Determinarea pozitiei centrului de masa si a incarcarii pe punti si dimensionarea spatiului util

1 Dimensionarea spatiului util al autovehiculului ce se va proiecta

Pentru proiectarea spatiului util al autovehiculului, trebuie avute in vedere aspecte ergonomice referitoare la confortul conducatorului auto. La un autoturism se urmareste satisfacerea catorva cerinte legate de caroseria acestuia, cum ar fi: sa ofere un confort sporit, sa prezinte o rezistenta cat mai mare la socuri, dar totodata sa fie usoara iar forma sa fie cat mai aerodinamica. Atat conducatorul auto cat si pasagerii trebuie sa fie supusi la solicitari cat mai mici.

Postul de conducere si spatiul de comanda al autoturismului trebuie amenajate si echipate astfel incat munca conducatorului auto sa fie pe cat posibil usurata, obosirea prematura evitata, greselile de conducere sa fie cat posibil eliminate, iar in caz de accident conducatorul sa fie protejat impotriva ranirii sau altor urmari care ii pot afecta sanatatea. Organizarea postului de conducere si amplasarea arganelor de comanda vor fi facute conform standardelor si reglementarilor in vigoare.

Criteriul principal care sta la baza alegerii caroseriei este destinatia autovehiculului, aceasta impunand forma, dimensiunile si modul de constructie.

Gradul de oboseala al conducatorului auto este direct proportional cu confortul oferit de autovehicul. Pentru marirea confortului in timpul mersului, suspensia se realizeaza astfel incat vibratiile sa fie simtite cat mai putin.

A doua cerinta, referitoare la rezistenta caroseriei este foarte importanta, depinzand in mare parte de coeficientul de tara, precum si gradul de siguranta asigurat atat conducatorului cat si celorlalti pasageri, dar si a restului de participanti la trafic. Datorita numarului foarte mare de accidente rutiere, constructorii de autovehicule au consolidat caroseriile urmarind o protectie cat mai eficace.

O alta cerinta ce trebuie indeplinita la fabricarea unui autovehicul, este aceea legata de forma aerodinamica a acestuia. Necesita o atentie sporita intrucat autoturismul de proiectat trebuie sa depaseasca limita de 100 km/h.

O parte din puterea motorului automobilului se consuma pentru invingerea rezistentei aerului. S-a constatat ca rezistenta aerului se compune din presiunea exercitata pe suprafata frontala de particule de aer intalnite in timpul mersului si din frecarea particulelor de aer cu suprafata exterioara a automobilului. O parte din puterea autovehiculului este cheltuita de vartejele care se formeaza in spatele automobilului datorita depresiunii create.

Se cauta ca forma caroseriei automobilelor sa fie cat mai apropiata de forma aerodinamica, cu un coeficient aerodinamic cat mai mic. La viteze mari, consumul de putere pentru invingerea rezistentei aerului poate depasi jumatate din puterea motorului. Pentru diminuarea acestor probleme s-a recurs la reducerea suprafetei frontale a automobilului, prin micsorarea inaltimii automobilului, rezultand totodata si o stabilitate mai mare prin coborarea centrului de greutate.

Pentru dimensionarea formei si dimensiunilor postului de conducere se folosesc manechini bidimensionali.

Caracteristicile manechinilor bidimensionali se stabilesc in functie de standardul STAS R 10666/3-76.

Se defineste manechinul cu un anumit grad de reprezentativitate. Exista trei tipuri: 10%, 50% si 90%. Principalele dimensiuni ale manechinului bidimensional sunt prezentate in fig. 1.1.

Fig 1.1 Dimensiunile manechinului bidimensional

Pentru fiecare manechin dimensiunile sunt aproape aceleasi mai putin dimensiunile coapsei si a gambei, diferente ce se vad la cele 3 tipuri de 10%, 50% si 90%.

Organizarea interioara a postului de conducere si a spatiului util se face conform STAS 12613-88. Caracteristicile geometrice ale postului de conducere sunt definite in raport cu punctul R (fig. 1.2).

Latimea spatiului de comanda la nivelul coatelor conducatorului auto trebuie sa fie cel putin 700 [mm] conform STAS 12613-88.

Conducatorul auto trebuie sa aiba spatial liber necesar actionarii comenzilor, iar distanta dintre marginea volanului si peretele lateral sa fie de minim 100 [mm] (SR ISO 4153:1995). Scaunul conducatorului auto trebuie sa fie reglabil cu directia longitudinala pe o distanta de cel putin 130 [mm].

Amplasarea pedalelor de comanda pentru ambreiaj, frana de serviciu si acceleratie, sa respecte prevederile STAS R10666/1/2/3-75, STAS 12613-88 si STAS 12424-89. Dispozitivele de comanda trebuie amplasate si simbolizate astfel incat sa poata fi utilizate fara un efort deosebit din partea conducatorului auto si fara ca acesta sa fie nevoit sa-si schimbe pozitia normala a corpului de o maniera periculoasa pentru siguranta circulatiei precum si pentru a nu putea fi confundate chiar si in conditii de intuneric.

Fig 1.2 Organizarea interioara a postului de conducere

Dimensiunile interioare sunt masurate cu scaunul conducatorului reglat in pozitie normala de conducere, cea mai de jos si cea mai retrasa. Limitele de variatie ale dimensiunilor caracteristice ale postului de conducere si valorile alese se gasesc in tabelul ce urmeaza.

Unde: = unghiul de inclinare spre inapoi;

Hz = distanta verticala de la punctul R la calcai

D = diametrul volanului

= unghiul de inclinare al volanului

Wf = distanta orizontala intre centrul volanului si punctual calcaiului

Wz = distanta verticala intre centrul volanului si punctual calcaiului.

Dimensiunile interioare prezentate in fig. 1.2 sunt masurate in raport cu planul vertical si cel orizontal al caroseriei, conform ISO 4130.

2 Determinarea parametrilor dimensionali ai autovehiculului

Pentru acesti parametri se utilizeaza metoda intervalului de incredere. Se calculeaza media pentru fiecare parametru in parte cu ajutorul datelor de la modelele similare analizate anterior.

x_j; j=1,2, . ,N_ms; j=1÷10; N_ms=numarul de modele similare;

Valoarea medie:

- media corespunzatoare parametrului;

x_j - valoarea parametrului pentru modelul j;

Se calculeaza apoi abaterea medie patratica folosind relatia:

Intervalul de incredere:

in care: k - numarul gradelor de libertate k= N_ms - 1= 18

t - valoarea va fi aleasa in conformitate cu nivelul de incredere si cu numarul de modele similare ("Prelucrarea matematica a datelor experimentale", Rumsiski, Editura Tehnica 1983)

t ales pentru 16 modele similare are valoarea: 3,45

1.1 Predeterminarea lungimii totale "La" a autovehiculului

Se vor calcula lungimea medie, abaterea medie patratica si intervalul de incredere.

Se alege La= 3620 [mm] fiind o valoare cuprinsa in intervalul de incredere, si medie intre lungimile modelelor similare.

1.2 Determinarea statistica a latimii "l" a autovehiculului

Se vor calcula latimea medie , abaterea medie patratica, intervalul de incredere. Din acest inteval se adopta valoarea l= 1590 [mm].

1.3 Determinarea statistica a inaltimii "h" a autovehiculului

Se calculeaza inaltimea medie, abaterea medie patratica si intervalul de incredere.

Din acest inteval se adopta valoarea h= 1500 [mm], aceasta fiind o valoare medie intre inaltimile modelelor similare.

1.4 Determinarea statistica a ampatamentului "L" a autovehiculului

Se alege L=2400 [mm] ca fiind o valoare medie intre ampatamentele modelelor similare.

1.5 Determinarea statistica a ecartamentului fata "E₁" a autovehiculului

Se calculeaza media ecartamentelor fata ale modelelor similare, apoi abaterea medie patratica si intervalul de incredere.

Din acest inteval se alege valoarea: E₁= 1405 [mm].

1.6 Determinarea statistica a ecartamentului spate "E₂" a autovehiculului

Din acest interval se alege 1400 [mm].

1.7 Determinarea statistica a parametrului garda la sol "g_s" a autovehiculului

Din acest interval se alege valoarea g_s= 135[mm].

1.8. Predeterminarea parametrilor care caracterizeaza capacitatea de trecere a autocamionului

In literatura de specialitate se recomanda pentru autocamioane urmatoarele intervale de variatie a unghiurilor de trecere:

a)     unghiul de trecere din fata

b)    unghiul de trecere din spate

c)     raza longitudinala de trecere [6m;8m].

2 Predeterminarea parametrilor masici ai autocamionului

Se defineste masa raportata A ca fiind raportul dintre masa proprie a autovehiculului si ampatamentul sau.

(tabelul ) Prezentarea masei raportate "m_p" pentru fiecare model analizat,

Se observa ca masa proprie a autovehiculelor similare variaza in limite mari de la 840 la 1110 kg. Se va face un calcul static pentru a se predetermina valorile relative pentru parametrii statici. Se va folosi metoda intervalului de incredere. Ca elemente

comparative se folosesc masa raportata, masa proprie liniara a fiecarui model similar in parte.

Din acest interval se alege valoarea masei raportate m_p=0,91 [Kg/mm].

Dar A = 5500 [mm] => m₀ = m_p ∙ A = 0,91 ∙ 5500 => m₀ = 5000 [Kg].

Sarcina utila este impusa prin tema de proiect, ea fiind de 1000 Kg.

=> m_u = 12000 [Kg]    => masa totala: m_t = m₀ + m_u + n∙75;

n = 2 locuri in cabina, considerand ca 75 Kg reprezinta masa conducatorului auto.

=> masa totala: m_t = 5000 + 12000 + 150 = 17150 [Kg];

3 Predeterminarea maselor principalelor subansamble ale autovehiculului de proiectat si stabilirea centrului de greutate

3.1 Determinarea maselor principalelor agregate si mecanisme ale autovehiculului

Pentru stabilirea centrului de masa al autovehiculului, trebuie sa se cunoasca masele principalelor subansamble ale acestuia.   

In tabelul de mai jos se vor prezenta ponderile masice ale subansamblelor importante, ponderea aleasa si masa fiecarei componenta.

Tab. Ponderile procentuale ale subansamblelor si masele acestora Centrul de masa al automobilului se poate afla numai dupa determinarea centrelor de masa ale tuturor subansamblelor autovehiculului.

Se realizeaza fig. 3.1 in care sub forma unor figuri simple sunt evidentiate componentele principale ale autovehiculului.

Daca pentru majoritatea componentelor centrul de masa se poate calcula usor in ceea ce priveste caroseria, centrul sau de masa se va calcula printr-o metoda mai complexa.

Se va reprezenta caroseria sub forma a trei figuri geometrice, al caror centru de masa se cunoaste deja unde este sau se poate calcula usor. Astfel se va imparti caroseria in trei forme geometrice: pentru partea inferioara un dreptunghi; un al doilea dreptunghi pentru partea centrala si un trapez pentru cea superioara . Trapezul la randul sau se compune din alte trei figuri geometrice simple pentru a se putea calcula mai bine centrul sau de greutate (a - dreptunghi, b- triunghi, c- triunghi).

Partea superioara reprezinta 10~18% din masa totala a caroseriei iar partea inferioara care este mai grea are 20~25%, in timp ce partea centrala reprezinta 50~60% din masa totala a caroseriei. Se determina mai intai centrul de masa al figurilor geometrice dupa care se va calcula si centrul de masa al caroseriei.

Pentru determinarea centrului de masa al caroseriei se folosesc urmatoarele formule:

si

Centrele de masa ale componentelor caroseriei se realizeaza cu ajutorul fig. 3.2 si se stocheaza in tabelul de mai jos.

Tabel    Masele componentelor caroseriei si pozitia centrelor lor de greutate.

X_g = centru de greutate al subansamblului pe axa X [mm]

Z_g = centru de greutate al subansamblului pe axa Z [mm]

m_c = Masa caroserie [kg]

Centrul de masa al caroseriei, cu datele din tabelul de mai sus se determina astfel:

Se obtine centrul de greutate de coordonate (X_Gc;Z_Gc )

X_Gc = 1209[mm]   

Z_Gc = 713[mm]    Gc (1209;713).

1. Determinarea centrului de greutate al autovehiculului descarcat

Dupa calcularea centrului de masa al caroseriei se determina si centrul de masa al celorlalte componente ale automobilului. Ponderile maselor si centrele de greutate ale fiecarui subansamblu in parte sunt trecute in tabelul ce urmeaza.

Tab.    Masele si centrele de greutate al fiecarui subansamblu.

Datele din tabelul cu centrele de greutate ale componentelor automobilului au fost extrase din fig. 3.

Folosindu-se formule si

ca si in cazul determinarii centrului de greutate pentru caroserie se determina centrul de masa pentru intreg autovehiculul.

Astfel se obtin X_G0 si Z_G0, pentru masa proprie a automobilului unde

X_G0 = centrul de greutate al automobilului descarcat pe axa X [mm]

Z_G0 = centrul de greutate al automobilului descarcat pe axa Z [mm]

m_i = masa subansamblului [kg]

X_Gi = centrul de greutate al subansamblului pe axa X [mm]

Z_Gi = centrul de greutate al subansamblului pe axa Z [mm]

Efectuand calculele de mai sus se obtine centrul de greutate al automobilului:

X_G0 = 976[mm] si Z_G0 = 575[mm].

2 Determinarea centrului de greutate al autovehiculului cand la bord se afla soferul

Se calculeaza centrul de greutate al automobilului, in cazul in care acesta are ca incarcatura doar soferul, si niciun alt bagaj sau greutate an plus. Se considera masa soferului m_p = 75 kg.

Pentru determinarea centrului de masa in acest caz se folosesc aceleasi formule ca si in cazul determinarii centrului de greutate de la automobilul complet descarcat. Diferenta in acest caz este ca la masa automobilului se adauga cea a soferului si trebuie calculat si centrul sau de greutate.

Tab. Masele si centrele de greutate ale fiecarui subansamblu si ale conducatorului auto

In acest caz masa totala a autoturismului va fi:

m_t1 = m_a + m_p = 1030 + 75 =1105 [kg]

Centrul de greutate al autovehiculului avand doar soferul ca incarcatura va fi:

   

Deci centrul de grutate al automobilului incarcat doar cu sofer este C _G1 (987;579).

3 Determinarea centrului de greutate al autovehiculului cu sofer, pasager dreapta si bagajele acestora

Se va calcula centrul de greutate al autovehiculului incarcat cu sofer si pasagerul din dreapta si cu bagajele acestora situate in portbagaj. Centrul de greutate al pasagerului se alege acelasi cu cel al conducatorului auto. Se considera ca pasagerul dreapta si soferul au bagaje de 15 kg fiecare, ceea ce va creste masa totala a portbagajului si implicit a automobilului.

Tab. Masele si centrele de greutate ale fiecarui subansamblu + sofer + pasager dr. + bagaje acestora

Masa totala a autovehiculului in acest caz este:

m_t2 = m_t + m_p +m_b = 1030 + 75*2 + 15*2 = 1210 [kg]

unde:

m_t = masa autovehiculului descarcat

m_p = masa pasagerului

m_b = masa bagaje

Folosind aceleasi formule de calcul ca si la punctele precedente, se determina centrul de greutate pentru autoturismul incarcat cu sofer si pasagerul din dreapta impreuna cu bagajele acestora.

S-a obtinut centrul de greutate C _G2 (X_G2 ;Z_G2)=C_G2(1035;584).

4 Determinarea centrului de masa al autovehiculului cu toti pasagerii si bagajele acestora

Centrul de masa al autovehiculului in acest caz, se va calcula tinnd cont de greutatea tuturor pasagerilor si a soferului impreuna cu bagajele acestora. Algoritmul de calcul este acelasi ca si in situatiile precedente, se modifica doar masa totala a bagajelor si masa pasagerilor.

Masa automobilului complet incarcat este:

m_t3 = m_t + m_p*5 +m_b*5 = 1030 + 75*5 + 15*5 = 1480[kg].

Tab. Masele subansamblelor impreuna cu pasagerii si bagajele acestora

Folosind aceleasi relatii de calcul de la punctele precedente, se determina centrul de greutate al autovehiculului incarcat cu toti pasagerii si bagajele acestora.

Centrul de masa al automobilului incarcat este C_G3 (X_G3;Z_G3) = C_G3 (1208;590).

3 Incarcarea pe punti a autovehiculului

In elaborarea acestui subiect se vor folosi datele din capitolul precedent si se vor calcula incarcarea pe punti pentru toate cazurile de incarcare ale autovehiculului. Se vor folosi distantele dintre punti si centrul de greutate calculat, precum si ampatamentul si greutatea autovehiculului.

a_i = distanta de la puntea fata la centrul de greutate al autovehiculului [mm]

b_i = distanta de la puntea spate la centrul de greutate al autovehiculului [mm]

L = ampatamentul autovehiculului [mm]

a_i = X_Gi [mm] si b_i = L - X_Gi [mm]

3.1 Incarcarea pe punti pentru autovehicolul descarcat

In functie de calculele efectuate la capitolul 1 se va obtine:

a₀ = X_G0 = 976 [mm] si b₀ = L - X_G0 = 2400 -976 = 1420 [mm]

Pentru determinarea incarcarii se folosesc:

si

unde:

G_1i = incarcarea pe puntea fata [kg]

G_2i = incarcarea pe puntea spate [kg]

Incarcarea determintata se va exprima si in forma procentuala.

- pentru puntea fata:

- pentru puntea spate:

Se inlocuiesc datele si se obtine:

- pentru puntea fata:

G₁₀ = 609 [kg]

Valoarea obtinuta se va exprima procentual:

G₁₀ = 59.2 [%] reprezinta incarcarea pe puntea fata.

- pentru puntea spate:

G₂₀ = 419 [kg]

Valoarea obtinuta se va exprima procentual:

G₂₀ = 40.8 [%] reprezinta incarcare punte din spate.

S-au obtinut valorile de 59,2 % incarcare pe puntea din fata si 40,8 % incarcare pe puntea din spate.

3.2 Incarcarea pe punti pentru autovehicolul cu sofer

Se vor folosi aceleasi formule ca si la subpunctul precedent.

a₁ = X_G1 = 987 [mm]    si b₁ = L - X_G1 = 2400 -987 = 1413 [mm]

- incarcare punte fata:

G₁₁ = 650,5 [kg]

Valoarea obtinuta se va exprima procentual:

G₁₁ = 58,8 [%] reprezinta incarcarea pe puntea fata;

- pentru puntea spate:

G₂₁ = 454,5 [kg]

Valoarea obtinuta se va exprima procentual:

G₂₁ = 41,2 [%] reprezinta incarcare pe cea de-a doua punte.

S-au obtinut valorile de 58,8% incarcare pe puntea fata si 41,2% incarcarea puntei din spate.

3.3 Incarcarea pe punti pentru autovehicolul cu sofer, pasager dreapta si bagajele acestora.

Se va folosi acelasi algoritm ca si la puntele precedente, difera insa centrul de greutate si masa totala a autovehiculului.

a₂ = X_G2 = 1035 [mm]     si b₂ = L - X_G2 = 2400 -1035 = 1365[mm]

- incarcare punte fata:

G₁₂= 688,2 [kg]

Valoarea obtinuta se va exprima procentual si se obtine:

G₁₂= 56.9 [%] reprezinta incarcarea pe puntea din fata

- pentru puntea spate:

G₂₂ = 521,8 [kg]

Valoarea obtinuta se va exprima procentual:

G₂₂ = 43.1 [%] reprezinta incarcarea pe puntea spate

S-au obtinut valorile de 56,9% incarcare pe puntea fata si 43,1% incarcarea pe puntea din spate.

3.4 Incarcarea pe punti pentru autovehicolul cu sofer, pasageri si bagajele acestora

Algoritmul de calcul este acelasi ca si la punctele precedente:

a₃ = X_G3 = 1208 [mm] si b₃ = L - X_G3 = 2400 -1208 = 1192 [mm]

- incarcare punte fata:

G₁₃= 735 [kg]

Valoarea obtinuta exprimata procentual:

G₁₃= 49,7 [%] incarcare punte fata;

- pentru puntea spate:

G₂₃ = 745 [kg]

Valoarea obtinuta exprimata procentual:

G₂₃ = 50,3 [%] incarcare punte spate.

In acest caz s-au obtinut valorile de 49,7% incarcare pe puntea fata si 50,3% incarcarea pe puntea din spate.

5 Concluzii

Dupa cum se poate observa in majoritatea cazurilor incarcarile pe puntea fata sunt in jurul valorii de 50%. Singura exceptie este in cazul in care autovehiculul este complet incarcat. Valoarea se poate explica prin faptul ca autovehiculul nu este destinat pentru incarcari foarte mari, automobilul fiind folosit mai mult ca automobil de serviciu sau in diferite deplasari in interese de serviciu. De asemenea este un automobil destinat mai mult traficului din orase, fiind de dimensiuni medii si avand o manevrabilitate sporita.

Dezavantajul incarcarii mai mici pe puntea motoare face ca in unele cazuri aderenta sa scada. Franarea nu poate fi influentata prea mult de acesta diferenta deoarece in timpul procesului de franare are loc o modificare a repartitiei greutatilor pe punti ce duce la incarcarea puntii fata si la descarcarea puntii spate. In urma calculelor de mai sus se observa ca in primele trei cazuri incarcarea pe puntea fata este peste 50% incadrandu-se in valorile normale, iar in ceea ce priveste al patrulea caz, diferenta nu influenteaza in mare masura aderenta la rulare si franare a rotilor fata.