Конструкторский семинар 2

Определение основных характеристик машины F-J/500

§ Проверьте данные других автомобилей

Конструирование похоже на игру в шахматы. Если вы измените одну часть, эффект всегда распространится на множество других областей. Поэтому, пытаясь спроектировать определенную деталь так, как вы задумали, необходимо рассчитать преимущества и недостатки и найти баланс, чтобы в целом был получен хороший результат. Кроме того, на этом этапе зачастую невозможно знать, как получить хороший результат, просто «думая на бумаге». В таком случае наберитесь смелости и сделайте первый шаг. Внимательно понаблюдайте за тем, как на эти изменения отреагируют другие детали, и подумайте о своем следующем шаге. Таким образом мы постепенно сужаем рамки и преодолеваем неизведанные области — это одна из основ конструирования.

§ Когда проектирую новую машину, я ничего о ней еще не знаю.

Есть много вещей, которые мы не понимаем. Поэтому необходимо сделать первый шаг. Где нам следует искать идеи? Вместо того, чтобы рассматривать теорию, порой было бы лучше изучить, как другие машины с проверенной репутацией работают на трассе. Таким образом, вы можете с самого начала подумать о том, насколько улучшится ваше время на каких поворотах, если вы, например, установите антикрыло. Это должно стать мощным оружием в проектировании. Когда конструкторы Формулы-1 или Кан-Ам проектируют новую машину, они часто тщательно изучают характеристики автомобилей конкурентов.

 

 

 

 

Для тех, кто интересуется проектированием машины F-J/500, мы нарисовали график, отображающий условия эксплуатации одной из лидирующих конструкций этого класса. «Эрроу С1» (Arrow S1). Данные, полученные от проектировщика г-на Хори, включали частоту вращения двигателя, выбранную передачу, характеристики двигателя, передаточное число, тягу и другие параметры на каждом повороте короткой версии трассы «Фудзи». Исходя из этого, мы создали диаграмму скорости автомобиля, показанную на рисунке 1, и определили темп на каждом повороте. Господин Хори въезжает на «Эрроу» в первый поворот на полном газу, так что здесь мы можем в значительной степени предсказать скорость автомобиля. Затем, основываясь на точной масштабной карте трассы, мы измерили радиус первого поворота (150R) в метрах, который можно было бы пройти, если бы ширина трассы была использована в полной мере. Теперь, когда вы знаете скорость автомобиля и радиус движения, вы можете рассчитать поворотную силу шин, используя коэффициент трения шины = 1. Предполагая, что это максимальная сила поворота для данной шины, найдем скорость автомобиля на других поворотах. На рисунке 2 показана оценка возможного темпа на трассе «Фудзи» длиной 4,3 км путем корректировки скорости в других местах так, чтобы окончательное лучшее время круга составило 1 минуту 45 секунд.

 

 

 

 

На данном этапе еще не ясна форма машины, которую мы будем проектировать. Однако, если вы пытаетесь установить время в 1 минуту 45 секунд на машине F-500, вы должны ехать как минимум близко к графику на рисунке 3. Все, что вам нужно сделать сейчас, это использовать этот график как руководство, чтобы решить, где и насколько вы можете сократить свое время, чтобы обогнать «Эрроу». Принимайте во внимание подвеску, форму кузова, шасси и т. д.

 

 

 

 

§ Определение базовой конструкции

Теперь давайте придумаем концепцию машины, которую нам предстоит построить. С подвеской, типом кузова, рамой и т.д. мы определимся в последующих выпусках семинара, но на этот раз сначала рассмотрим базовую компоновку и основные характеристики машины.

Почему современные гоночные машины размещают двигатель позади водителя и используют задние колеса в качестве ведущих?

 

 

 

 

Размещение двигателя. Что произойдет, если двигатель поместить перед водителем? Если бы мы использовали силовую установку, аналогичную той, что есть у конкурирующих автомобилей, все выглядело бы так, как показано на рисунке 4А. Этот вариант имеет серьезные недостатки. Во-первых, ничего не видно перед собой. Сколько бы преимуществ это ни имело, этот недостаток не преодолеть. Даже если бы можно было что-то видеть, трудно было бы ожидать чуткой реакции водителя от машины с таким грузом далеко за центром тяжести автомобиля. Придется расположить все так, чтобы линия обзора водителя находилась высоко, как показано на Рисунке 4B. Кажется, это приводит к значительному сопротивлению воздуха. Средняя скорость машины, которую мы будем проектировать, составит примерно 150 км/ч, поэтому увеличение сопротивления будет болезненным. Эту потерю можно было бы компенсировать увеличением скорости прохождения поворотов, но поскольку центр тяжести оказывается высоко расположенным, характеристики прохождения поворотов явно не будут удачными.

А как насчет размещения двигателя рядом с водителем, как на STP Indy Turbo 1967 года (рис. 4C)? Кажется, это имеет много преимуществ, поскольку тяжелые предметы можно расположить рядом. Пока ширина кузова автомобиля остается в пределах заданных 95 см и механизм передачи мощности может быть успешно изготовлен, потенциал есть. Однако, как именно спроектировать этот механизм передачи энергии, скорее всего, будет заморочкой. Давайте пока отложим это.

А как насчет самого традиционного расположения позади водителя – среднемоторного? Оно имеет хороший обзор и кажется лучше предыдущих моделей с точки зрения расстояния между водителем и центром тяжести, сопротивления воздуха и т. д.

Такая компоновка является распространенной, но нужно учитывать, что в таких гоночных машинах, вес концентрируется сзади, что затрудняет его успешное оптимальное распределение.

После проведения этого сравнительного исследования видно, что для того, чтобы использовать двигатель, аналогичный двигателю конкурентов, и попытаться победить, вполне вероятно, что в конечном итоге они получат автомобиль со средним расположением двигателя.

Система привода: Передний привод? Задний привод? Полный привод?

В любом случае мы хотим избежать усложнения системы передачи энергии. Возможен передний или полный привод, но поскольку двигатель расположен посередине, лучше всего выбрать задний привод, как самый простой и наименее проблемный. Сейчас мы определились, что базовая компоновка нашей машины будет среднемоторная + задний привод.

§ Определение основных характеристик

Прежде чем рисовать чертежи, заранее определитесь с основными характеристиками. Первое, что следует учитывать, — это колесная база, колея, масса пустого автомобиля, масса полной загрузки, силовая установка, емкость топливного бака и т. д. Однако пока «природа» наших машин окутана густой завесой. Кажется, самый эффективный метод — проанализировать другие автомобили с такой же компоновкой.

 

 

 

 

С этой целью мы тщательно исследовали полученное за последние два года соотношение между колесной базой и колеей японских и зарубежных машин и обобщили результаты на рисунке 5. Как видно из этой диаграммы, если значение колея/колесная базы класса F-J/500 в настоящее время находится между 0,55 и 0,65, можно предположить, что следует задать такие же характеристики, как и у других автомобилей. Итак, скажем 0,6.

Продолжим о размерах. Конечно, можно проектировать, не беспокоясь о значениях, но в этом случае может возникнуть некоторая неразумность.

Как определить конкретное значение колесной базы?

Видно, что тенденция для машины F-J/500 - в диапазоне 1900-2200 мм.

Итак, возьмем средний, 2050мм.

Поскольку соотношение колеи к колесной базе равно 0,6, тогда ширина колеи составляет 2050 мм x 0,6 = 1230 мм.

Далее давайте разберемся, лучше ли задавать более широкую колею спереди или сзади. На рис.5 приведены данные для разного типа машин: от Формулы-1 до Кан-Ама. В целом, все в порядке, если подвеска просто хорошо сбалансирована. Порой бывает так, что ширина задней части автомобиля может быть уменьшена для уменьшения сопротивления воздуха. В случае с гоночной машиной иногда хорошо иметь одинаковую ширину спереди и сзади. Если на этапе проектирования подвески возникнут какие-либо проблемы, вы можете внести соответствующие изменения.

Используйте любой двигатель, который у вас есть под рукой. Для обсуждения мы будем использовать Honda N500, который в настоящее время является основной моделью для F-J/500. Объем увеличен до 500 куб.см, также может быть установлен стандартный двигатель объемом 360 куб.см.

Допустим, емкость топливного бака составляла 20 л. Полностью настроенный двигатель N500 проезжает 6 км на литре. Это самый «дальнобойный» F-500 в истории.

Гонка состоит из 20 кругов по трассе «Фудзи» длиной 4,3 км, общая протяженность таким образом составляет 86 км. Другими словами, требуется 86÷6 15 литров. Если добавить к этому 5 литров запаса, то в общей сложности получится как раз 20 литров.

Масса пустого автомобиля (собственный вес) определяется в соответствии с правилами JAF F-J. Согласно этому минимальный вес (без учета водителя и топлива, включая воду и масло) составляет 250 кг. При оснащении дугой безопасности, безопасным топливным баком и системой пожаротушения обязательный вес составит 265 кг.

Давайте также учтем общий вес. Это вес на старте гонки, и это важное значение, которое будет использоваться в будущих проверках действия различных сил и кинематики подвески. Он рассчитывается путем прибавления веса водителя и топлива к собственному весу.

Вес водителя 65кг в гоночной экипировке. 20 литров топлива весят примерно 15 кг. Общий вес -265+65+15=345(кг)

Вышеуказанные характеристики резюмируются следующим образом.

Колесная база: 2050 мм
Колея спереди/сзади: 1230 мм
Вес пустого автомобиля 265 кг
Полный вес 345 кг
Емкость топливного бака: 20 л
Двигатель: Хонда N500

Теперь я имею чуть более четкое представление о том, какой должна быть машина в дальнейшем. В следующий раз мы нарисуем схему компоновки, чтобы увидеть, как расположить детали, исходя из этих характеристик.