Формула студент, что это

Текст: Андрей Плахотниченко, главный инженер SEG MADI FS.

Formula SAE.
Формула SAE, более известная в Европе как Формула Студент – это студенческие инженерные соревнования, изначально организованные Сообществом Автомобильных Инженеров (Society of Automotive Engineers, SAE) и входящие в Серию Студенческих Инженерных соревнований (Collegiate Design Series) SAE. По замыслу соревнований команда студентов университета является инженерной компанией, которая должна разработать, построить, испытать прототип автомобиля формульного класса для рынка непрофессиональных гоночных автомобилей. Испытанием для команд является сама постройка болида, который сможет успешно пройти все дисциплины на соревнованиях. При этом команда должна предоставить всю конструкторскую документацию на проект и доказать что применяемые технические решения являются оптимальными. Так же они должны помнить, что в итоге они должны “продать” свой автомобиль, поэтому необходимо учитывать и экономическую целесообразность применяемых решений, а в дополнение разработать и бизнес-план на мелкосерийное производство своих автомобилей.
Началось все в США в 1978-ом году, когда Марк Маршек, представляя Университет Хьюстона (Техас), связался с Департаментом Образования SAE и предложил организовать серию студенческих соревнований класс Мини-Баха. Идея пришла к нему после того как коллективы из трех различных университетов Техаса просто для развлечения устроили соревнования на переделанных в багги газонокосилках. Предложение Маршека нашло много единомышленников и в итоге на следующий год уже прошли первые официальные соревнования. Тогда соревнования назвали Мини-Инди. Увидев большой потенциал соревнований, Майк Бест, Роберт Эдвардс и Джон Теллкамп, студенты Техасского Университета в Остине, предложили доктору Рону Мэтьюсу организовать аналогичные соревнования, но с более свободным регламентом. Они хотели поднять автомобили в новой серии на более высокий инженерный уровень. Серия Мини-Баха позволяла работать студентам только над шасси автомобиля, поскольку по регламенту для уравнивания условий команды должны использовать стандартный двигатель, в то время как многим хотелось заняться как раз двигателем. В новом регламенте они свели требования к двигателю на минимум – по сути, необходима была только ограничительная шайба (рестриктор) диаметром 25,4 мм на впуске. При поддержке своих студентов доктор Мэтьюс направил предложение в Департамент Образования SAE и тем самым дал начало проекту Формула SAE. Первые соревнования прошли при поддержке SAE в 1981-ом году в Техасском Университете в Остине. На них зарегистрировалось 6 команд и приняло участие 40 студентов. С тех пор и по сей день SAE является главным организатором и ежегодно выпускает Основной Регламент соревнований.
Масштабы движения
В серию Студенческих Инженерных соревнований SAE сейчас входят серии: Мини-Баха, заключающаяся в постройке небольшой багги; Формула SAE; Формула Гибрид – аналог Формулы SAE но с гибридной силовой установкой, появившаяся в 2007-ом году; серия по постройке беспилотных летательных аппаратов; серия по постройке снегоходов; серия по постройке сверхэкономичных автомобилей Supermileage; возможно скоро присоединится серия Formula Electric – так же аналог серии Формула SAE, но уже с электродвигателем. Проекты серии SAE задумывались, прежде всего, как образовательные проекты, позволяющие устранить у студентов-выпускников разрыв между знаниями, полученными при обучении в ВУЗе и реальными навыками, требуемыми для их будущей работы. Участие в проекте позволяет сформировать у студентов представление не только о том, как правильно спроектировать и создать готовое изделие, но и как обеспечить его информационную поддержку, маркетинг, как пройти путь от идеи до конкурентоспособного продукта. Именно поэтому для многих крупных компаний, поддерживающих студенческие команды, проект стал настоящей "кузницей" кадров, а бывших участников проекта, сегодня можно встретить даже в топ командах Формулы-1.
В официальную серию Формула SAE сейчас входят три Североамериканских этапа, самый большой из которых – этап на гоночном кольце в Мичигане, в котором участвуют до 120 команд и почти двух тысяч студентов, а так же этапы в Англии, Германии, Италии, Австралии, Бразилии и Японии. Кроме этого регулярно проводятся соревнования, не включенные в официальную серию, например в Австрии на трассе Вахауринг около Мелька. В списке соревнований есть серии в Испании, Венгрии, Эстонии и Финляндии. В этом году в Финляндии будет проводиться и первый зимний этап.
В Европу Формула SAE проникла через Великобританию, где в 1998-ом году были организованы первые Европейские соревнования, в которых приняли участие всего четыре команды, по две из США и Великобритании. Сейчас в этом этапе участвуют до 80 команд со всех сторон света. Он проводится на всемирно известной трассе Формулы-1 в Сильверстоуне в середине июля. Этап поддерживает Ассоциация инженеров-механиков (ImechE).
Стоит отметить, что первая команда в Германии появилась в 1999-ом году, но спустя 20 лет их количество приблизилось к одной сотне. Этап в Германии – один из самых престижных, проводится на легендарной трассе Хоккенхаймринг. Несмотря на то, что впервые он прошел в 2006-ом году, уже тогда в нем приняли участие около 40 команд. А в 2009-ом году после открытия регистрации по интернету все 78 мест (больше банально не вмещают боксы на трассе) были заняты уже через 8 секунд и около 50 команд оказались в списке ожидания. В связи с этим сейчас при регистрации требуется пройти на время тест на знание регламента, состоящий из 15 вопросов, без права на ошибку. Так что теперь соревнования начинаются еще до начала этапа, который проходит с 4-ого по 8-ое августа. Изначально, этап поддерживается немецкой Ассоциацией Автомобильных Инженеров (VDI), а в официальную серию SAE включен в 2010-ом году. В этом же году параллельно с соревнованиями автомобилей с двигателями внутреннего сгорания, на нем был организован и отдельный зачет для электромобилей, в котором приняли участие сразу 30 команд.
В проекте участвует множество университетов по всему миру, и совершенно не обязательно, что это университеты, связанные с автомобильной промышленностью. Тут и естественнонаучные, и авиационные, и машиностроительные специальности. Проект поддерживают такие гиганты, как BOSCH, VW, AUDI, BMW, Mahle, Brunel, DEKRA, Continental, Eaton, GKN, SolidWorks и многие другие. Стоит отметить, что у некоторых компаний производящих отдельные узлы для автомобилей есть и модели, разработанные специально для болидов класса Формула SAE, и многие предоставляют скидки для студенческих команд.
Формула Студент в России.
Первооткрывателем Формулы SAE является Московский Автомобильно-Дорожный Государственный Технический Университет (МАДИ), где в 2005-ом году была основана студенческая инженерная команда SEG MADI Formula Student. Идея принадлежала Сафроненкову Сергею Викторовичу, преподавателю Кафедры Инженерной Педагогики, который в 2004-ом году посетил соревнования Формулы Студент в Европе, и, под впечатлением, от них сразу отправился в гости к нескольким крупным европейским командам. Воодушевившись этой идеей, он смог найти поддержку в институте и “зажечь” ею студентов. В итоге уже через год после образования команды, в 2006-ом году команда МАДИ дебютировала на соревнованиях в Германии, где успешно прошла все испытания со своим первым автомобилем. Получив бесценный опыт и посмотрев на европейские команды, ребята привезли на следующий год совершенно новый автомобиль, получивший название Adrenaline. Организаторы были приятно удивлены, отметив значительный прогресс с инженерной точки зрения. В этом году команда МАДИ привезла в Германию свой третий болид, IndiGo, который был неплохо оценен судьями, однако вследствие ряда технических проблем с двигателем не смог показать достойного результата.
Эстафету вслед за МАДИ подхватил и Московский Авто-Механический Институт (МАМИ). Команда МАМИ выступила в 2008-ом году со своим первым автомобилем на том же этапе в Германии. С тех пор уже третий год подряд она выступает в Германии и улучшает свои результаты. Третий российской командой выступившей на международном уровне стала команда Тольяттинского Государственного Университета (ТГУ). В сезоне 2011 она готовиться представить свой третий болид. Проект развивается в России далеко не так быстро как за рубежом, однако, несмотря на это сейчас уже появились команды в Нижнем Новгороде (НГТУ), в Ярославле (ЯГТУ), в Белгороде. Ожидается появление команд и в некоторых других ВУЗах нашей страны.
Команда МАДИ, не останавливаясь на своих достижениях, сформировала в 2008-ом году второе отделение: SEG MADI Formula Hybrid. В 2009-ом году команда Гибрида выступила в Нью-Хемпшире на соревнованиях Formula Hybrid с первым в России гибридным спортивным автомобилем. В 2010-ом году она привезла на тот же этап свой второй автомобиль.
В 2008-ом году усилиями команды SEG MADI был организован первый российский этап, прошедший на полигоне МАДИ, участие в котором приняли три российские команды университетов МАДИ, МАМИ и ТГУ со своими автомобилями. Этап прошел по упрощенной программе международных соревнований в соответствии с регламентом SAE. В 2009-ом этап переместился в Тольятти на испытательный полигон АвтоВАЗ-а. В нем приняли участие команды Формулы Студент МАМИ и ТГУ, а так же команда Формулы Гибрид МАДИ. Статус международного он приобрел в 2010-ом году, когда на этап, который опять вернулся в Москву, приехала команда из Индии. Всего на этом этапе присутствовали три команды: SEG MADI FS, Amigo NGTU (НГТУ), Garud Racing (Инженерный колледж Биканера, Индия). Поскольку две из трех команд были без своих болидов, соревнования проводились во втором классе Формулы SAE, то есть только в статических дисциплинах. Автомобиль команды из Москвы был подвергнут тщательной технической инспекции, которую провели в полном соответствии с международным регламентом соревнований, для демонстрации двум молодым командам, не выступавшим ни на каких соревнованиях до этого. В планах главного организатора российского этапа Формула SAE Антона Любавина проведение полномасштабного этапа в 2011-ом году. Многие зарубежные команды хотели бы посетить этап в Москве, однако до сих пор им мешало отсутствие спонсорской поддержки, ведь этап в Москве малоизвестен и спонсоры просто не хотели оплачивать неблизкую поездку. Однако есть вполне обоснованные надежды, что в следующем году все измениться, и на этап все же приедут опытные европейские команды.
Соревнования.
По сути, каждый этап имитирует проведение технического тендера на производство малой партии гоночных автомобилей. Гонка лишь финальная часть такого этапа. Прежде всего на соревнованиях проходит всесторонняя оценка технической реализации конструкции автомобиля, различные статические и динамические тесты, а так же техническая и бизнес презентации, в ходе которых студенты должны доказать судейской коллегии, что именно их конструкция лучше всего соответствует всем предъявляемым к машине техническим и экономическим требованиям. В связи с этим этап условно можно разделить на статическую и динамическую части.
В статическую часть входят: бизнес презентация, где студенты представляют собой инженерную компанию, принимающую судий в роли инвесторов, которым необходимо предоставить план на производство серии автомобилей, их реализацию и дальнейшее обслуживание. Тут оценивается как сам план, так и манера его подачи судьям. Далее следует презентация конструкции, которую можно назвать “защитой конструкции”: автомобиль осматривает судейская коллегия и оценивает целесообразность и проработанность технических решений. При этом судьи активно общаются со студентами, которые как раз и должны доказать судьям обоснованность своих решений. Здесь необходимо предоставить максимум конструкторской и технологической документации на автомобиль. Следующая дисциплина – анализ стоимости, на которой судьи проверяют насколько отчет о стоимости автомобиля, который студенты должны выслать судьям заранее до начала соревнований, соответствует реальности. Так же проходит общение по “домашнему заданию” – в ответ на отправленный отчет судьи предлагают команде какое-либо задание по снижению стоимости автомобиля или отдельного узла, которое необходимо решить до соревнований. В итоге оценивается экономическая целесообразность применяемых решений, а так же проработанность отчета о стоимости и выполнение задания.
Для допуска к динамической части соревнований каждый автомобиль должен пройти тщательную техническую комиссию и ряд тестов, в основном связанных с безопасностью. Ко всему, что связано с безопасностью, организаторы всегда подходят очень строго. На технической комиссии судьи проверяют соответствие автомобиля регламенту SAE и непосредственно регламенту этапа. Кроме самого автомобиля проверяется так же и экипировка водителя и наличие у команды средств пожаротушения. Во время комиссии пилот должен продемонстрировать, что автомобиль можно покинуть за короткий промежуток времени в 5 секунд. После этого проводится тест на наклонном столе на переворот и на протекание различных технических жидкостей. Далее идет тест на уровень шума – он не должен превышать допустимого по регламенту уровня. В завершение – тест на торможение, в котором необходимо показать, что тормозная система может заблокировать все колеса автомобиля и при этом блокировка происходит одновременно и автомобиль не уходит с прямолинейной траектории. После всего автомобиль получает допуск к динамическим дисциплинам соревнования. На протяжении всех соревнований командам дается время для устранения найденных неисправностей. Поэтому на соревнованиях часто можно увидеть команды, работающие над своими автомобилями без сна ночью.
В динамические дисциплины входят: разгон на 75 метров, “восьмерка”, автокросс и гонка на выносливость. Хочется отметить, что среднее время прохождения 75-ти метров около 4,4 секунды и автомобили развивают скорость в конце отрезка в районе 100 км/ч. Рекорд Европы установлен командой Технического Университета Граца на соревнованиях в Италии в 2009-ом году и составляет 3,74 секунды. “Восьмерка” показывает способность автомобиля проходить поворот на высокой скорости. Автокросс – это заезд на один круг по трассе гонки на выносливость и он служит своеобразной квалификацией на нее. Гонка на выносливость проводиться на дистанции в 22 км без дозаправок с одной обязательной сменой пилота. По результатам гонки оценивается время прохождения дистанции и топливная экономичность автомобиля, которая тоже является отдельной дисциплиной и приносит свои баллы в копилку команды. Вообще эта гонка является кульминацией всего этапа и самой зрелищной его частью. Далеко не всем командам удается закончить ее. В этом году, на этапе в Германии из-за проблем с двигателем не смогли закончить ее одни из фаворитов – команда Технического Университета Штутгарта. У других фаворитов, команды из Граца, на гонке сломалась толкающая штанга амортизатора в передней подвеске. А у команды из Регенсбурга машина в прямом смысле слова сгорела – сорвало топливные шланги около топливной рампы на двигателе, что закончилось огромным столбом пламени, остановкой гонки и выездом пожарной бригады. К счастью гонщик, покинувший горящий автомобиль гораздо быстрее регламентированных 5-ти секунд, не пострадал. Так же следует отметить, что организаторы имеют право устраивать свои дополнительные дисциплины, например, на этапе в Австрии в 2009-ом году была проведена отдельная дисциплина разгон-торможение.
Несмотря на существенную статическую составляющую этапа, примерно три четверти баллов приходится на динамические дисциплины, а самый существенный вклад дает гонка на выносливость – почти одна треть от общего количества баллов.
Помимо основных дисциплин по инициативе различных спонсоров проводятся розыгрыши и в специальных номинациях, например за инновацию в электронике (организована Bosch), за использование легких материалов (организована AUDI) и многие другие. Список специальных дисциплин обычно оглашается в регламенте конкретного этапа. Выигрыш в них не приносит команде дополнительных баллов в общий зачет, но обычно выражается в весьма приятных материальных призах.
Болиды
Конструкция автомобилей определяется в основном Регламентом SAE. Регламенты на конкретный этап обычно только уточняют его, но не вносят никаких дополнительных требований. Регламент построен таким образом, что бы предоставить командам наибольшую свободу действий. Почти все пункты регламента ограничивают только те аспекты, которые влияют на безопасность конструкции болидов – организаторы за этим пристально следят. Существует даже и такая практика, что если организаторы какого-либо этапа увидят в интернете видеоролики, на которых команды обкатывают автомобиль по дорогам общего пользования или ездят на них без специальной экипировки, то их дисквалифицируют с этапа.
Автомобиль класса Формула SAE – это небольшой гоночный автомобиль формульного типа, то есть с четырьмя открытыми колесами не находящимися на одной линии и приводом на заднюю ось. Большая часть требований относится к несущей системе автомобиля. Стандартной считается пространственная трубчатая рама из стальных труб, однако можно использовать и трубы из алюминиевых, магниевых, титановых сплавов или же изготовлять монокок, но в этом случае организаторы потребуют от вас расчеты и данные испытаний, показывающие, что данная конструкция не уступает стандартной. Многие ведущие мировые команды сами рассчитывают и изготавливают монококи из углеволокна.
Особых требований к конструкции подвески в регламенте нет, но общепринятой считается конструкция с двумя А-образными рычагами и толкающей или тянущей штангой. При такой конструкции с не очень большими ходами подвески (по Регламенту как минимум 25 мм на сжатие и 25 мм на отбой при наличии водителя в автомобиле) можно добиться очень хорошей кинематики подвески, при малом весе. Большая часть команд использует в своих подвесках и стабилизаторы поперечной устойчивости, причем иногда они имеют механическую регулировку жесткости в реальном времени. Так же есть команды, которые устанавливают на свои болиды и гидравлические стабилизаторы, например австралийская команда из Перта, входящая в число сильнейших команд.
В качестве силовой установки на болиде должен стоять четырехтактный поршневой ДВС, объемом не более 610 мл и имеющий ограничительную шайбу на впуске, через которую должен проходить весь воздух получаемый двигателем. Диаметр шайбы 20 мм для двигателей, работающих на бензине, и 19 мм для двигателей использующих смесь Е-85. Обычно это четырех цилиндровые двигатели от спортивных мотоциклов, но встречаются и команды, которые используют одноцилиндровые двигатели меньшего объема от кроссовых мотоциклов. В этом случае они получают дополнительный выигрыш от снижения массы двигателя. К слову сказать, одна из сильнейших мировых команд, команда Технического Университета Делфта (Голландия) на этапе в Германии в этом году показала автомобиль массой всего в 150 кг с таким одноцилиндровым двигателем, который в итоге выиграл автокросс и гонку на выносливость с существенным отрывом от своих конкурентов. На двигатель разрешается так же установка нагнетателей любого типа: механических или турбин – единственное требование, чтобы они были разработаны исключительно студентами и были установлены после ограничительной шайбы. Некоторые команды так же занимаются переборкой двигателя и достаточно серьезной доработкой. А были случаи и собственных разработок двигателей: одна команда из США изготовила “классический” американский V8 объемом 600 мл! К сожалению, они не прошли техническую комиссию, поскольку банально не оборудовали свой автомобиль стационарным стартером, необходимым по регламенту.
Трансмиссия в подавляющем большинстве случаев – это мотоциклетные коробки передач. Наиболее сильные команды разрабатывают свои собственные: меньше и соответственно легче, ведь по регламенту эти автомобили не должны ездить быстрее, чем 160 км/ч, а почти на всех трассах они не развивают больше 110-120 км/ч, и, следовательно, им не нужно много передач. Команда из Штутгарта, которая по праву считается сильнейшей командой, довольствуется всего двумя ступенями. После коробки передач обычно идет цепная главная передача (иногда зубчатым ремнем) на дифференциал, который работает на открытом воздухе. Дифференциалы обычно используют самоблокирующиеся, повышенного трения. Многие команды вынуждены сами точить для них корпуса, потому что большинство дифференциалов рассчитаны на работу в картере, а не на воздухе. А вот компания Drexler, специализирующаяся на гоночных трансмиссиях, выпускает специальные дифференциалы для формулы SAE, массой всего 2,2 кг. Иногда команды экспериментируют и с электронно-управляемыми дифференциалами.
Команда из МАДИ использует непривычное для гоночных автомобилей решение: коробка передач заменена на клиноременный вариатор от спортивного снегохода Yamaha. Данное решение вызвало неподдельный интерес, как у судей, так и у членов других команд за рубежом во время участия на немецком этапе Формулы Студент. Оно идеально отвечает концепции непрофессионального гоночного автомобиля для гонщиков-любителей, поскольку полностью избавляет от необходимости отслеживания переключений. Конечно и при наличии коробки с двумя ступенями проблем тоже не много, но на узких и извилистых трассах формулы SAE лучше, когда гонщика ничего не отвлекает в принципе. С точки зрения технических характеристик же у данного решения есть свои минусы, например неудобство компоновки, несколько больше потери, так и свои плюсы: вариатор позволяет двигателю постоянно работать в лучшем режиме, например, в зоне максимального крутящего момента.
Вообще с точки зрения техники, есть достаточно большое различие в уровне команд. Команды новички часто приезжают с автомобилями, уступающими по большинству характеристик российским болидам. Однако ведущие мировые команды находятся далеко впереди. Зачастую студенты используют технологии аналогичные технологиям Формулы-1: тут и консольно закрепленные гибкие рычаги подвески из углеволокна, и полуоси из углеволокна, и кулаки, и колесные диски из углеволокна, массой всего по 1,5 кг, и даже карбо-керамические тормоза. Используют и множество электронных систем: противобуксовочную, противоблокировочную, аналоги систем курсовой устойчивости, системы детальной телеметрии, динамически регулируемые амортизаторы. Студенты из Технического Университета Граца изготавливают даже свои электронные платы и свое программное обеспечение. При этом студентам часто приходится самим внедрять новые технологии подручными методами. Например, известна история о том что свои первые колесные диски из углеволокна команда из Граца запекала в обычной кухонной печи, помещенной в самодельный вакуумный короб. Одним из показателей совершенства автомобиля можно считать его массу. Средняя масса автомобилей европейских команд от 180 до 220 кг. Самый легкий автомобиль российских команд – последний болид команды МАДИ весит 250 кг. А вот автомобиль сезона 2010 команды DUTRacing из Делфта, получивший в Германии специальные призы за “инновации в электронике” и “использование легких материалов”, весит всего 152 кг. Вообще эта команда знаменита своей концепцией: конструировать автомобили с минимальной массой. Им же и принадлежит рекорд в этом параметре: в 2006 году их автомобиль весил всего 126 кг. Сейчас, однако, такие цифры стали труднодостижимы из-за изменений в регламенте, повысивших требования к безопасности болидов. Но надо сказать, что выглядело очень впечатляюще, когда на фотографирование команд после этапа в Австрии 2009-ого года, команда из Орегона внесла свой автомобиль на вытянутых над головой руках!
Российским командам есть куда стремиться и чему поучиться у своих зарубежных коллег. Но с радостью можно отметить, что проект развивается, появляются новые команды, старые команды улучшают свои результаты. И будем надеяться, что через пару лет они на равных схлестнутся с ведущими зарубежными командами на этапе Формулы SAE в России.

Читайте больше в журнале Real Ride www.realride.ru