Seleção de aço para a construção de um reboque

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Estou pensando em construir outro trailer. Eu construí muitos reboques menores no passado, mas desta vez eu gostaria de montar um pequeno pescoço de ganso com eixo tandem avaliado em 7.500 libras.

Eu sou um soldador certificado, tenho um diploma de bacharel em física e trabalho como desenvolvedor de software. Eu tenho o know-how, mas gostaria de algumas informações sobre a seleção de materiais.

  • Tubo redondo
  • Ferro de ângulo
  • I-Beam
  • Tubulação retangular

Atualmente, estou inclinado para a tubulação retangular como o melhor para suporte, mas não consigo encontrar nada on-line que confirme isso.

Depois de decidir o melhor material para o trailer, onde encontraria bons gráficos para me dizer qual tamanho e espessura devo usar? Obviamente, eu poderia exagerar, mas gostaria de construir este mais inteligente, em vez de jogar tanto ferro nele quanto tenho.

Alguém tem algo a acrescentar? Existe um grupo melhor para publicar isso? Eu estava procurando algo ao longo da linha se Engenharia Industrial, mas isso é tudo o que aconteceu.

Edição:
Eu estava tentando manter isso uma pergunta genérica, onde alguém poderia me dizer algo como: "Aqui está a fórmula que usamos, e é assim que usá-lo ..." Parece que não vou conseguir isso.

Minha carga mais pesada seria um trator com uma carregadeira frontal e uma roçadeira nas costas com um peso total de 5500 a 6500 libras. Um reboque de eixo tandem com dois (2) eixos de 3500 libras pode suportar essa carga com precisão. Selecionei eixos do eixo de torção da Southwest Wheel com freios (o eixo dianteiro terá freios, mas não a traseira).

O comprimento do trailer terá 18 pés e uma configuração de pescoço de ganso (ele distribui melhor o peso e fica mais suave do que um trailer). Para cálculos, vou usar 7500-lb de capacidade.

Estou analisando os dados estruturais da tubulação quadrada usando uma folha de especificações AQUI (tentando não anunciar outro site, mas é aí que vejo os dados). A página 21 mostra os valores dos dados para vários tamanhos e espessuras.

Existe uma linha chamada Fator de flexão. Para um trailer de 18 pés (18 x 12 = 216 polegadas), a tubulação quadrada de 4x2 de espessura de 3/8 de polegada mostra um fator de flexão de (x = 1,03, y = 1,55).

Ontem eu estava usando a Calculadora da Rogue Fabrication , onde inseri os seguintes valores: Forma do tubo = Tubo quadrado, Diâmetro externo = 4 pol, Espessura da parede = 0,1875 pol, Material = "Tubo com costura barata", Carga = 3800 libras, Tubo Comprimento = 216 pol. E Fator de risco = 1, percebi que meu material é 1,22 vezes mais forte que as condições de carga.

Em seguida, tentei a Calculadora de deflexão de feixe do EasyCalculation , com valores de Comprimento = 216, Largura = 2, Altura = 4, Espessura da parede = 0,1875, Força = 3750. Ele mostra uma deflexão de cerca de 100 polegadas para 2 comprimentos de tubulação retangular. Se eu usar 4 comprimentos, isso reduz a força para 7500/4 = 1875 por viga e a deflexão para 50 polegadas. Esses valores de deflexão parecem realmente altos. Isso é mais ferro do que a maioria dos trailers.

O antigo trailer de eixo tandem que eu uso agora tem apenas dois (2) comprimentos de ferro angular de 4 polegadas (1/4 de espessura). Ele flexiona algumas polegadas, mas não 50 polegadas. Eu devo estar esquecendo alguma coisa.

Como calculo a quantidade de flexão que um material de 20 pés teria?

Se a tubulação quadrada não for a melhor, tudo bem, desde que você me informe o que seria melhor e como você selecionou essa configuração ao comentar.

jp2code
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Esta questão não parece estar dentro do escopo deste site. É uma mistura de opinião subjetiva (cada seção tem suas vantagens e desvantagens, portanto, você não pode definir a "melhor" sem saber exatamente o que isso significa) e solicitar referências, nenhuma das quais está no escopo.
Wasabi
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A forma de um membro afeta seu momento de inércia da área , o que afeta o carregamento no membro. Você precisa definir uma carga, um fator de segurança, um material e depois brincar com as dimensões e a forma até encontrar uma combinação que obtenha sua carga * (fator de segurança) sob a tensão de escoamento do material. Coloquei isso em um comentário, em vez de uma resposta, porque você não definiu nada sobre o trailer, exceto a classe genérica, e que deseja um trator. Se você quiser uma referência, tente qualquer texto de "corpos deformáveis" ou "design da máquina".
Chuck
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Não estamos pedindo para tornar o mais complicado possível. Estamos pedindo para torná-lo o mais corretamente possível. Descobrir um bom design não é trivial e não deve ser tomada de ânimo leve.
Wasabi
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Você tem três opções - faça as contas e obtenha as partes certas, copie o trabalho de outra pessoa e espere que eles tenham feito as contas, ou adivinhe e espero que funcione bem. Quero dizer, o que é pior que uma carga de 3,5 toneladas atrelada a um carro que percorre 55 km / h em uma estrada povoada pode fazer? Sarcasmo à parte, você provavelmente deve levar isso a sério e fazer o trabalho ou encontrar um projeto diferente.
Chuck
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Em nosso escritório, temos uma regra geral ... "se algo se mover, é mecânico". Talvez tente marcar isso com Engenharia mecânica? As cargas dinâmicas nas vigas e especialmente as conexões se tornariam críticas. Apenas fazer uma análise estática da estrutura não seria suficiente.
NamSandStorm

Respostas:

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Aqui está a (s) fórmula (s) que usamos

Beam Bending ( disponível na Wikipedia )

EId4δydx4=q(x)
I=(yy¯)2dA
y¯=1AydA

σmax=ymaxEd2δydx2max

Onde é a área da seção transversal da viga, é a posição ao longo do eixo na direção da carga da viga, é a deflexão na direção da carga, é o módulo de elasticidade (procure na Web para obter um valor para o seu material) e, finalmente, é a função de carga por distância.AyδyEq(x)

Veja como usá-los

Para um tubo retangular com altura , largura e espessura , temos:HWt

y¯=0
I=WH2H2y2dy(W2t)H2+tH2ty2dy=H3W(H2t)3(W2t)12

ParaH=4in,W=2in,t=.1875in

I4.2in4

Agora há carregamento de feixe, é provável que você tenha dificuldade. Primeiro vamos dar uma olhada em uma viga cantilever:

Aqui existem apenas dois pontos carregados, o suporte e a ponta. Pense em um cenário de prancha de mergulho. Vamos dizer que o suporte está em e a carga está emx=0Fx=L

q(x)=δ(x)F+δ(xL)F

EId4δydx4=q(x)

EId3δydx3=0xq(x)dx=F

Isso significa basicamente que há uma tensão de cisalhamento constante na viga o tempo todo.

EId2δydx2=Fdx+C=F(xL)

Esta expressão é para o momento fletor na viga. Sabemos que a extremidade livre deve ter um momento fletor zero, portanto definimos a integração constante para acomodar isso.

dδydx=1EIF(xL)dx+C=FEI(12x2Lx)

Isso representa a inclinação da viga desviada. Aqui sabemos que a inclinação deve ser zero no suporte, portanto, definimos a integração constante de acordo.

δy=FEI12x2Lxdx+C=FEI(16x3L2x2)

Aqui sabemos que a deflexão é zero no suporte, portanto, definimos eh a integração constantemente. Agora, se apenas queremos olhar para a deflexão no final, inserimosx=L

δy=FL33EI

Isso corresponde à equação no último site da sua postagem.

De matweb para aço de liga média, temos Então, conectando:E=30000ksi

δy=3.750klb(216in)3330000ksi4.2in4100in

É exatamente isso que a calculadora on-line produziu. No entanto, se você tentar carregar uma viga como esta, ela se deforma permanentemente. Um braço de alavanca de 18 pés é realmente longo e dobrará o ranho de uma viga de parede fina de 4 polegadas com dificuldade moderada. A questão é que um trailer não é uma viga cantilever.

então vamos dar uma olhada em um cenário de carregamento mais razoável. Vamos modelar os eixos como cargas pontuais localizadas a e partir do final do trailer, a carga de conforme distribuída pelos traseira trás e o pescoço de ganso suporta mais à frente.40in80in7500lbf18ft5ft

Agora, algumas de nossas cargas ainda não são conhecidas, mas podemos descobrir algumas delas no processo. Alguns deles não podemos, no entanto, vamos adicionar uma restrição adicional. A distribuição do peso será dividida entre os eixos de acordo com a variávelα

Faxles=Frear1α=Ffront1(1α)

Agora temos:

q(x)=FLH(Lx)+Faxels(αδ(xxrear)+(1α)δ(xxfront)+(FFaxels)δ(xxgoose)

Integração:

EId3δydx3={FLxxxrearFLx+Faxelsαxrear<xxfrontFLx+Faxelsxfront<xLFaxelsFLx

Em seguida, integrando novamente:

EId2δydx2={F2Lx2xxrearF2Lx2+Faxelsα(xxrear)xrearxxfrontF2Lx2+Faxels(x(1α)xfrontαxrear)xfrontxL(FaxelsF)(xxgoose)Lx

Observe que esse momento de flexão deve ser contínuo e as duas extremidades devem ser zero, pois não há momento de flexão aplicado nas extremidades (elas podem girar livremente). Isso gera uma restrição adicional que pode ser usada para encontrarFaxles

Faxels=FxgooseL2xgoose(1α)xfrontαxrear

No entanto, para manter as expressões mais curtas, deixe nas expressões.Faxels

Agora a inclinação será:

dδydx=1EI{F6Lx3+C1xxrearF6Lx3+Faxelsα12(xxrear)2+C1xrearxxfrontF6Lx3+Faxels(α12(xxrear)2+(1α)12(xxfront)2)+C1xfrontxL(FaxelsF)12(xxgoose)2+C2Lx

E, nesse ponto, mudei para uma solução numérica. Integrei novamente e encontrei valores para todas as constantes, de modo que a inclinação e o deslocamento eram contínuos e o deslocamento no ganso e no eixo traseiro era zero. A deflexão resultante teve um máximo de cerca de 2 polegadas. Mas eu usei a carga completa e deveria ter usado metade da carga dando 1 polegada. Isso parece certo para mim.

Observe que o momento de pico de flexão é que, quando multiplicado pela metade da nossa altura e dividido pelo momento da área, produz uma tensão de pico de isto é cerca de 13% da resistência ao escoamento do aço de liga média na teia de aranha. Você pode pensar que isso seria suficiente; no entanto, isso é apenas para um trailer estático, não para um movendo-se e esbarrando.38 k s i9kNm38ksi

As forças de aceleração em um reboque podem facilmente triplicar a carga em curtos períodos. Além disso, os solavancos na estrada alternam o carregamento, não sendo a força de escoamento que você deseja observar, mas a resistência à fadiga no número apropriado de ciclos que você deseja que o trailer dure. A resistência à fadiga pode ser tão baixa quanto 10% da resistência ao escoamento, portanto, eu gostaria de um fator de carga mínimo de cerca de 30 (3/10%), depois adicione um fator de segurança de 2 e suas vigas precisam ser cerca de 60 vezes mais forte do que seria necessário para atender apenas a sua tensão de rendimento em um cenário de carga estática. Em resumo, eu usaria vigas maiores.

Rick
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+1 para a resposta espetacular. Espero que o @ jp2code realize o esforço envolvido em fazer "apenas um trailer".
Chuck
@ Chuck, duvido que qualquer fabricante de reboque de pescoço de ganso tenha usado esses cálculos. Essa é uma resposta espetacular que eu posso aceitar, mas gostaria de saber como os fabricantes determinam o tamanho do material de que precisam ao construir um trailer para uma determinada faixa de carga.
Jp2code
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@ jp2code é isso ou adivinhação.
Chuck
@ jp2code Como a maioria dos problemas, depois de resolver o problema, você pode fazer uma ferramenta para refazer todos os cálculos quando seus números mudarem. Portanto, não, eles não passam por isso para cada design de trailer. Eles fizeram uma ferramenta para fazer isso por eles. Em seguida, eles provavelmente verificam seu design com uma análise da FEA. Duvido que qualquer fabricante de reboque de pescoço de ganso tenha usado menos do que esse nível de cálculo de detalhes, é provável que esteja incorporado em uma ferramenta semelhante às ferramentas on-line que você encontrou.
Rick
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Não tenho certeza se isso realmente adiciona algo útil ao design do mundo real. Uma vez eu projetei uma ponte viária de 6 faixas sem integrar nada. Eu acho que ainda está de pé. Engenheiro não integra.
Paul Uszak
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Aqui estão algumas informações adicionais e uma longa discussão sobre os critérios de design do trailer. Existe até um white paper na linha sobre os fatores de carregamento e segurança que devem ser usados:

Cargas para Design de Trailer

Existem muitos outros tópicos nesse site que fornecem boas informações sobre o design do trailer.

Pelo que vale, eu começaria meu projeto de estrutura com algum tipo de seção retangular de aço em mente para um reboque. Eles estão disponíveis regularmente e são "fáceis" de trabalhar (cortar, perfurar, soldar, montar outros componentes etc.).

GisMofx
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É provável que a estrutura de um tubo de seção retangular de reboque seja o compromisso mais eficiente entre a rigidez da resistência e a facilidade de projeto e fabricação. O tubo redondo é um peso um pouco mais forte, mas muito mais difícil de montar e unir com precisão, simplesmente porque o tubo retangular possui superfícies planas convenientes.

Como já mencionado, coisas como essa não são projetadas por cálculo no mundo real e, de longe, sua melhor aposta é copiar um design existente, pois falhas nesse tipo de aplicativo tendem a ocorrer quando você obtém concentrações inesperadas de carga, em vez de considerar o design como um feixe aproximado; portanto, a menos que você tenha acesso ao software FEA, os cálculos em papel são um pouco inúteis.

Chris Johns
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Eu esperava que um dos engenheiros deste site pudesse ter dito: "É melhor usar o X por algo equivalente". No final, eu apenas gostei: i.imgur.com/mkOJrhS.jpg
jp2code
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O problema é que a carga real no trailer é uma pequena parte do problema geral, o que direi é que, para uma carga de 3000 kg em uma estrutura A com cerca de 3 m de comprimento, seção de caixa retangular de 100 mm x 50 mm (espessura de 3 mm) é a correta tipo de estádio para oferecer um fator confortável de segurança.
Chris Johns
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Se esta é sua primeira vez trabalhando com seções estruturais de aço ou simplesmente procurando dados precisos sobre suas propriedades mecânicas, encontre o "Manual de Construção de Aço" oficial da sua região. Aqui no Canadá está o "Instituto Canadense de Construção em Aço (CISC): Manual de Construção em Aço" e nos EUA é o "Instituto Americano de Construção em Aço (AISC): Manual de Construção em Aço". Não tenho certeza de outros países, mas todos seguem o mesmo formato de título e são chamados de "O Manual da Construção em Aço" ou "Manual da Construção em Aço". Deve ser bastante fácil encontrar a versão oficial para sua região, se você procurar por isso.

Como alguém que tropeçou nesse tópico tentando pesquisar essas mesmas perguntas, sei como pode ser difícil encontrar respostas confiáveis. Portanto, não posso enfatizar isso o suficiente. OBTENHA UMA CÓPIA !! Este livro responderá literalmente a todas as perguntas que você tiver, e eu realmente gostaria de ter encontrado antes.

Saúde, hein.

livedeht
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A resposta fácil é não projetar - trapacear. Vá e procure um trailer semelhante ao que você procura. Fotografe e meça todos os bits. (Não aja como se estivesse tentando apelidá-la). Seções semelhantes servirão, mas eu errei em tamanhos maiores.

Agora seus problemas serão: -

  1. Soldagem das juntas. Não sei ao certo em que tipo de soldagem você está certificado, mas a soldagem de filetes em aço de 10 mm não é o mesmo que pregar nas asas do carro.
  2. Freios. Você precisa garantir que eles funcionem. Como você os testará? O fato de o trailer não rolar a unidade não significa que eles estejam funcionando.
  3. Na Inglaterra, se você pegasse isso em uma via pública, seria necessário um certificado de teste.

Eu odeio toda a bobagem de Saúde e Estupidez, mas não subestime a responsabilidade que você estará assumindo se dirigir por uma estrada em alta velocidade.

Paul Uszak
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