Глава 3 Критический анализ конструкций прототипа веломобиля

НЕДОСТАТКИ ВЕЛОСИПЕДА И ПЕРВЫХ МОДЕЛЕЙ ВЕЛОМОБИЛЕЙ КРИТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ЛЕГКОВОГО АВТОМОБИЛЯ НЕДОСТАТКИ ВЕЛОСИПЕДА И ПЕРВЫХ МОДЕЛЕЙ ВЕЛОМОБИЛЕЙ

Велосипед в нашей стране является самым массовым видом индивидуального транспорта. Он успешно используется молодежью, лицами среднего, старшего и даже преклонного возраста для ежедневных поездок на работу, прогулок, туризма и для перевозки малогабаритных грузов. Велосипед не используется круглогодично (рис. 3.1). Особенно интенсивно ездят только в летний период, когда погода позволяет совершать поездку с большей скоростью, в легкой спортивной одежде, не боясь попасть под дождь или снегопад, когда все располагает для эмоциональной разрядки и физической тренировки. Отсюда понятен повышенный интерес изобретателей и конструкторов к созданию более совершенных всепогодных веломашин.

Рис. 3.1. Использование велосипеда в различное время года (г. Шяуляй, 1979 г.) мужчинами (1) и женщинами (2)

Принято считать, что на сегодняшний день принципиально усовершенствовать велосипед невозможно. Несмотря на многочисленные попытки изменения конструкции (известно более 15 000 патентов), основная схема его почти 100 лет остается неизменной. Действительно, классический велосипед, применяемый для езды на плохих дорогах, трудно усовершенствовать. Однако при езде по хорошим дорогам проявляется ряд существенных недостатков велосипеда современных конструкций массового выпуска.

При езде на велосипеде для преоделения сопротивления воздуха используется большая часть всей энергии, расходуемой на приведение велосипеда в движение.

Человек, сидя на велосипеде, обращен к воздушному потоку почти максимальным «своим миделем». Чтобы уменьшить сопротивление воздуха, спортсмены вынуждены занимать низкую, не свойственную человеческому телу и его организму позу, к которой гонщик со временем привыкает и она становится для него вполне работоспособной. Здесь имеется целый ряд вопросов для критического анализа со стороны специалистов в области медицины и здравоохранения. Особенно это касается женского велосипедного спорта, существование и будущее которого как вида спорта всегда находилось под сомнением. В ряде стран он и сейчас находится под официальным запретом. И только значительные успехи женского велосипедного спорта на международной спортивной арене, его популярность во многих странах мира позволили ему получить признание Международного союза велосипедистов и Международного Олимпийского комитета.

Несмотря на высокую эмоциональность велосипедной езды, - несомненную пользу для здоровья, психики и общей физической закалки организма и тренировки мышечной системы, велосипедист во время езды находится подчас в весьма жестких условиях, когда льет дождь, летит град, из-под колес вылетает жидкая грязь. Велосипедист, совершающий туристскую прогулку, может позволить себе кратковременный отдых и переждать непогоду. Велогонщик же лишен таких возможностей и вынужден продолжать тяжелую гонку.

Веломобиль обладает в этом смысле значительными преимуществами: он позволяет cпортсмену или обыкновенному туристу удобно расположиться в мягком сидении комфортабельной кабины и защищает его от палящего солнца, дождя, пыли и грязи. Первые модели веломобилей грешили одним и тем же: копировали внешние формы мало- и микролитражных автомобилей. Конструкторы первых веломобилей, не имея опыта их эксплуатации, естественно пытались использовать уже готовые конструкторские решения, выполненные в автомобилестроении, а затем и в авиации, а точнее в планеростроении. На первых этапах это давало определенный эффект: быстро принимались и реализовывались казавшиеся верными технические идеи. Но проходило время обсуждения идей, воплощения их реальной конструкции в жизнь и наступал период опробования и испытаний. Все ложное и неудачно выбранное становилось очевидным дефектом конструкции и начинались новые творческие поиски.

Р. Бундшух, например, создавая свой педикар, решил воспользоваться идеей конструкции кабины легкого самолета. Кабина имела большой запас прочности, явно превышающий требования веломобилестроения. В результате педикар получился весьма массивным, его масса составила около 60 кг, что близко к массе легкого микролитражного автомобиля, приводимого в движение с помощью бензинового двигателя, который мощнее человека в несколько раз. А педикар приводит в движение человек! Значит, налицо явное несоответствие массы и мощности. Но опыт Р. Бундшуха сделал свое дело. Он показал реальную возможность создания такого экипажа, который может позаимствовать самые главные качества велосипеда и автомобиля: самодвижение без какого бы то ни было бензинового, газового и тому подобного двигателя и создание автомобильного комфорта в миниатюре.

К сожалению, ошибки предшественника современных веломобилей многократно повторялись. Вот веломобиль, завоевавший первое место в конкурсе, проведенном одним из журналов (рис. 3.2). По внешнему виду это настоящий микролитражный автомобиль. Судя по кузову и колесам, его масса не менее 100 кг. Чтобы привести веломобиль в движение, требуется значительная энергия, которую можно заранее накопить, например, раскручивая маховик. Председатель жюри — опытный инженер — предложил автору поставить фрикционное сцепление, как в автомобиле. Велосипед со сцеплением... Веломобиль по автомобильным критериям внешне красив, но его технические решения сплошь неприемлемы. Трение качения широких колес малого диаметра в 2–3 раза больше, чем обычного велосипеда. Люди сидят рядом и прямо. Мидель такой же. как и у автомобиля или тихоходного водного велосипеда. Ехать одному в таком веломобиле тяжело, а по плохой дороге лучше идти пешком.

Рис. 3.2. Автомобильный подход к конструированию веломобиля (проект 1978 г.)

Одно из основных свойств веломобиля — малая масса. Не стоит повторять ошибки, заимствованные у автомобиля. Масса одноместного веломобиля не должна превышать 20 кг. Возможно, тому, кто не спешит и ездит по ровным дорогам, любит статический комфорт, может понравиться удобный, но тихоходный веломобиль. Но из истории транспорта следует, что обычно больше всего ценится скорость, т. е. «легкость» хода.

 

КРИТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ЛЕГКОВОГО АВТОМОБИЛЯ

Первые автомобили были весьма громоздки, но достаточно экономичны по сравнению с современными «монстрами» скоростных автострад. Погоня за скоростью и комфортабельностью сделала современный автомобиль неэкономичным. С самого начала изобретения автомобиля конструкторы старались улучшить его экономичность. Примером может служить знаменитый массовый автомобиль Форда, автомобили фирм «Фольксваген», «Рено», «Ситроен». В послевоенные годы в Европе заинтересовались малогабаритными автомобилями. В 1955— 1958 гг. одна из фирм ФРГ выпускала маленький двухместный автомобиль длиной 2,8 м. Места располагались одно за другим, а вместо дверей была подъемная, как у кабины самолета, верхняя часть. Два управляемых колеса находились впереди, а одно ведущее. — сзади. Мощность двигателя — 7.5 кВт, а скорость достигала 88 км/ч.

Идея создания малых автомобилей всегда привлекала конструкторов, но сегодня в условиях перенаселенных городов и надвигающегося энергетического кризиса она приобрела особое значение. В настоящее время возрос спрос на двухместные автомобили. В Японии, например, маленькие автомобили особенно популярны, так как там ездят в основном на небольшие расстояния. Экспериментальный одноместный автомобиль фирмы «Субару» с двигателем мощностью 20 кВт при скорости 88 км/ч потребляет только 2,4 л бензина. Одноместный автомобиль фирмы «Судзуки» с двигателем мопеда объемом 50 см³ и пластмассовым кузовом развивает скорость 50 км/ч, а потребляет только 2 л бензина на 100 км. Создание сверхэкономичных автомобилей стало своеобразным спортом — состязанием технических идей и технологических решений (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Сверхэкономичные автомобили для соревнований

Рассмотрим основные недостатки автомобиля. Одной из основных характеристик транспортного средства является соотношение его собственной и полезной масс. Для легкового автомобиля это соотношение составляет около 10, хотя у лучших автобусов оно может быть только 1,3, а у грузовиков даже  - 0,4. Большая масса — это большое сопротивление со стороны дороги и сил инерции. Для преодоления этого сопротивления требуется мощный двигатель — источник шума и загрязнения воздуха. К сожалению, масса современных автомобилей уменьшается очень медленно и это является первым в нашем перечне недостатком.

Вторым недостатком массового автомобиля является его плохая обтекаемость. Хотя визуально новые автомобили кажутся все более обтекаемыми, на самом деле коэффициент его аэродинамического сопротивления снижается медленно и почти в 10 раз превышает этот коэффициент фюзеляжа планера. При больших скоростях аэродинамические потери энергии становятся преобладающими.

Попробуем представить себе новый автомобиль, сконструированный по авиационным принципам, и назовем его для краткости «авиамобиль» (рис. 3.4).

рис. 3.4. Проект «Авиамобиль» (1982 г.)

Для того чтобы уменьшить сопротивление воздуха, пассажиров правильнее расположить не рядом, а друг за другом. Такая необычная компоновка имеет большие преимущества. Как известно, с водителем разговаривать не рекомендуется, поэтому необязательно создавать для этого условия. Кроме того, в такой автомобиль водителю садиться и выходить со стороны тротуара более безопасно. При управлении в нем гораздо лучше чувствуются габаритные размеры машины, увеличивается обзор.

Важным является фактор устойчивости, который определяется отношением ширины колес к высоте положения центра масс, равным 2. Принятое положение пассажиров «авиамобиля» в позе полулежа способствует улучшению устойчивости машины за счет уменьшения высоты положения центра масс при одновременном уменьшении площади его миделя.

Ниже приведены некоторые сравнительные характеристики серийного автомобиля ВАЗ–2101 и «авиамобиля».

Характеристики ВАЗ–2101 и «авиамобиля»

	ВАЗ–2101	«авиамобиль»
Собственная масса, кг	955	150
Длина, м	4,07	3,5
Высота, м	1,44	1,0
Ширина, N	1,6	1,0
Мидель, м2	1,8	0,7
Коэффициент аэродинамического сопротивления	0,45	0,15
Мощность двигателя, кВт	45,6	3–9
Максимальная скорость, км/ч	140	100
Расход топлива, л/100 км	10	1–2

Технические характеристики «авиамобиля» делают возможным применение электропривода. Для движения в городе со скоростью 60 км/ч вполне достаточно мощности 1 кВт. В условиях современного города дневной пробег автомобиля индивидуального пользования не превышает 100 км. Следовательно, дневной запас энергии должен составлять всего 2 кВт•ч. Масса аккумулятора такой энергоемкости составляет около 50 кг.

Многочисленные достоинства легкового автомобиля всем хорошо известны. Всем также хорошо знакомы, хотя и в меньшей степени, печальные последствия автомобилизации наших городов, приводимой к массовой утрате подвижности человека, столь необходимой ему для его нормальной жизнедеятельности в настоящее время и в будущем. Веломобиль, как антипод автомобиля, обладает определенными достоинствами, весьма полезными для своего владельца и для окружающего его мира, людей и природы.