Конструкторский семинар 6

Конструкция машины F-J/500. Учитесь у Формулы-1.

Чтобы понять характеристики воздушного потока, мы уже дважды проводили эксперименты и наблюдения. Исходя из этого, мы рассмотрели, какая форма кузова будет аэродинамически эффективной. На этот раз давайте рассмотрим, как это учитывается на реальной машине.

Во-первых, я хотел бы взглянуть на то, как изменился стиль гоночных автомобилей, используя свои «новые глаза», которые я приобрел благодаря предыдущим объяснениям. Миссия быть «быстрее» всегда оставалась одной и той же. Однако стиль машин постоянно менялся, и иногда в рамках старых конструкций можно найти свежие идеи.

§ Ранние гоночные автомобили и аэродинамика.

Около 70 лет назад, в начале 1900-х годов, мир сотрясали новости об успешном первом полете братьев Райт. Наконец-то начали проявляться практические результаты изучения аэродинамики, потока и силы воздуха. Однако, когда речь идет об автомобилях, которые, как известно, ездят по земле, к сожалению, трудно сказать, что их внешний вид тогда имел какое-то отношение к аэродинамике. Например, рисунок А. Это «Итала Гран-при» Италии 1908 года. Даже при таком экстерьере, который никак не скрывает интерьер, максимальная скорость составляла 160 км/ч.

Однако в 1910-е годы ситуация начала меняться. Иногда получалось нечто явно спроектированное с учетом обтекаемых форм. На рисунке Б — гоночная машина «Пежо». С большим 4,4-литровым двигателем, размещенном спереди, нос получается неизбежно большим, но общий стиль чрезвычайно гладкий. Как поясняется в эксперименте, при таком типе кузова ширина следа, образующегося в задней части автомобиля, узкая, и паразитное сопротивление меньше. Если присмотреться, то можно увидеть, что этот автомобиль имеет форму кузова, похожую на популярные в то время самолеты-бипланы. Отчасти благодаря узким покрышкам его эффективность достаточно высока. Этот стиль еще раз напоминает о преимуществах переднемоторной компоновки. В современных гоночных автомобилях этот вид компоновки был забыт еще до того, как мы приступили к его изучению.

После этого автомобили схожей формы продолжали появляться один за другим. Однако в 1935 году появился среднемоторный монстр с уникальной конструкцией. 6,1-литровый 16-цилиндровый 520-сильный «Ауто Унион» сегодня был бы вполне логичным, но в то время он произвел фурор благодаря своей странной сигарообразной форме. Общая компоновка представляет собой эдакую гоночную версию «Порше» 917, с большой нагрузкой на задние колеса.

Ширина обода и шин была чрезвычайно узкой. Сразу после небольшого ускорения задние колеса начинают буксовать. Молодой Роземайер умело управлял этим монстром и выиграл пять гонок Гран-при. В то время разработка шин шла медленно, и даже если бы этот автомобиль был оснащен антикрылом, особого преимущества оно не принесло бы (Рисунок C) Когда гонки возобновились после приостановки на время Второй Мировой войны, стал популярным стиль, в котором пространственная рама была обернута трехмерно изогнутыми панелями (Рисунок D E). Форма поперечного сечения и детали корпуса вскоре стали разрабатываться аналогично стилю «гуппи», применяемому и ныне «Тирреллом» и другими. Однако выпуклость сбоку в то время использовалась для хранения топлива, а в нынче она может предназначаться для отвода воздуха от радиатора. Сама форма совсем неплоха. Если создание подъемной силы можно умело контролировать, то этот стиль уместно использовать в современных гонках.

До 1960 года не существовало правил, гласящих, что все четыре колеса должны быть выставлены за пределы кузова. Поэтом появилась машина с кузовом, похожим на спортивную машину, и она даже прихватила чемпионство. Примерно в это же время нос стал длиннее и постепенно стал более плоским в поперечном сечении (рис. F).

§ От передней к среднемоторной компоновке

Основным изменением компоновки стал переход от переднего расположения двигателя к центральному. Во многом это связано с успехом компактного «Купер Клаймакс»: 245-сильная машина два года подряд выиграла чемпионат у 300-сильной «Феррари». Эта машина обладает многими выдающимися характеристиками: сильным крутящим моментом на низких оборотах, низкорасположенным кузовом с низким сопротивлением воздуха, легким шасси и отличными характеристиками на поворотах. Это, безусловно, был шаг вперед для своего времени, и с тех пор все остальные конструкторы перешли на среднемоторную компоновку. (Рисунок H)

Когда двигатель был перенесен назад, формирование задней части автомобиля усложнилось. Сравним такую форму с рисунком Б. Поскольку скос был настолько крутым, поток быстро терялся, что уменьшало преимущества наличия заднего капота.

 

 

 

*Итала

Автомобиль Гран-при 1908 года. Максимальная мощность неизвестна, но четырехцилиндровый 12-литровый двигатель со степенью сжатия 4,5:1 разгонял этот 1,4-тонный автомобиль с места на дистанции 400 м за 19,2 секунды. Максимальная скорость составляла 163 км/ч.

 

 

 

*Пежо

Автомобили Гран-при 1914 года. Оснащен двигателем объемом 4,4 литра мощностью 112 лошадиных сил при 2800 об/мин. Вес: 1180кг. Максимальная скорость составляет 186 км/ч. В то время у машин Гран-при было два места: для гонщика и для механика.

*Альфа Ромео П2 выиграла Гран-при Европы 1924 года. Масса автомобиля снижена до 680 кг. U-образный элемент шасси расположен вдоль корпуса. Видно, что кузов стремится быть идеально обтекаемым. Хотя боковой профиль относительно большой, общая форма снижает подъемную силу, действующую на кузов.

Некоторые конструкторы решили не искривлять заднюю часть кузова и попытались использовать почти прямую пластину, как у «Кольта» Ф2Д (Colt F2D). В дальнейшем поскольку форма поперечного сечения двигателя стала ближе к форме кузова, задний капот был полностью упразднен. Типичной формой кузова этого времени стал так называемый сигарообразный профиль с эллиптическим поперечным сечением.

Лишь на Гран-при Бельгии 1968 года в мире Формулы-1 был представлен новый образ мышления, который до этого момента был сосредоточен исключительно на снижении сопротивления воздуха. «Феррари» Криса Эймона обзавелась задним антикрылом. (Рисунок J)

Сами антикрылья уже использовались в качестве средства создания прижимной силы в автомобилях-рекордсменах и на таких машинах, как, например, «Чапаррал» 2E. Поскольку достоинства узла были подтверждены в реальных сражениях, другие конструкторы, ранее относившиеся к нему с подозрением, начали сразу же опробовать его на практике. Сцена старта автомобилей Формулы-1 с этими большими антикрыльями, установленными на высоких опорах, напоминала взлет строя легких самолетов. Однако аварии, вызванные этим элементом, происходили регулярно, и уже в следующем году ФИА ввела запрет на высокие антикрылья. Тем не менее, было действительно ценно узнать, что можно еще больше увеличить предел скорости прохождения поворотов, что было проблемой в предыдущих конструкциях, за счет использования прижимной силы. Это положило начало эпохе, когда была пересмотрена форма кузова гоночных автомобилей. Колин Чэпмен, чутко реагировавший на требования времени, начал работать над машинами для Инди-500 с полностью клиновидными кузовами – и это в год запрета высоких антикрыльев.

Представлен «Лотус 56». Излишне говорить, что целью этого проекта было создание прижимной силы самим кузовом.

 

 

 

*Ауто Унион. Эта машина, которая заставляет задуматься, в каком направлении будет развиваться автоспорт, создана в 1936 году. Двигатель объемом 6,1 литра выдает мощность 520 лошадиных сил. Изюминкой этой машины было то, что ее хвост скользил и проходил повороты с большим заносом, испуская при этом сизый дым шинами.

*Машина «Конно» Тайп Ф-2, представленная в 1952 году. При колесной базе 2,48 м колея составляет 1,16 м на передних колесах и 1,22 м на задних колесах. Другими словами, соотношение колеи к колесной базе составляло примерно 4,7. Гоночные автомобили в то время имели такую узкую компоновку.

§ Современные машины Формулы-1

Когда конструкторы автомобилей Формулы-1 озаботились аэродинамикой и формой кузова, на сцене появилась новая машина: инновационный «Лотус» 72. Успех новинки вызвал огромный ажиотаж. Возникло движение за переосмысление гоночных автомобилей, начиная с самых основ, включая подвеску. На этом фоне были разработаны машины Формулы-1, которые соревнуются в этом сезоне и отличаются разнообразием форм, на первый взгляд кажущихся радикальными.

Конкретные соображения относительно стиля можно резюмировать следующим образом.

(1) Как мы можем улучшить сцепление шин с дорогой в рамках правил?

(2) Правильно ли текущее положение радиатора? Как насчет размещения тяжелых предметов рядом с центром тяжести, чтобы придать машине больше маневренности при повороте по S-образной кривой?

(3) Как нам поступить с топливным баком? Нельзя ли сделать области, наиболее подверженные воздействию воздушного потока, как можно более компактными, а области, где уже есть турбулентность, сделать слегка нависающими? Или упростим форму? Упрощает ли это производство?

Давайте посмотрим на таблицу и подумаем, как учесть вышеизложенное (сводная таблица с внешним видом разных машин сезона-1971).

 

 

 

«Лотус» 72, который можно назвать прототипом для машины «Макларен M16», смог сохранить свою клиновидную форму за счет размещения радиаторов по обе стороны от гонщика. При конструировании «Митсубиси Кольт» класса Ф2000 инженеры поступили так же. Согласно их опыту, боковые радиаторы примерно на 20% менее эффективны, чем те, что расположены на носу. В «Лотусе» компенсируют это, сделав открытую часть передней подвески максимально простой. Однако даже с таким клиновидным кузовом стоит отметить, что у него все еще такие же большие антикрылья, как и у других машин. По сравнению с потерями на четыре огромных открытых колеса влияние на сопротивление самого кузова слишком мало.

«Марч» 711 устроен по-другому, чем «Лотус». Поперечное сечение корпуса имеет такую же овальную форму, как у «Кольта» Ф2000. Нос закруглен, а антикрылья установлены вдали от корпуса, чтобы избежать взаимодействия с поверхностями и повысить эффективность. Причем форма представляет собой эллиптическое крыло с наименьшим сопротивлением воздуха, что характерно для Робина Херда, пришедшего из авиационной сферы. То же самое касается обработки задней части. Капот вновь появился в мире Формулы-1 и привлек внимание, но нам придется подождать, чтобы увидеть результаты в будущем. Учитывая работоспособность на трассе, похоже, достоинства и недостатки капота над двигателем еще обсуждаются.

«Тиррелл», «БРМ», «Макларен» и другие используют стиль «гуппи» с большим «животом» по бокам кузова. В кабине минимум свободного места. Корпус в задней части стремится повторить очертания двигателя, чтобы освободить место для топливного бака в удобном месте. Поперечное сечение почти треугольное. «Тиррелл» разработал форму выхлопной трубы, повторяющую линию кузова. Хотя формы носов у трех машин разные, фактический эффект не должен сильно отличаться.

У «Брэбэма» БТ34 странный внешний вид. Двухсекционный радиатор расположен перед передними колесами. Конструктор Рон Торанак считает: «Воздушный поток в этой области изначально ударяется о рычаги подвески и амортизаторы, что нарушает его течение. Пришла идея более активно использовать его». Если смотреть спереди, за радиатором колес не видно. Сопротивление всего кузова должно быть сравнимо с сопротивлением «Тиррелла».

«Феррари» 312Б имеет чуть более клиновидную форму, чем раньше, но поперечное сечение кузова по-прежнему близко к овальной форме. «Сертиз» ТС9 можно рассматривать как простую в изготовлении версию 312Б.

«Матра», которая когда-то была одним из пионеров полноприводной машины F-1 в стиле «гуппи», а теперь экспериментирует с низким и широким кузовом. Особого внимания заслуживает тот факт, что носовой обтекатель также служит для формирования воздушного потока, попадающего на шины. Поперечное сечение корпуса почти плоское и прямоугольное,

Как видите, у каждой машины свой стиль, но задние антикрылья у всех одинаковые. Чтобы эффективно получить прижимную силу в пределах правил, все автомобили используют закрылки, которые регулируются в зависимости от трассы.

 

 

 

*Феррари Типо 555

Автомобиль-победитель Гран-при Испании 1954 года. Кузов, окружающий пространственную раму, выполнен в стиле «гуппи» с большими боками. Рабочее место водителя высоко, что обеспечивает ему обзор над двигателем, установленным спереди.

*Вануолл

Автомобиль, выигравший Гран-при Великобритании 1957 года. Двигатель объемом 2,5 литра мощностью 265 лошадиных сил позволяет развивать скорость более 260 км/ч. Аэродинамический эффект очень велик. Хоть двигатель и спереди, примечательно, что нос стал тоньше.

 

 

 

*Купер Клаймакс. Машина Гран-при, выигравшая чемпионат два года подряд в 1959 и 1960 годах. Двигатель установлен в задней половине шасси, в котором в качестве лонжеронов используются четыре трубы. Конструкция послужила отправной точкой для сегодняшней среднемоторной компоновки.

§ Стиль FJ/500

От стиля машин Формулы-1, которые находятся на переднем крае автоспорта, мы смогли перенять многие идеи.

Давайте подумаем о стиле FJ. Некоторые из нынешних машин F-J являются просто копиями стиля F-1 и F-2.

Как уже говорилось выше, машины высшего класса проектируются с учетом определенной степени необходимости. Нет смысла имитировать только поверхностный стиль, это может быть даже негативным.

При проектировании FJ обратите внимание на следующие моменты:

(1) Размер шин небольшой. Особенно, когда ширина обода мала по сравнению с диаметром. Однако эффект турбулентности, создаваемой открытыми частями кузова и подвески, сильнее, чем поток воздуха, создаваемый шинами. Другими словами, это противоположность Ф-1.

(2) Емкость топливного бака машины Формулы-1 составляет около 200 л. Это в 10 раз больше, чем нужно для FJ. Разумно выбирайте для него пространство.

(3) Поскольку двигатель изначально не разрабатывался для автомобилей FJ, он не может легко соответствовать поперечному сечению кузова. Следовательно, оснащение двигателя капотом принесет больше преимуществ, чем оставление его открытым. В таком случае необходимо облегчить осмотр и регулировку двигателя перед запуском. В этом отношении полезен метод поднятия заднего капота, как у Arrow S1.

(4) При использовании двигателя с воздушным охлаждением обратите внимание как на впускные, так и на выпускные отверстия для охлаждающего воздуха. Неправильное положение или форма впускного отверстия может привести к серьезному повреждению.

 

 

 

/Обратите внимание на разницу потоков в зависимости от того, есть задний капот или нет. Из-за отсутствия данных трудно точно сказать, насколько на самом деле уменьшается сопротивление воздуха из-за этой разницы, но эффект от добавления заднего обтекателя очевиден. Особенности охлаждения двигателя также можно наблюдать на этом фото. Если воздуховод недостаточно велик, воздух не будет проходить должным образом. /

*Лотус 25

Дебютировал на Гран-при Голландии 1962 года. Победы в Бельгии, Англии и ЮАР. Большой отклик получила конструкция монокока из алюминиевых панелей, в которой в качестве силового элемента используется обшивка кузова. Задний конец кузова до некоторой степени закругляется, а затем отрезается вовсе. Что касается сопротивления воздуха, то это практическое применение теории доктора фон Кармана о том, как лучше уменьшить сопротивление воздуха.

 

 

 

*Феррари 312

В июне 1968 года «Феррари» Криса Эймона оснастили крылом, чтобы справиться с высокоскоростной трассой Франкоршан, где проходит Гран-при Бельгии. Конечно, крыло было перевернуто, создавая прижимную силу. Новая концепция использования силы воздуха для увеличения предела сцепления шин была впервые опробована в Формуле-1.

В дополнение к вышесказанному обратите внимание на важные моменты, объясненные выше: (1) уменьшение сопротивления, (2) предотвращение создания подъемной силы и (3) обеспечение того, чтобы аэродинамическая сила не менялась слишком сильно при изменении направления движения.

При первом проектировании наиболее важно тщательно изучить реальную машину, а не пытаться рассуждать, опираясь на расплывчатые данные. Мы исследовали машины, применявшиеся в реальных гонках, и суммировали наши наблюдения на одной странице в августовском номере журнала.

***

От переводчика. Напомним, что августовского номера, как и ноябрьского, у нас в библиотеке пока нет. Надеемся, когда-нибудь восполним этот недочет, когда сможем найти способ за журналы заплатить (способ, а не деньги).

А в следующем семинаре возьмемся за практическое применение знаний, приступив к выбору рамы.

• < Назад
• Вперёд >