Анализ и определение геометрических характеристик несущей

Анализ и определение геометрических характеристик
несущей системы болида класса «Формула Студент»
Головин Д. В.
Головин Д. В. Анализ и определение геометрических характеристик несущей системы болида класса «Формула Студент»
Головин Данила Вячеславович / Golovin Danila Vjacheslavovich - магистрант,
кафедра «Автомобили и технологические машины», автодорожный факультет,
Пермский национальный исследовательский политехнический университет, г. Пермь
Аннотация: в работе представлены результаты анализа и работы по определению геометрических
параметров рамы спортивного автомобиля класса «Формула Студент».
Ключевые слова: FSAE, Формула Студент, пространственная трубчатая рама, Solidworks, эргономика.
Формула Студент – международные соревнования, в которых студенты, представляющие свой
университет в качестве спортивной команды, должны разработать автомобиль формульного класса. Одним
из немаловажных этапов при разработке несущей системы является определение геометрических
параметров. В результате анализа было определено, что главным образом на геометрические размеры рамы
оказывают влияние такие аспекты как:
- требования регламента;
- тип посадки пилота;
- размеры силовых агрегатов (двигатель, дифференциал) и их расположение;
- расположение мест крепления элементов подвески.
Изучив регламент [1], стало ясно, что размеры кокпита определяются размерами горизонтального и
вертикального шаблонов, типом посадки пилота.
Дальнейшими объектами изучения стали типы посадок пилота в болидах формульных классов. Согласно
положению Т5.5.1, регламентом соревнований класса «Формула Студент» выделяются два типа посадки
пилота:
- вертикальная посадка пилота определяется как посадка с наклоном спинки сиденья в 30° или менее по
вертикали, измеряемым вдоль линии, соединяющей два 200 мм круга шаблона мужского 95-го перцентиля.
- горизонтальная посадка пилота определяется как посадка с наклоном спинки сиденья более чем в 30°
по вертикали, измеряемым вдоль линии, соединяющей два 200 мм круга шаблона мужского 95-го
перцентиля.
Таким образом, согласно регламенту, тип посадки определяется углом наклона спинки сидения.
Тенденции в соревнованиях данного класса, как и во всех автоспортивных соревнованиях, сводятся к
понижению высоты центра масс, это прослеживается:
- в применении конструкции подвески типа pull rod, с нижним расположением амортизаторов;
- в использовании колесных дисков с посадочным диаметром 10 дюймов;
- в применяемых конструкциях рулевого управления с нижним расположением рулевого механизма;
- в доработках силовых агрегатов путем установки системы с сухим картером, что позволяет установить
двигатель ниже.
Также высоту центра масс можно уменьшить за счет посадки пилота лежа. Для анализа посадки пилота
на начальном этапе было решено рассмотреть положение гонщиков Формулы 1 внутри кокпита (рисунок 1).
Рис. 1. Размещение пилота Формулы 1 в кокпите болида
Было определено, что угол наклона спинки сиденья в болиде Формула 1 составляет порядка 35°.
Также была рассмотрена посадка пилота в болиде российской команды Тольяттинского
государственного университета [2]. Данная посадка является сидячей (рисунок 2), выбор данной посадки
привел к существенному недостатку - повышенному расположению центра масс. Из-за чего команде
потребовалось провести доработку масляного поддона [3].
Рис. 2. Размещение пилота в макете кокпита болида ТГУ
Помимо этого, в качестве дополнительного примера была проанализирована посадка пилота в двух
болидах класса Формула Студент (рисунки 3, 4).
Рис. 3. Пример лежачего размещения пилота в болиде «Формула Студент»
Рис. 4. Пример сидячего размещения пилота в болиде «Формула Студент»
Для дальнейшего поиска оптимальных параметров и имитации посадки в болиде Формула Студент был
создан макет для анализа положения пилота. За основу был выбран прототип, описанный в статье Formula
SAE Race Car Cockpit Design An Ergonomics Study for the Cockpit [4]. Подобный тип макетов используется
многими командами на начальной стадии разработки рамы.
Данный макет был доработан, а именно: вместо отверстий для фиксации положения спинки сидения,
руля были сделаны прорези, что позволяет более точно определиться с необходимыми параметрами. Также
была добавлена возможность плавной регулировки наклона подушки сидения.
Созданный макет для анализа положения пилота (рисунок 5) позволяет определить и оптимизировать
под 95 перцентиль такие параметры:
1. Угол наклона, размеры спинки и подушки сидения.
2. Положение ног пилота.
3. Положение рулевого колеса.
4. Расположение педального узла.
5. Расположение других органов управления.
6. Расположение ремней безопасности.
В дальнейшем, все эти параметры позволили согласовать положение пилота с требованиями
безопасности и силовой структурой рамы.
Рис. 5. Макет для анализа положения пилота «Формула Студент» ПНИПУ
В результате определения оптимального положения пилота с использованием макета было принято
решение использовать положение пилота лежа с углом наклона спинки в 30°. Помимо этого, было решено
использовать педальный узел с расположением цилиндров снизу перед педалями и опустить основание
главной дуги относительно низа передней дуги на 50 мм. Данная посадка обеспечивает достаточное
удобство, обзор и позволит, главным образом, уменьшить высоту центра масс автомобиля, что в
дальнейшем положительно скажется на управляемости.
Рис. 6. Модель разработанной рамы
1. Лист передней перегородки
2. Передняя перегородка
3. Опоры передней перегородки
4. Передняя дуга
5. Распорка передней дуги
6. Верхняя труба боковой защиты
7. Труба крепления плечевых ремней
8. Главная дуга
9. Распорки главной дуги
10. Опоры главной дуги
11. Диагональная труба боковой защиты
12. Основание главной дуги
13. Нижняя труба боковой защиты.
Дальнейшим этапом являлось разработка модели рамы в программном продукте Solidworks 2015 [5].
Учтено размещение элементов крепления подвески в узлах рамы, для минимизации изгиба элементов. Для
определения геометрических размеров заднего подрамника использовалась модель двигателя мотоцикла
Yamaha R6. Была создана модель 95 перцентиля человека для более качественной оценки модели рамы. В
качестве сиденья использовалась модель Formula Seven, которая удовлетворяет выбранному типу посадки
пилота. Благодаря модели пилота и кресла удалось убедиться в правильности размещения для 95
перцентиля:
- рулевого колеса;
- подголовника;
- креплений ремней безопасности.
Полученная модель рамы (рисунок 6) в дальнейшем позволила произвести прочностной расчет и
произвести оптимизацию силовой структуры, а также подготовить рабочую документацию для
производства рамы.
Литература
1. 2015 Formula SAE Rules [Электронный ресурс]. – URL: http://www.fsaeonline.com/content/201516%20FSAE%20Rules%20revision%2091714%20kz.pdf (дата обращения: 15.05.2015).
2. Карданов C., Борисов И., Чекушкин П. Применение CAD/CAM/CAE-систем для проектирования и
изготовления
гоночного
автомобиля.
[Электронный
ресурс].
–
URL:
http://www.sapr.ru/Article.aspx?id=21197 (дата обращения 20.05.2015).
3. Харитонов В. В., Харисов М. И. Проектирование поддона картера для болида класса Formula Student.
Сборник трудов 3-го Всероссийского форума «Студенческие инженерные проекты». М: МАДИ, 2015.
4. Eva Mariotti and Badih Jawad. Formula SAE Race Car Cockpit Design An Ergonomics Study for the Cockpit.
Lawrence Technological University.
5. Руководство для учащихся по изучению программного обеспечения SolidWorks. Dassault Systèmes
SolidWorks Corporation, 1995-2010; компания Dassault Systèmes S.A., 300 Baker Avenue, Concord, Mass.
01742 USA [Электронный ресурс]. - URL: https://www.solidworks.com/sw/docs/Student_WB_2011_RUS.pdf
(дата обращения: 15.05.2015).