jejich složky, redukované na hlavní napětí přes model a v kritických místech konstrukce. Další součástí analýzy bylo nalezení a porovnání reakčních sil a napětí ve vodicích tyčích. Byla specifikována charakteristická místa pro umístění snímačů deformací a napětí pro následná verifikační měření modelu.
Výsledky analýzy ukázaly zanedbatelné rozdíly mezi variantou standard a tandem geometrie, a to z pohledu deformací i napětí, a proto následné harmonické simulace byly řešeny pouze pro geometrii tandem. Svařovaná geometrie prokázala určitá kritická místa konstrukce, proto bylo třeba provést další iterace v konstrukčním řešení s cílem zlepšit chování svařované konstrukce. Napěťové tenzory, redukované napětí Von Mises a hodnoty maximálních hlavních napětí pro vybraná kritická místa byla sumarizována a použita pro hodnocení životnosti konstrukce.
Citlivostní studie
V rámci citlivostní studie byl sledován vliv přídavného vyztužení, jeho umístění, změn tloušťky stěn a polohy žeber na chování prototypu v zátěžných stavech. Výsledkem studie byla finální optimalizovaná geometrie svařované konstrukce tělesa nápravy.
Odhad životnosti
Na základě provedených harmonických analýz pro všechny jednotlivé zátěžné stavy a jednotlivá kritická místa bylo možno provést kvalitní odhad životnosti konstrukce (E-N křivky, pro svarové spoje S-N křivky a přístup BS standard).

Závěrem

Výsledky výše popsaného projektu dávají odpověď na základní otázku, zda je možno odlévané těleso nápravy nahradit nákladově přijatelnější svařovanou konstrukcí. Provedené analýzy prokázaly, že modální chování svařované konstrukce, hodnoty deformací a napětí jsou shodné s chováním odlévané varianty tělesa - základní požadavky byly tedy splněny. Díky citlivostní studii byly nalezeny vlivy jednotlivých parametrů svařované konstrukce, které bylo možno využít pro následnou optimalizaci konstrukčního řešení svařovaného tělesa. Finální zkoušky fyzického prototypu na testovacím polygonu a dynamické vibrační zkoušky jednoznačně potvrdily výsledky analýz provedených na virtuálním prototypu.
V současné době je tedy možno díky dostupnosti znalostí, zkušeností a technologií nahradit fyzický výrobek kvalitním virtuálním prototypem, simulovat jeho chování a optimalizovat funkci v reálných zátěžových podmínkách bez nutnosti výroby množství fyzických prototypů. To v konečném důsledku vede k zrychlení vývojových fází, snížení nákladů na vývoj nového výrobku a k zajištění jeho lepší funkce a kvality. Pro zpracování projektu byly použity technologie Pro/ENGINEER (stavba 3D CAD virtuálního modelu, tvorba sítě), MSC.Marc (FEM analýzy), MSC.Mentat (pre- a postprocessing) a Skala (hodnocení životnosti).
Jaroslav Malý
Reklama
Vydání #10
Kód článku: 41040
Datum: 13. 10. 2004
Rubrika: Odborná příloha / Automobilový průmysl
Autor:
Firmy
Související články
Skutečný pomocník

Na českém trhu je od září letošního roku k dostání nová generace vozů Opel Vivaro a to ve třech variantách: Van, Crew Van a Combi. První dvě verze jsou určeny především pro převoz nákladu a osob, Combi pak pro převoz větších skupin lidí či sportovních týmů. Všechny vozy pohání turbodieselové motory.

Vozový park pod kontrolou díky moderním technologiím

Mít na starost firemní flotilu není snadné, ale když se nebudete vyhýbat moderním technologiím, ušetříte spoustu peněz, času i stresu.

Stavme na pozitivním a fungujícím

Česko patřilo ke konci roku 2023 k zemím, jejichž ekonomika stále nedosáhla předcovidové úrovně. Hospodářský růst bude podle většiny ekonomů i v tomto roce velmi pomalý. Situaci komplikují nepříliš optimistické faktory, jako je nestabilita veřejných financí, výroba postavená na subdodávkách, nedostatečná infrastruktura a další. Když k tomu připočteme vnější geopolitické okolnosti, není situace příliš příznivá. A o tom, jak toto vše ovlivňuje automobilový průmysl a jak se zbavit stigmatu subdodavatelské země, jsme hovořili s Petrem Knapem, odborníkem společnosti EY pro automobilový průmysl.

Související články
Je nutné stanovit diagnózu a následně zvolit léčbu

Bohdan Wojnar vždy razil zásadu, že je třeba si všechno řádně odpracovat a každý den zkusit udělat něco navíc. Nikdy se nebránil novým věcem, trpělivě se je učil a s potřebnou dávkou štěstí se pak dostával k zajímavým pracovním příležitostem. Během čtyřiceti profesních let ušel cestu od chemického inženýra, přes dlouhou kariérou ve Volkswagenu Slovakia ve financích a controllingu až po člena představenstva za oblast HR ve Škoda Auto. Toto je dle jeho slov výhodou velkého koncernu, kdy nemusíte zůstat na jednom místě, u jednoho oboru a v jedné zemi. Tyto zkušenosti mu poskytly velký profesní přehled, ze kterého vycházejí témata aktuálního otevíracího rozhovoru MM Průmyslového spektra.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Krize jako cesta k žádoucí změně

Hlavním životním mottem Ing. Vlastislava Břízy, majitele a generálního ředitele společnosti Koh-i-noor, je tvrzení, že kdo je připraven, není zaskočen. Společný rozhovor probíhal v intencích této jeho celoživotní strategie.

MM Podcast: Glosa - Sedmnáctá země spolková na kolečkách

Problémy koncernové automobilky jsou vážnější, než si většina lidí umí představit. Kombinace emisního skandálu DieselGate, změny trhu a návyků spotřebitelů, inflace a neschopnosti na to všechno pružně reagovat je pro VW smrticí koktejl. Může jí dokonce hrozit osud finské Nokie či amerického Kodaku, které před lety nedokázaly zachytit nastupující disruptivní změny a se svým ikonickým byznysem skončily. Jak zásadní problém by podobný osud znamenal pro Německo, potažmo celou subdodavatelskou Evropu, se můžeme jen domýšlet.

Důraz na udržitelnost, digitalizaci a 3D tisk

Japonsko je zemí, kde se rodí nejmodernější technologie a kde se dbá na udržitelný způsob života. Je kolébkou průmyslu a domovem největších průmyslových firem. Každé dva roky mají návštěvníci z celého světa možnost nahlédnout prostřednictvím veletrhu Jimtof (Japan International Machine Tool Fair) pod pokličku nejnovějších inovací v oboru obráběcích strojů a jejich příslušenství. Díky pozvání Japonské asociace výrobců obráběcích strojů JMTBA jsme měli možnost zúčastnit se tohoto veletrhu osobně. V následující reportáži se vám pokusíme zprostředkovat alespoň pár nejzajímavějších témat, která zde zazněla.

Žijeme na dluh dalších generací

Petr Novák aktuálně zastává pozici Director of Automotive Operations ve společnosti JTEKT European Operations. Je zodpovědný za devět výrobních závodů ve Francii, Belgii, ČR, Anglii a Maroku. Obrat této divize čítající 4 000 zaměstnanců představuje 1, 2 miliardy eur.

MM Podcast: Glosa - Made in Germany: Richtig oder falsch?

Proč stále není slyšet o problémech průmyslových firem, do kterých se kvůli souběhu všech krizí dostaly? Obecně, ať se jedná o jedince, či instituci, vždy máme obavy přiznat určité potíže. V momentu, kdy majitel firmy či management pustí do éteru první negativní zprávu, přestane být podnik důvěryhodný pro zákazníky, banky a zaměstnance, jak současné, tak i potenciální. Proto to všichni zatím drží pod pokličkou a vyčkávají do doby, kdy situace již bude neudržitelná či na stav upozorní okolí.

Příklady táhnou: Umět řídit i motivovat

Ačkoli byla Ing. Andrea Urban - tehdy ještě Andrea Kovačiková ze Žiliny- již od střední školy orientována humanitním a ekonomickým směrem, vystudovala posléze v doktorandském programu obor Strojírenská technologie na ostravské VŠB-TUO. A také toto vzdělání ji katapultovalo do prestižních pozic ve špičkových technologických firmách, z nichž zatím poslední, od roku 2014, je Volvo stavební stroje v německém městě Hameln.

Chceme svítit

Povědomí o bývalém vojenském prostoru Stříbro v západní části naší republiky přinášejí buď vzpomínky osobního rázu, nebo přicházejí skrze narukované, kteří zde společně, převážně s romskými spoluobčany z tehdejšího východu Československa, v tankových praporech chránili naši republiku proti vpádu západních imperialistů. Doba se naštěstí změnila. Nyní je to rozvíjející se region jak díky blízkosti k Německu a hlavní dálniční tepně, tak i zásluhou generace techniků, kteří se zde kolem plzeňské Škody zrodili a po jejím rozpadu a rozmělnění se vydali na cestu soukromého podnikání ve strojírenském oboru. Do jedné z takových firem, nacházející se v Kladrubech u Stříbra, jsem se vypravil. Důvodem byla ukázka vzniku a růstu dalšího partnerství s dodavatelem technologií obrábění, společností Mazak.

Příklady táhnou:
Maximum aerodynamiky pro nejrychlejší vozy

Petra Palizu již od mládí zajímaly automobily a záhy se rozhodl, že se v dospělosti bude podílet na jejich vývoji. V průběhu prvních ročníků studia Wichterlova gymnázia v Ostravě si ujasnil, že jeho profesní dráha povede přes strojírenský obor na univerzitě. Že se za několik let bude podílet na vývoji nejrychlejších automobilů na světě, by jej nejspíš v té době ještě nenapadlo…

Stroje v pohybu:
Jak uhasit letadlo

Pozoruhodný stroj, který vám v tomto článku představíme, se pohybuje na šesti kolech a setkáte se s ním nejčastěji v prostoru letiště. Jde o speciální zásahové vozidlo hasičů. Kombinovaný hasicí automobil Rosenbauer Panther 6 x 6 je tři metry široký a téměř 12 metrů dlouhý, váží až 36 tun a ve výbavě má dlouhé teleskopické rameno. Dva tyto vozy slouží na letišti v Praze-Ruzyni.

Reformy nestačí. Je nutná transformace

Je současná ekonomická krize příležitostí k progresu národního hospodářství? Bude avizovaná 7% inflace v tomto roce velkou hrozbou? Proč by se čísla měření životní úrovně ČR neměla srovnávat s některými státy EU? Je iniciativa českých podnikatelů k druhé transformaci české ekonomiky oprávněným voláním po změnách? Na tyto a další otázky odpovídala v rozhovoru pro MM Průmyslové spektrum hlavní ekonomka Raiffeisenbank Helena Horská.

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit