Автомобили

Книга самодеятельного конструктора автомобилей

Быт. Хозяйство. Строительство. Техника

Автомобиль является чрезвычайно сложным по своей конструктивной основе устройством, а поэтому при его создании невозможно обойтись без такого этапа проектирования, как компоновка. При проектировании трудно разграничить отдельные составляющие этого процесса, поэтому в эту главу частично включены вопросы, связанные с художественным конструированием  (дизайном) и аэродинамикой автомобиля.

Что такое компоновка? В своем первоначальном значении она означает создание чего-то целого из отдельных частей. Применительно к автомобилю можно говорить об относительном расположении агрегатов шасси и кузова. От того, какая компоновочная схема будет принята вами, зависят габаритные размеры кузова, его масса, форма кузова, число мест и т. д. Все это, конечно, на первом этапе проектирования выполняется в первом приближении.

При проработке компоновочного решения автомобиля необходимо стремиться к рациональному размещению агрегатов с точки зрения распределения массы по осям, снижения центра масс с целью повышения устойчивости движения автомобиля, обеспечения необходимого пространства для водителя и пассажира.

Прежде чем приступить к компоновке, следует иметь четкое представление о том, для какой цели создается автомобиль. Будет ли он использоваться только для городских поездок или же будет предназначен для более универсального применения? Какое количество мест должно быть в автомобиле? Ибо, как показывает опыт, современные четырех- и пятиместные автомобили чаще всего перевозят одного или двух пассажиров. Будет ли автомобиль повышенной проходимости или он будет эксплуатироваться только на дорогах с твердым покрытием? Будет ли автомобиль использован только для отдыха? А также ряд других условий.

Первоначальная компоновка зависит от учета мест в автомобиле, расположения и типа двигателя, типа кузова. Конечно, в дальнейшем она может корректироваться, но все же первоначальная компоновка будет определять поиск конструктивного решения.

Количество мест определяет размеры салона, габаритные размеры автомобиля и учитывает требования выдвигаемого автором проекта. При любой компоновке следует обеспечить максимум удобств для водителя и пассажиров. Разрабатывая, например, конструкцию микроавтобуса или автомобильной дачи, следует обеспечить рациональное размещение пассажиров не только при движении, но и на стоянке. В спортивных же кузовах очень часто не делают два полноценных ряда сидений. Задний ряд сидений выполняют меньших размеров и предназначают главным образом для перевозки детей. Подобная компоновка называется «2 взрослых и 2 детских» и обозначается 2 -f- 2. Выяснив, сколько мест будет в автомобиле, необходимо провести тщательную эргономическую проработку как рабочего пространства для водителя, так и свободного пространства для пассажиров.

Следующий этап — размещение силового агрегата. Выбор силового агрегата и расчет трансмиссии будет изложен в последующих разделах книги, поэтому в данной главе мы остановимся лишь на отдельных компоновочных решениях в зависимости от размещения двигателя. В зависимости от типа привода и расположения двигателя различают следующие виды компоновки.

По так называемой классической компоновке построено наибольшее количество не только самодельных автомобилей, но и выпускаемых промышленностью. В такой компоновке двигатель размещен в передней части автомобиля, а ведущими являются колеса задней оси. К преимуществам данной компоновки относятся возможность получения более одинаковых масс, приходящихся на переднюю и заднюю оси, высокие ходовые качества, возможность использования готовых узлов серийных автомобилей. К недостаткам следует отнести нерациональное использование пространства кузова из-за большого пространства, занятого двигателем и карданом, проходящим через весь кузов по середине пола салона.

Второй по распространенности является переднеприводная компоновка, при которой передние колеса являются одновременно ведущими и управляемыми. К несомненным достоинствам данной компоновки следует отнести высокую устойчивость при движении, низкие механические потери в трансмиссии вследствие более короткого силового потока, более полное использование пространства кузова (его салона). К недостаткам следует отнести более сложную конструкцию узла двигатель — коробка передач, разгрузку передних колес при трогании. Опыт последних лет в самодеятельном автостроении показывает, что любители чаще стали прибегать в своей конструкции к такому типу компоновки.

Ее использовали, например, в своем автомобиле Д. Парфенов и Г. Хаинов из Ленинграда.

Третьим типом компоновочного решения являются автомобили с расположенным сзади двигателем. Такая компоновка получила распространение среди любителей самодеятельного автостроения благодаря использованию агрегатов автомобиля «Запорожец». Достоинством подобной схемы является хорошая загруженность ведущих задних колес, возможность более рационально спроектировать салон. К недостаткам относятся меньшая масса, приходящаяся на переднюю ось, что приводит к ухудшению управляемости автомобиля.

Как частный случай заднемоторной компоновки может быть названа среднемоторная компоновка. Подобная компоновка получила распространение на спортивных автомобилях, так как такое расположение двигателя нагружает задние колеса, а также обеспечивает лучшую устойчивость. Двигатель в этом случае находится в середине кузова перед задней осью или над ней.

Недостатком подобной компоновки является размещение двигателя внутри салона, что увеличивает шумовой фон и тепловыделение в салоне. В спортивных автомобилях эти недостатки перекрываются определенными преимуществами.

Рассмотрение компоновок по типу привода было бы неполным, если не рассматривать так называемые полноприводные автомобили, когда все колеса как передней, так и задней оси являются ведущими. Такая компоновка используется в основном на автомобилях повышенной проходимости. Различают постоянный полный привод и отключаемый полный привод, когда может быть отключен привод на одну из осей: либо переднюю, либо заднюю. К преимуществам такой компоновочной схемы относится повышенная проходимость автомобиля за счет хорошего сцепления всех колес, высокая устойчивость на скользкой дороге. К недостаткам следует отнести повышенную сложность конструкции шасси и привода. Необходимо устанавливать дополнительную раздаточную коробку и дополнительные карданные сочленения. Автомобили, скомпонованные по этой схеме, имеют повышенный расход топлива за счет увеличения механических потерь в трансмиссии.

Кто пожелает более подробно ознакомиться с различными конструкциями шасси автомобилей, рекомендуем прочитать книгу И. Раймпеля  «Шасси автомобиля» (М. Машиностроение, 1983).

Компоновка в немалой степени зависит от типа кузова автомобиля. В настоящее время наиболее распространены двух- и трехобъемные кузова ( 1). Двухобъемный кузов включает в себя объем .моторного отсека и объем салона. К подобным кузовам можно отнести универсалы и комби. По подобной схеме построены кузова автомобилей «Иж-комби», ВАЗ-2102, ВАЗ-2104, ВАЗ-2108. Трехобъемный кузов состоит как бы из трех самостоя-

тельных объемов: моторного отсека, салона и выступающего багажника.

Попробуем связать принятые типы кузовов с типом привода и расположением двигателя.

Трехобъемный кузов позволяет практически использовать любой вид привода и любое расположение силового агрегата. Недостатком автомобилей с таким кузовом является нерациональное использование всего объема автомобиля за счет уменьшения объема моторного отсека и багажника, которые занимают значительную длину всего автомобиля.

Двухобъемный кузов позволяет лучше использовать как площадь, так и объем салона, так как моторный отсек в этом случае занимает только одну треть длины автомобиля.

Стремление как можно рациональнее скомпоновать автомобиль привело к появлению автомобилей, которые можно было бы назвать однообъемными (т. е. без видимых различных выступающих объемов). Подобная компоновка еще называется вагонной и характерна для микроавтобусов, а также для различных экспериментальных автомобилей.

Выбрав наиболее приемлемый для себя вид компоновки автомобиля, можно переходить к построению компоновочного чертежа. Компоновочный чертеж лучше выполнять на миллиметровке или используя для этого масштабную сетку. Наиболее удобный  масштаб  для  компоновочного  чертежа   1:5.   В  таком

масштабе должны быть изображены контуры всех агрегатов. Для отыскания оптимального варианта компоновки контуры основных агрегатов желательно вырезать из бумаги.

Габаритные размеры автомобиля определяются с учетом требований, изложенных в начале книги, и требований ГАИ.

На стадии выполнения компоновочного чертежа необходима эргономическая проработка рабочего места водителя и пассажиров. Для этих целей желательно иметь шарнирный макет фигурки человека в масштабе 1 :5.

Шарнирная плоская модель человеческого тела строится по законам соматографии *. В соматографии используются различные схематические фигурки человека, построенные по законам черчения и начертательной геометрии на основе существующих реальных размеров элементов человеческого тела. В специальной литературе по антропометрии можно найти средние значения размеров элементов человеческого тела и отклонения этих значений в меньшую и большую сторону.

Самодеятельный конструктор проектирует автомобиль для себя, поэтому плоский шарнирный макет он строит исходя из своего полного роста. На  2 приведена одна из простых шарнирных моделей. Для ее построения необходимо знать размеры между основными суставными точками человека, которые на  2 даны в буквенном обозначении, и размеры диаметров окружностей, описанных из центров этих суставных точек. Диаметры обозначены цифрами. В табл. 6 приводятся значения размеров в долях от роста человека. Для получения требуемого размера следует перемножить рост человека (в мм) на взятую в соответствующей графе десятичную дробь. Размеры диаметров в таблице даны для построения макета в масштабе 1:10. При построении фигурки в другом масштабе следует пропорционально пересчитать размеры диаметров.

Определив на компоновочном чертеже предварительное расположение основных агрегатов и очертив контуры предполагаемого салона, приступают к проектированию рабочего места водителя. Вначале можно очертить контуры сиденья и рабочего пространства, используя для этого размеры, рекомендуемые на  3. Затем следует скорректировать эти размеры, пользуясь шарнирным макетом фигурки человека, на котором желательно

соединить линиями основные шарнирные точки, имитирующие суставные узлы ( 4). При проектировании рабочего места следует иметь в виду, что сиденье водителя должно иметь устройство, позволяющее регулировать его положение относительно кузова.

В соответствии с требованиями эргономики водитель при работе должен быть размещен таким образом, чтобы так называемые суставные углы обеспечивали ему физиологически оправданную позу, т. е. иметь такое положение, при котором не затрудняется кровоток и не смещаются элементы позвонков. Значения суставных углов для водителей легковых автомобилей должны лежать в пределах, указанных в табл. 7.

Определив положение водителя, точно таким же образом необходимо определить посадку и свободное пространство для пассажира.

Если передние сиденья проектируются раздельными для водителя и пассажира, то в качестве заднего применяют в большинстве случаев сиденье с одной общей подушкой. Раздельные задние сиденья используются для автомобилей более высокого класса и используемых для туристских поездок. Раздельные подушки сидений позволяют обеспечить максимум комфорта с хорошей фиксацией человека против боковых перемещений при небольшой высоте салона.

Изобразив позу водителя и пассажира в салоне, можно рассчитать необходимую минимальную высоту внутри салона. Потолок должен находиться на расстоянии не менее 100 мм от крайней верхней точки контура головы, что позволит очертить предварительный контур крыши кузова. Выбранное пространство для водителя и пассажира (размеры салона) должно обеспечиваться при любом размещении остальных агрегатов.

При компоновке необходимо также обращать внимание на обеспечение необходимой безопасности, что должно быть учтено в проекте автомобиля. Элементы безопасности, применяемые на автомобилях, подразделяются на активные и пассивные. К активным относят все мероприятия, уменьшающие возможность дорожно-транспортных происшествий. Например, к ним относятся: хорошая обзорность с места водителя; достаточно хорошая управляемость автомобиля, малая восприимчивость к влиянию бокового ветра, устойчивость при движении и др. Пассивная безопасность подразумевает мероприятия по снижению последствий дорожно-транспортных происшествий. Сюда, например, относятся применение ремней безопасности, усиление каркаса кузова в зоне салона, наличие зон контролируемой деформации спереди и сзади, а также устройства, предотвращающие попадание при аварии агрегатов в салон.

При компоновке одним из важных элементов обеспечения безопасности является создание для водителя необходимой обзорности. Так, например, непросматриваемая зона должна составлять не более 6 м от передней крайней точки кузова автомобиля. Угол передней обзорности должен быть таким, чтобы водитель мог хорошо видеть светофор и дорожные знаки. Реко-

мендуемый угол передней обзорности с места водителя показан на  5.

Устройства активной и пассивной безопасности должны учитываться при дальнейшей конструктивной проработке автомобиля; о них всегда должен помнить самодеятельный автоконструктор. Так, например, топливный бак следует располагать в зоне, наименее подверженной деформации. При классической или переднеприводной компоновке это будет зона за спинкой заднего сиденья за задней осью. При расположении двигателя сзади местоположение топливного бака требует тщательного анализа. Например, на ЗАЗ-968 топливный бак расположен за задним сиденьем, но очень близко к двигателю. Это не совсем желательно с точки зрения пожарной безопасности. Размещение топливного бака впереди нежелательно, так как он попадает в зону конструктивной деформации. Однако его все же можно расположить в передней части, но в месте, наиболее удаленном от крайней передней точки кузова, защитив его при этом запасным колесом. Нежелательно располагать в передней части аккумулятор и агрегаты отопления.

Следующий важный этап конструирования и компоновки — определение центра тяжести и распределения массы по осям. Для расчета весовых характеристик принимают массу взрослого человека 70 кг, а для детей 35 кг. Центр масс силуэта взрослого человека можно принять на расстоянии 200 мм от нижней точки спинки сиденья.

Массу, приходящуюся на одну из осей, можно определить, используя уравнение моментов.

При. проектировании автомобиля желательно знать массу отдельных его частей, а следовательно, сухую массу автомобиля. В табл. 8 приведены ориентировочные значения масс отдельных узлов и агрегатов, на которые можно ориентироваться при конструировании автомобиля. В табл. 9 приведены реальные массы

Аналогично можно определить силу тяжести, приходящуюся на другую ось.

При проектировании автомобиля нельзя ограничиться только его изображением на бумаге. Например, чтобы отработать место и рабочее пространство водителя, изготавливают посадочный макет, где все элементы рабочего места выполняются в натуральную величину. Чтобы решить внешнюю форму автомобиля, желательно выполнить его макет. И здесь уместно вести разговор о дизайне автомобиля в приложении к компоновке автомобиля.

Любой самостоятельный конструктор мечтает создать автомобиль, который был бы единственным в своем роде. Да и в требованиях  к самодельным  автомобилям  сказано,  что кузова  их

должны иметь свои оригинальные формы. В то же время очень часто самодеятельные конструкторы ориентируются на готовый прототип стандартного автомобиля или на узлы и агрегаты, которые он смог приобрести.

Очень важно не нарушать пропорциональные соотношения. Так, например, если создавать маленький автомобиль для детей и перенести в его форму пропорциональные соотношения больших моделей, это может привести к тому, что форма автомобиля будет, как говорится, плохо смотреться. Поэтому к выбору прототипа следует подходить осторожно.

Автомобиль является транспортным средством, а поэтому должен иметь динамичную форму. Эта форма должна подчеркиваться членением кузова при виде сбоку. Элементы динамичности (линия дверей, окон, линии разъема капота, багажника и т. д.) можно подчеркнуть окраской кузова и горизонтальными линиями

на кузове. Вертикальные же линии должны быть подобраны в таком ритмическом соотношении, чтобы они создавали определенную направленность и подчеркивали динамичность.

Важно выбрать единый характер построения формы. Например, создавая спортивный автомобиль, стремятся придать ему каплевидную форму, уменьшающую аэродинамическое сопротивление. К тому же изделие каплевидной формы по своей сути уже обладает динамичной формой. О некоторых приемах художественного конструирования будет рассказано  в  отдельной  главе.

Перемещаясь в пространстве, автомобиль испытывает сопротивление воздушной среды, на преодоление которого расходуется большая часть мощности. Поэтому конструкторы автомобиля стремятся по возможности уменьшить причины повышенного сопротивления воздушному потоку. И чем выше скорость движения, тем больше потери мощности на преодоление сопротивления воздушной среды. Чтобы правильно учесть причины потерь, коснемся вопроса аэродинамики автомобиля.

Различают несколько составляющих аэродинамического сопротивления при перемещении автомобиля в воздушной среде. Это сопротивление формы, индуктивное сопротивление, поверхностное сопротивление, интерференционное сопротивление и сопротивление внутренних потоков.

Сопротивление воздушному потоку зависит непосредственно от формы кузова автомобиля. Основные поверхности кузова влияют на плавность обтекания воздухом.. .Идеальной в этом случае является каплевидная форма, чего не всегда можно добиться, создавая автомобиль. Следовательно, приближаясь к идеальной аэродинамической форме, следует избегать островы-раженных углов, заменяя их плавными скруглениями. Таким образом, поверхность автомобиля должна состоять из простых и гладких поверхностей.

Индуктивное сопротивление создается подъемной силой, возникающей при движении автомобиля, за счет понижения давления в верхней части автомобиля и повышения его в нижней под днищем. Кузов автомобиля становится подобен самолетному крылу. Эта часть сопротивления проявляется при более высоких скоростях движения. Для борьбы с ним применяют устройства, формирующие поток воздуха (спойлеры), или же устройства, создающие прижимающую силу (антикрылья).

Поверхностное сопротивление возникает за счет трения частиц воздуха, движущихся по касательной к поверхности кузова в пограничном слое. Воздух тормозится за счет трения его о частицы краски. Поэтому чем качественнее покрытие кузова автомобиля, тем меньше будет поверхностное сопротивление.

Интерференционное сопротивление возникает в результате наличия на кузове различных выступающих частей и деталей. Эти элементы взаимодействуют с основным потоком и создают в нем собственные возмущения. Мерой борьбы служит примене-

ние утопленных ручек, ободков фар, устанавливаемых заподлицо с поверхностью кузова ветровых стекол, вынесенных на кронштейнах наружных зеркал.

Сопротивление внутренних потоков создается за счет прохождения  воздуха  через  внутреннее  пространство  автомобиля.

Поэтому для снижения сопротивления воздуха необходимо размещать каналы входа воздушного потока внутрь кузова в зоне наивысшего давления (передняя панель кузова, зона под передним бампером, зона вблизи бокового стекла,  7). Каналы же, выпускающие воздух из кузова, размещать в зоне максимального разряжения (задняя панель кузова, боковая панель передних крыльев, панель кузова позади заднего стекла).

Конечно, невозможно решить все задачи, стоящие перед конструктором только на этапе компоновки. Компоновка дает стратегическое направление в конструировании кузова и решает основные задачи. В процессе отработки отдельных элементов кое-что придется изменять, переделывать, проверять расчетами, экспериментом. Поэтому компоновку можно завершить, выполнив чертеж в трех видах: спереди, сбоку и сверху. Для удобства пользования необходимо нанести сетку с расстояниями между линиями 200 мм. Пример компоновочного чертежа показан на  8.