Il telaio (o telaio) è una struttura che individua e monta tutte le altre parti del veicolo. Fornisce anche uno spazio protetto per gli occupanti.
Tipi di chassis
Esistono diversi tipi di chassis ma tutti possono essere classificati in uno dei due approcci:
- Utilizzare lunghezze di rotondo o quadrato, tubo, o altre strutture di metallo forme per formare la struttura del telaio (telaio, multi-tubo telaio della scala)
- Utilizzare aderito pannelli per formare la struttura del telaio (Monoscocca, Unibody)
Entrambi gli approcci possono fornire una struttura in grado di montaggio di altri componenti del veicolo, ma ognuno ha i suoi vantaggi e svantaggi.
Telaio Spaceframe
Il telaio Spaceframe utilizza numerosi pezzi tagliati e sagomati di tubi metallici strutturali (di solito in acciaio) uniti per formare una struttura robusta. Il diagramma SF1 qui sotto dal libro di Ron Champion ” Costruisci la tua auto sportiva per un minimo di £250″, mostra un esempio di telaio space frame.
Diagramma SF1. Telaio Spaceframe per un’auto “Lowcost”. Dal libro di Ron Champion ” Costruisci la tua auto sportiva per un minimo di £250 e gareggia!”,
Il principio del design spaceframe è quello di utilizzare la triangolazione dei tubi per creare una struttura rigida. I diagrammi SF2 e SF3 di seguito mostrano come la triangolazione viene utilizzata per rigidizzare una struttura:
Diagramma SF2. Una scatola non modificata (Una mancante dei suoi lati) è facilmente deformata.
Una scatola non triangolata ha pochissima forza. Puoi vedere questo in azione sopra. Mentre la mano spinge contro l’angolo della scatola, la forma si deforma in un parallelogramma.
Ora, se incrociamo o triangoliamo la scatola con un tubo, la forza aumenta notevolmente:
Diagramma SF3. Una scatola con una traversa forma due triangoli (mostrati in rosso) e si dice che sia triangolata. La forza applicata alla scatola sta cercando di separare la traversa.
Nel diagramma SF3 sopra, il tubo viene tirato in tensione come se gli angoli della scatola al punto in cui è collegato stessero cercando di strapparlo. A causa della forza del tubo in tensione, la scatola non si deformerà nel parallelogramma del diagramma SF2
La triangolazione può anche funzionare con tubi in compressione. Tuttavia il design ideale ha sempre i tubi membri che lavorano in tensione che fornisce una forza di gran lunga superiore ai tubi che lavorano in compressione.
Il diagramma SF4 di seguito mostra come il carico applicato sta ora tentando di schiacciare o comprimere il tubo invece di strapparlo. A causa della ridotta resistenza alla compressione, l’instabilità può diventare un problema.
Diagramma SF4. Una scatola triangolata. La forza applicata alla scatola comprime la traversa, potenzialmente instabilità se la forza è sufficiente..
Tornando al diagramma SF1, ci sono numerosi esempi in questo diagramma di come le strutture dei tubi a scatola aperta siano state triangolate per creare un telaio molto più rigido. Lo schema mostra anche sospensioni e altre staffe di montaggio.
I telai spaziali di solito usano tubi quadrati o rotondi. Il tubo quadrato è più facile da lavorare perché il taglio comporta tagli dritti con una particolare angolazione. Tubo rotondo non butt contro altri tubi rotondi bene, e quindi richiede una speciale scantonatrice tubo per tagliare forme rotonde in esso.
L’aspetto chiave della progettazione spaceframe è quello di identificare e analizzare i carichi che ci si aspetta, e progettare il telaio e la triangolazione per gestire tali carichi in modo ottimizzato. Poiché i tubi in tensione offrono una resistenza superiore alla compressione, è possibile utilizzare un tubo più leggero nelle aree caricate in tensione per risparmiare peso. Nelle aree in cui il tubo vede carichi di compressione, un calibro più pesante o tubi di diametro maggiore può essere meglio usare.
Telaio monoscocca
Il telaio monoscocca è tecnicamente un miglioramento rispetto al telaio spaceframe. Diagramma MC1 sotto mostra un semplice esempio della differenza tra spaceframe e monoscocca design.
Diagramma MC1. Confrontando il comportamento di una monoscocca rispetto a uno spaceframe sotto carico di tensione.
La “Scatola” monoscocca a sinistra utilizza un pannello di materiale per “completare” strutturalmente la scatola. Quando la mano spinge contro di essa nella direzione indicata dalla freccia verde, crea una forza di taglio attraverso il pannello. Questa forza è effettivamente gestita allo stesso modo in cui un carico di tensione è dalla scatola triangolata spaceframe sulla destra. Tuttavia, se la mano dovesse spingere dall’altro lato della scatola, il tubo spaceframe potrebbe potenzialmente collassare in compressione, mentre la scatola monoscocca si comporterebbe allo stesso modo di prima. Vedere il diagramma MC2 qui sotto:
Diagramma MC2. Confrontando il comportamento di una monoscocca rispetto a uno spaceframe sotto carico di compressione. Si noti la gestione del carico di tensione superiore della monoscocca e la gestione del carico di compressione inferiore dello spaceframe.
Entrambi i tipi di chassis possono essere realizzati con la stessa forza l’uno dell’altro. Tuttavia, per fare una forza equivalente spaceframe richiede generalmente più materiale e quindi più peso. Anche i materiali utilizzati fanno una grande differenza.
Nel diagramma MC3 seguito, sia il monoscocca “box” sulla sinistra e completamente “triangolati” spaceframe “box” sulla destra dovrebbe gestire carichi nello stesso modo (Abbiamo lasciato fuori la parte posteriore del spaceframe “box” per evitare visivamente complicare la figura)
Diagramma MC3. Scatola monoscocca e spaceframe triangolato “equivalente”. (Posteriore di spaceframe non mostrato per mantenere la chiarezza del diagramma.)
Anche se la monoscocca di solito può essere resa più leggera e resistente di uno spaceframe, ha alcuni aspetti negativi che rendono più complicato progettare, costruire e operare.
In primo luogo, la monoscocca richiede che la struttura formata dai pannelli sia “completa”. Se osservi la “scatola” nel diagramma MC3 che abbiamo usato per dimostrare la monoscocca, immagina che ne manchi un lato come mostrato nel diagramma MC4 qui sotto:
Diagramma MC4. La gestione incompleta del carico da parte di una monoscocca causerà la deformazione e la fibbia.
Possiamo spingere sull’angolo della scatola in cui si incontrano tre pannelli (mostrato a sinistra) e non si deformerà (molto), ma spingerà su un angolo vicino a dove dovrebbe essere il lato mancante e la scatola si piegherà (come mostrato a destra). Se esiste un’apertura, il telaio deve gestire i carichi attraverso una sottostruttura di supporto.
Un obiettivo primario nella progettazione monoscocca è quello di garantire che non ci siano percorsi di carico non gestiti che possano causare la fibbia della struttura monoscocca. Una monoscocca con fibbia non è migliore di un tubo spaceframe con fibbia.
Nel caso di percorsi di carico mal gestiti, lo spaceframe può essere più indulgente in quanto il diametro del tubo e il materiale in acciaio di solito forniscono un guasto più graduale rispetto a una monoscocca. Tuttavia, è meglio progettare correttamente il telaio in primo luogo quindi fare affidamento su notare guasti graduali.
Questo ci porta ad un altro punto chiave sulla monoscocca: se è danneggiata, è difficile da riparare rispetto ai tubi spaceframe. È anche difficile rilevare danni su una monoscocca, mentre i tubi piegati o rotti sono abbastanza facili da individuare.
Rigidità torsionale
La rigidità torsionale è una proprietà di ogni telaio del veicolo che determina quanta torsione il telaio sperimenterà quando i carichi vengono applicati attraverso le ruote e le sospensioni. Diagramma TR1 sotto mostra il principio.
Diagramma TR1. Rigidità torsionale. Meno il telaio si torce, più viene considerato torsionalmente rigido.
Un telaio che ha un sacco di torsione non gestirà come prevedibile come uno che ha molto poco perché torcendo, il telaio inizia ad agire come un’estensione della sospensione. La sospensione è progettata per consentire alle ruote / pneumatici di seguire i dossi e i cali della strada. Se il telaio si torce quando un pneumatico colpisce un urto, agisce come parte della sospensione, il che significa che la messa a punto della sospensione è difficile o impossibile. Idealmente, il telaio dovrebbe essere ultra-rigido e la sospensione conforme.
La rigidità torsionale è misurata in lbs-ft / grado o kg-m / grado. Un’estremità del telaio (anteriore o posteriore) viene mantenuta ferma e l’altra estremità è bilanciata su un punto e la torsione viene applicata tramite una trave. Il diagramma TR2 di seguito mostra l’idea di base:
Diagramma TR2. Metodo per misurare la rigidità torsionale.
Suggerimenti per la progettazione del telaio (1/2)
Modifica del telaio di produzione
Quando si considera di modificare un telaio basato sulla produzione per montare sospensioni, motori o trasmissione alternativi, dedicare del tempo a studiare le strutture unibody (veicolo più recente) o ladder-frame (veicolo più vecchio). Le strutture formate dai progettisti del telaio del produttore hanno aree forti destinate a carichi e aree deboli non destinate a trasportare carichi. Identificare le parti corrette della struttura del telaio da tagliare o modificare è fondamentale.
Considerare l’utilizzo di modelli in scala del veicolo (se sono stati fatti modelli in plastica), per mockup le modifiche, o software di modellazione 3D per fare lo stesso. Se le modifiche riguardano la sospensione, come l’abbassamento del veicolo, modellare prima la nuova sospensione. A volte abbassando il veicolo durante l’utilizzo degli stessi punti di prelievo sospensione creerà scarsa maneggevolezza.
Costruire modelli di chassis
Modellare un telaio spaceframe con bastoncini in legno di balsa consente di vedere in prima persona le differenze che la triangolazione rende alla rigidità di un telaio. Herb Adams, nel suo libro “Chassis Engineering” fornisce un intero capitolo sulla modellazione del telaio utilizzando balsa e carta. La sua raccomandazione è per un modello in scala 1/12.
Allo stesso modo, utilizzando cartone, carta e colla per costruire monocoques modello può essere un’esperienza di apprendimento molto gratificante e basso costo pure. La cosa grandiosa di questi materiali è che non hanno molta forza e quindi le deformazioni che i carichi creano possono essere facilmente viste quando i carichi vengono applicati.
Progettare il telaio dopo la sospensione
E ‘ molto più facile per progettare una sospensione provvisoria secondo le regole e buona geometria, e poi costruire il telaio per conformarsi a sospensione punti di fissaggio e molle/serranda monti. Vedi la nostra sezione” Progettare la tua auto da corsa ”
Considera i percorsi di carico
Un telaio non riguarda “assorbire” energia, ma piuttosto il supporto. Quando si considera il posizionamento dei tubi, visualizzare i “percorsi di carico” e considerare l’utilizzo di FEA (Finite Element Analysis software) per analizzare gli scenari di carico. I percorsi di carico sono definiti come le forze risultanti dall’accelerazione e dalla decelerazione, nelle direzioni longitudinale e laterale che seguono il tubo da un membro all’altro. Le prime forze che vengono in mente sono supporti di sospensione, ma cose come la batteria e il driver posto stress sulla struttura spaceframe.
Massimizza il posizionamento CG e l’equilibrio del veicolo
Il centro di gravità influisce sull’auto come un pendolo. Il posto ideale per la CG è assolutamente tra le ruote anteriori e posteriori e le ruote sinistra e destra. Posizionare il CG a prua o a poppa o a sinistra oa destra di questo punto significa che il peso si trasferisce in modo non uniforme a seconda del modo in cui l’auto sta girando e se sta accelerando o decelerando. Più lontano da questo punto ideale, più un’estremità dell’auto agisce come un pendolo e più è difficile ottimizzare la maneggevolezza.
Il CG dipende anche dall’altezza. Posizionare un motore più alto da terra solleva il CG e costringe grandi quantità di peso a trasferire in curva, accelerazione o decelerazione. L’obiettivo del design del veicolo è quello di mantenere tutte e quattro le ruote piantate, se possibile, per massimizzare la presa, quindi posizionare tutte le parti dell’auto nella posizione più bassa possibile contribuirà a ridurre l’altezza del CG.
