Проектирование подвески гоночного болида

DOI:

Подвеска автомобиля представляет собой комплекс узлов, обеспечивающий упругое соединение между несущей частью транспортного средства и дорожным покрытием. Её задача заключается не только в передаче возникающих в процессе движения нагрузок и моментов на кузов, но и в смягчении колебаний, которые появляются при преодолении неровностей дороги. Кроме того, подвеска позволяет управлять положением поворотных колёс, не затрагивая кузов. Она может быть настроена как для повышения уровня комфорта, так и для улучшения проходимости на сложных участках местности. Корректно отрегулированная подвеска обеспечивает максимально надёжное сцепление колёс с дорогой. Подвески, применяемые в гоночных автомобилях, выполняют те же функции, что и в гражданских машинах, но адаптированы к более высоким нагрузкам, а также обладают повышенной жёсткостью и безопасностью [1].

Существует множество типов подвесок, однако ключевую роль в их выборе играют требования к динамике и управляемости транспортного средства. Подвески можно условно разделить на зависимые и независимые. Зависимые подвески, такие как конструкции с жесткой осью, объединяют два колеса, фиксируя их расстояние и обеспечивая синхронность движения. Это решение отличается простотой и прочностью, однако ограничивает комфорт и динамику на сложных трассах. Независимые подвески, напротив, позволяют каждому колесу двигаться автономно, что существенно улучшает сцепление с дорогой, управляемость и плавность хода.

На гоночных автомобилях, таких как болиды класса Formula Student, выбор подвески играет критически важную роль. Здесь наиболее распространены системы на двойных поперечных рычагах [2, 3]. Такая конфигурация относится к категории независимых подвесок и обеспечивает точный контроль положения колёс относительно дорожного полотна.

При проектировании болида Formula Student важно строго соблюдать требования регламента, так как от этого зависит допуск автомобиля к соревнованиям и безопасность его эксплуатации. Регламент определяет ключевые параметры конструкции, такие как габариты, масса, материалы, минимальные зазоры, параметры безопасности и кинематика подвески. При этом он не ограничивает выбор типа подвески, что позволяет командам выбирать наиболее подходящие решения в зависимости от поставленных задач.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

В рамках проекта было принято решение использовать подвеску на двойных поперечных рычагах. Это обусловлено её способностью обеспечивать высокую точность управления кинематикой колёс, что особенно важно для сохранения устойчивости и сцепления в условиях высоких нагрузок на гоночной трассе [4, 5]. Такая конструкция позволяет регулировать параметры, влияющие на маневренность и динамические характеристики, включая угол развала, схождение и высоту центра крена. При этом подвеска соответствует требованиям регламента, включая требования по ходу колёс (не менее 50 мм, по минимальному «рывку» – 25 мм с пилотом на борту, а также обеспечивают видимость узлов во время инспекции.

Помимо этого, регламент устанавливает дополнительные ограничения для подвески:

• •    дорожный просвет автомобиля должен быть не менее 30 мм;

• •    минимальная колесная база составляет 1525 мм;

• •    передняя и задняя колеи могут отличаться друг от друга не более чем на 25 %.

Для начала проектирования требуется учесть положения регламента соревнований, желаемые характеристики подвески гоночного автомобиля и выбрать комплектующие, которые будут использоваться при её создании.

При выборе колесной базы болида класса Formula Student учитываются несколько ключевых критериев, направленных на достижение оптимального баланса между маневренностью и устойчивостью [5]. Более короткая колесная база улучшает управляемость в поворотах и уменьшает радиус разворота, что особенно важно для преодоления сложных трасс с частыми маневрами. Однако чрезмерное сокращение колесной базы может привести к снижению устойчивости на высоких скоростях. Напротив, увеличение базы способствует лучшей устойчивости и сцеплению на прямых участках, но усложняет маневрирование. Нами была выбрана колёсная база 1550 мм чтобы облегчить компоновку электрических комплектующих болида и при этом сохранить динамику и маневренность.

Широкая колея обеспечивает лучшую устойчивость в поворотах, снижая риск опрокидывания и улучшая сцепление с дорогой, что особенно важно на скоростных участках трассы. В то же время чрезмерно широкая колея может увеличить аэродинамическое сопротивление и усложнить маневрирование на узких поворотах, где более компактная колея оказывается преимуществом.

Также важно учитывать распределение массы между осями, так как правильная ширина передней и задней колеи влияет на баланс автомобиля и сцепление колес. В дополнение к этому, выбор колеи должен соответствовать требованиям регламента, включая ограничения на габариты и минимальные расстояния между колесами. Исходя из анализа этих факторов, для болида была выбрана передняя колея шириной 1200 мм и задняя 1170 мм.

Выбор 13-дюймовых дисков вместо 10-дюймовых обусловлен необходимостью оптимизации характеристик управляемости, сцепления и размещения тормозной системы болида. Больший диаметр дисков позволяет использовать более мощные тормозные механизмы, что критично для гоночных условий, где важно эффективное замедление. Вылет дисков ET-30 был выбран для увеличения устойчивости болида в поворотах, а также для оптимального распределения массы, что способствует более предсказуемому поведению автомобиля на трассе. Магниевые диски в сочетании с низкопрофильными шинами позволяют значительно снизить неподрессоренную массу автомобиля, что положительно влияет на кинематику подвески.

При выборе шин и колес для болида было принято решение использовать шины Hoosier 20×7.5-13 в сочетании с магниевыми трёхсоставными дисками Keizer. Такой комплект был выбран благодаря оптимальному балансу сцепления, массы и настройки подвески. Высокопрофильные шины Hoosier обеспечивают более эффективное сцепление на поворотах и лучше поглощают неровности трассы, что положительно сказывается на управляемости. Магниевые диски Keizer, благодаря своей трёхсоставной конструкции, обладают лёгкостью и высокой прочностью, а также позволяют тонко регулировать вылет для достижения оптимальных параметров кинематики подвески.

В качестве демпфирующих компонентов подвески болида были использованы амортизаторы Öhlins TTX 25 и пружины Cane Creek с характеристиками 350×2,25 фунта на дюйм.

Для болида была выбрана рулевая рейка от Kaz Technologies, обеспечивающая максимальный ход в 82,5 мм при повороте рулевого вала на 248 градусов. По сравнению с аналогами, эта модель отличается высокой точностью передачи усилий, компактностью и лёгкостью.

Процесс проектирования автомобиля начинается с колес и подвески, затем разрабатывается несущая конструкция. Для автомобилей с пространственной рамой проектирование подвески ограничено, так как точки её крепления должны располагаться в ключевых узлах рамы для обеспечения жесткости и минимизации податливости.

Важным этапом является анализ ошибок предыдущих моделей, что позволяет избежать повторения проблем и улучшить характеристики нового автомобиля [6]. Сначала определяются параметры, такие как колесная база и колея, для правильного размещения колес. Затем разрабатываются компоненты передней и задней подвесок.

При установке колес важно определить точку крепления для опорных элементов, например, рычагов. Также проектируются крепления подвески к силовому каркасу, чтобы оптимизировать её работу.

После проектирования рамы разрабатываются детали рулевого управления и амортизаторов, которые устанавливаются в ключевых точках каркаса. Важно, чтобы узлы рамы располагались как можно ближе к точкам крепления подвески для повышения жесткости. Затем начинается подгонка точек крепления подвески. Этот этап может потребовать корректировок, чтобы избежать гибкости конструкции и обеспечить максимальную эффективность подвески.

При прохождении дисциплины «Восьмерка» гоночный болид испытывает перегрузку в 1g и проходит один круг за 5,8 секунды (в среднем). Это важный элемент трассы, где высокие требования предъявляются как к маневренности, так и к точности управления автомобилем. Одним из факторов, влияющих на прохождение этой трассы, является увод шин, который непосредственно зависит от перераспределения масс автомобиля при повороте. Увод шин – это угол, под которым шины отклоняются относительно продольной оси автомобиля в процессе поворота, и его величина играет решающую роль в обеспечении оптимального сцепления с дорогой и управляемости. должна быть структурирована.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Зная характеристики увода шин и распределение масс, можно точно определить необходимые углы поворота управляемых колес для минимизации потерь сцепления и улучшения траектории прохождения поворотов. Эти параметры критичны для достижения максимальной скорости при прохождении поворотов трассы «Восьмерка». В частности, при боковом ускорении в 1g, которое характерно для этого участка, на внутреннем колесе будет возникать угол увода в 0,5 градуса, а на внешнем колесе – угол увода в 1,2 градуса. Это соотношение важно для поддержания стабильности автомобиля и предотвращения излишних скольжений.

Основываясь на этих данных, был выбран коэффициент Аккермана, который определяет степень дифференциации углов поворота колес. Для обеспечения оптимальной маневренности и стабильности на трассе «Восьмерка» был выбран коэффициент Аккермана, равный 90 % в статическом состоянии и 93 % при активной работе на трассе. Этот выбор позволяет не только снизить вероятность потери сцепления, но и улучшить реакцию автомобиля на изменения в поворотах.

Кроме того, стоит отметить, что коэффициент Аккермана играет важную роль в управляемости при прохождении как медленных, так и быстрых поворотов. Статическое значение 66 % помогает добиться хорошей балансировки между устойчивостью и маневренностью, тогда как увеличение до 70 % на более высоких скоростях позволяет адаптировать автомобиль к динамическим изменениям, возникающим при прохождении сложных трасс с интенсивными маневрами. Такой подход способствует достижению более стабильного и контролируемого поведения автомобиля на сложных участках трассы, включая элементы с резкими поворотами, такие как «Восьмерка».

Уменьшение угла наклона шкворня на 3,8 градуса снижает перераспределение массы при повороте руля, поскольку минимизируется вертикальная составляющая усилий, действующих на подвеску, улучшает контакт колес с дорогой, особенно при высоких боковых нагрузках.

Кроме того, уменьшение угла наклона шкворня уменьшает плечо обкатки – расстояние между точкой пересечения оси шкворня с поверхностью дороги и центральной точкой контакта шины. Малое плечо обкатки снижает крутящий момент, передающийся на рулевое колесо, делая управление более легким и стабильным. Это также улучшает обратную связь рулевого управления и уменьшает реактивные усилия, вызванные неровностями дороги или изменением сцепления колес.

Угол развала был рассчитан с учётом требований двух дисциплин: автокросса и гонки на выносливость. Этот расчёт крайне важен для улучшения динамических характеристик автомобиля, так как при крене кузова угол развала меняется, что, в свою очередь, влияет на перераспределение массы. Поэтому угол развала при определённых нагрузках должен стремиться к минимальному значению, близкому к нулю. Это обеспечит максимальное пятно контакта колеса с дорогой в момент нагрузки. Помимо этого, шина деформируется под воздействием сил, возникающих при прохождении поворота.

В результате был произведён анализ деформации при разном давлении в шинах [7], а также при различных вертикальных и горизонтальных нагрузках. Изучив эти параметры, мы пришли к выводу, что при среднем давлении от 0,8 до 0,9 бар (что подходит для дисциплин автокросс и гонки на выносливость), угол боковой деформации шин колеблется от 0,1 до 0,55 градуса в зависимости от нагрузки.

После того как был определён угол деформации шины, стало возможным рассчитать угол крена кузова автомобиля относительно вертикальной оси. Для этого был рассчитан момент крена, а также жесткость подвески, с учётом всех сил, возникающих при среднем боковом ускорении, которое достигается в дисциплинах автокросс и гонке на выносливость. На основе этих расчётов был установлен угол крена, который при боковом ускорении в 1,5g составит 1,5 градуса. Эти данные позволили вычислить необходимое значение статического развала.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выбрана схема подвески с двойными поперечными рычагами и тягой pull rod через коромысло.

При проектировании задней подвески основными целями было:

• •     сокращение крена автомобиля;

• •     снижение податливости в области схождения;

• •     улучшение сцепления колес с дорогой за счёт исправления статического

развала.

Для уменьшения крена был повышен центр крена задней оси на 98 мм относительно предыдущей версии автомобиля.