Применение CAD-системы PowerSHAPE для разработки рейлинга для автомобиля Chevrolet-NIVA
Совместное американо-российское предприятие «GM-АвтоВАЗ» в настоящее время продолжает выпуск автомобиля повышенной проходимости ВАЗ-2123 Chevrolet- Niva (рис. 1). Ни одна из предлагаемых сегодня комплектаций «Нивы» не включает рейлинги — вспомогательные устройства, устанавливаемые на крыше автомобиля и предназначенные для перевозки грузов, туристического снаряжения, спортивного инвентаря и т.п. Учитывая повышенный спрос на подобную опцию, тюнинговые фирмы заняты поиском конструктивных решений, способных удовлетворить пожелания потребителей.
Рис. 1. Автомобиль ВАЗ-2123 (без рейлингов)
Некоторые фирмы предлагают не слишком удачное решение, заключающееся в традиционном креплении рейлингов к крыше посредством резьбового соединения или клепки (рис. 2) с предварительным сверлением отверстий в крыше автомобиля. Недостаток данной конструкции заключается в необратимом нарушении целостности крыши.
Рис. 2. Вариант рейлингов на ВАЗ-2123
Конструкция автомобиля ВАЗ-2123 предусматривает четыре штатных резьбовых отверстия над дверными проемами — по два с каждой стороны. Эту особенность используют фирмы, выпускающие комплект поперечин (рис. 3), применяемых для крепления багажа. Такой подход вполне рационален, поскольку сочетает простоту конструкции поперечин и надежность крепления их к крыше. Однако такую конструкцию нельзя назвать универсальной, поскольку расстояние между поперечинами фиксировано из-за привязки к штатным отверстиям в крыше. Кроме того, при этом заметно ухудшается внешний вид автомобиля.
Рис. 3. Вариант поперечин на ВАЗ-2123
Критический анализ рассмотренных конструктивных решений подтолкнул нас к поиску альтернативного варианта, который должен объединить преимущества обеих рассмотренных версий багажника и исключить содержащиеся в них недостатки.
Разработка конструкции рейлингов
При разработке рейлингов учитывались следующие требования:
• конструкция должна быть универсальной, то есть применяться для транспортировки различного по форме и способу крепления багажа;
• для крепления рейлингов к крыше должны использоваться штатные резьбовые отверстия в кузове автомобиля;
• конструкция рейлингов должна выдерживать нагрузки статического и динамического характера, предусмотренные техническими условиями;
• монтаж и демонтаж рейлингов должен занимать несколько минут, не требуя специальной подготовки и обращения в сервисный центр;
• конструкция не должна ухудшать внешний вид автомобиля.
За основу для работы была взята математическая модель крыши автомобиля ВАЗ-2123, содержащая штатные отверстия для монтажа рейлингов (рис. 4). Исходный файл в формате IGES потребовалось адаптировать к формату PowerSHAPE — после конвертирования в PS-Exchange некоторые поверхности были «вывернуты».
Рис. 4. Математическая модель крыши автомобиля ВАЗ-2123 (площадки с отверстиями показаны черным)
Конструктивно, а также из эстетических соображений были лимитированы габариты багажника: длина конструкции — не более 1400 мм, высота — не более 120…150 мм. При этом важно было выдержать просвет между поперечинами багажника и поверхностью крыши не менее 20 мм.
Далее были рассмотрены различные варианты силовых схем рейлингов и разных конструктивных решений несущего каркаса.
Изначально предполагалось, что несущий каркас каждого из двух рейлингов будет выполнен из продольной профильной пластины с приваренными к ней двумя кронштейнами, крепящимися с помощью винтов к кузову автомобиля — в штатные резьбовые отверстия. При установке рейлингов на крышу под опорной поверхностью профильной пластины будут предусмотрены подложки-уплотнители из пластиката. Сверху на профильную пластину будут устанавливаться передний и задний сборные пластиковые обтекатели, которые, в свою очередь, также выполняют несущую функцию — жестко удерживают дугу (профиль из легкосплавного материала). Дальнейшая работа с этим вариантом рейлингов (рис. 5) обнаружила несовершенство силовой схемы, сложность и нетехнологичность конструкции в целом, поэтому от него пришлось отказаться.
Рис. 5. Первоначальный вариант (прототип) конструктивной схемы рейлинга
Следующая модификация рейлингов (рис. 6) выгодно отличалась от прототипа. Силовая схема стала более совершенной: всю нагрузку, возлагаемую на рейлинги, в новой версии берут на себя кронштейны, которые крепятся, как и в прототипе, винтами к кузову автомобиля. Легкосплавная дуга (алюминиевый профиль) теперь жестко соединяется винтами с двумя кронштейнами.
Рис. 6. Усовершенствованный (окончательный) вариант силовой схемы рейлинга
Передняя и задняя части несущей конструкции рейлингов закрываются сборными крышками-обтекателями, состоящими из двух половин. Обтекатели удерживаются на конструкции посредством бобышек, проходящих сквозь отверстия в алюминиевом профиле, и собственных ребер жесткости, охватывающих профиль, — это обеспечивает жесткость всей конструкции. Между обтекателями и крышей предусмотрены подложки-уплотнители из пластиката.
Рис. 7. Эскиз кронштейна
Наибольшее внимание уделено конструкции несущих кронштейнов (рис. 7) — было решено изготавливать их штамповкой из холоднокатаного стального листа толщиной 2,5 мм с последующей термообработкой — закалкой. Кронштейны усилены пуклевкой (формовка на линии изгиба для увеличения жесткости) и приваренными точечной сваркой усилителями. Форма кронштейна проектировалась с учетом кривизны поверхности крыши (рис. 8) — здесь пригодилась функция «Эквидистанта» с панели редактирования.
Рис. 8. 3D-модель кронштейна
Если при проектировании кронштейна дизайнерская сторона вопроса была не слишком важна, то при моделировании формы дуг рейлинга приходилось одновременно учитывать как функциональность и технологичность детали, так и ее дизайн. Наиболее простые по форме и изготовлению варианты дуг круглого и прямоугольного сечений были исключены из рассмотрения ввиду того, что их применение шло в ущерб внешнему виду всей конструкции рейлингов.
После рассмотрения различных вариантов сечений дуг был спроектирован профиль оригинального сечения (рис. 9), технологичный в изготовлении и полностью отвечающий требованиям дизайна. Процесс изготовления дуг включал протяжку сквозь фильеру и последующий продольный изгиб в двух направлениях по большому радиусу (рис. 10).
Рис. 9. Сечение алюминиевого профиля рейлинга
Рис. 10. 3D-модель дуги рейлинга
Следующим важным вопросом стала проработка компоновки конструкции рейлингов. При его решении необходимо было учитывать сразу целый ряд одинаково значимых факторов: во-первых, надежность и жесткость конструкции; во-вторых, простоту и технологичность сборки; в-третьих, удобство при монтаже всей конструкции на автомобиль; в-четвертых, внешний вид рейлинга. Сложность задачи состояла в том, что требовалось устранить противоречия между функциональностью и дизайном — между удачной компоновкой и внешним видом рейлингов. Пришлось наращивать продольные размеры крышек обтекателей, чтобы обеспечить надежность их крепления к дугам рейлинга. Поскольку в начале проекта была оговорена длина всей конструкции — не более 1400 мм, оставалось увеличивать крышки-обтекатели в ущерб свободной (видимой) длине дуг. В итоге изначальные формы обтекателей претерпели существенные изменения.
Рис. 11. Основные этапы эволюции рейлингов
На рис. 11 представлены основные этапы эволюции рейлингов. Сверху показан прототип, от которого пришлось отказаться по ряду вышеназванных причин. Следующая версия рейлинга наглядно демонстрирует необходимость переделки формы обтекателей для реализации принятой ранее силовой схемы. На третьем изображении видно явное удлинение переднего обтекателя, которое потребовалось для обеспечения соединения первого кронштейна с дугой рейлинга (обтекатель приобрел «дельфиний» облик), а также серьезное изменение формы заднего обтекателя для возможности соединения второго кронштейна с дугой рейлинга. Приведенная координатная сетка (шаг 100x100 мм) позволяет проследить, как видоизменялись форма и размеры переднего и заднего обтекателей. Для увеличения рабочей (свободной) длины дуг потребовалось немного изменить заднюю область переднего обтекателя — итоговая длина дуги составила порядка 500 мм. Нижний эскиз отображает окончательный внешний вид рейлинга, размеры которого не вышли за пределы оговоренных габаритов (предусмотренные между обтекателями и крышей подложки-уплотнители из пластиката не показаны).
Одновременно с проектированием внешнего вида рейлингов велась проработка компоновки внутреннего пространства крышек-обтекателей. В соответствии с изложенной ранее идеей внутреннее пространство обтекателей должно обеспечивать размещение там кронштейнов, прикрепленных к дуге, а также собственных бобышек и ребер жесткости обтекателей. Наряду с внутренними бобышками, проходящими сквозь отверстия в алюминиевой дуге, ребра жесткости, охватывающие профиль дуги, обеспечат жесткое и надежное соединение обоих обтекателей с дугой рейлинга (рис. 12 и 13).
Рис. 12. Поперечное сечение переднего обтекателя рейлинга (в сборе)
Рис. 13. Поперечное сечение заднего обтекателя рейлинга (в сборе)
Консультации с технологами по литью пластмасс помогли задать толщину крышек-обтекателей и определить места для размещения требуемого количества внутренних бобышек и ребер жесткости. Толщину стенок выбрали равной 4,0 мм, чего вполне достаточно для обеспечения прочности пластиковых конструкций и предупреждения появления утяжек, имеющих место при неравномерном остывании пластмасс большой толщины.
Рис. 14. Внутренняя половина переднего обтекателя
Рис. 15. Наружная половина переднего обтекателя
Рис. 16. Внутренняя половина заднего обтекателя
Рис. 17. Наружная половина заднего обтекателя
На рис. 14-17 показана компоновка внутреннего пространства передней и задней крышек. Использовалась функция PowerSHAPE «Динамическое сечение». Дальнейшая работа над проектом состояла в разбиении математических моделей переднего и заднего обтекателей на две составные части. Очень важно было найти корректную линию разъема. Вновь пришлось столкнуться с возникающими противоречиями между технологичностью и дизайном. Для сохранения аккуратного внешнего вида рейлингов требовалось расположить линию разъема по возможности так, чтобы шва не было видно со стороны.
Консультации с конструкторами пресс-форм определили окончательное положение линий разъема для переднего и заднего обтекателей. При последующем проектировании поверхностей разъема были предусмотрены специальные замки, обеспечивающие надежное соединение и исключающие взаимный сдвиг внутренней и внешней крышек относительно друг друга. На рис. 18 и 19 показаны этапы сборки рейлинга.
Рис. 18. Сборка переднего обтекателя
Рис. 19. Сборка заднего обтекателя
Заключительной частью работы стало проектирование поперечин багажника и разработка конструкции хомутов, соединяющих поперечины с дугами рейлингов. Можно устанавливать рейлинги на автомобиль и без поперечин, но в этом случае они будут выполнять лишь декоративные функции (рис. 20).
Рис. 20. Внешний вид рейлингов в сборе (рендеринг)
Рис. 21. Эскиз конструкции хомутов
Конструкция хомутов (рис. 21), соединяющих поперечины с дугами рейлингов, была спроектирована с учетом поставленного в начале работы требования — зазор (просвет) между поперечинами и крышей должен составлять не менее 20 мм.
Рис. 22. Вариант хомута с вертикальными стенками
Рис. 23. Начальный вариант хомута рейлинга
Рис. 24. Усовершенствованный вариант хомута
Первоначальный вариант хомутов (с вертикальными стенками — рис. 22) был переделан из соображений дизайна: одну из стенок каждого хомута сделали с тем же наклоном, что и у ближайшей к хомуту поверхности обтекателя (изменения показаны на рис. 23-25).
Рис. 25. Измененный вариант хомутов (с наклонной стенкой)
Рис. 26. Внешний вид рейлингов с поперечинами и хомутами в сборе
По чертежам, выполненным в системе КОМПАС-3D LT V7, и разработанным в PowerSHAPE моделям всех узлов конструкции рейлинга была спроектирована и изготовлена необходимая технологическая оснастка:
• фильера для протяжки и гибочный штамп для дуг рейлинга;
• штампы (вырубной-пробивной, гибочный-формовочный) для стального кронштейна;
• две четырехместные пресс-формы для литья крышек-обтекателей;
• четыре двухместные пресс-формы для литья хомутов.
Рис. 27. Опытный образец рейлингов с поперечинами и хомутами в сборе
После изготовления пробной партии рейлингов (рис. 26) проект был представлен руководству предприятия «GM-АвтоВАЗ». В настоящее время технические эксперты проводят тестирование опытного экземпляра (рис. 27): изучается поведение рейлингов в динамике, без нагрузки и с нагрузкой (максимальная грузоподъемность — 40 кг) для выявления возможных недоработок и дефектов конструкции.
