МОДЕЛЬ КОМПАКТНОГО ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА “SAFECAR ”

Селеменев Дмитрий Алексеевич

студент Поволжского государственного университета телекоммуникаций и информатики,

РФ, г. Самара

E -mail: 

">gaz163@mail.ru

Стефанова Ирина Алексеевна

канд. техн. наук,
доц. Поволжского государственного университета телекоммуникаций и информатики,

РФ, г. Самара

E -mail: aistvt@mail.ru

MODEL OF COMPACT VEHICLES “SAFECAR”

Dmitry Selemenev

student of Volga Region State University of Telecommunications and

Informatics,

Russia, Samara

Irina Stefanova

phD (Science),
assistant professor of Volga Region State University of Telecommunications and Informatics,

Russia , Samara

АННОТАЦИЯ

В статье рассматриваются авторское компактное транспортное средство и его сравнение с аналогами по запасу устойчивости.

ABSTRACT

The article describes the author's compact vehicle and provides its comparison with analogues by ‘sustainability’ criterion.

Ключевые слова: компактное транспортное средство; безопасность; экология; городская индустрия; система устойчивости.

Keywords : compact vehicle; safety, ecology; urban industry; system stability.

В наши дни личный автомобиль уже не обеспечивает горожанину необходимую мобильность и скорость передвижения. Бесконечные пробки и поиск места на парковке вынуждают многих выбирать альтернативные способы передвижения. Молодежь все больше предпочитает скутеры, компактные транспортные средства, велотранспорт.

Из-за загруженности дорог, изобретатели и инженеры стремятся создать максимально компактные, но в то же время удобные транспортные средства (ТС). Специально для этого автором [1] был разработан опытный образец Safecar – небольшое и маневренное транспортное средство для одного, двух или трех человек, в зависимости от комплектации, призванное разгрузить городские дороги. Компактный автомобиль станет королем дороги: он легко просочится в зазор между собратьями по пробке, удобно припаркуется, позволит городу не сносить придорожные дома, чтобы расширить проспекты.

На сегодняшний день создано многообразие концептов компактных транспортных средств и изобретений, но, как правило, они не запускаются в серийное производство. И связано это с тем, что у них технологические и эксплуатационные характеристики не соответствуют требованию времени и научному подходу, а также цена на транспортное средство для потребителя остается высокой. Поэтому автор предлагает свое экономичное, экологически чистое, безопасное ТС [1].

В статье рассматривается концепт, претендующий на то, что его основные показатели, такие как безопасность движения, при прохождении поворотов, маневренность, безопасность при столкновениях, простота эксплуатации, низкая себестоимость, экономичность превосходят все предложенные ранее аналогичные транспортные средства, которые были выявлены автором в процессе работы над проектом ТС.

Сравним две схемы существующего и предлагаемого транспортных средств на устойчивость при прохождении поворотов. Существующие транспортные средства имеют четыре колеса, за счет чего достигается его устойчивость. Автор предлагает альтернативный вариант – трехколесную схему, называемую ромбической [2]. Для увеличения устойчивости трехколесной схемы предлагается снабдить ТС дополнительными четырьмя опорными колесами, размещенными по ромбической схеме, приведенной на рисунке 1.

Рисунок 1. Схема ТС на устойчивость при прохождении поворотов

Эта схема практически совпадает с расчетной схемой традиционного одноколейного ТС типа велосипеда или мотоцикла. Исследуем эту схему на устойчивость предлагаемого ТС при прохождении поворота.

Для этого рассмотрим уравнение равновесия центра масс ТС при его повороте [1]:

                                 (1)

где: m – масса ТС, V – его скорость движения,  – радиус поворота, h_g – высота центра масс, g – ускорение свободного падения и a – угол поворота ТС.

На рисунке 2 приведена схема равновесия центра масс, при использовании которой, была получена расчетная формула угла крена.

Преобразуя уравнение (1) относительно угла крена, мы получим:

                                                  (2)

Из полученного соотношения (2) видно, что устойчивость такого ТС при движении на повороте при задании соответствующего крена не зависит ни от массы, ни, что очень важно, от высоты центра масс, что особенно ценно, т. к. именно высота центра масс является главным отрицательным фактором, влияющим на устойчивость ТС обычной четырехколесной схемы.

Рисунок 2. Схема равновесия центра масс одноколейного ТС при повороте

Расчет по формуле (1) показывает, что при V=30 км/час и радиусе поворота r =15 м, угол поворота составляет α=25°. Для большинства ТС характерен данный показатель. Попытаемся его улучшить путем добавления дополнительных боковых буферов, которые путем наклона кузова уменьшат угол поворота до меньших величин, но это не повлияет на скорость поворота.

В принципе все трехколесные и одноколейные ТС без гироскопов стабилизации устойчивости имеют такую же зависимость (2). Для четырех колесных ТС угол наклона кузова ориентировочно 12° …18°. Получается, что затраты на устойчивость четырехколесного ТС себя не оправдывают.

Для уменьшения затрат на устойчивость ТС автором предлагается схема, которая приводиться на рисунке 3. Исходя из приведенного рисунка 3, был проведен расчет необходимого угла наклона кузова, предлагаемого ТС.

Уравнение моментов (3) относительно точки контакта внешнего колеса буферной системы можно рассчитать по формуле:

                        (3)

где: m_k – масса кузова, m_б – масса буфера, V – скорость ТС, R_пов.– радиус поворота, Н – высота ТС, H_gb – высота точки опоры колеса бокового буфера, a – угол наклона кузова, B – ширина ТС, Х_бал. – ширина поперечной балки, Х_кол. – радиус колеса.

Рисунок 3. Расчетная схема концепта

Предлагаемая схема ТС работает по принципу двух связанных определенным образом систем: первая система это чистое одноколейное транспортное средство, имеющее собственную массу порядка 70 % от общей массы ТС, остальные 30 % (15 % – левый буфер +15 % – правый буфер) приходятся на боковую (буферную) систему. Буферная система определяет собственно поперечный размер ТС и представляет собой двухколейную транспортную систему с самоориентирующимися колесами. Как было показано выше (рис. 2), она не несет на себе основную массу ТС, но может дополнительно нагружать первую систему.

 Взаимное центрирование двух систем осуществляется за счет горизонтального шарнира (рис. 3, Н_осев.), причем первая система (в чистом виде одноколейное ТС) совершает наклоны по принципу обратного маятника, где осью является точка контакта колеса с дорогой, а помогает этому буферная поддерживающая система имеющая связь в виде тяги с рулевым механизмом обычного ТС. По сути, частью рулевого механизма является передняя вилка с рулем и установленным на нем с определенным выносом шарнир, связанный тягой с буферной системой [2]. Буферная система имеет в своем составе самоустанавливающиеся колеса, которые отклоняются в определенной пропорции от угла наклона кузова и высоты расположения горизонтального шарнира.

Для оценки работоспособности схемы в качестве ТС сделаем некоторые преобразования и упрощения уравнения (3). Введем относительные массы частей ТС. В нашем случае центральная часть 0,7m, буферные – 0,15m, где m-масса ТС равная 7 кг. Приведем моменты от центробежных сил буферной части к единому радиусу поворота. Для сравнения существующего и предлагаемого транспортных средств возьмем одни и те же значения скорости, радиуса поворота и угла наклона. При радиусе поворота ТС 15 м, скорости 30 км/час и угле поворота 25 градусов, получим:

или                 (4)

Условие обеспечения безопасного движения ТС при заданных параметрах имеет вид:

,                                           (5)

Сумма факторов, стабилизирующих устойчивость, больше или равна сумме дестабилизирующих факторов. При решении данного неравенства получим запас по устойчивости ТС.

Подставив в уравнение (4) все необходимые для расчета данные получим (для a=25°) 7,58 £ 7,839 + 1,61 или 7,58 £ 9,45 запас устойчивости равный (9,45 – 7,58) = 1,87. В таблице 1 приведены результаты расчета запаса устойчивости ТС в зависимости от разных значений его угла наклона.

Таблица 1.

Расчет запаса устойчивости ТС

Анализируя расчетные данные табл. 1, можно сделать вывод, что запас ТС по устойчивости с добавлением дополнительных боковых буферов, уменьшают угол поворота ТС до величин порядка a=5°, при котором еще имеется запас его устойчивости.

Приведенный расчет показал, что проектируемое ТС будет обладать параметрами устойчивости и маневренности, превосходящими существующие схемы ТС. По сравнению с обычным ТС мы имеет более комфортабельное ТС по его углу наклона не менее чем в пять раз (25°/5°=5). Этот запас можно использовать для увеличения скорости или уменьшения радиуса поворота.

 Список литературы:

1. Сайт для общения творческих людей – [Электронный ресурс]: URL http:// samsud.ru/news/yunyi-uchenyi-iz-samary-predstavit-svoe-.html (27.03.2015).
2. Транспортное средство с четырьмя опорными колесами – [Электронный ресурс]: URL http://www.freepatent.ru/patents/2455188 (10.07.2012).