постройка автомобиля рамной конструкции.

Из каких материалов строить раму?

Основные определения (для принятия решения о целесообразности применения алюминиевых сплавов в производстве пространственной рамы).

Все нижепоименованные термины относятся к характеристикам МАТЕРИАЛА. Характеристики КОНСТРУКЦИИ, каковой является рама, при похожих названиях (прочность, жесткость, упругость, усталостная прочность), будут относиться к конструкции в целом, и могут быть одинаковыми или близкими для конструкций из разных материалов — к чему и стремятся, в принципе, конструкторы. Но при этом у конструкций будут существенно отличаться другие характеристики — например, вес, размеры труб, их форма, диаметр, толщина стенок и т.д.

Жесткость материала — свойство материала, отражающее способность материала сопротивляться нагрузке и не деформироваться (изгибаться, растягиваться). Чем больше деформация при приложении одинаковой нагрузки — тем жесткость ниже. При этом речь идет о восстановимой (упругой) деформации — то есть, при устранении нагрузки образец принимает первоначальную форму.

Прочность материала — свойство материала, отражающее, какой должна быть нагрузка на стандартный образец для его разрушения. Чем выше прочность материала, тем большие нагрузки будет выдерживать конструкция без изменения геометрии. Следует учесть, что из одного и того же количества материала можно соорудить конструкции (например, рамы) различной жесткости и прочности — это хлеб конструкторов.

Предел прочности на разрыв — величина нагрузки, при превышении которой происходит разрушение. Определяется при испытании образцов стандартной формы. Характеризует прочность материала — чем больше, тем лучше.

Модуль упругости — величина, характеризующая жесткость материала. Чем больше, тем материал жестче. Собственно модуль упругости — коэффициент зависимости между деформацией и нагрузкой.

Удельная прочность — отношение предела прочности к плотности, характеризует прочность при одинаковом весе конструкции — чем выше, тем конструкция легче при одинаковой прочности.

Предел текучести — величина нагрузки, при превышении которой наступает невосстанавливаемая деформация — материал "течет" — ведет себя как пластилин, то есть деформации необратимы — при устранении нагрузки деформация остается.

Относительное удлинение при разрыве — средняя величина удлинения деформируемой детали до её поломки (разрыва при растяжении). Косвенно отражает пластичность материала (пластичность — свойство материала необратимо изменять форму при нагружении).

Ограниченный предел усталости (на базе 500 млн. циклов) — величина нагрузки, при которой наступает разрушение после 500 млн. циклов нагружения. Следует учесть, что алюминиевые сплавы, в отличие от сталей, не имеют предела усталости (величины нагрузки, при непревышении которой при эксплуатации разрушения не происходит вообще при любом количестве циклов нагружения). По данной причине определяют ограниченный предел усталости (для определенного числа циклов). Поскольку зависимость нагрузки, вызывающей усталостное разрушение, от количества циклов, носит нелинейный в логарифмических координатах характер (то есть при увеличении нагрузки в разы усталостная долговечность падает в десятки, сотни, тысячи и миллионы раз, пусть вас не обнадеживает цифра в 500 млн. циклов нагружения).

Твёрдость по Бринеллю — величина, характеризующая твёрдость материала. (Твеpдость — способность металла пpотивостоять пpоникновению в него дpугого, более твёpдого тела. Метод Бpинелля , пpименяется для измеpения твёpдости сыpых или слабо закалённых металлов.)

"Т6 и прочие цифры после Т" — написанное после кода материала означает температурную обработку.
Т6 относится к процессам прочностной обработки и закалки металла.

Жесткость конструкции и жесткость материала.

Несколько слов о жесткости конструкций, которую не следует путать с жесткостью материала.
Одинаковой жесткости конструкции (то есть способности противостоять нагрузке, не деформируясь), можно добиться двумя путями:

Применением более жесткого материала.
Увеличением сечения элемента конструкции. Как вариант — монококовая конструкция.
Очевидно, что увеличение диаметра труб при том же материале вызовет увеличение количества материала — и соответственно веса.

Таким образом, из одного и того же материала получаются конструкции различной прочности и жесткости, и наоборот — одинаковой прочности и жесткости конструкции можно добиться при использовании различных материалов. Основное различие здесь — в весе.

Как уже неоднократно отмечалось в различных статьях о рамах, сталь — материал самый жесткий, самый прочный, но и самый тяжелый.
Именно поэтому труба для стальной рамы будет небольшого диаметра (жесткость и так высока, прочность позволяет делать трубы тонкостенными, а большая плотность не дает увеличить диаметр трубы).
В результате при нужной прочности и весе жесткость конструкции оказывается ниже, чем у столь же прочной алюминиевой конструкции подобного веса, особенно при равных размерах конструкций.

Пара слов о долговечности.

Поскольку нагрузки, действующие на раму , в процессе эксплуатации многократно повторяются, причем с различной интенсивностью (кочки, ямы, неровности асфальта,), можно говорить о циклически повторяющихся нагрузках на раму.
Опыт эксплуатации конструкций из алюминиевых сплавов на заре их применения (в авиационных и космических конструкциях) показал, что многократное повторение нагрузки, которая однократно не только не вызывает разрушения, но и сколь либо заметных упругих деформаций, после некоторого количества циклов приводит к появлению в конструкции трещин, а затем и кажущемуся внезапным разрушению. Данное явление получило название усталостного разрушения, а количество циклов нагружения, приводящее к разрушению — усталостной долговечностью.
Также было замечено, что наличие в наиболее нагруженных частях конструкции местных изменений геометрии, отверстий, вмятин, трещин и сварных швов снижает долговечность конструкции в десятки, сотни, тысячи и более раз. Это явление получило название "локальная концентрация напряжений". Маленькое отверстие повышает напряжения около себя минимум в 2,5 раза, глубокая царапина — раз в 6. Трещина же вызывает локальное повышение напряжений практически до предела текучести — благодаря чему и растет — сначала медленно, потом все быстрее.

Данное свойство алюминиевых сплавов, побуждает конструкторов проектировать алюминиевые рамы таким образом, чтобы распределить напряжения в раме наиболее равномерно, для чего в местах сварных швов локально увеличивают толщину стенок трубы (баттинг), увеличивают строительную высоту сечения трубы в плоскости нагружения (переменное овальное сечение, увеличивающееся с возрастанием нагрузки — получают профилированием, гидроформингом или сваркой профиля из листа), используют усиление косынками или формированием треугольников из труб.

Надо заметить, что явление усталости также присуще и сталям, но в значительно меньшей мере — стали более долговечны и обладают пределом усталости — уровнем нагрузки, при непревышении которой усталостного разрушения не происходит при сколь угодно большом числе циклов нагружения.

Однако и стальные рамы разрушаются от усталостных явлений. Характерные признаки усталостного разрушения — кажущееся беспричинным разрушение при весьма посредственных нагрузках в момент разрушения и характерный вид излома — на одном крае излома часть сечения как бы отполирована — это след роста усталостной трещины.

Сравнение ограниченного предела усталости (на базе 500 млн. циклов) дает существенное расхождение в характеристиках рассматриваемых нами сплавов — 150МПа для 7005 и всего 96.5МПа для 6061.

Отсюда неизбежный вывод — рама из 7005 гораздо дольше проживет при одинаковых условиях эксплуатации и одинаковой геометрии, чем рама из 6061.

Технологичность.

Сплав 2014, 7075, как видно из той же таблицы, существенно прочнее и 6061, и 7005, да и усталостные характеристики его — лучшие в данной тройке.
Почему же у производителей выбор пал на 7005 и 6061? Дело в том, что рамы не делаются из цельных кусков алюминия, которые используются для проведения тестов на прочность. Рамы делаются из труб, сваренных между собой: сварка 2014, 7075 (российский аналог — В-95) — почти невозможное достижение, почти исключающее выбор этих сплавов для производства (имеется в виду аргоно-дуговая сварка). Производители дорогих рам могут воспользоваться тем, что 2014, 7075 таки сваривается — точечной или роликовой контактной сваркой, или могут себе позволить применить клеевое соединение.
Поэтому остаются 7005 (цинковый сплав) и 6061 (магний-кремниевый сплав).
Различие между ними в том, что 7005 при более высокой прочности труднее в обработке и сварке, из-за более высокого содержания добавок (свыше 6%).
Это означает, что производителям проще добавить трубам из сплава 6061 прочности за счёт свойств конструкции (такими технологиями как переменное сечение и стенки переменной толщины, что уменьшит вес и увеличит прочность труб).
Еще один технологический момент — и тот, и другой сплавы интенсивно упрочняются термически.

Процесс термоупрочнения основан на таком свойстве материалов, как различная кристаллическая структура при различных температурах. Процесс сохранения кристаллической структуры материала, характерной для высоких температур, путем быстрого охлаждения, называют закалкой.
Алюминиевые сплавы сразу после закалки еще раз перекристаллизовываются — этот процесс называется закалкой с последующим старением — (искусственным — при повышенной температуре или естественным — при температуре окружающей среды).
Чаще для простоты термин "закалка" опускают (все равно старение без закалки — нонсенс), и называют их совокупность просто "старением".
Термоупрочняют практически все алюминиевые сплавы, используемые для производства рам.

Какой сплав подойдет?


6061— сплав более технологичный (проще сваривается и обрабатывается), чем 7005, меньшую его статическую и усталостную прочность при менее жестких требованиях к весу легко компенсируют большей толщиной стенок трубы и разнообразными косынками и прочими технологическими ухищрениями.

Выводы

Оптимизация конструкции рамы — задача нетривиальная, требует учета большого количества разнообразных факторов, многие из которых противоречат друг другу, и не может быть сведена к простому выбору материала, марки сплава или даже конкретной геометрии.
В обзоре практически не затрагивался вопрос цены рамы, во многом предопределяющей выбор как материала, так и конструкции в целом. Кроме того, цена сильно влияет на выбор технологических процессов при изготовлении — в пользу более технологичных и распространенных материалов и сплавов — недорогая сталь вместо алюминия, а сплав 6061 вместо 7005.