Сопряжение поверхностей и его особенности

Если рассматривать с этой точки зрения различные виды сопряжений, получится следующая картина. При совпадении поверхностей по тангенциальности блик в точке стыка имеет излом. Например, если плоскую и сопряженную с ней радиусную поверхности осветить линейным источником (лампа дневного света), то линия отражения «сломается» при переходе с одной поверхности на другую. Такой же эксперимент с сопряжением второй степени непрерывности даст более гладкий результат, но во многих случаях линия отражения будет иметь S-образную форму с точкой изменения направления кривизны в месте стыка. Гораздо лучший результат будет при степени непрерывности, равной 3. В этом случае линия, характеризующая изменение кривизны, также не имеет перелома.

Таким образом, можно сказать, что степень непрерывности блика на единицу меньше, чем у поверхностей, дающих его. Соответственно, визуальные свойства требуют более сложных сопряжений, чем просто математическое соответствие. Если освещение не дает четко различимых бликов, то поверхность воспринимается по уровню освещенности, и дефекты не так заметны, но все равно имеют большое значение для эстетической оценки. Проблема заключается в том, что если, используя программу-моделер, задавать сопряжение филлетом (прокатка виртуального шарика), а это наиболее простой и быстрый способ, то при выводе на станке с числовым программным управлением (ЧПУ) или другим автоматизированным способом физическая модель будет иметь именно такую поверхность. При изготовлении модели вручную, даже если в чертеже или на плазе указано радиусное скругление, фактически получается более сложное и правильное сопряжение (естественно, при условии высокой квалификации модельщика).

Другой малоизвестной особенностью качества сопряжения поверхностей является его влияние на поверхностные напряжения. Рассмотреть это можно на примере испытания литого колесного диска. Поверхность диска состоит из трех основных элементов: обод, ступица и спицы. Сопряжение ступицы и спиц имеет радиусное сечение, т.е. степень непрерывности поверхностей равна 1. Разрушение диска произошло именно по кромкам скругления на спицах. При этом форма этих кромок очень сложная и заведомо не определяет наиболее слабое сечение. В процессе цикличного нагружения во время испытаний в зоне с низкой степенью непрерывности образовывались трещины, распространяющиеся строго по линии стыка. Очевидно, что подобные элементы сами являются концентраторами поверхностного напряжения и не являются идеальным методом сопряжения не только с точки зрения образа, но и с точки зрения прочности.

Построение модели

Чтобы использовать такой мощный инструмент как CAD/CAM/CAE системы с наибольшей отдачей, необходимо знать и учитывать все его особенности. Кажущаяся легкость применения таит опасность оказаться заложником математического аппарата, который имеет свои недостатки и ограничения.

С появлением средств быстрого моделирования, таких как стереолитография, LOM-технология и 3D-принтеры, появилась возможность быстрой визуальной оценки разработанной поверхности. Для качественной оценки также используют деревянные макеты, полученные на ЧПУ комплексах, которые позволяют достаточно быстро изготовлять крупные объекты с хорошей точностью и невысокой стоимостью.

Из опыта работы можно сказать, что часто на образце, изготовленном непосредственно по математической модели, элементы, оцененные при ее построении как успешно выполненные, выглядят дефектно. И наоборот, так и не добившись желаемого качества САПРовской модели, можно обнаружить, что в реальности проблемное место выглядит правильно. Поэтому, чтобы сэкономить время, очень важно иметь возможность неоднократно проверить модель.

Наибольшую трудность представляет построение сложной видовой поверхности по данным обмера пластилиновой или деревянной модели, полученной вручную дизайнером или модельщиком. Имея в качестве исходных данных массив точек обмера, необходимо пройти некоторую цепочку действий, обеспечивающую корректное построение. Такой алгоритм зависит от опыта разработчика и в принципе индивидуален, но в самых общих чертах может состоять из следующей последовательности этапов [1, 2]:

– определить назначение изделия, требуемую точность, точности изготовления модели и обмера;

– если у детали есть поверхности стыковки, точно задаваемые соседними узлами, то их необходимо построить и выставить в нужное положение;

– совместно с автором пластилиновой или деревянной модели установить характерные поверхности, законы изменения кривизны, зоны возможных отклонений от модели (часто дизайнер после завершения модели видит, что еще можно изменить);

– используя точки и информацию обмера, построить характерные поверхности, т.е. поверхности, имеющие единый закон изменения кривизны и достаточно целостную геометрию. Крайне желательно определить их еще на этапе обмера и снять точки, позволяющие задать средствами среды CAD необходимые поверхности с наименьшими трудностями;

– между базовыми поверхностями задать поверхности перехода, учитывая необходимые и желательные сложность и качество сопряжений, которые зависят от относительных размеров поверхностей и визуальных требований;

– если есть такая возможность, построенные элементы поверхности необходимо ввести в среду программного обеспечения измерительного комплекса и произвести проверочный обмер;

– с учетом результатов проверки поверхности уточняются и окончательно доводятся.

Отметим, что данная последовательность может и должна меняться в зависимости от конкретных задач и наличия тех или иных технических возможностей.

Заключение

В заключении отметим, что в общем случае в дизайн-проектировании транспортных средств присутствуют три основные проблемы: создание и редактирование сложных видовых поверхностей; анализ и диагностика качества кривых и поверхностей в реальном масштабе времени; визуализация проектов.

Список использованных источников

1. Носков, Д. Ю. Алгоритм трехмерного объемного сканирования и создания поверхностных и твердотельных компьютерных моделей / Д. Ю. Носков, Н. М. Филькин // Информационные технологии в инновационных проектах : Труды II Междунар. науч.-техн. конф. – Ижевск : Изд-во «Механический завод», 2000. – С. 133–134.

2. Опыт проектирования поверхностных компьютерных моделей изделий автомобильной техники / В. А. Умняшкин, Д. Ю. Носков, С. В. Громовой, Н. М. Филькин // Информационные технологии в инновационных проектах : Труды III Междунар

 науч.-техн. конф. – Ижевск : Изд-во «Ижевский радиозавод», 2001. – С. 155–157.

Новые модели гибридных автомобилей и электромобилей, созданных в мире в 2021 году

УДК 629.01

А. Н. Винокурова, кандидат технических наук

Н. М. Филькин, доктор технических наук, профессор

Ижевский государственный технический университет

имени М. Т. Калашникова

[email protected]

Представлены результаты краткого обзора и анализа гибридных легковых автомобилей и электромобилей, созданных ведущими автомобильными фирмами в мире в 2021 г., и показателей эксплуатационных свойств этих автомобилей.

Ключевые слова: легковой автомобиль, гибридный автомобиль, электромобиль, электрический двигатель, тягово-скоростные свойства, топливная экономичность.

Введение

Известно, что одним из наиболее эффективных направлений повышения топливной экономичности, экологических свойств, улучшения тягово-скоростных свойств легковых автомобилей, более простого способа автоматизации трансмиссии и обеспечения распределения мощности по ведущим осям автомобиля является создание комбинированных (гибридных) энергосиловых установок, состоящих, как правило, из теплового и электрического двигателей [1].

Другим перспективным направлением повышения экологических свойств является создание электромобилей. Например, до 2021 г. требования у легковых автомобилей по выбросу CO₂ составляли 130 г/км, а с 2021 г. – до 95 г/км. Такого показателя сложно достигать, применяя бензиновые и дизельные двигатели.

Этими перспективным направлением в настоящее время занимаются практически все ведущие автомобильные фирмы мира. В 2021 г. следует выделить следующие перспективные разработки по созданию такого типа автомобилей.

Наиболее перспективные направления и разработки электромобилей в 2021 г.

Компания ООО «ЗЕТТА» в 2021 г. планирует начать серийный выпуск небольшого электромобиля стоимостью 550 тыс. руб. [2]. Электромобиль Zetta будет переднеприводным, топовый автомобиль будет иметь полный привод и продвинутый аккумулятор с емкостью батарей от 10 до 32 кВт·ч (максимальная скорость 120 км/ч).

АО «КамАЗ» совместно с Санкт-Петербургским политехническим университетом Петра Великого разработали электромобиль «Кама-1», который имеет следующие геометрические параметры: длина – 3,4 м, ширина – 1,7 м, высота – 1,6 м, клиренс – 160 мм. Электромобиль оснащен литийионным аккумулятором емкостью 33 кВт·ч и электродвигателем мощностью 80 кВт. Максимальная скорость 150 км/ч, пробег на одной зарядке аккумуляторных батарей – 250 км. Скорость полного заряда батареи в обычном режиме – 6 ч, в ускоренном – 20 мин. Разгон до 100 км/ч за 6,7 с [3]. Планируемая стоимость электромобиля около 1 млн руб., а объем производства – примерно 20 тыс. электромобилей в год.

В 2021 г. компания Audi начинает выпуск новых моделей электромобилей E-tron: спортивный гранд-турер RS GT и кроссовер Q4. Характеристики RS GT: мощность – 600 л.с., емкость батареи – 93 кВт·ч, запас хода – 402 км, разгон до 100 км/ч за 3,5 с. Характеристики Q4: мощность – 306 л.с., емкость батареи – 82 кВт·ч, запас хода – 450 км, разгон до 100 км/ч за 6,3 с [4].

BMW анонсировала выход двух электрических моделей: кроссовера iX3 и седана i4. Характеристики iX3: мощность – 286 л.с., емкость батареи – 80 кВт·ч, запас хода – 460 км, разгон до 100 км/ч за 6,8 с, максимальная скорость – 180 км/ч. Электромобиль iX3 обладает только одним электромотором и бывает только заднеприводным. Характеристики i4: мощность – 530 л.с., емкость батареи – 80 кВт·ч, запас хода – 600 км, разгон до 100 км/ч за 4,0 с, максимальная скорость – 200 км/ч. Электромобиль i4 имеет силовую установку от 1 до 3 электродвигателей и, соответственно, может иметь конструкцию с задним или полным приводом [4].

Китайский кроссовер Byton M-Byte имеет мощность 272-408 л.с., емкость батареи – 72…95 кВт·ч, запас хода – 360…435 км. Кроссовер Byton M-Byte, спроектированный в Германии и Кремниевой долине США, планируется как конкурент электромобилям AudiE-Tron, JaguarI-Pace и Mercedes-BenzEQC. Базовая версия Byton заднеприводная с одним 272-сильным мотором, разгон до 100 км/ч за 7,5 с; полноприводная с 408-сильной двухмоторной установкой разгоняется до 100км/ч за 4,5 с.

Электромобиль Citroen е-C4 имеет следующие характеристики: мощность – 134 л.с., емкость батареи – 50 кВт·ч, запас хода – 350 км, разгон до 100 км/ч за 10,0 с.

Испанская компания SEAT начинает выпуск электромобиля Cupra el-Born, мощностью 201 л.с., емкостью батареи 77 кВт·ч, запасом хода 500 км, разгоном до 50 км/ч за 2,9 с.

Электромобиль Ford Mach-E & Mach-EGTPerformance планируют выпускать с характеристиками: мощность – 258…487 л.с., емкость батареи – 76…99 кВт·ч, запас хода – до 402 км, разгон до 100 км/ч за 3,5 с при силовой установке 487 л.с.

Фирмы Hummer от General Motors Company планирует выпуск в 2021 г. электромобиля GMC Hummer EV с характеристиками: мощность – 625…1014 л.с., емкость батареи – 75 кВт·ч, запас хода – 563 км, разгон до 100 км/ч за 3,0 с при силовой установке 1014 л.с.

Корейская компания Hyundai планирует выпуск электромобиля (Hyundai) IONIQ 5 Electric с характеристиками: мощность – 313 л.с., емкость батареи – 73 кВт·ч, запас хода – 550 км, разгон до 100 км/ч за 5,2 с [4].

Cедан Jaguar XJ на электротяге будет иметь характеристики: мощность – 400 л.с., емкость батареи – 90 кВт·ч, запас хода – 470 км.

В 2021 г. также планируется выпуск новых электромобилей Lexus UX300e, Mazda MX-30, Mercedes-Benz EQA и EQB, MG E-Motion, Nissan Ariya, Opel Mokka-e, Porsche Taycan Cross Turismo, Rivian R1T, Skoda Enyaq iV, Volkswagen ID4, Volvo XC40 ReCharge Р8 и др.