Проект Веломобиль КГБ
Проектирование
В последнее время автомобильные пробки и смог стали основными проблемами не только крупных мегаполисов, но и небольших провинциальных городов. Развитие велотранспорта является само собой разумеющимся решением данной проблемы, потому что велосипед более мобильный и маневренный транспорт, очень компактный, не требует топлива и не загрязняет окружающую среду. А также велосипед призван значительно сократить время на дорогу для большинства жителей городов.
С момента изобретения человеком велосипеда насчитывается уже несколько сотен лет. Со временем конструкции велосипедов изменялись и усложнялись, а также появился новый тип конструкции, называемой веломобилем (рис.1). Веломобиль – это нечто среднее между обычным велосипедом и автомобилем, он призван объединить их преимущества и исключить недостатки. Конструкций веломобилей насчитывается уже несколько десятков, причем каждая предназначена для выполнения определенных задач.
Рис.1 Спроектированная модель Веломобиля.
Целью нашей научно-конструкторской работы является создание веломобиля, который отвечает требованиям задания на проектирование и по возможности имеет наилучшие характеристики транспортного средства передвижения.
Перед участниками конкурса «Веломобиль 2007» была поставлена задача спроектировать веломобиль, который может перевозить двух взрослых людей, помещаться в автомобиль с кузовом «седан», и пассажирские места располагаются в ряд, перпендикулярно направлению движения. Выбранная схема (рис.1), на наш взгляд должна сочетать в себе приемлемые ходовые качества, гармоничный внешний вид и эргономику. Веломобиль проектировался под двух взрослых людей, обладающих ростом до 190 см и весом до 100 кг каждый.
Основываясь на анализе существующих конструкций, а также располагаемыми материальными, интеллектуальными и временными ресурсами, сформировалась концепция веломобиля.
Конструкция веломобиля имеет трехколесную несимметричную схему компоновки, так как на наш взгляд, она является наименее материалоемкой и потенциально имеющей меньшие габариты, по сравнению с четырехколесной схемой.
Рассмотрим факторы, обуславливающие конструкцию веломобиля:
1. Веломобиль представляет собой трехколесное транспортное средство, у которого два колеса расположены друг за другом, по ходу движения, а третье расположено справа, по типу люльки мотоцикла. Оси задних колес совпадают.
Рулевым и ведущим является переднее колесо, т.к.:
• упрощается схема рулевого управления с закреплением руля непосредственно на вилке управляемого колеса (как на обычном велосипеде).
• большая часть массы сосредотачивается между передним и задним колесами и находится в пределах опорного треугольника, поэтому нет необходимости дополнительно загружать переднюю ось.
Оси задних колес совмещены т.к.:
• при повороте веломобиля задние колеса остаются параллельными, поэтому для устранения протирания колес они должны поворачивать вокруг одного и того же МЦС.
• достигается равномерное распределение массы пассажира между двумя задними колесами.
Переднее и заднее колеса расположены друг за другом, поскольку:
• появляется возможность использовать двухколесный веломобиль после отсоединения рамы с третьим колесом для второго пассажира (рис.2);
• по нашим расчётам, при переднем приводе и торможении двумя колесами достигается более стабильное поведение трехколесного веломобиля на повышенной скорости и при торможении.
Рис.2 Модель Веломобиля в двухколесном варианте.
2. Необходимость поместить двух человек в ряд делает любой веломобиль достаточно широким в поперечном измерении (минимальная ширина - 80 см, 40 см примерная ширина плеч человека). Поэтому размещение пассажиров непосредственно в ряд не компактно. Также появляется опасность опрокидывания веломобиля при повороте направо, что требует смещения колеса люльки вперед. Исходя из вышесказанного, пассажир смещен назад так, что его центр тяжести находится на оси задних колес, а ноги упираются в упор, расположенный в пределах опорного треугольника (рис.3).
Ширину 80 см между крайними положениями водителя и пассажира а также колею веломобиля равной 80 см удалось выдержать благодаря вышеуказанной компоновке.
Рис.3 Моделирование положения пассажиров.
3. Веломобиль должен помещаться в багажник, следовательно он должен быть:
• разборным, т.е. обладать возможностью отсоединения отдельных узлов (например, люльки, сидения, колес);
• складным, т.е. обладать возможностью сборки и разборки без отсоединения каких-либо узлов;
• разбираться и собираться модульно;
• иметь колеса возможно меньшего диаметра, для веломобиля оптимальными оказались 20 дюймовые колеса;
Рис.4 Веломобиль в сложенном виде.
Модульная конструкция обеспечивает разборность изделия. Модульными являются следующие узлы веломобиля: передняя часть рамы с передним колесом, рулем и приводом; задняя вилка с задним колесом; люлька со складным сиденьем и третьим колесом; водительское сиденье. При этом данные узлы не разбираются. Чтобы поместить веломобиль в багажник, необходимо отсоединить только люльку и водительское сиденье, а передняя и задняя части рамы складываются. При наличии багажника небольшого объема, также можно отсоединить дополнительно два задних колеса от задней рамы и люльки соответственно (рис.4).
Для достижения высокой скорости, при небольшом диаметре ведущего колеса, были дополнительно установлены 6 скоростей и ведущая звездочка большого диаметра. Это позволило получить широкий диапазон передач, как силовых, так и скоростных.
4. Передний привод является конструктивно насыщенным, но, что более важно, не разборным узлом, позволяющим избегать его настройки после каждой транспортировки в сложенном состоянии. Передний привод сочетает в себе педальный привод и механизм рулевого управления, которые дополняют друг друга (рис.5).
Рис.5 Компоновка переднего привода веломобиля.
Направляющие ролики цепи позволяют легко выполнять поворот и передавать вращающий момент на ведущее переднее колесо. Установленный на переднем колесе, переключатель скоростей нивелирует изменение натяга и длинны цепи во время поворота, а установленный на вилке ограничитель поворота не позволяет цепи задевать за колесо и изгибаться более установленных пределов.
5. Положение пассажира и водителя.
Для переднеприводной схемы компоновки веломобиля наиболее удобным получилось положение водителя в полулежащем состоянии (рис.3). Такое положение позволяет наиболее полно и оптимально использовать мускульную силу человека, а также разгрузить мышцы спины. Специальное сидение, повторяющее форму человеческого тела, позволяет использовать большую часть мощности и не мешает работе ног при движении. Крепление сидения разработано с точки зрения надежности и возможности настройки для человека с ростом 150-190 см и весом 50-100 кг. Сидение для пассажира конструктивно более простое, с возможностью складывания.
6. Жесткость конструкции.
Жесткость конструкции является необходимым фактором нормального функционирования любого устройства. С другой стороны неоправданно прочная конструкция может значительно увеличить массу и ухудшить множество других факторов, таких как аэродинамика, внешний вид, габаритные размеры, ходовые характеристики и прочее. Для получения рамы с желаемыми характеристиками использованы специальные тонкостенные трубы большого диаметра, изготовленные из углеродистой марки стали. Такое конструкторское решение позволило создать легкую и одновременно прочную раму веломобиля. Специальные элементы конструкции разгружают наиболее опасные участки рамы – зоны концентрации напряжений. Только после компьютерного моделирования и расчета всей конструкции на прочность, как в штатных режимах, так и с учетом возможных перегрузок, были окончательно разработаны рабочие чертежи и другая сопровождающей документация.
7. Использование современных методов проектирования.
Учет всех вышеперечисленных факторов при проектировании переднего привода в столь сжатые сроки практически не возможен без использования современных компьютерных технологий в области проектирования и расчета конструкций. Проведен расчёт положения цепи при любом углу поворота рулевого колеса, а также вычислен максимальный угол поворота на любой звездочке кассеты для данной конструкции (рис.5). Аналогичные расчеты выполнены также для педалей и ног водителя. По условиям конкурса было необходимо, чтобы конструкция складывалась в багажник автомобиля типа седан.
По трудоёмкости эти задачи не могут быть решены средствами только двухмерного черчения, поэтому разработка и проектирование конструкции веломобиля производилась средствами трехмерного твердотельного пакета САПР. Спроектированная модель веломобиля позволила в несколько раз сократить время разработки чертежей, а также получить фотореалистичное изображение веломобиля уже на стадии проектирования. Данная методика проектирования является, на наш взгляд, перспективной, оптимизированной и правильной, так как сначала создается трехмерная модель, а уже на её основе делаются чертежи.