СТРОИМ АВТОМОБИЛЬ

Конструкторы-любители нередко приступают к строительству автомобиля, опираясь только на интуицию, без каких бы то ни было расчетов. Чаще всего в подобных случаях эксплуатационные качества машины оказываются далеко не такими, о каких мечтал создатель, а отдельные узлы или ломаются, или быстро изнашиваются.

Чтобы свести к минимуму «Сюрпризы», нужны предварительные расчеты. Самые необходимые из них под силу каждому строителю автомобиля. По отдельным ответственным деталям расчеты будут приведены непосредственно при их описании. Здесь же пойдет речь лишь об основных, связанных с общим строением и характеристикой автомобиля, подобно тому как мы в предыдущей публикации рассчитали распределение масс.

КАК ОБЕСПЕЧИТЬ НАИБОЛЕЕ ПОЛНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МОЩНОСТИ И КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА ДВИГАТЕЛЯ? Для этого нужно правильно выбрать передаточные числа трансмиссии. Коробка передач, как правило, используется готовая, вместе с двигателем; ее характеристики предопределены. Не всегда удается приобрести шины желательного размера; но, во всяком случае, диаметр их известен. Таким образом, дело сводится с расчету передаточного числа главной передачи ведущего моста. Его мы приводим в несколько упрощенном виде.

Он начинается с определения наибольшей скорости, которую способен развить проектируемый автомобиль с данным двигателем. При этом возможны два варианта расчета: на достижение возможно большей скорости или на получение возможно лучшего разгона, более легкого преодоления подъемов и плохих дорог.

Следует отметить, что при расчете по второму варианту наибольшая скорость получается ненамного меньше, чем по первому.

ТАБЛИЦА 1

В первом случае основываются на том, что максимальной скорости автомобиль достигает в тот момент, когда двигатель разовьет наибольшую мощность; во втором — при максимально допустимом числе оборотов. У большинства двигателей оно на 10 — 15% превышает число оборотов наибольшей мощности; мощность же при этом соответственно снижается; как говорят, она находится «за перегибом».

Возьмем для примера двигатель мотоцикла «ИЖ-Планета-2», развивающий при 4100—4600 об/мин 15,5 л. с., или около 12 кВТ по новой системе измерений (см. график и табл. 1) где даны также краткие сведения по другим двигателям). Для упрощения не будем принимать во внимание уменьшение мощности двигателя в связи с вероятным применением вентилятора принудительного охлаждения. Двигатель намечено установить на четырехместный четырехколесный автомобиль с легким открытым кузовом. Проектная полная масса Gа автомобиля (с нагрузкой 300 кг) составляет 800 кг. Коэффициент сопротивления воздуха К для такого автомобиля равен около 0,05; лобовая площадь F — около 1,5 м². В используемых от серпуховской мотоколяски шинах размера 5.00—10 внутреннее давление должно быть в среднем около 1,3 кг/см² (расчет давления в шинах дан ниже). Коэффициент η полезного действия (КПД) Трансмиссии с учетом возможного применения дополнительного редуктора или цепной передачи принимаем равный 0,85.

Строим график расхода мощности на сопротивление качению (Nf) и на сопротивление воздуха (Nw) в зависимости от скорости Va движения автомобиля. Мощность подсчитываем по формулам:

Nf = (Ga·f·Va)/270 (л.с.)

Nw = (K·F·V_a³)/3500 (л.с.)

Коэффициент сопротивления качению f — переменный; его можно определить с достаточной точностью по третьему графику.

Как видим, при расчете по первому варианту, то есть при мощности на ведущих колесах, равной 15,5X0,85 — 13 л. с., можно ожидать достижения автомобилем скорости около 70 км/ч. При расчете по второму варианту мощность будет около 12 л. с., а скорость — немного более 65 км/ч.

Задать автомобилю скорость 65 — 70 км/ч или более — не значит рассчитывать на частое движение с такой скоростью. Это может прозвучать странно, но мы утверждаем, что несколько повышенная максимальная скорость нужна для… безопасности движения. Дело в том, что обгон даже инвалидной мотоколяски или мопеда, идущих со скоростью 40 км/ч, требует от обгоняющего скорости не менее 50 км/ч. Чтобы такой обгон был «энергичным», безопасным, а дорога освободилась побыстрее, водители, как правило, включают третью передачу, на которой возможно движение со скоростью, примерно на 25 % меньшей, чем максимальная (см. табл. 2).

ТАБЛИЦА 2. ЗНАЧЕНИЯ ТЯГОВОЙ СИЛЫ И СКОРОСТИ НА РАЗНЫХ ПЕРЕДАЧАХ

Получив данные о наибольшей скорости, можно установить передаточное число i_o главной передачи по формуле:

i_o = (0,377·r_k·n)/Va

В этой формуле rк — радиус качения колеса, равный (для колеса 5.00—10) 0,25 м, а n — число оборотов двигателя в минуту: 4500 для расчета по первому варианту, и 5000 — для второго. Передаточное число составит соответственно 6,0 и 7,2.

Нас не должны смущать большие значения этих чисел по сравнению с таковыми на массовых легковых автомобилях: ведь у силового агрегата мотоколяски имеются, кроме главной передачи, две цепные с общим передаточным числом около 2,75, так что для главной передачи остается 2,2 или 2,6 (вместо 2,08 у мотоколяски).

Напомним, что расчет мы проводим, имея в виду использование стандартной коробки передач мотоколяски, у которой передаточное число четвертой (высшей) передачи равно единице. Для расчетов автомобилей с кузовом закрытого типа коэффициент К равен около 0,04, для хорошо обтекаемых автомобилей — около 0,03. КПД трансмиссии при отсутствии двойного редуктора или цепной передачи следует считать равным 0,9.

Теперь проверим результаты нашего расчета. Наложим на график расхода мощности (пунктирные линии) график внешней характеристики двигателя. Для этого строим под шкалой скорости шкалу оборотов двигателя, причем в зависимости от принятого варианта расчета совмещаем отметку 4500 на шкале оборотов с отметкой 70 на шкале скорости или отметку 5000 с отметкой 65, а затем делим получившиеся отрезки 0—4500 или 0—5000 отметками по 500 оборотов соответственно на 9 или 10 частей. Восстановив из отметок на одной из новых шкал вертикали для диаграммы внешней характеристики двигателя, откладываем на них значения мощности, уменьшенные на 15% (h = 0,85) по сравнению со значениями на исходной характеристике. Мы видим, что автомобиль, рассчитанный по второму варианту, должен иметь больший запас мощности и поэтому сравнительно хорошо брать разгон и подъемы.

Достаточна ли тяговая сила Рk для движения проектируемого автомобиля в различных условиях? Она подсчитывается по формуле:

P_k = (M_e·i_o·i_k·η)/r_k (кг)

В этой формуле М_e — наибольший крутящий момент двигателя (в нашем случае он равен 2,5 кгм), і_к —передаточное число в коробке передач.

Подставляя значения і_о (6,0 или 7,2) и i_к, получаем значения тяговой силы в кг (табл. 2).

Для движения автомобиля необходимо, чтобы тяговая сила — Рk на ведущих колесах была меньше силы сцепления колес с грунтом (иначе колеса будут скользить, буксовать) и не меньше силы сопротивления движению. Сила сцепления равна произведению массы автомобиля, приходящейся на ведущие колеса, на коэффициент сцепления (0,7 на сухом асфальте, 0,15 — на мокром). На задние ведущие колеса нашего автомобиля приходится масса, равная около 60 % полной массы, то есть 800 X 0,6 = 480 кг. Таким образом, сила сцепления на сухом асфальте равна 335 кг, на мокром 51 кг. Сила же сопротивления движению равна произведению массы автомобиля на коэффициент сопротивления качению f, который на асфальте (см. график) равен около 0,02, на проселочной дороге — 0,035, на песке — около 0,2. Отсюда равна соответственно 16, 28 и 160 кг.

Итак, проектируемый автомобиль будет хорошо работать на сухом асфальте. Но трогаться с места на первой передаче надо, не давая «полного газа». На скользкой дороге нужно будет также уменьшить нажим на педаль акселератора, чтобы не вызвать буксования колес. По проселочным дорогам автомобиль будет ходить на всех передачах, но на песке придется переходить на вторую (второй вариант расчета) или даже на первую передачу (первый вариант).

Таким образом, можно сделать вывод, что второй вариант выгоднее первого, так как разница в наибольшей скорости невелика, возможность автомобиля преодолевать трудные участки дороги (а также подъемы) при большем передаточном числе — значительно лучшая. 

Очень важен правильный выбор шин и внутреннего давления в них. И для этого также существуют несложные расчеты.

Строители самодельных автомобилей могут рассчитывать на использование шин от мотороллеров, мотоколяски, от автомобилей «Запорожец», «Жигули» и «Москвич» (на 13-дюймовых или 330-миллиметровых ободах).

Величину необходимого внутреннего давления р при данной нагрузке или величину допустимой нагрузки Gк при желательном внутреннем давлении можно ориентировочно подсчитать по формулам:

G_k = (5b²·(D+b)·(p+1))/(D+2b) (кг)

p = (G_k·(D+2b))/(5b²·(D+b))-1 (кг/см²)

В этих формулах Д — диаметр обода, а b — ширина профиля, выраженные в дюймах (см. схему), как это было принято и сохранилось по сей день в системе обозначения шин. Формулы основаны на том положении, что на единицу количества сжатого воздуха, находящегося в шине, должно приходиться всегда одинаковое количество килограммов нагрузки. Подставив вместо букв известные или выбранные значения размеров шины и давления, мы можем подсчитать искомые значения нагрузки (и наоборот).

Например, в рассмотренном выше случае строитель располагает шинами размера 5.00—10; масса автомобиля с нагрузкой — 800 кг, из которых 480 кг приходятся на задние колеса, то есть равно 480 :2 = 240 кг, тогда:

p = (240·(10+10))/(5·25·(10+5))-1 = 1,5 (округленно)

Для передних шин тем же путем получим 0,7.

Пpактичecки давление берут на 2—3 десятых кг/см² больше, чем получившиеся по расчету (в нашем случае 1,7 и 0,9), чтобы уменьшить сопротивление качению и продлить срок службы шины. Вместе с тем для плавности хода маленького автомобиля желательно, чтобы давление в шинах было как можно ниже, в особенности в шинах колес, близко к которым расположено сиденье (например, для выноса сиденья водителя вперед).

Определенное отношение между величинами давления в передних и задних шинах существенно еще и для устойчивости автомобиля, один из характерных показателей которой — значение так называемой критической скорости Vpx, вычисляемое приближенно по уравнению:

В этом уравнении: L — база автомобиля в м, G3 и Gп — нагрузка соответственно на задние и передние колеса в кг, К3 и Кn— коэффициенты сопротивления уводу шин (двух для каждой оси). Последние коэффициенты подсчитываются по уравнению:

K = 5b·(D+2b)·(p+1)

Коэффициент К показывает, какая боковая сила в кг необходима, чтобы повернуть колесо на угол, равный одному радиану (53 °).

Возьмем для примера тот же автомобиль с давлением в передних шинах 0,9 кг/см², в задних — 1,7 кг/см² и базой 2 м. Коэффициенты сопротивления уводу шин составят:

K3 = 5·5·(10+10)·(1,7+1) = 1350 кг/рад

Kn = 5·5·(10+10)·(0,9+1) = 950 кг/рад

Тогда:

то есть больше развиваемой автомобилем скорости. Это и требуется для устойчивости автомобиля. Если бы значение критической скорости оказалось меньше значения максимальной, пришлось бы снижать давление в передних шинах (если это допустимо) или повышать — в задних.

Данные по шинам приведены в таблице 3.

ТАБЛИЦА 3. КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ШИН

Таковы самые необходимые расчеты, которые нужно произвести для получения удовлетворительной общей характеристики самодельного автомобиля.

Ю.А. ДОЛМАТОВСКИЙ, кандидат технических наук