Конструкторский семинар №7

Рама.

§ Тип рамы

Существует много разных типов рам. Лестничная рама, часто используемая в старых спортивных автомобилях, как понятно из названия, похожа на лестницу. Трубчатая - встраивается в конструкцию кузова. Пространственная, состоящая из нескольких трубок, соединенных вместе, как птичья клетка. Рамы по типу монокок изготовлены из нескольких панелей.

Я создал модель, скомпоновав некоторые из этих форматов для FJ (Фото 1). У каждого типа есть свои преимущества и недостатки, и сложно сказать, какой из них лучше. Вы можете выбрать любой формат, который вам нравится, в зависимости от вашего уровня навыков и имеющихся у вас материалов. На этот раз я исследую варианты (1)–(3), показанные на фотографии 1.

 

 

 

(Фото 1) Различные виды рам, выполненные в масштабе 1/5.

(1) Лестничная рама.

Основная конструкция состоит из двух прочных элементов, соединенных поперечиной. Свое название он получил потому, что по форме напоминает лестницу. Материалы: используются L-образные балки, которые можно назвать швеллерными, а также трубчатые поперечины. Хотя конструкция проста, она неэффективна с точки зрения прочности и жесткости, что делает ее тяжелой. Также для установки подвески современного типа необходимо добавить дополнительные узлы для ее поддержки.

(2) Трубчатый каркас.

В то время как лестничная рама имеет плоскую конфигурацию с двумя балками, трубчатая рама собирается «трехмерно» с четырьмя балками. Оба конца четырех балок плотно соединены поперечинами, и поперечное сечение при нагрузках деформируется, как показано, например, на рисунке 1.

Если угол не усилить, он плохо противостоит деформации, делая соединения «рыхлыми», что приводит к изгибам конструкции. Поэтому ключевым моментом для этой рамы является надежная сварка и использование элементов, устойчивых к изгибу. Подходит для подвесок 4-рычажного типа, при необходимости можно изменить длину верхней и нижней части поперечины для создания перевернутого трапециевидного сечения. Таким образом можно обеспечить необходимое пространство, уменьшить переднюю проекцию и в то же время адаптировать ее к типам подвесок с неравной длиной рычагов.

(3) Пространственная рама.

Для каркаса используют трубы с круглым или квадратным сечением. Материал и сечение таких труб обладают тем свойством, что их сопротивление изгибу достаточное, по сравнению действием внешних сил, таких как растяжение и сжатие. Таким образом, материалы можно использовать более эффективно, расположив элементы так, чтобы на них действовали меньшие изгибающие силы. Если поместить «судзикай» (прим.перев. - вертикальная связь в ферме, диагональ в четырехугольнике, в прямоугольную конструкцию, она «затянется», что предотвратит деформацию. По этой причине, даже если прочность и жесткость готовой конструкции одинакова, конструкция с «судзикаями» может быть значительно легче.

Если вы вставите «судзикай» в квадрат, он будет разделен на два треугольника. Часто используют трехмерные каркасы с использованием треугольников в качестве элементов, если отсутствуют соответствующие изгибающие силы. «Порше» 908 и «Тойота» 7 — хорошие примеры автомобилей, в конструкции рамы которых используются треугольные элементы. Этот тип рамы максимально подходит для согласования двух противоречивых факторов прочности/жесткости рамы и снижения веса. Однако в классе F-J рама чаще всего строится с упором на прочность исходных материалов.

 

 

 

(Фото 2) Лестничная рама. Сама рама проста, но такие детали, которые обозначены цветными линиями, необходимо доделывать, чтобы обеспечить крепление подвески, двигателя и т. д.

(Фото 3) Такая конструкция возможна при использовании трубчатой рамы и прочных элементов. Примеры этого можно увидеть в старых спортивных автомобилях и машине FJ Arrow S1. Однако рама будет тяжелее.

(Фото 4) Пространственная рама. Такая конструкция возможна из труб наружным диаметром 26 мм и толщиной стенки 1,6 мм. Если толщина стены меньше указанной, требуется усиление, как показано цветной линией.

В модели пространственного каркаса, показанной на Фото 4, невозможно вставить переборку в передней части кабины или отсека двигателя из-за требований к пространству. Поэтому деформация в этой части относительно велика по сравнению с другими частями. В этом случае деформацию можно подавить, используя более прочные окружающие элементы или добавляя «армирование» (цветные линии). Общая жесткость на кручение также увеличивается. Трубчатые и пространственные рамы часто приравнивают друг к другу, но в своей книге «Спортивный и гоночный автомобиль» Майк Костин, мой старший коллега, считает их разными. Я тоже решил последовать этому примеру.

§ Сила, приложенная к раме.

Рама несет на себе двигатель и гонщика, поэтому от них на нее действует сила. Подвеска позволяет раме отрываться от земли и «парить в воздухе». В 4-рычажной подвеске свою роль в создании сил играют верхние и нижние рычаги и пружины.

Давайте упростим это, как показано на рисунке 3. Предположим, мы разрезали раму по пунктиру. Однако, чтобы каждая часть оставалась подвешенной в том же состоянии, в котором она была до разделения, некоторую силу следует приложить к отрезанному концу. Например, рисунок справа. Поскольку подвеска толкает вверх, для «правильного» разреза требуется противодействующая сила, чтобы толкнуть ее обратно вниз. В противном случае кусок рамы не стоял бы на месте.

Однако, подняв левую часть, правая будет вращаться вокруг. Чтобы этого не произошло, можно приложить к правому срезу «момент», чтобы предотвратить вращение. В действительности рама представляет собой единое целое от передней части к задней, но внутри структурных элементов генерируются те же силы, которые действуют в разрезах.

Это можно подтвердить, фактически измерив внутренние силы. Технически, начальная сила располагается в точке приложения силы, а противоположная ей создает изгибающий момент. В этом примере распределение сил и изгибающего момента показано на рисунке 4. Чем больше изгибающий момент, тем большая нагрузка приходится на раму. Давайте прикинем размеры труб.

На типичной машине FJ неподрессоренная масса амортизаторов, пружин, тормозов, дисков, шин, рычагов подвески и т. д. составляет примерно 20 кг на колесо. Даже если автомобиль на старте весит 350 кг с водителем на борту и полным баком топлива, его подрессоренная масса составит около 270 кг. Предположим, что центр тяжести находится на расстоянии 0,8 м от центра задних колес или 40 % от задней части при колесной базе 2 м. При этом силы, прилагаемые передней и задней подвесками к поддержке рамы, составляют 108 кг и 162 кг соответственно. Другими словами, сила сдвига должна составлять 160 кг в самой высокой точке. Максимальное значение изгибающего момента составляет примерно 160 кг х 0,8 м = 130 кгм, поэтому, если рама машины FJ может выдержать удар, в три раза превышающий эту величину, ее можно считать достаточно прочной. Одним из ориентировочных значений является поперечная сила 500 кг и изгибающий момент 400 кгм (максимальные значения). На самом деле тяжелые узлы размещаются как можно ближе к центру масс, поэтому, если принять это во внимание, значение будет чуть-чуть меньше. Учитывая, что элементы с обеих сторон распределяют силу одинаково, лестничная рама, показанная на Фото 2, имеет сечение шириной 30 мм, высотой 60 мм и толщину стенки 3,2 мм.

 

 

 

(Рисунок 1) Такая конструкция легко деформируется, поэтому для обеспечения жесткости используйте упрочняющие элементы.

(Рисунок 2) Когда вы вставляете «судзикай», сечение становится жестким и его трудно деформировать.

Срезающая сила и изгибающий момент, приложенные к раме. Центр тяжести машины является самым сложным с точки зрения прочности.

(Рисунок 3) Разрезав раму, как показано пунктирной линией, мы можем изучить действующие на нее силы.

Вышеупомянутые условия можно практически решить, используя два типа обычных конструкционных стальных труб квадратного сечения. Трубчатый каркас, показанный на Фото 3, должен быть изготовлен из того же материала шириной 20 мм х высотой 50 мм и толщиной стенок 2,3 мм. При использовании материалов меньшего размера необходимо более точно проверять фактическую силу, приложенную к элементам.

Приблизительная оценка пространственного каркаса: если высота каркаса составляет не менее 250 мм, элементы должны представлять собой круглые трубы диаметром около 26 мм и толщиной стенок 1 мм или квадратные трубы размером 15 х 15 мм и такой же толщиной стенок. Если вы сможете это сделать, то оно будет достаточно прочным.

Например, Legrand MK IV, который примерно того же класса, что и F-J, изготовлен из труб диаметром 25,4 мм и толщиной стенки 0,8 мм. Однако для создания механически идеального пространственного каркаса сложно правильно расположить элементы из-за нехватки места. Поскольку моторный отсек и кабина требуют больших проемов, расположение элементов неизбежно отклоняется от идеального. Таким образом, модифицированные пространственные рамы часто имеют относительно большие запасы, но им иногда не хватает общей жесткости.

В частности, при расчете прочности только по видам сбоку можно прийти к выводу, что требуется использовать мелкие сечения, но если потом из них собрать каркас, жесткость рамы на кручение окажется недостаточной. Когда мы проверили это на реальной машине, мы обнаружили, что в конструкции, подобной показанной на Фото 3, требуется верхняя продольная труба, изготовленная из материала, прочность на изгиб которого сравнима с прочностью стальной трубы диаметром 26 мм и толщиной стенки 1,6 мм.

Опорные детали амортизатора и рычагов подвески удобнее сделать из труб квадратного сечения 25 мм х 25 мм с толщиной стенки от 1,2 до 1,6 мм.

Если вы делаете каркас впервые, подумайте о безопасности и используйте материалы с большим запасом прочности.

§ Размещение элементов

Давайте, собственно, соберем раму. Основой являются схемы компоновки, описанные выше. Однако для тех, кто работает над конструкцией впервые, может оказаться невозможным начать размышлять о чем-то на чертеже. Если возможно, было бы полезным посетить производителей техники FJ, чтобы увидеть и понять реальный продукт. В частности, было бы неплохо набросать рисунок, как крепить двигатель и как поддерживать рычаги подвески. При проектировании заранее продумайте, куда будет опираться рычаг подвески. При использовании двойных поперечных рычагов базовым расположением являются параллельные рычаги одинаковой длины. Внутренняя точка опоры определяется тем, насколько поднимаются передние и задние колеса при движении автомобиля. Со временем я подробно объясню, как выбрать эту точку опоры. На этом этапе общее представление о точках можно получить, обратившись к фотографиям существующих машин (Arrow S1, Belco 96 A, Augusta MKII, Hayashi 702 и др.).

Теперь, что касается базовой конструкции, сначала давайте посмотрим на вид сбоку через верхнюю и нижнюю продольную трубу. Нижняя часть должна располагаться самой нижней стороной на линии пола, а верхняя часть должна находиться примерно на 250–300 мм выше нее. Затем нарисуйте план каркаса. Здесь следует соблюдать осторожность — обеспечить водителю достаточно места для управления. При установке двигателя «Хонда» N360 крышка сцепления и стартер будут выступать в сторону, поэтому обязательно проверьте, чтобы они ей не мешали. Если элементы мешают, укоротите рычаг выключения сцепления примерно на 20-30 мм. Можно немного сместить двигатель поперек машины.

 

 

 

(Рисунок 5) Пример конструкции пространственной рамы. Конструкция отличается от представленной на фото. 2. Пунктирной линией отмечено место, где следует усилить элементы при использовании элементов с тонкими стенками или малым внешним диаметром. На основе этого рисунка мы хотели бы, чтобы вы разработали раму, в которой будут отражены ваши собственные идеи.

Нижний элемент расположен таким образом, чтобы обеспечить место для поясницы водителя и работы педалями. Достаточно расстояния примерно 400 мм или более. На рисунке сечение рамы прямоугольное, поскольку мы рассматривали изготовление обеих рам из квадратных труб с последующей их сборкой, но возможно и перевернутое трапециевидное сечение.

Как только вы зайдете так далеко, подумайте, как поддержать передние и задние колеса. Это легче понять, если сначала рассмотреть план каркаса. Силы, которые рама получает от рычагов подвески и амортизаторов, являются наиболее важными, поэтому позаботьтесь о том, чтобы конструкции, поддерживающие их, были максимально жесткими и прочными. Минимизируя изгибающую силу, приложенную к элементам рамы, можно создать легкий и прочный продукт. В опорную часть хотелось бы добавить поперечину, чтобы усилие плавно передавалось по всей раме. Однако бывают случаи, когда можно создать более простую конструкцию, используя элемент большого сечения, устойчивый к изгибу и активно принимающий изгибающие нагрузки. Учтите, что иногда приходится пересмотреть уже принятое решение.

В раме, показанной на рисунке 4, при виде сбоку и сверху поперечина входит в опорную часть подвески и образует перегородку. Однако поскольку сечение рамы было сделано прямоугольным, точка опоры нижнего рычага «плавала в воздухе». На виде в разрезе имеется небольшой элемент для его поддержки. Это было добавлено для усиления переборки, которая подвержена изгибающим нагрузкам. Поэтому невозможно использовать материал с очень маленьким сечением. При расчете прочности предполагается, что квадратная труба 25 х 25 см с толщиной стенки 1,6 мм и более выдерживает торможение или прохождение поворота с ускорением в 1 единицу и трехкратной ударной нагрузкой.

Напряжение, действующее на этот элемент, варьируется в зависимости от расположения рычагов, но в данном примере оно установлено на уровне менее 10 кг/мм².

После того как определено положение переборки, подавляющей деформацию в поперечном сечении, сделаем припуски на видах сбоку и сверху. При этом будьте внимательны с местами крепления двигателя, сиденья, рулевого колеса, дуги безопасности. Нужно быть уверенным, что их крепят элементы, которые максимально надежно принимают все нагрузки.

Пожалуйста, обратитесь к специальному разделу августовского номера этого журнала — справочнику F-J/500, в котором описывается конструкция рамы каждой машины, используемой в реальном бою.

(Прим.ред. Увы и ах! Мы тот злосчастный августовский номер как раз профукали!)

Определившись с грубой идеей, обязательно попробуйте создать ее трехмерную масштабную модель. Вы можете обнаружить структуры, которые на удивление сложно собрать, или бесполезные или отсутствующие элементы. Сгибая и поворачивая модель, можно наглядно увидеть, какие части каркаса слабы. Поскольку это модель, она несколько отличается от реальной рамы, но принцип деформации тот же, поэтому рекомендуется внимательно наблюдать за состоянием, следить за тем, как деформируются элементы, и исследовать причины деформации. Если вы обнаружите какие-либо дефекты в модели, не забудьте отредактировать чертеж!

***

Базовый каркас каркаса готов. Хотя мне еще нужно внести различные изменения в соответствии с механизмом подвески и стилем кузова, я внес изменения в конструкцию на основе показанной здесь схемы. В следующий раз изучим конструкцию монокока.

Увы и ах №2. Ноябрьского номера, как и второго номера за декабрь у нас нет. Хорошая новость в том, что все остальные выпуски с конструкторскими семинарами все-таки есть, и дожидаются своей очереди для перевода.

• < Назад
• Вперёд >