Проектирование подвески гоночного болида Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Современные инно

Modern Innovatic___, „,_____________________&___

2024; 4(4) eISSN: 2782-2818

https://www.oajmist.com

УДК: 629.3.027

DOI: https://doi.org/10.47813/2782-2818-2024-4-4-0601 -0609

EDN: AXCDSU

Проектирование подвески гоночного болида

А. В. Бобровский, А. В. Зотов, А. А. Шабанов, Е. Д. Чижаткина

Тольяттинский государственный университет, Тольятти, Россия

Аннотация. Рассмотрены преимущества и недостатки различных типов подвесок. Определено, что для гоночного болида, разрабатываемого в рамках проекта Formula Student, для обеспечения точного контроля положения колёс относительно дорожного полотна оптимальным типом подвески будет система на двойных поперечных рычагах. Представлены требования регламента проекта по конструктивным ограничениям гоночного болида, соблюдение которых является обязательным для прохождения технического регламента. Представлены критерии выбора параметров колесной базы автомобиля, соблюдение которых позволило облегчить компоновку автомобиля при сохранении динамики и маневренности. Рассмотрены преимущества и недостатки разных вариантов ширины колеи гоночного болида. Рассмотрены критерии выбора размера колесных дисков. В качестве оптимального варианта выбраны шины Hoosier 20^7,5-13 в сочетании с магниевыми трёхсоставными дисками Keizer. Определены необходимые углы поворота управляемых колес для минимизации потерь сцепления и улучшения траектории прохождения поворотов. Представлены критерии выбора коэффициента Аккермана, который определяет степень дифференциации углов поворота колес. Произведён анализ деформации шин при разном давлении при варьировании вертикальных и горизонтальных нагрузок. Представлены параметры боковой деформации шин. Представлен алгоритм определения статического развала.

Ключевые слова: колесная база, ширина колеи, коэффициент Аккермана, угол крена, развал.

Для цитирования: Бобровский, А. В., Зотов, А. В., Шабанов, А. А., & Чижаткина, Е. Д. (2024). Проектирование подвески гоночного болида. Современные инновации, системы и технологии -Modern Innovations, Systems and Technologies, 4(4), 0601-0609. https://doi.org/10.47813/2782-2818-2024-4-4-0601-0609

Designing the suspension system for a formula race car

Alexander Bobrovskii, Alexey Zotov, Alexey Shabanov, Ekaterina Chizhatkina

Abstract. The article examines the advantages and disadvantages of various suspension systems. For a Formula Student race car, the double-wishbone suspension is identified as the optimal choice, offering precise control over wheel positioning relative to the road surface. The study outlines the regulatory constraints defined by the Formula Student rules, which must be adhered to for the vehicle to pass technical inspection. Key criteria for selecting the car's wheelbase dimensions are discussed, demonstrating how these choices simplify the vehicle's design while preserving its dynamic

Togliatti State University, Togliatti, Russia

© Бобровский А.В., Зотов А.В., Шабанов А.А., Чижаткина Е. Д., 2024

0601

performance and maneuverability. The analysis considers the pros and cons of different track width configurations for the race car. The selection process for wheel rim sizes is also explored, with Hoosier 20x7,5-13 tires and Keizer magnesium three-piece rims identified as the ideal combination. The required steering angles to minimize traction losses and enhance cornering precision are determined. The study further delves into the selection of the Ackermann coefficient, emphasizing its role in defining the differentiation of steering angles. Additionally, the deformation of tires under varying pressures and loads both vertical and horizontal is analyzed, with lateral deformation parameters outlined. Finally, the methodology for determining static camber angles is presented, offering insights into optimizing the car's handling and performance.

Keywords: wheelbase, track width, Ackermann steering geometry, roll angle, camber.

For citation: Bobrovskii, A., Zotov, A., Shabanov, A., & Chizhatkina, E. (2024). Designing the suspension system for a formula race car. Modern Innovations, Systems and Technologies, 4(4), 0601 -0609. https://doi.org/10.47813/2782-2818-2024-4-4-0601-0609

ВВЕДЕНИЕ

Подвеска автомобиля представляет собой комплекс узлов, обеспечивающий упругое соединение между несущей частью транспортного средства и дорожным покрытием. Её задача заключается не только в передаче возникающих в процессе движения нагрузок и моментов на кузов, но и в смягчении колебаний, которые появляются при преодолении неровностей дороги. Кроме того, подвеска позволяет управлять положением поворотных колёс, не затрагивая кузов. Она может быть настроена как для повышения уровня комфорта, так и для улучшения проходимости на сложных участках местности. Корректно отрегулированная подвеска обеспечивает максимально надёжное сцепление колёс с дорогой. Подвески, применяемые в гоночных автомобилях, выполняют те же функции, что и в гражданских машинах, но адаптированы к более высоким нагрузкам, а также обладают повышенной жёсткостью и безопасностью [1].

Существует множество типов подвесок, однако ключевую роль в их выборе играют требования к динамике и управляемости транспортного средства. Подвески можно условно разделить на зависимые и независимые. Зависимые подвески, такие как конструкции с жесткой осью, объединяют два колеса, фиксируя их расстояние и обеспечивая синхронность движения. Это решение отличается простотой и прочностью, однако ограничивает комфорт и динамику на сложных трассах. Независимые подвески, напротив, позволяют каждому колесу двигаться автономно, что существенно улучшает сцепление с дорогой, управляемость и плавность хода.

На гоночных автомобилях, таких как болиды класса Formula Student, выбор подвески играет критически важную роль. Здесь наиболее распространены системы на двойных

поперечных рычагах [2, 3]. Такая конфигурация относится к категории независимых подвесок и обеспечивает точный контроль положения колёс относительно дорожного полотна.

При проектировании болида Formula Student важно строго соблюдать требования регламента, так как от этого зависит допуск автомобиля к соревнованиям и безопасность его эксплуатации. Регламент определяет ключевые параметры конструкции, такие как габариты, масса, материалы, минимальные зазоры, параметры безопасности и кинематика подвески. При этом он не ограничивает выбор типа подвески, что позволяет командам выбирать наиболее подходящие решения в зависимости от поставленных задач.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

В рамках проекта было принято решение использовать подвеску на двойных поперечных рычагах. Это обусловлено её способностью обеспечивать высокую точность управления кинематикой колёс, что особенно важно для сохранения устойчивости и сцепления в условиях высоких нагрузок на гоночной трассе [4, 5]. Такая конструкция позволяет регулировать параметры, влияющие на маневренность и динамические характеристики, включая угол развала, схождение и высоту центра крена. При этом подвеска соответствует требованиям регламента, включая требования по ходу колёс (не менее 50 мм, по минимальному «рывку» - 25 мм с пилотом на борту, а также обеспечивают видимость узлов во время инспекции.

Помимо этого, регламент устанавливает дополнительные ограничения для подвески:

• дорожный просвет автомобиля должен быть не менее 30 мм;

• минимальная колесная база составляет 1525 мм;

• передняя и задняя колеи могут отличаться друг от друга не более чем на 25 %.

Для начала проектирования требуется учесть положения регламента соревнований,

желаемые характеристики подвески гоночного автомобиля и выбрать комплектующие, которые будут использоваться при её создании.

При выборе колесной базы болида класса Formula Student учитываются несколько ключевых критериев, направленных на достижение оптимального баланса между маневренностью и устойчивостью [5]. Более короткая колесная база улучшает управляемость в поворотах и уменьшает радиус разворота, что особенно важно для

преодоления сложных трасс с частыми маневрами. Однако чрезмерное сокращение колесной базы может привести к снижению устойчивости на высоких скоростях. Напротив, увеличение базы способствует лучшей устойчивости и сцеплению на прямых участках, но усложняет маневрирование. Нами была выбрана колёсная база 1550 мм чтобы облегчить компоновку электрических комплектующих болида и при этом сохранить динамику и маневренность.

Широкая колея обеспечивает лучшую устойчивость в поворотах, снижая риск опрокидывания и улучшая сцепление с дорогой, что особенно важно на скоростных участках трассы. В то же время чрезмерно широкая колея может увеличить аэродинамическое сопротивление и усложнить маневрирование на узких поворотах, где более компактная колея оказывается преимуществом.

Также важно учитывать распределение массы между осями, так как правильная ширина передней и задней колеи влияет на баланс автомобиля и сцепление колес. В дополнение к этому, выбор колеи должен соответствовать требованиям регламента, включая ограничения на габариты и минимальные расстояния между колесами. Исходя из анализа этих факторов, для болида была выбрана передняя колея шириной 1200 мм и задняя 1170 мм.

Выбор 13-дюймовых дисков вместо 10-дюймовых обусловлен необходимостью оптимизации характеристик управляемости, сцепления и размещения тормозной системы болида. Больший диаметр дисков позволяет использовать более мощные тормозные механизмы, что критично для гоночных условий, где важно эффективное замедление. Вылет дисков ЕТ-30 был выбран для увеличения устойчивости болида в поворотах, а также для оптимального распределения массы, что способствует более предсказуемому поведению автомобиля на трассе. Магниевые диски в сочетании с низкопрофильными шинами позволяют значительно снизить неподрессоренную массу автомобиля, что положительно влияет на кинематику подвески.

При выборе шин и колес для болида было принято решение использовать шины Hoosier 20^7.5-13 в сочетании с магниевыми трёхсоставными дисками Keizer. Такой комплект был выбран благодаря оптимальному балансу сцепления, массы и настройки подвески. Высокопрофильные шины Hoosier обеспечивают более эффективное сцепление на поворотах и лучше поглощают неровности трассы, что положительно сказывается на управляемости. Магниевые диски Keizer, благодаря своей трёхсоставной

конструкции, обладают лёгкостью и высокой прочностью, а также позволяют тонко регулировать вылет для достижения оптимальных параметров кинематики подвески.

В качестве демпфирующих компонентов подвески болида были использованы амортизаторы Ohlins TTX 25 и пружины Cane Creek с характеристиками 350*2,25 фунта на дюйм.

Для болида была выбрана рулевая рейка от Kaz Technologies, обеспечивающая максимальный ход в 82,5 мм при повороте рулевого вала на 248 градусов. По сравнению с аналогами, эта модель отличается высокой точностью передачи усилий, компактностью и лёгкостью.

Процесс проектирования автомобиля начинается с колес и подвески, затем разрабатывается несущая конструкция. Для автомобилей с пространственной рамой проектирование подвески ограничено, так как точки её крепления должны располагаться в ключевых узлах рамы для обеспечения жесткости и минимизации податливости.

Важным этапом является анализ ошибок предыдущих моделей, что позволяет избежать повторения проблем и улучшить характеристики нового автомобиля [6]. Сначала определяются параметры, такие как колесная база и колея, для правильного размещения колес. Затем разрабатываются компоненты передней и задней подвесок.

При установке колес важно определить точку крепления для опорных элементов, например, рычагов. Также проектируются крепления подвески к силовому каркасу, чтобы оптимизировать её работу.

После проектирования рамы разрабатываются детали рулевого управления и амортизаторов, которые устанавливаются в ключевых точках каркаса. Важно, чтобы узлы рамы располагались как можно ближе к точкам крепления подвески для повышения жесткости. Затем начинается подгонка точек крепления подвески. Этот этап может потребовать корректировок, чтобы избежать гибкости конструкции и обеспечить максимальную эффективность подвески.

При прохождении дисциплины «Восьмерка» гоночный болид испытывает перегрузку в 1g и проходит один круг за 5,8 секунды (в среднем). Это важный элемент трассы, где высокие требования предъявляются как к маневренности, так и к точности управления автомобилем. Одним из факторов, влияющих на прохождение этой трассы, является увод шин, который непосредственно зависит от перераспределения масс автомобиля при повороте. Увод шин - это угол, под которым шины отклоняются относительно продольной оси автомобиля в процессе поворота, и его величина играет решающую роль

в обеспечении оптимального сцепления с дорогой и управляемости. должна быть структурирована.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Зная характеристики увода шин и распределение масс, можно точно определить необходимые углы поворота управляемых колес для минимизации потерь сцепления и улучшения траектории прохождения поворотов. Эти параметры критичны для достижения максимальной скорости при прохождении поворотов трассы «Восьмерка». В частности, при боковом ускорении в 1g, которое характерно для этого участка, на внутреннем колесе будет возникать угол увода в 0,5 градуса, а на внешнем колесе - угол увода в 1,2 градуса. Это соотношение важно для поддержания стабильности автомобиля и предотвращения излишних скольжений.

Основываясь на этих данных, был выбран коэффициент Аккермана, который определяет степень дифференциации углов поворота колес. Для обеспечения оптимальной маневренности и стабильности на трассе «Восьмерка» был выбран коэффициент Аккермана, равный 90 % в статическом состоянии и 93 % при активной работе на трассе. Этот выбор позволяет не только снизить вероятность потери сцепления, но и улучшить реакцию автомобиля на изменения в поворотах.

Кроме того, стоит отметить, что коэффициент Аккермана играет важную роль в управляемости при прохождении как медленных, так и быстрых поворотов. Статическое значение 66 % помогает добиться хорошей балансировки между устойчивостью и маневренностью, тогда как увеличение до 70 % на более высоких скоростях позволяет адаптировать автомобиль к динамическим изменениям, возникающим при прохождении сложных трасс с интенсивными маневрами. Такой подход способствует достижению более стабильного и контролируемого поведения автомобиля на сложных участках трассы, включая элементы с резкими поворотами, такие как «Восьмерка».

Уменьшение угла наклона шкворня на 3,8 градуса снижает перераспределение массы при повороте руля, поскольку минимизируется вертикальная составляющая усилий, действующих на подвеску, улучшает контакт колес с дорогой, особенно при высоких боковых нагрузках.

Кроме того, уменьшение угла наклона шкворня уменьшает плечо обкатки -расстояние между точкой пересечения оси шкворня с поверхностью дороги и

центральной точкой контакта шины. Малое плечо обкатки снижает крутящий момент, передающийся на рулевое колесо, делая управление более легким и стабильным. Это также улучшает обратную связь рулевого управления и уменьшает реактивные усилия, вызванные неровностями дороги или изменением сцепления колес.

Угол развала был рассчитан с учётом требований двух дисциплин: автокросса и гонки на выносливость. Этот расчёт крайне важен для улучшения динамических характеристик автомобиля, так как при крене кузова угол развала меняется, что, в свою очередь, влияет на перераспределение массы. Поэтому угол развала при определённых нагрузках должен стремиться к минимальному значению, близкому к нулю. Это обеспечит максимальное пятно контакта колеса с дорогой в момент нагрузки. Помимо этого, шина деформируется под воздействием сил, возникающих при прохождении поворота.

В результате был произведён анализ деформации при разном давлении в шинах [7], а также при различных вертикальных и горизонтальных нагрузках. Изучив эти параметры, мы пришли к выводу, что при среднем давлении от 0,8 до 0,9 бар (что подходит для дисциплин автокросс и гонки на выносливость), угол боковой деформации шин колеблется от 0,1 до 0,55 градуса в зависимости от нагрузки.

После того как был определён угол деформации шины, стало возможным рассчитать угол крена кузова автомобиля относительно вертикальной оси. Для этого был рассчитан момент крена, а также жесткость подвески, с учётом всех сил, возникающих при среднем боковом ускорении, которое достигается в дисциплинах автокросс и гонке на выносливость. На основе этих расчётов был установлен угол крена, который при боковом ускорении в 1,5g составит 1,5 градуса. Эти данные позволили вычислить необходимое значение статического развала.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выбрана схема подвески с двойными поперечными рычагами и тягой pull rod через коромысло.

При проектировании задней подвески основными целями было:

• сокращение крена автомобиля;

• снижение податливости в области схождения;

• улучшение сцепления колес с дорогой за счёт исправления статического развала.

Для уменьшения крена был повышен центр крена задней оси на 98 мм относительно предыдущей версии автомобиля.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

[1] Хаммилл Д. Подвеска и тормоза: как построить и модифицировать спортивный автомобиль. М.: Легион-Автодата; 2009. 96.

[2] Власов В.С., Чижаткина Е.Д., Бобровский А.В. Проектирование подвески гоночного болида класса Формула Студент. Актуальные проблемы науки и образования в условиях современных вызовов: материалы XXX Международной научно -практической конференции. Москва; 2024: 15-19.

[3] Бражкин А.В., Головин Д.В. Анализ конструкций подвесок болида класса «Формула Студент». Международный научно-исследовательский журнал. 2016; 1(43): 14-15.

[4] Домашов Н.М., Сикорский Е.С. Основы проектирования подвески гоночного болида. Инновационный транспорт. 2015; 2(16): 72 -76.

[5] Аликин Д.С., Петухов М.Ю. Повышение устойчивости болида «Формула Студент» ПНИПУ путем оптимизации подвески. Химия. Экология. Урбанистика. 2019; 2: 13-16.

[6] Сметанин В.М. Анализ конструкции подвесок болидов класса «Формула Студент». Проблемы и перспективы разработки инновационных технологий: материалы Международной научно-практической конференции. Уфа; 2021: 38-41.

[7] Власов В.С., Чижаткина Е.Д., Определение продольного и поперечного коэффициента сцепления гоночной шины. Международный журнал прикладных наук и технологий «Integral». 2023; 4: 1168 -1174.

REFERENCES

[1] Khammill D. Podveska i tormoza: kak postroit' i modifitsirovat' sportivnyi avtomobil'. M.: Legion-Avtodata; 2009. 96. (in Russian)

[2] Vlasov V.S., Chizhatkina E.D., Bobrovskii A.V. Proektirovanie podveski gonochnogo bolida klassa Formula Student. Aktual'nye problemy nauki i obrazovaniya v usloviyakh sovremennykh vyzovov: materialy XXX Mezhdunarodnoi nauchno-prakticheskoi konferentsii. Moskva; 2024: 15-19. (in Russian)

[3] Brazhkin A.V., Golovin D.V. Analiz konstruktsii podvesok bolida klassa «Formula Student». Mezhdunarodnyi nauchno-issledovatel'skii zhurnal. 2016; 1(43): 14-15. (in Russian)

[4] Domashov N.M., Sikorskii E.S. Osnovy proektirovaniya podveski gonochnogo bolida. Innovatsionnyi transport. 2015; 2(16): 72-76. (in Russian)

[5] Alikin D. S., Petukhov M.Yu. Povyshenie ustoichivosti bolida «Formula Student» PNIPU putem optimizatsii podveski. Khimiya. Ekologiya. Urbanistika. 2019; 2: 13-16. (in Russian)

[6] Smetanin V.M. Analiz konstruktsii podvesok bolidov klassa «Formula Student». Problemy i perspektivy razrabotki innovatsionnykh tekhnologii: materialy Mezhdunarodnoi nauchno-prakticheskoi konferentsii. Ufa; 2021: 38-41. (in Russian)

[7] Vlasov V.S., Chizhatkina E.D., Opredelenie prodol'nogo i poperechnogo koeffitsienta stsepleniya gonochnoi shiny. Mezhdunarodnyi zhurnal prikladnykh nauk i tekhnologii «Integral». 2023; 4: 1168-1174. (in Russian)

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ / INFORMATION ABOUT THE AUTHORS

Бобровский Александр Викторович, канд. техн. наук, доцент, зав. кафедрой «Проектирование и эксплуатация автомобилей», Тольяттинский государственный университет, Тольятти, Россия

Alexander Bobrovskii, PhD. of Engineering Sciences, Associate Professor, Head of the Department of Vehicle Design and Operation, Togliatti State University, Togliatti, Russia

Зотов Алексей Викторович, канд. техн. наук, доцент, доцент кафедры «Проектирование и эксплуатация автомобилей», Тольяттинский государственный университет, Тольятти, Россия

Alexey Zotov, Ph.D. of Engineering Sciences, Associate Professor at the Department of Vehicle Design and Operation, Togliatti State University, Togliatti, Russia

Шабанов Алексей Алексеевич, студент 4 года обучения, кафедра «Проектирование и эксплуатация автомобилей», Тольяттинский государственный университет, Тольятти, Россия

Alexey Shabanov, 4th year student of the Department of Vehicle Design and Operation, Togliatti State University, Togliatti, Russia

Чижаткина Екатерина Дмитриевна,

старший преподаватель кафедры «Проектирование и эксплуатация автомобилей», Тольяттинский государственный университет, Тольятти, Россия

Ekaterina Chizhatkina, senior lecturer of the Department of Vehicle Design and Operation, Togliatti State University, Togliatti, Russia

Статья поступила в редакцию 23.11.2024; одобрена после рецензирования 26.12.2024; принята

к публикации 27.12.2024.

The article was submitted 23.11.2024; approved after reviewing 26.12.2024; accepted for publication

27.12.2024.