Предпосылки к проектированию |
Назначение карта Главное, что надо определить прежде, чем приступить к проектированию карта — это его назначение. Потому что подход к проектированию популярного карта с двигателем ограниченной мощности будет совсем иным, чем к проектированию гоночного карта. Мощность двигателей, применяемых в школьно-молодежной категории, не более 7 кВт, в популярной категории доходит до 11 кВт, а в гоночной категории может превышать 30 кВт. При большей мощности двигателя конструкция должна иметь большую прочность, что связано с применением более качественных материалов и более совершенной технологии изготовления. Кроме того, значительная мощность двигателя, а местами на трассе даже ее избыток, определяют несколько иную технику управления картом гоночной категории, что также надо принять во внимание при проектировании. Ничто не мешает использовать гоночный карт после смены двигателя и, при необходимости, шин в популярной и школьно-молодежной категориях. Однако нельзя использовать шасси карта школьно-молодежной категории в гоночной категории, так как его конструкция слишком слаба для этой цели. Допустима установка на карт школьно-молодежной категории двигателя популярной категории, хотя при этом необходимо проведение некоторых конструктивных доработок. Не следует стремиться к созданию универсального карта. Попытки сконструировать такой карт с дешевой и несложной конструкцией популярного карта и высокими требованиями к конструкции гоночного карта предпринимались и успехов не принесли.
Приступая к проектированию карта, надо знать, какой двигатель будет использован в качестве силовой установки. В школьно-молодежной категории — это двигатель «Дэмба» объемом 125 см3 с трехступенчатой коробкой передач. Вероятно в течение ближайших лет этот двигатель будет единственным пригодным для картов этой категории. Мощность этого двигателя 5,5 кВт, хотя у отдельных экземпляров она может быть выше. Предпосылка, что проектируемый карт может быть использован в популярной категории, не усложняет работы, потому что в этой категории применяются такие же двигатели, но форсированные для улучшения их характеристик. В этом случае надо только учитывать, что форсированный двигатель будет занимать немного больше места на карте. В гоночной категории разнообразие двигателей больше. В польском картинге применяют двигатели CZ типов 8 и 511, «Ротакс Бомбардир» и двигатели других марок («Ямаха», «Манко», КТМ). Эти двигатели отличаются размерами, массой, а также конструктивными особенностями, влияющими на конструкцию карта: способом крепления, расположением ведущей звездочки и карбюратора, положением выпускного канала и т. п. Поэтому приступая к проектированию карта, надо знать тип двигателя. На практике предусмотреть это удается не всегда, потому что новые типы двигателей обычно появляются в эксплуатации чаще, чем происходят изменения в шасси. С этой точки зрения целесообразен поиск и, если это возможно, применение конструкций шасси карта, допускающих установку нескольких типов двигателей при изменении минимального числа деталей. При замене двигателя обычно также заменяют кронштейны двигателя, крепление выпускной системы и арматуру двигателя. Аналогично обстоит дело с шинами. В школьно-молодежной категории по техническим требованиям должны быть использованы шины польского производства. Есть только два типа шин: картинговые шины «Стомил-Дэмбица» размером 4,00—4 и сельскохозяйственные шины того же размера, которые применяют по необходимости. В популярной категории допустимо использование любых шин. В конструкции такого карта необходимо предусматривать возможность использования «настоящих» картинговых шин, широких, несколько меньшего диаметра (и под больший диаметр обода), чем польские шины. Для применения таких шин конструкция карта должна отличаться от конструкции карта школьно-молодежной категории. Поэтому, если карт будет применяться в обеих категориях, надо принимать во внимание более широкие шины. Заменить их узкими шинами не сложно. Лучшее сцепление широких шин с поверхностью повышает требования к прочности конструкции карта. Материалы и технологические возможности Приступая к проектированию, а впоследствии к изготовлению карта, надо точно знать, какими материалами мы располагаем. Это прежде всего относится к стальным трубам для изготовления рамы, приобрести которые очень трудно. При проектировании карта, предназначенного для участия в соревнованиях, следует использовать только трубы из известных материалов. Это может быть сталь не самого высокого качества (в этом случае используются трубы большого диаметра), но с известными прочностными свойствами. Выбор материала труб зависит также от количества выпускаемых картов. При серийном производстве требование приобретения труб, предусмотренных проектом, выходит на первый план. Большое значение имеет правильная оценка качества стали, предназначенной для>изготовления основных узлов карта: задней оси, ступиц поворотных кулаков и передних колес и т. п. Использование стали с неизвестными характеристиками может привести к весьма неприятным последствиям. Это же относится к материалу, предназначенному для рулевых тяг, рулевой колонки и т. п. Важно знать не только прочностные свойства, но и свариваемость применяемой стали. Плохо свариваемая сталь с высоким содержанием углерода имеет ограниченное применение. В табл. 7.1 приведены прочностные свойства наиболее часто применяемых сталей, т. е. наиболее доступных, максимальная прочность на разрыв Rm, усталостная прочность при знакопеременной нагрузке ZR0 и основные режимы термообработки различных видов стали. Рассматривая вопрос приобретения материалов для постройки карта, необходимо также учитывать готовые узлы и агрегаты, которые выпускаются специально для картов и имеются в продаже, а также универсальные детали, которые могут быть использованы на карте. Обычно можно купить предназначенные специально для картов сиденья, тормозные цилиндры и т. п.; в качестве универсальных деталей можно назвать, например, подшипники качения. Надо также учитывать технологические возможности изготовителя, потому что от них в значительной мере зависит принятие соответствующих конструктивных решений. Надо оценить имеющиеся возможности гибки труб, использования сварочного аппарата и слесарного оборудования. Самое главное — это знать, в каком объеме мы сможем пользоваться механической обработкой. Всегда можно сконструировать карт таким образом, чтобы при его изготовлении требовалось как можно меньше механической обработки за счет увеличения объема ручных слесарных работ.
Важно также выбрать наилучшее конструктивное решение. Понятие «наилучшее» относится, конечно, к имеющимся возможностям изготовления карта и заключает в себе как конструкцию, так и технологию. Может случиться и так, что прекрасно сконструированный карт будет очень трудно сделать. Выбор наилучшего проекта будет заключаться в оценке, что же выгоднее: достоинства конструкции или несложная технология изготовления. Решение должно быть принято с учетом имеющихся условий и доступности агрегатов и материалов.
Основным условием, которому должна отвечать конструкция карта, является обеспечение правильной посадки водителя. Это важно и для удобства водителя и для обеспечения водителю соответствующих условий для управления картом (рис. 7.1). Поэтому проектирование надо начинать с определения правильного положения водителя, так как проектируя карт без учета удобства водителя и возможностей выполнения им функций управления механизмами, мы поставили бы проблему с ног на голову. Серьезнейшей ошибкой было бы сначала сконструировать карт, а потом «втиснуть» в него водителя, что, увы, часто можно видеть на некоторых картах, сконструированных любителями.
Рис. 7.1. Правильная посадка на карте облегчает водителю переключение передачи на повороте
Первым условием обеспечения водителю правильного положения является использование удобного сиденья, форма которого соответствует росту водителя. К сожалению, форма сиденья от нас обычно не зависит, потому что сиденья выпускаются серийно; как правило, фабрично выпускаемые сиденья имеют правильную, удобную для водителей форму. Конструктору остается правильно установить сиденье на карте, на соответствующем расстоянии от педалей и рулевого колеса, с необходимым наклоном спинки. Свободно вытянутые ноги должны касаться педалей, мышцы ног ни в коем случае не должны быть напряжены. Понятие удобного положения ног субъективно. Одни спортсмены предпочитают, чтобы ступни были параллельны, другие разводят носки врозь.
Рис. 7.2. В таком положении невозможно нормально управлять картом
Мы не всегда достаточно четко понимаем, какое положение было бы наиболее подходящим для нас. Проверим это на практике, сев на … пол. Опершись спиной на поставленную под углом к стене доску, мы опытным путем можем подобрать удобное для нас отклонение туловища. Аналогично мы можем определить расстояние до ступней ног. Полученная величина будет равна расстоянию от заднего нижнего края сиденья до педалей. Это расстояние является одним из важнейших размеров карта, определяющим его длину. Подобным образом можно определить и некоторые другие размеры. Тем, кто сомневается в необходимости уделения такого большого внимания правильной посадке водителя, рекомендуем понаблюдать за спортсменами на соревнованиях. Большинство сидит правильно, некоторым мешают определенные конструктивные недостатки карта, но есть и такие, посадка которых вызывает иронические улыбки даже у случайных зрителей. Надо признаться, что высокий спортсмен, усаживающийся на маленький карт и укладывающий ноги руками — действительно смешное зрелище (рис. 7.2). Не очень лестно можно отозваться и о конструкторе такого карта. Удивление вызывает то, что неправильную посадку водителя иногда можно видеть на заводских картах, которые сконструированы правильно. В таких случаях, видимо, неправильная посадка водителя является следствием недооценки спортсменом влияния его положения на результаты соревнований.
После предварительной подготовки мы можем приступать к проектированию. Начнем с того, что обозначим место, которое будет занимать водитель. Конечно, не обязательно рисовать самого водителя, достаточно отметить ширину сиденья, наклон его спинки и глубину. Надо также разметить предварительно определенные расстояния, в том числе расстояние от сиденья до педалей. На этом этапе проектирования мы еще не определяем положение сиденья водителя в поперечном направлении. Эскиз карта удобнее всего делать в трех проекциях без соблюдения формальных принципов оформления чертежной документации. Эскизы служат для правильного размещения всех агрегатов карта и для определения их основных размеров и форм. Точно соблюдать правила черчения мы будем уже только при выполнении рабочих чертежей. Так как карт имеет достаточно большие размеры, эскиз общего вида обычно выполняется в масштабе 1:2. Более мелкий масштаб не рекомендуется, потому что ухудшается возможность правильной оценки пропорций карта. Эскизы агрегатов карта (например, задней оси, передних колес и т. п.) выполняются в натуральную величину. Основным фактором, определяющим общую конструктивную схему карта, является расположение двигателя. Мы сразу можем отказаться от размещения двигателя впереди и сзади, за сиденьем водителя. Недостатки подобных конструкций рассматривались в п. 6.2.1. Остаются две возможности: установка двигателя справа или слева от сиденья водителя. Рассмотрим достоинства и недостатки каждой из этих схем на примере двигателя «Дэм-ба» объемом 125 см3. Начнем со случая расположения двигателя слева. Необходимо стремиться сдвинуть двигатель как можно больше вбок. Одновременно приходится сдвигать двигатель вперед так, чтобы левая, наиболее выступающая назад часть двигателя оказалась перед левым задним колесом (рис. 7.3). Дополнительным ограничением на смещение двигателя влево является то, что с левой стороны расположен рычаг переключения скоростей, который не должен выступать за контуры карта. Система переключения передач также получается излишне сложной. Немалые трудности возникают с размещением выпускной системы. Из-за значительного смещения двигателя вперед не остается места, чтобы направить выпускную трубу сразу вниз, между двигателем и сиденьем водителя. Выпускную трубу пришлось бы расположить перед сиденьем, под ногами водителя или высоко с левой стороны двигателя.
Рис. 7.3. Карт с двигателем на левой стороне («Тайфун»/М/)
Чаще всего регулируемой и проверяемой системой двигателя является зажигание. Система зажигания, как правило, располагается с правой стороны двигателя. При установке двигателя слева невозможно добраться к зажиганию, не сняв сиденья водителя. Если аналогично проанализировать возможность установки двигателя с правой стороны карта, то мы увидим, что такое решение лишено большинства недостатков, характерных для конструкции с двигателем, расположенным с левой стороны.
Конструкция большинства двигателей, применяемых в Польше для картов, позволяет, подрезав правую крышку, значительно сместить двигатель назад, ближе к колесу. В результате смещения двигателя назад значительно упрощается размещение выпускной системы. Кроме того, при установке двигателя справа облегчается переключение передач, а доступ к зажиганию практически ничем не ограничен. Бесспорно, что двигатель лучше всего располагать на правой стороне карта перед задней осью. Если достоинства установки двигателя на правой стороне карта еще не кажутся нам столь очевидными, можно провести следующий эксперимент. С одного из чертежей общего вида скопируем на кальку контуры двигателя в двух проекциях. Теперь примерим сделанный рисунок к картам, рассмотренным в том же п. 6.6. Оценим достоинства и недостатки установки двигателя в каждом положении. Теперь можем приступить к прорисовке двигателя на чертеже карта. В этой работе очень полезным может оказаться чертеж контуров двигателя хотя бы в двух проекциях на отдельных листах кальки, выполненный в том же масштабе, что и чертеж карта. Если мы решили расположить двигатель на правой стороне карта перед задней осью, то на виде сверху можно сразу рисовать двигатель и правую часть задней оси с правым колесом. Взаимное расположение двигателя и заднего правого колеса довольно четко определено и особых возможностей выбора нет. Двигатель относительно колеса надо ставить так, чтобы цепь проходила как можно ближе к шине (но не ближе 5 мм), а сам двигатель был максимально сдвинут назад. Здесь надо учитывать возможность сделать вырез в правой крышке двигателя. Удаление цепи от шины приведет к смещению двигателя к середине карта и, тем самым, к ограничению места для водителя. Следующим этапом проектирования будет совмещение чертежа «двигатель — заднее колесо» с ранее сделанным чертежом, определяющим место водителя. Так как чертеж выполнен на кальке, мы имеем возможность просмотреть разные варианты. Двигатель надо располагать так, чтобы он не ограничивал свободы движений водителя и чтобы одновременно смещение сиденья водителя с продольной оси симметрии карта не превышало 50—70 мм. Не следует смещать двигатель слишком далеко вправо, это приведет к увеличению колеи. Для водителя среднего роста колея должна быть около 800 мм (для шин 4,00—4). При такой колее и при смещении сиденья водителя на 60 мм влево от продольной оси карта цилиндр двигателя будет находиться в середине сиденья водителя. Рассматривая взаимное расположение двигателя и сиденья водителя, необходимо также оставлять место для выпускной системы, особенно для выпускного патрубка, обычно проходящего между сиденьем и двигателем. При этом надо оставить место для смещения двигателя вдоль карта, которое необходимо для натяжения приводной цепи. Когда мы определим окончательное положение двигателя, можно будет нанести его на основной чертеж. Можно также начертить правое колесо карта и положение задней оси. Левое заднее колесо начертим после выбора колеи, минимум которой будет определен смещением вбок сиденья водителя.
Подбор основных размеров Предположим, что колея будет 800 мм. Остается проверить, удовлетворяет ли этот размер требованиям норм. Колесная база должна быть в пределах 1010—1270 мм, а колея должна быть не меньше 2/3 базы. Таким образом, колея 800 мм не противоречит требованиям норм. Теперь надо найти оптимальное соотношение между колеей и колесной базой. На рис. 7.4 показан карт и силы, действующие на него на повороте. Внешним колесам приходится преодолевать больший путь, чем внутренним, потому что они катятся по дуге с большим радиусом. Относительная разница этих путей возрастает по мере уменьшения радиуса поворота. Если бы оба задних колеса вращались независимо, не было бы никаких трудностей, потому что колеса могли бы вращаться с разной скоростью. Соединение задних колес карта жесткой осью приводит к тому, что они должны вращаться с одинаковой угловой скоростью. Однако внешнее колесо должно проходить путь больше, чем внутреннее колесо. Стало быть, одно колесо должно скользить по поверхности дороги. Длина пути скольжения колеса равна разнице путей, которые преодолевают оба задних колеса. Предположим, что скользит только внешнее колесо, а внутреннее катится без скольжения. На внешнее колесо действует сила трения скольжения Tt, возникающая между шиной и поверхностью дороги. Чтобы карт поворачивал, необходимы поперечные силы ТРг и TPwt приложенные к передним колесам и вызванные сцеплением шин передних колес с поверхностью дороги во время поворота. Значения этих сил зависят, в частности, от соотношения колеи и колесной базы карта. Условием поворота карта является равенство моментов Т^ = (TPz = TPw) L. Силы трения передних и задних колес для данного карта постоянные, потому что они зависят только от распределения нагрузки. Из этого следует, что управляемость карта определяется отношением колеи к колесной базе b/L. Чем больше база, тем легче будет управлять картом. В соответствии с техническими требованиями отношение b/L должно быть не меньше 2/3. Для улучшения управляемости карта целесообразно стремиться к нижней границе, определенной нормами, добиваясь как можно большей колесной базы для данной колеи. Например, при колее 800 мм колесная база составит 1 = 800–3/2=1200. Для данной колеи колесная база больше быть не может. Эти упрощенные рассуждения справедливы только при движении карта на вираже по инерции. Приложение к задним колесам крутящего момента приводит к возникновению силы, компенсирующей силу Tt, что облегчает вход карта в вираж. Поэтому поворот с небольшим радиусом легче преодолевать «с газом», чтобы толкать заглохший карт на повороте, приходится прикладывать очень большую силу. Не столь значительную, но достаточно важную роль играет просвет карта. Значение просвета надо определить до начала проектирования деталей конструкции. Он должен быть 50—60 мм. Такой просвет позволяет понизить центр масс и одновременно оставляет достаточно много места под поликом для преодоления неровностей трассы и упругих деформаций рамы.
Нагрузка на оси Если мы определили необходимую колесную базу карта и положение водителя и двигателя, можно оценить распределение нагрузок на оси карта. Сначала определим положение центра масс карта вместе с водителем. Можно принять, что смещение сиденья (вместе с нагружающей его массой водителя) влево с продольной оси карта составляет 50 мм и уравновешивает несимметричное расположение двигателя. Двигатель, правда, легче водителя, но он больше удален от оси симметрии. В результате этого предположения получим, что левые и правые колеса карта нагружены примерно одинаково. Определим приближенно положение центра масс. Центр массы водителя находится на расстоянии 1/3 длины сиденья от его заднего края. Центр массы двигателя расположен в районе задней кромки ребер цилиндра. Центр масс всего карта (рис. 7.5) будет лежать между центрами масс водителя и двигателя, конечно, ближе к центру массы водителя. Более точное определение положения центра масс карта требует больших расчетов и не обязательно. Достаточно приблизительной оценки распределения нагрузки на оси карта. Рис. 7.5. Упрощенная схема нагружения рамы карта
Масса карта равна сумме масс водителя, двигателя и других деталей карта, кроме шин и прочих вращающихся частей колес — они не нагружают ось карта. Нагрузку на заднюю и переднюю оси карта можно определить по формулам Gt = Ga/L и GP=G — G, *. Нагрузка на колесо карта вдвое меньше нагрузки на ось.
|