Мы уже не раз писали о студенческом инженерном соревновании, заключенном в постройке вузовскими командами гоночного болида, и о последующем сравнении различных сторон этого процесса. Напомним, этапы проходят во многих европейских странах, а также в Америке и Австралии. Сейчас хотелось бы подробнее остановиться на деталях самих болидов и соревнований. Что же скрывают под собой эти небольшие «формулы»?
Рама
Большинство команд изготавливают сварной трубчатый каркас, на который в дальнейшем навешиваются кузовные панели. Варят его не просто так – в регламенте соревнований оговорены диаметры основных труб, допустимые расстояния между ними, а также от них до земли и до пилота. При «проверке» параметров используют либо самого высокого пилота, либо 95 перцентиль. Оговариваются и свойства материала – в случае использования какой-либо нестандартной стали необходимо предоставить расчет, доказывающий эквивалентность выбранной и установленной марки.
Расчет рамы на прочность студенты проводят, как правило, в SolidWorks – программе, разработчик которой выступает спонсором проекта. Созданная специально для инженеров, она позволяет «рисовать» точную компьютерную модель любых деталей, задавать их материал и позже рассчитывать напряжения при разнообразных нагрузках, что заметно упрощает создание и оптимизацию конструкции еще на этапе разработки. Естественно, требования к раме основаны в первую очередь на безопасности. Для нее же необходим и передний отбойник, конструкция которого у команд сильно разнится. Согласно регламенту, он должен уменьшать максимально допустимые перегрузки при ударе о твердую преграду на около 25 км/ч, будучи нагруженным 300 кг, до 20g. Этот расчет – один из самых сложных из-за нелинейных деформаций при ударе. Поэтому допускается и вариант с краш-тестом копии с замерами ускорений, чем и пользуются многие команды.
Помимо регламента каркас должен отвечать и другим требованиям. В первую очередь – быть максимально легким. Также важно обеспечивать быстрый доступ к основным и часто обслуживаемым деталям. В общем, необходимо найти тонкую грань между минимальным весом и прочностью. К слову, на этапе в Германии в 2007 году команда SEG-MADI заняла по этому параметру 2-е место среди машин с металлическими трубчатыми каркасами – в снаряженном состоянии с пилотом болид весил около 330 кг. Команды с большим бюджетом заказывают карбоновые монококи на стороне. Такая конструкция получается дороже и на этапе набирает меньше баллов (из-за «купленного», а не собственного производства), но зато существенно легче и прочнее, не говоря уже об эстетической стороне.
Двигатель
Здесь регламентом ограничен объем – 610 «кубиков», и необходим рестриктор на впуске, которым является шайба диаметром 20 мм. Казалось бы, не так уж и много для гоночного автомобиля! Но на самом деле абсолютное большинство команд использует мотоциклетные моторы, удельная мощность которых весьма высока. Поэтому, несмотря на рестриктор, машинки достигают мощности свыше 80 л.с. и имеют ураганную разгонную динамику. «Сотню» болиды набирают менее чем за 4 секунды. Максимальная скорость, правда, небольшая, около 160 км/ч, но трасса на этапах не позволяет достигать и ее. Как правило, на прямиках пилоты успевают разогнаться не быстрее 100–120 км/ч.
Рестриктор – это не просто вставленная перед обычным впускным коллектором шайба, – все команды изготавливают систему впуска самостоятельно. Если в качестве примера брать болид SEG-MADI, то новый коллектор, рассчитанный и «продутый» все в том же SolidWorks, специально отливали на заводе. Стоимость такого коллектора – около тысячи евро, но это вызвано, в первую очередь, единичным изготовлением. В плюсах же помимо максимально простой и короткой геометрии (что уменьшает сопротивление) – в три раза меньшая масса. Сам мотор, кстати, – новейший 500-кубовый Yamaha, снятый со снегохода, еще не поступившего в продажу. Таким образом японская компания спонсирует команду.
Некоторые команды устанавливают на свои моторы турбины, но, как показывает практика, эффекта от них немного – по отдаче такие двигатели даже не всегда превосходят атмосферные, не говоря уже о сложности постройки. Хотя, возможно, дело просто в нехватке опыта у инженеров для столь сложной задачи. Отдельно хочется отметить случай, произошедший в 2003 году. Тогда американская команда приехала на этап с машиной, на которой стоял двигатель собственной конструкции. Но это еще не все. Кто мог ожидать от американцев чего-либо, кроме V8? Да, V8 собственной конструкции объемом 0,6 л! К огромному сожалению, до самой гонки их тогда не допустили – из-за невыполнения регламента. Дело в том, что на машине стоял съемный стартер, а разрешено и необходимо использовать только стационарный. Тем не менее эти ребята оставили свой след в истории проекта.
Трансмиссия
Чаще всего команды используют ту трансмиссию, которая идет в паре с мотором на мотоцикле. Поэтому тут разнообразие небольшое – либо кулачковая коробка, либо вариатор. На болиде российской команды стоит вариатор. Его принцип основан на расхождении эксцентриков с ростом оборотов, что сжимает конусообразные ведущие диски, увеличивая тем самым «посадочный» диаметр для ремня и уменьшая передаточное отношение. Конструкция подобной системы весьма проста и регулируется подбором пружин с необходимой жесткостью. Среди плюсов – бесступенчатая работа, постоянная плавная тяга и простота вождения ввиду отсутствия сцепления. Согласно регламенту, концепцией проекта является заказ на постройку тысячи гоночных автомобилей для специального класса, поэтому максимальная простота вождения и обслуживания учитываются далеко не в последнюю очередь.
Подвеска
Схема аналогична обычной формульной – и спереди и сзади ставят двойные треугольные рычаги. Третий, «толкающий» или «тянущий», в зависимости от конструкции, рычаг упирается в качалку, которая связана с амортизатором и пружиной. Ну и, наконец, рулевая тяга спереди и дополнительный рычаг сзади – ими регулируются углы схождения. Расчет кинематики подвески и выбор точек крепления рычагов – очень сложная работа, требующая отличного знания как теории, так и программного обеспечения. В российской команде, к примеру, используют Adams от MSC.Software.
Тормоза
На самом соревновании проходит тест, во время которого на торможении необходимо заблокировать все колеса – для доказательства эффективности системы. Это единственное требование. С другой стороны – все те же проблемы: по возможности минимальный вес, что особенно актуально для снижения неподрессоренных масс, и стоимость. Поэтому многие команды изготавливают тормозные диски сами, вырезая их из специальных стальных листов на водоабразивном или лазерном станке. Поскольку машины очень легкие, то и особого перегрева диски не испытывают. Также все команды используют и регуляторы тормозных усилий разных конструкций. Самый распространенный и простой – с регулируемой через привод опорой под педалью, сдвигающий ее в одну из сторон. Тем самым смещается плечо воздействия на один из тормозных цилиндров, каждый из которых связан со своим контуром, – «перед» и «зад» соответственно.
Кузов
Как и в раме, тут основную роль играют финансовые возможности команд. Большинство самостоятельно изготавливают пластиковые панели. Технологий тут две – с «болванкой» и с «матрицей». Поскольку производство штучное, то проще и выгоднее первый вариант. Процесс изготовления технологически не очень сложный, но требует опыта и времени. Сначала вырезаются одно продольное и несколько поперечных сечений из фанеры, симметрично выставляемых с помощью лазера. Затем свободное между ними пространство заполняют и выравнивают (например пенопластом и затем специальным пластилином), сверху кладут так называемый разделительный слой из воска.
Потом уже идут слои стекломата, каждый из которых покрывается пропиткой из полиэфирного масла и отвердителя (в идеале это делается в вакууме, но из-за сложных форм и отсутствия такой возможности многие команды этим пренебрегают). После этого кладутся шпатлевка, краска и лак. В варианте с обратной матрицей делают аналогичную форму, которую таким же способом заполняют теми же составляющими, но изнутри. Так, на одной матрице, проще сделать несколько кузовов. Если же позволяет бюджет, команды иногда заказывают карбоновый кузов. Прочный, легкий, дорогой.
Соревнования
На соревнованиях конкуренция становится все жестче – число участников постоянно растет. Если три года назад на этап в Германию, приезжало 10–15 команд, то в этом году их было 60. В Англии эта цифра перевалила за 100. Количество разнообразных тестов и презентаций увеличивается, качество отчетов возрастает, опыт накапливается. Если в прошлом году команда из МАДИ выступала исключительно на динамических тестах в связи с техническими проблемами и отсутствием опыта, то в этом году упор был сделан и на подготовку документации и презентаций.
Судьи были приятно удивлены таким качественным скачком – к примеру, отчет о стоимости (Cost report), в котором были расписаны все детали, вплоть до количества болтов и шайб и их стоимость, имел более трехсот страниц. В другой дисциплине необходимо было доказывать целесообразность и выгодность каких-то технических решений – не только с точки зрения максимальной скорости, но и соотношения цена/качество, а также предлагать альтернативные решения, если того просили «заказчики». Ведущие зарубежные компании уже поняли, что подобные проекты – отличная школа инженеров и менеджеров, приобретающих ценный опыт еще во время учебы в институте. В России, к сожалению, нет таких масштабов производства – автопроизводители отстают от Европы и Америки, а зарубежные компании пока осваивают у нас только сборку. Потребности в автомобильных инженерах-конструкторах в нашей стране небольшие, именно этим и объясняются сложности в поддержке и развитии проекта в России. А ведь только общение при защите своих проектов с ведущими специалистами крупнейших компаний – Audi, BMW, Porsche, Toyota, с инженерами и менеджерами команд Формулы-1, с другими авторитетными людьми, так или иначе связанными с автомобилями, уже очень ценный опыт, который вряд ли можно получить где-то еще.
Участники проекта Formula Student из России
Руководитель Сазонова З.С.
Куратор Сафроненков С.В.
Команда: Андреев Георгий, Блинков Александр, Булгаков Владислав, Виноградов Александр, Глотов Андрей, Данилов Роман, Измайлова Диана, Лукьянова Вероника, Любавин Антон, Мальцев Сергей, Марков Артём, Новиков Алексей, Осин Кирилл, Прокопчин Антон, Рукленок Иван, Сотсков Андрей, Феофанов Сергей, Феофанова Юлия, Финогенова Татьяна, Хмельков Евгений
