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.

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

Beam Bending ( disponível na Wikipedia )

$$EI\frac{d^4\,\delta y}{d\,x^4}=q(x)$$ $$I=\int (y-\bar y)^2 dA$$ $$\bar y= \frac1{A}\int y \;dA$$

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

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.$A$$y$$\delta y$$E$$q(x)$

Veja como usá-los

Para um tubo retangular com altura , largura e espessura , temos:$H$$W$$t$

$$\bar y=0$$ $$I=W\int_{-\frac{H}2}^{\frac{H}2}y^2\;dy-(W-2t)\int_{-\frac{H}2+t}^{\frac{H}2-t}y^2\;dy=\frac{H^3W-(H-2t)^3(W-2t)}{12}$$

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

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

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 em$x=0$$F$$x=L$

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

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

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

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

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

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.

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

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

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

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, inserimos$x=L$

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

Isso corresponde à equação no último site da sua postagem.

De matweb para aço de liga média, temos Então, conectando:$E=30\,000\,ksi$

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

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.$40\,in$$80\,in$$7500 lbf$$18\,ft$$5ft$

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 variável$\alpha$

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

Agora temos:

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

Integração:

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

Em seguida, integrando novamente:

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

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 encontrar$F_{axles}$

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

No entanto, para manter as expressões mais curtas, deixe nas expressões.$F_{axels}$

Agora a inclinação será:

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

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 $9\, kN \,m$$38 ksi$

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.

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.).

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.

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.

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.