9

Myślę o zbudowaniu kolejnej przyczepy. W przeszłości budowałem wiele mniejszych przyczep, ale tym razem chciałbym zbudować małą gęsią szyjkę osi tandemowej o udźwigu 7500 funtów.

Jestem certyfikowanym spawaczem, mam licencjat z fizyki i pracuję jako programista. Mam wiedzę, ale chciałbym mieć wkład w dobór materiałów.

Okrągła rura
Kąt Żelazo
Promiennie się uśmiecham
Rurki prostokątne

Obecnie skłaniam się ku prostokątnej rurce jako najlepszej pomocy, ale nie mogę znaleźć w Internecie niczego, co by to potwierdzało.

Po znalezieniu najlepszego materiału do przyczepy, gdzie znajdę dobre wykresy, które powiedzą mi, jakiego rozmiaru i grubości powinienem użyć? Oczywiście, mogłem przesadzić, ale chciałbym zbudować ten mądrzejszy niż rzucać tyle żelaza, ile mam.

Czy ktoś ma jakiś wkład? Czy jest lepsza grupa do opublikowania tego? Szukałem czegoś podobnego do inżynierii przemysłowej, ale to już wszystko.

EDYCJA:
Starałem się zachować to ogólne pytanie, w którym ktoś mógłby mi powiedzieć coś takiego: „Oto wzór, którego używamy, i oto jak go używać ...” Wygląda na to, że tego nie rozumiem.

Moim najcięższym ładunkiem byłby ciągnik z ładowaczem czołowym i kosą z tyłu o całkowitej masie od 5500 do 6500 funtów. Przyczepa z osią tandemową z dwiema (2) osiami 3500 funtów może dobrze wytrzymać to obciążenie. Wybrałem osie z osi skrętnej Southwest Wheel z hamulcami (przednia oś będzie miała hamulce, ale nie tylna).

Długość przyczepy będzie wynosić 18 stóp i będzie mieć konfigurację typu gęsia szyja (lepiej rozkłada ciężar i ciągnie płynniej niż zderzak). Do obliczeń użyję pojemności 7500 funtów.

Patrzę na dane strukturalne dla rur kwadratowych za pomocą arkusza specyfikacji TUTAJ (starając się nie reklamować innej witryny, ale tam widzę dane). Strona 21 pokazuje wartości danych dla różnych rozmiarów i grubości.

Istnieje linia zwana współczynnikiem zgięcia. W przypadku przyczepy o długości 18 stóp (18 x 12 = 216 cali) kwadratowa rura 4x2 o grubości 3/8 cala wykazuje współczynnik zgięcia (x = 1,03, y = 1,55).

Wczoraj korzystałem z kalkulatora Rogue Fabrication , w którym wprowadziłem następujące wartości: Kształt rury = kwadratowa rura, średnica zewnętrzna = 4 cale, grubość ścianki = 0,1875 cala, materiał = „tania rura ze szwem”, obciążenie = 3800 funtów, rura Długość = 216 cali i współczynnik zagrożenia = 1, dostałem, że mój materiał jest 1,22 razy tak wytrzymały, jak warunki obciążenia.

Następnie wypróbowałem kalkulator ugięcia wiązki EasyCalculation , o wartościach Długość = 216, Szerokość = 2, Wysokość = 4, Grubość ścianki = 0,1875, Siła = 3750. Pokazuje ugięcie około 100 cali dla 2 długości prostokątnych rurek. Jeśli użyję 4 długości, siła spadnie do 7500/4 = 1875 na belkę, a ugięcie do 50 cali. Te wartości ugięcia wydają się naprawdę wysokie. To więcej żelaza niż większość przyczep.

Używana przeze mnie stara przyczepa z osią tandemową ma teraz tylko dwie (2) długości żelaznego kąta 4 cale (o grubości 1/4). Wygina się o kilka cali, ale nie o 50 cali. Coś mi brakuje.

Jak obliczyć stopień elastyczności, jaki miałby materiał o długości 20 stóp?

Jeśli kwadratowe rurki nie są najlepsze, nic nie szkodzi, jeśli dasz mi znać, co byłoby lepsze i jak wybrałeś tę konfigurację, kiedy komentujesz.

mechanical-engineering materials structural-engineering steel jp2code
źródło

1

Wydaje się, że to pytanie nie wchodzi w zakres tej witryny. Jest to mieszanka subiektywnej opinii (każdy przekrój ma swoje zalety i wady, więc nie można zdefiniować „najlepszej”, nie wiedząc, co to dokładnie oznacza) i prośby o referencje, z których żaden nie jest objęty zakresem.

Wasabi

2

Kształt elementu wpływa na moment bezwładności jego obszaru , który wpływa na obciążenie elementu. Musisz zdefiniować obciążenie, współczynnik bezpieczeństwa, materiał, a następnie bawić się wymiarami i kształtem, aż znajdziesz kombinację, która uzyska ładunek * (współczynnik bezpieczeństwa) poniżej granicy plastyczności materiału. Umieszczam to w komentarzu zamiast odpowiedzi, ponieważ nie zdefiniowałeś nic na temat przyczepy poza klasą ogólną i że chcesz na niej ciągnika. Jeśli chcesz mieć odniesienie, wypróbuj dowolny tekst „odkształcalne ciała” lub „konstrukcja maszyny”.

Chuck,

6

Nie wymagamy, aby było to tak skomplikowane, jak to możliwe. Prosimy o jak najbardziej poprawne działanie. Ustalenie dobrego projektu nie jest trywialne i nie należy go lekceważyć.

Wasabi

4

Masz 3 opcje - zrób matematykę i uzyskaj odpowiednie części, skopiuj czyjąś pracę i miej nadzieję, że ona wykonała matematykę, lub zgadnij i mam nadzieję, że się uda. Mam na myśli, co najgorszego może zrobić ładunek 3,5 tony przyczepiony do samochodu jadącego z prędkością 55 km / h na zaludnionej autostradzie? Poza sarkazmem, prawdopodobnie powinieneś albo potraktować to poważnie i wykonać pracę, albo znaleźć inny projekt.

Chuck,

3

W naszym biurze obowiązuje ogólna zasada ... „jeśli coś się porusza, jest to mechaniczne”. Może spróbuj oznaczyć to jako Inżynieria mechaniczna? Dynamiczne obciążenia belek, a zwłaszcza połączeń, stałyby się krytyczne. Samo wykonanie statycznej analizy struktury nie wystarczyłoby.

NamSandStorm,

9

Oto używane przez nas formuły

Gięcie wiązki ( dostępne na Wikipedii )

mi ja \frac{{re}^{4} δ y}{re x^{4}} = q (x)

$EI\frac{d^4\,\delta y}{d\,x^4}=q(x)$

ja = \int (y - \bar{y})^{2)} re ZA

$I=\int (y-\bar y)^2 dA$

\bar{y} = \frac{1}{ZA} \int y re ZA

$\bar y= \frac1{A}\int y \;dA$

σ_{m za x} = y_{m za x} mi {\frac{{re}^{2)} δ y}{re x^{2)}}}_{m za x}

$\sigma_{max} = y_{max}E\frac{d^2\,\delta y}{d\,x^2}_{max}$

Gdzie jest pole przekroju poprzecznego wiązki, jest położeniem wzdłuż osi w kierunku obciążenia belki, jest ugięcie w kierunku obciążenia, jest modułem sprężystości (wyszukiwanie matweb aby uzyskać wartość dla twojego materiału), a na koniec jest funkcją obciążenia na odległość. $A$ $y$ $\delta y$ $E$ $q(x)$

Oto jak z nich korzystać

Dla rury prostokątnej o wysokości , szerokości i grubości mamy: $H$ $W$ $t$

\bar{y} = 0

$\bar y=0$

ja = W. \int_{- \frac{H.}{2)}}^{\frac{H.}{2)}} y^{2)} re y - (W. - 2) t) \int_{- \frac{H.}{2)} + t}^{\frac{H.}{2)} - t} y^{2)} re y = \frac{{H.}^{3)} W. - (H. - 2) t)^{3)} (W. - 2) t)}{12}

$I=W\int_{-\frac{H}2}^{\frac{H}2}y^2\;dy-(W-2t)\int_{-\frac{H}2+t}^{\frac{H}2-t}y^2\;dy=\frac{H^3W-(H-2t)^3(W-2t)}{12}$

Dla $H=4\,in\,,\quad W=2\,in\,,\quad t=.1875\,in$

ja \approx 4.2 ja n^{4}

$I\approx4.2\,in^4$

Teraz jest ładowanie wiązki, prawdopodobnie tam napotkałeś trudności. Najpierw spójrzmy na belkę wspornikową:

Tutaj są tylko dwa punkty, które są załadowane, wsparcie i końcówka. Pomyśl o scenariuszu nurkowania. Powiemy, że podparcie wynosi a obciążenie wynosi $x=0$ $F$ $x=L$

q (x) = - δ (x) fa + δ (x - L.) fa

$q(x)= -\delta(x)F+\delta(x-L)F$

mi ja \frac{{re}^{4} δ y}{re x^{4}} = q (x)

$EI\frac{d^4\,\delta y}{d\,x^4}=q(x)$

mi ja \frac{{re}^{3)} δ y}{re x^{3)}} = \int_{0^{-}}^{x} q (x) re x = fa

$EI\frac{d^3\,\delta y}{d\,x^3}=\int_{0^-}^xq(x) dx = F$

Zasadniczo oznacza to, że przez cały czas w belce występuje ciągłe naprężenie ścinające.

mi ja \frac{{re}^{2)} δ y}{re x^{2)}} = \int fa re x + do = fa (x - L.)

$EI\frac{d^2\,\delta y}{d\,x^2}=\int F dx +C=F(x-L)$

To wyrażenie dotyczy momentu zginającego w belce. Wiemy, że wolny koniec musi mieć moment zginający równy zero, więc ustawiliśmy stałą całkowania, aby to uwzględnić.

\frac{re δ y}{re x} = \frac{1}{mi ja} \int fa (x - L.) re x + do = \frac{fa}{mi ja} (\frac{1}{2)} x^{2)} - L. x)

$\frac{d\,\delta y}{d\,x}=\frac1{EI}\int F(x-L) dx +C=\frac{F}{EI}(\frac12 x^2-Lx)$

To reprezentuje nachylenie odchylonej wiązki. Wiemy, że nachylenie musi wynosić zero na podparciu, więc odpowiednio ustawiliśmy stałą całkowania.

δ y = \frac{fa}{mi ja} \int \frac{1}{2)} x^{2)} - L. x re x + do = \frac{fa}{mi ja} (\frac{1}{6} x^{3)} - \frac{L.}{2)} x^{2)})

$\delta y=\frac{F}{EI}\int \frac12 x^2-Lx \; dx +C=\frac{F}{EI}(\frac16 x^3-\frac{L}2 x^2)$

$x=L$

δ y = - \frac{fa {L.}^{3)}}{3) mi ja}

$\delta y=-\frac{FL^3}{3EI}$

Odpowiada to równaniu na ostatniej stronie w twoim poście.

Od $E=30\,000\,ksi$

δ y = - \frac{3,750 k l b (216 ja n)^{3)}}{3) 30000 k s ja 4.2 ja n^{4}} \approx - 100 ja n

$\delta y= -\frac{3.750\,klb \, (216 in)^3}{3\,30000\,ksi\,4.2\,in^4}\approx -100\,in$

Właśnie to wyprodukował kalkulator online. Jednak próba załadowania takiej belki spowodowałaby trwałe odkształcenie. Ramię dźwigni o długości 18 stóp jest naprawdę długie i wygina smark z 4-calowej cienkiej belki ściennej z niewielkim stopniem trudności. Problem polega na tym, że przyczepa nie jest belką wspornikową.

więc spójrzmy na bardziej rozsądny scenariusz ładowania. Modelujmy osie jako zlokalizowane obciążenia punktowe i $40\,in$ $80\,in$ $7500 lbf$ $18\,ft$ $5ft$

$\alpha$

{fa}_{za x l mi s} = {fa}_{r mi za r} \frac{1}{α} = {fa}_{fa r o n t} \frac{1}{(1 - α)}

$F_{axles}=F_{rear} \frac1{\alpha}=F_{front}\frac1{(1-\alpha)}$

Teraz mamy:

q (x) = - \frac{fa}{L.} H. (L. - x) + {fa}_{za x mi l s} (α δ (x - x_{r mi za r}) + (1 - α) δ (x - x_{fa r o n t}) + (fa - {fa}_{za x mi l s}) δ (x - x_{sol o o s mi})

$q(x)=-\frac{F}{L}H(L-x)+F_{axels}(\alpha\delta(x-x_{rear})+(1-\alpha)\delta(x-x_{front})+(F-F_{axels})\delta(x-x_{goose})$

Integrowanie:

mi ja \frac{{re}^{3)} δ y}{re x^{3)}} = {\begin{cases} - \frac{fa}{L.} x & x \leq x_{r mi za r} \\ - \frac{fa}{L.} x + {fa}_{za x mi l s} α & x_{r mi za r} < x \leq x_{fa r o n t} \\ - \frac{fa}{L.} x + {fa}_{za x mi l s} & x_{fa r o n t} < x \leq L. \\ {fa}_{za x mi l s} - fa & L. \leq x \end{cases}

$EI\frac{d^3\,\delta y}{d\,x^3}=\begin{cases} -\frac{F}{L}x & x\leq x_{rear} \\ -\frac{F}{L}x+F_{axels}\alpha & x_{rear} \lt x\leq x_{front} \\ -\frac{F}{L}x+F_{axels} & x_{front} \lt x\leq L \\ F_{axels}-F & L \leq x \end{cases}$

Następnie integracja ponownie:

mi ja \frac{{re}^{2)} δ y}{re x^{2)}} = {\begin{cases} - \frac{fa}{2) L.} x^{2)} & x \leq x_{r mi za r} \\ - \frac{fa}{2) L.} x^{2)} + {fa}_{za x mi l s} α (x - x_{r mi za r}) & x_{r mi za r} \leq x \leq x_{fa r o n t} \\ - \frac{fa}{2) L.} x^{2)} + {fa}_{za x mi l s} (x - (1 - α) x_{fa r o n t} - α x_{r mi za r}) & x_{fa r o n t} \leq x \leq L. \\ ({fa}_{za x mi l s} - fa) (x - x_{sol o o s mi}) & L. \leq x \end{cases}

$EI\frac{d^2\,\delta y}{d\,x^2}=\begin{cases} -\frac{F}{2L}x^2 & x\leq x_{rear} \\ -\frac{F}{2L}x^2+F_{axels}\alpha (x-x_{rear}) & x_{rear} \leq x\leq x_{front} \\ -\frac{F}{2L}x^2+F_{axels} (x-(1-\alpha)x_{front}-\alpha x_{rear}) & x_{front} \leq x\leq L \\ (F_{axels}-F) (x-x_{goose}) & L \leq x \end{cases}$

$F_{axles}$

{fa}_{za x mi l s} = fa \frac{x_{sol o o s mi} - \frac{L.}{2)}}{x_{sol o o s mi} - (1 - α) x_{fa r o n t} - α x_{r mi za r}}

$F_{axels}=F\frac{x_{goose}-\frac{L}2}{x_{goose}-(1-\alpha)x_{front}-\alpha x_{rear}}$

$F_{axels}$ .

Teraz nachylenie będzie:

\frac{re δ y}{re x} = \frac{1}{mi ja} {\begin{cases} - \frac{fa}{6 L.} x^{3)} + {do}_{1} & x \leq x_{r mi za r} \\ - \frac{fa}{6 L.} x^{3)} + {fa}_{za x mi l s} α \frac{1}{2)} (x - x_{r mi za r})^{2)} + {do}_{1} & x_{r mi za r} \leq x \leq x_{fa r o n t} \\ - \frac{fa}{6 L.} x^{3)} + {fa}_{za x mi l s} (α \frac{1}{2)} (x - x_{r mi za r})^{2)} + (1 - α) \frac{1}{2)} (x - x_{fa r o n t})^{2)}) + {do}_{1} & x_{fa r o n t} \leq x \leq L. \\ ({fa}_{za x mi l s} - fa) \frac{1}{2)} (x - x_{sol o o s mi})^{2)} + {do}_{2)} & L. \leq x \end{cases}

$\frac{d\,\delta y}{d\,x}=\frac1{EI}\begin{cases} -\frac{F}{6L}x^3+C_1 & x\leq x_{rear} \\ -\frac{F}{6L}x^3+F_{axels}\alpha \frac12 ( x-x_{rear})^2+C_1 & x_{rear} \leq x\leq x_{front} \\ -\frac{F}{6L}x^3+F_{axels}(\alpha \frac12 (x-x_{rear})^2+(1-\alpha)\frac12(x-x_{front})^2)+C_1 & x_{front} \leq x\leq L \\ (F_{axels}-F)\frac12 (x-x_{goose})^2 +C_2 & L \leq x \end{cases}$

I w tym momencie przeszedłem do rozwiązania numerycznego. Zintegrowałem ponownie i znalazłem wartości dla wszystkich stałych, tak że zarówno nachylenie, jak i przemieszczenie były ciągłe, a przemieszczenie gęsi i tylnej osi było zerowe. Wynikowe ugięcie miało maksimum przy około 2 cali. Ale użyłem pełnego obciążenia i powinienem był użyć połowy obciążenia, co daje 1 cal. Brzmi mi to dobrze.

Należy zauważyć, że szczytowy moment zginający wynosi $9\, kN \,m$ które pomnożone przez połowę naszej wysokości i podzielone przez moment powierzchniowy dają maksymalne naprężenie wynoszące $38 ksi$ jest to około 13% granicy plastyczności stali średniostopowej na matweb. Myslisz, że to wystarczy, jednak jest to tylko statyczna przyczepa, a nie jedna poruszająca się i wpadająca w ruch.

Siły przyspieszenia działające na przyczepę mogą z łatwością potroić ładunek w krótkich okresach. Dodatkowo, nierówności na drodze będą cyklizowały ładowanie, sprawiając, że nie będzie to granica plastyczności, na którą chcesz spojrzeć, ale wytrzymałość zmęczeniowa w odpowiedniej liczbie cykli, które ma trwać przyczepa. Wytrzymałość zmęczeniowa może wynosić nawet 10% granicy plastyczności, więc chciałbym uzyskać minimalny współczynnik obciążenia około 30 (3/10%), a następnie dodać współczynnik bezpieczeństwa 2, a wasze belki muszą być około 60 razy silniejszy niż byłby wymagany do spełnienia granicy plastyczności w scenariuszu obciążenia statycznego. Krótko mówiąc, wybrałbym większe wiązki.

Stóg
źródło

2

+1 za spektakularną odpowiedź. Mam nadzieję, że @ jp2code zda sobie sprawę z wysiłku włożonego w stworzenie „tylko przyczepy”.

Chuck

@Chuck, wątpię, czy jakikolwiek producent przyczep z gęsią szyją wykorzystał te obliczenia. To spektakularna odpowiedź, którą ostatecznie mogę zaakceptować, ale chciałbym wiedzieć, w jaki sposób producenci określają, jakiego rozmiaru materiału potrzebują podczas budowy przyczepy dla danego zakresu obciążenia.

jp2code

1

@ jp2code to jest to lub zgadywanie.

Chuck,

@ jp2code Podobnie jak większość problemów, po rozwiązaniu problemu można zrobić narzędzie do ponownego wykonania wszystkich obliczeń, gdy zmienią się liczby. Więc nie, nie przechodzą przez to dla każdego projektu przyczepy. Zrobili dla nich narzędzie. Następnie prawdopodobnie weryfikują swój projekt za pomocą analizy MES. Wątpię, czy jakikolwiek producent przyczep z gęsią szyją zastosował mniej niż ten poziom szczegółowych obliczeń, prawdopodobnie jest on wbudowany w narzędzie podobne do znalezionych narzędzi online.

Rick,

1

Nie jestem pewien, czy to naprawdę dodaje coś przydatnego do projektowania w świecie rzeczywistym. Kiedyś zaprojektowałem 6-pasmowy most drogowy, w którym nic nie zintegrowałem. Myślę, że nadal stoi. Inżynier nie integruje się.

Paul Uszak,

4

Oto dodatkowe informacje i długa dyskusja na temat kryteriów projektowania przyczepy. W wątku jest nawet biały papier na temat obciążeń i czynników bezpieczeństwa, które należy zastosować:

Obciążenia dla projektu przyczepy

Na tej stronie znajduje się wiele innych wątków dostarczających dobrych informacji na temat projektu przyczepy.

Z tego powodu warto rozpocząć projektowanie konstrukcji z myślą o pewnym typie prostokątnej stalowej sekcji dla przyczepy. Są one regularnie dostępne i „łatwe” w obróbce (wycinanie, wiercenie, spawanie, montaż innych elementów itp.).

GisMofx
źródło

2

Dla konstrukcji przyczepy rura o przekroju prostokątnym jest prawdopodobnie najbardziej wydajnym kompromisem między sztywnością wytrzymałościową a łatwością projektowania i produkcji. Okrągła rura ma nieco większą masę, ale jest znacznie trudniejsza do złożenia i dokładnego połączenia, po prostu dlatego, że prostokątna rura ma wygodne płaskie powierzchnie.

Jak już wspomniano, takie rzeczy nie są projektowane przez rachunek rzeczywisty i zdecydowanie najlepszym rozwiązaniem jest skopiowanie istniejącego projektu, ponieważ awarie w tego rodzaju aplikacjach zdarzają się zwykle wtedy, gdy występują nieoczekiwane koncentracje obciążenia, zamiast uważać projekt za przybliżona wiązka, więc jeśli nie masz dostępu do oprogramowania FEA, obliczenia na papierze są nieco bezcelowe.

Chris Johns
źródło

Miałem nadzieję, że jeden z inżynierów na tej stronie mógł powiedzieć: „Najlepiej używać X do {coś} funtów”. W końcu właśnie go przywitałem

jp2code

1

Problem polega na tym, że faktyczne obciążenie przyczepy stanowi niewielką część ogólnego problemu. Powiem, że dla ładunku 3000 kg na ramie A o przekroju prostokątnym skrzyni o długości około 3 m 100 mm x 50 mm (grubość walca 3 mm) jest właściwe rodzaj boiska do piłki nożnej, który zapewnia komfortowy czynnik bezpieczeństwa.

Chris Johns

2

Jeśli po raz pierwszy pracujesz z sekcjami ze stali konstrukcyjnej lub po prostu szukasz dokładnych danych na temat ich właściwości mechanicznych, znajdź oficjalny „Podręcznik konstrukcji stalowych” dla swojego regionu. Tutaj w Kanadzie jest to „Canadian Institute of Steel Construction (CISC): Handbook of Steel Construction”, aw USA jest to „American Institute of Steel Construction (AISC): Steel Construction Manual”. Nie jestem pewien co do innych krajów, ale prawie wszystkie mają ten sam format tytułu i nazywają się „Podręcznik konstrukcji stalowych” lub „Podręcznik konstrukcji stalowych”. Jeśli szukasz, znalezienie oficjalnej wersji dla swojego regionu powinno być dość łatwe.

Jako ktoś, kto natknął się na ten wątek, próbując zbadać te same pytania, wiem, jak trudno jest znaleźć wiarygodne odpowiedzi. Więc nie mogę tego wystarczająco podkreślić. ZDOBĄDŹ KOPIĘ !! Ta książka dosłownie odpowie na każde twoje pytanie i naprawdę żałuję, że nie znalazłem go wcześniej.

Pozdrawiam, eh.

mieszkał
źródło

1

Prosta odpowiedź brzmi: nie projektuj - oszukuj. Idź i poszukaj przyczepy podobnej do tego, czego szukasz. Sfotografuj go i zmierz wszystkie bity. (Nie zachowuj się, jakbyś próbował to zrobić). Podobne sekcje zrobią, ale popełniłbym błąd w przypadku większych rozmiarów.

Teraz twoje problemy będą: -

Spawanie połączeń. Nie jestem pewien, w jakim spawaniu jesteś certyfikowany, ale spawanie pachwinowe stali 10 mm to nie to samo, co sczepianie na skrzydłach samochodu.
Hamulce Musisz upewnić się, że działają. Jak je przetestujesz? Sam fakt, że przyczepa nie stacza się z dysku, nie oznacza, że działa.
W Anglii, jeśli zabrałbyś to na publiczną autostradę, potrzebowałby certyfikatu testowego.

Nienawidzę całego bzdur na temat zdrowia i głupoty, ale nie lekceważ odpowiedzialności, jaką weźmiesz, jeśli będziesz jechał tą drogą z dużą prędkością.

Paweł Uszak
źródło

Wybór stali do budowy przyczepy

Jak obliczyć stopień elastyczności, jaki miałby materiał o długości 20 stóp?

Odpowiedzi:

Oto używane przez nas formuły

Gięcie wiązki ( dostępne na Wikipedii )

Oto jak z nich korzystać