СПОСОБЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ТРУБЧАТЫХ РАМ БОЛИДОВ КЛАССА «ФОРМУЛА СТУДЕНТ»

В настоящее время в России все большую популярность набирает «Формула Студент» (Формула SAE) – студенческие инженерные соревнования, заключающиеся в разработке и постройке по единому регламенту за год «с нуля» гоночного автомобиля формульного класса коллективом студентов для дальнейших соревнований с другими командами как в динамических, так и в статических дисциплинах.

Постройка гоночного болида включает в себя разработку и изготовление множества систем автомобиля, в том числе несущей системы.

Регламент соревнований «Формула Студент» [1] позволяет командам сделать выбор среди двух принципиально разных видов несущей системы болида:

1. Пространственная трубчатая металлическая рама;
2. Несущая система из композиционных материалов - монокок (monocoque).

Изготовление монокока – сложный и дорогостоящий процесс, требующий от команды не только значительных материальных затрат, но и высокую квалификацию и знания в области расчетов, проектирования, изготовления и испытания изделий из композиционных материалов. Также для несущих систем из композиционных материалов регламент требует предоставить судьям подробный отчет о проведении всех необходимых испытаний и расчетов, доказывающих что спроектированная конструкция выдержит все необходимые нагрузки и удовлетворяет требованиям безопасности.

Для пространственной рамы этого не требуется. В связи с этим, большинство команда, в особенности начинающих, строят машину с наиболее технологичной и дешевой пространственной трубчатой металлической рамой, поэтому материал статьи будет особенно полезен для начинающих отечественных команд.

Несущая система, играет одну из ключевых ролей в конструкции любого спортивного или гоночного автомобиля. Она является основанием, к которому крепятся все основные узлы и агрегаты автомобиля – двигатель, трансмиссия, подвеска и т. д. В то же время, несущая система воспринимает все нагрузки при движении автомобиля и обеспечивает необходимую безопасность в случае возникновения аварийных ситуаций. Поэтому от нее требуют высоких показателей в таких аспектах как прочность, жесткость и технологичность.

Как правило, элементы пространственной трубчатой рамы принято соединять с помощью сварки – TIG сваркой или полуавтоматической. Но в зависимости от того, каким способом в процессе сборки выставляются в пространстве относительно друг друга элементы рамы, можно выделить два основных способа:

1. С использованием индивидуального сварочного кондуктора;
2. С использованием универсального сварочного стола.

Рассмотрим первый способ. Сварочный кондуктор – это приспособление, позволяющее производить объемную фиксацию всех деталей для сборки и сварки. Погрешность установки деталей сводится к минимуму, т. к. установить деталь в кондукторе можно только в одном единственном положении, а скорость и простота сборки значительно возрастают. Растет точность сварки, а влияние сварочных деформаций минимизируется. Также стоит отметить сравнительно низкую себестоимость самого кондуктора. Однако у данного способа существуют и минусы – точность сборки изделия целиком зависит от точности изготовления и сборки кондуктора, также разработка самого кондуктора является весьма сложной и трудоемкой задачей. Самым существенным минусом является то, что каждый кондуктор индивидуален, т. е. для каждой новой рамы необходимо проектировать и изготавливать новое приспособление.

Как правило, для рам болидов «Формула Студент», кондуктор представляет из себя стальные листы толщиной 3-6 мм с вырезанными на них лазерной резкой пазами под трубы и установленные в поперечном направлении на едином основании как несколько поперечных сечений рамы. Также могут встречаться варианты где вместо листов применяют прямоугольные профили с фрезерованными пазами, соединенные с помощью резьбовых соединений либо комбинированные варианты с листами и профилями (рис.1).

Рисунок 1. Сборка задней части рамы болида команды «TU Brno racing»

Перейдем к рассмотрению второго способа. В его основе лежит использование универсальных сварочно-сборных столов (рис. 2). Они представляют собой конструкцию, оборудованную модульной системой позиционеров, которые позволяют помещать детали самых разнообразных форм и размеров и производить не только операции по сварке, но и сборку, чистку, шлифовку изделий. Помимо сварочного стола необходимы соответствующие опоры, блоки, уголки, зажимы, струбцины и быстрозажимные болты. В целом, такие столы обладают высокой точностью фиксации изделий, но наиболее значимый плюс – это универсальность, такие столы можно использовать не только для сборки и сварки рам нескольких болидов, но и для изготовления любых его деталей и узлов. Недостатками являются высокая стоимость всего комплекта оборудования и оснастки, наличие иногда значительных погрешностей установки, связанных с использованием обычного измерительного инструмента и ошибками при выставлении элементов рамы, а также более трудоемкий и сложный процесс установки и сборки, что требует оригинального решения при закреплении каждого элемента и наличия навыков работы с данным оборудованием у студентов.

Рисунок 2. Сборка рамы болида BRT-7 команды «Bauman Racing Team»

Таким образом, каждый из рассмотренных способов обладает своими достоинствами и недостатками. Окончательное решение команды каким способом изготавливать раму будет зависеть от множества факторов: уровня финансирования команды, спонсорской поддержки, наличие у членов команды опыта работы в области сварки пространственных рам, опыта работы со сварочным оборудованием, времени за которое необходимо изготовить раму.

Список литературы:

1. Formula Student Rules 2020 [электронный ресурс] URL: https://www.formulastudent.de/fsg/rules/
2. Компьютерное проектирование и подготовка производства сварных конструкций : учеб. пособие для вузов / Куркин С. А., Ховов В. М., Аксенов Ю. Н. [и др.] ; ред. Куркин С. А., Ховов В. М. - М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2002. - 463 с. : ил. - Библиогр.: с. 462-463. - ISBN 5-7038-2053-7.
3. Талыпов Г. Б. Сварочные деформации и напряжения / Г. Б. Талыпов. – Ленинград: «Машиностроение», 1973. – 280 с.