Раздел: «Технический ЛикБез»
Между кузовом и дорогой
Поведение автомобиля на дороге, его ездовые качества в немалой степени определяет конструкция подвески колес. С ней тесно связаны такие важнейшие характеристики машины, как комфортабельность и плавность хода, устойчивость и управляемость на дорогах с разным покрытием, стабильность прямолинейного движения. Единого рецепта, как обеспечить наивыгоднейшие ездовые качества, нет, поэтому конструкции систем подвески весьма разнообразны. В них, однако, нетрудно выделить три функциональные группы элементов. УПРУГИЕ воспринимают вертикальную нагрузку, приложенную к колесам. НАПРАВЛЯЮЩИЕ обеспечивают подвижную связь колес с кузовом и передают на него реактивные усилия, лежащие в горизонтальной плоскости. ДЕМПФИРУЮЩИЕ (амортизаторы) поглощают энергию колебаний кузова относительно колес и повышают надежность их контакта с дорогой. Рассмотрим, как эти детали в разных сочетаниях обеспечивают на современных легковых автомобилях требуемые от подвески качества.
Упругие элементы бывают стальные, резиновые и пневматические, причем сегодня наиболее распространены стальные: рессоры, пружины и торсионы.
Турбонаддув
В ряду больших и малых новинок, показанных в последних автомобильных салонах, не остались незамеченными несколько легковых моделей («За рулем», 1979, № 3), двигатели которых оснащены системой турбонаддува. Их появление расценено специалистами как многообещающая тенденция. Что же представляет собой турбонаддув и почему сегодня он привлекает внимание конструкторов?
Наддувом называют увеличение наполнения цилиндров подачей под давлением воздуха или горючей смеси в систему питания. Известно, что для сгорания топлива в цилиндре требуется определенное количество воздуха (теоретически 15 кг на 1 кг бензина). Стало быть, чем больше воздуха мы подадим в цилиндр, тем больше там можно сжечь топлива и получить большую мощность. Однако объем воздуха, «вдыхаемый» цилиндрами при впуске, ограничен конструктивными параметрами двигателя: объемом цилиндров и системой впуска. Поэтому есть только один способ увеличить количество свежего заряда (смеси топлива с воздухом) в данном объеме — повысить его плотность сжатием воздуха. Оно осуществляется специальными агрегатами, называемыми компрессорами, или нагнетателями.
Итак, наддув позволяет существенно поднять мощность и крутящий момент при сохранении рабочего объема и большей части деталей базовой конструкции, что дает возможность сэкономить время на разработку новой модели и выпускать двигатели разной мощности и назначения на одних и тех же производственных площадях. Хороший пример тому — семейство отечественных двигателей ЯМЗ-238 и ЯМЗ-240.
Уже в 20—30-х годах наддув довольно широко использовали для увеличения мощности двигателей — авиационных и гоночных автомобильных. В то время распространение нашли нагнетатели с механическим приводом, получавшие энергию от самого двигателя. Удельная мощность автомобильных гоночных моторов с наддувом достигала 200 и даже 300 л. с./л. Однако столь высокие параметры были оплачены чудовищной прожорливостью этих двигателей, объяснявшейся главным образом большими потерями тепла с отработавшими газами, а также потерей мощности на привод нагнетателя.
Гидровакуумный усилитель тормозов
Если рассмотреть все модели легковых автомобилей, появившиеся за последние годы, нетрудно заметить — мощность двигателей неуклонно растет, все больше становится скорость и все выше динамика. Быстро увеличивается и количество машин на улицах и дорогах. Отсюда вывод: необходимо совершенствовать агрегаты, влияющие на безопасность движения, и прежде всего «основу безопасности» — тормоза автомобиля.
«Москвич-412» — высокоскоростная и динамичная машина. Прежняя тормозная система, которая была вполне пригодна на «408-м», для нового автомобиля оказалась недостаточно эффективной на высоких скоростях. Существенно увеличить рабочий ход педали было нельзя: возросло бы время срабатывания тормозов (а с ним и остановочный путь автомобиля). Это свело бы на нет достигнутый таким способом выигрыш в силе. Требовалось найти другой выход, какой-то источник силы в помощь мышцам человека. В практике современного автомобилестроения известны различные конструктивные схемы гидравлических, пневматических и комбинированных усилителей тормозов. Одну из них — гидровакуумный усилитель («гидравак») применили конструкторы АЗЛК для «Москвича-412». Выгоды «гидровака» — в уменьшении более чем вдвое усилия, прилагаемого водителем к педали, без каких-либо переделок в существующем приводе тормозов, простота установки и обслуживания. Важно и то, что в случае отказа усилителя, тормозная система не выходит из строя, а просто работает так же, как на прежних моделях «Москвича».
Подвеска «Мак-Ферсон»
Эта конструктивная схема независимой подвески колес, называемая еще свечной, за последние годы получила довольно широкое распространение, особенно на легковых автомобилях малого литража.
В ней нет верхнего рычага. На нижний через шаровой шарнир опирается стойка подвески, которая одновременно является цилиндром гидравлического телескопического амортизатора. В общем, амортизатор одновременно выполняет функции шкворня. Пружина подвески одной стороной опирается на чашку, жестко закрепленную на верхней части стойки, а другой — на чашку, которая вместе с верхним концом штока амортизатора через резиновые втулки соединена с кузовом. Зона, в которой находится эта верхняя чашка, лежит вблизи передней стойки кузова. Таким образом, от подвески на несущий кузов усилие передается в смысле нагружения более рационально. Независимая передняя подвеска традиционного типа уступает и в другом: усилие от ее пружины передается через поперечину на лонжерон подмоторной рамы. При этом сам лонжерон подвергается изгибу, и возникает необходимость вводить между ним и переборкой кузова, лежащей в зоне стоек лобового стекла, дополнительные силовые связи.
Антикрыло
Вы садитесь за руль «Запорожца». Поворот ключа, и ожили его четыре цилиндра. А теперь вообразите, что за плечами у вас не 30-сильный «движок», а «моторище» в 420 л. с. — точно такой, что стоит у Грэхема Хилла на гоночном «Лотос-49Б». Тронуться с места — целая проблема: колеса буксуют, а протектор шин сразу же обращается в сизый дым. Но английскому гонщику не легче, чем вам. Его машина весит столько же, и даже на прямой передаче, когда ее скорость — полные 280 км/час, колеса все еще пробуксовывают. Управлять «Лотосом» так же сложно, как вам вести «Запорожец» по обледенелой дороге.
Последние пять или шесть лет автомобильный спорт переживает нашествие сверхмощных машин. На чемпионате мира, в Ле-Мане и на треке Индианаполиса стартуют спортивные и гоночные автомобили, у которых под капотом 400, а то и все 500 лошадиных сил. Но их веса (800 или 700, а подчас и 500 кг) совершенно недостаточно, чтобы прижать ведущие колеса к дороге, полностью использовать громадный запас мощности.
Спортивные «Феррари-330П4», которые стартовали в прошлогодних 24-часовых гонках в Ле-Мане, весили 850 кг и при мощности двигателей 450 л. с. без труда достигали на прямых участках 320 км/час. Но при прохождении поворотов они (как и другие «болиды») не имели существенных преимуществ перед менее мощными автомобилями — не хватало сцепления ведущих колес с дорогой. При разгонах на выходе из поворотов колеса буксовали, теряя резину протекторов и драгоценные секунды.
Торможение под контролем ЭВМ
С первых дней существования автомобиля конструкторы непрерывно работают над улучшением его активной безопасности. И, пожалуй, наибольшие усилия (особенно в последние годы) конструкторы, технологи, испытатели прилагали к совершенствованию системы, от которой в первую очередь зависит безопасность, — тормозной.
Далеко не каждый водитель отдает себе отчет, как на основе законов физики точно оценить дорожную ситуацию, и далеко не каждый имеет достаточный опыт, чтобы именно в данных условиях выбрать и реализовать оптимальную величину замедления. Причем многие аварии, как ни странно, происходят из-за того, что тормоза «слишком хороши»: колеса блокируются, теряют сцепление с дорогой, особенно мокрой или обледенелой, и машина перестает слушаться руля.
А нельзя ли помочь водителю в решении этих вопросов?
Практическая аэродинамика
Снижение расхода топлива, пожалуй, наиболее актуальная проблема в современном автомобилестроении. Расход этот зависит прежде всего от объективного фактора — различных сил сопротивления движению, на преодоление которых затрачивается энергия сгорания топлива. Уменьшение их — один из путей его экономии. Наша статья посвящена резервам, заключенным в улучшении аэродинамических свойств автомобиля.
В общем сопротивлении движению автомобиля аэродинамические силы могут составлять существенную часть. Если при езде по городскому циклу (средняя скорость 40—50 км/ч) они достигают 8%, при движении в пригородной зоне (средняя скорость 80—90 км/ч) — 29%, то на автострадах — 53%. Отметим, что чем выше скорость, тем быстрее растут потери «на ветер»: уже при 60 км/ч они отнимают больше энергии, чем любая другая составляющая. Дело в том, что мощность, расходуемая на преодоление аэродинамического сопротивления, пропорциональна кубу скорости; значит, если скорость удваивается, то мощность должна увеличиться в восемь раз.
Виско-муфта
Когда удалось синтезировать одну из разновидностей силиконовой (кремнийорганической) жидкости, мало кто мог предположить, что она вызовет, можно сказать, революцию в автомобильных трансмиссиях. У подавляющего большинства известных нам жидкостей с ростом температуры уменьшалась вязкость. А эта вела себя как газ — при нагреве становилась более вязкой.
Английская фирма «Фергюсон», которая специализируется на трансмиссиях для полноприводных автомобилей, исследовала разнообразные конструкции межосевых и межколесных дифференциалов механического типа. Но сколь бы хитроумными ни были воплощенные в них технические решения, почти у каждого обнаруживались недостатки. Трудность заключалась в необходимости сочетать два свойства: возможность вращения выходных валов механизма с разными скоростями и в то же время способность перераспределять передаваемый на них крутящий момент пропорционально сопротивлению вращению каждого из валов.
Автомобили, которые не требуют обслуживания?
Когда «жигулей» еще не было, а слова «электронное зажигание» воспринимались не более как термин будущего, автомобилист поневоле становился мастером на все руки. Он переклепывал тормозные накладки, регулировал свободный ход, шприцевал шарниры подвески, «выставлял» зажигание, хотя, может быть, и не хотел этого делать. Немолодой уже мужчина в потрескавшейся кожаной куртке, пыхтя, таскал ведрами кипяток, сумрачно выковыривал картонные звездочки маслофильтра, покорно сгибался под капотом «Победы» с зажатой в щепоти пластинкой «клапанного» щупа. Ему это давалось нелегко, но, будучи человеком хозяйственным, он принципиально игнорировал «дядю Васю». Иногда ему помогал сосед по гаражу — тот во всем разбирался и все разбирал. За рулем машины его видели редко. Старые джинсы этого второго носили следы постоянных контактов с автомобилем: тут — черный автограф нигрола, там — треугольная ранка от шпильки М8х1,25. Страстью Старых Джинсов было колдовать над расчлененной машиной. Редуктор заднего моста, например, он унес домой и, как мрачно утверждал Кожаная Куртка, после работы вечерами шаманил над ним, поблескивая стрелочным индикатором. Старые Джинсы был в душе тем же Кожаной Курткой, но самозабвенная страсть, заставлявшая самому изучать все до конца, лишила его возможности ездить.
Его прямая противоположность — Белый Воротничок — жаждал только ездить. При словах «регулировка клапанов» он как-то сжимался, а когда подходило время менять масло, изводил всех расспросами о достоинствах и недостатках МС, СУ или только появившегося в те годы АС-8. Он положительно ничего не знал, поэтому во всем сомневался. Но он хотел пользоваться автомобилем по прямому назначению. И его удивляло, почему забота о шприцовке подвески и регулировке клапанов должна лежать на нем, почему нельзя что-то придумать, чтобы обойтись без этих работ, требующих специальных навыков, ловкости, знаний и, конечно, времени.
Сегодня, когда армия индивидуальных владельцев легковых машин приближается у нас к пяти миллионам, среди автомобилистов все реже встречаются Кожаные Куртки и Старые Джинсы. Чтобы стать ими, нужно время и особый склад характера. Большинство же новичков — Белые Воротнички.
Три компоновки
Очень часто, оценивая конструкцию привлекшего наше внимание автомобиля, мы говорим, что он «ладно сложен». Его сложение определяется компоновкой, которую можно охарактеризовать как сочетание взаимосвязанного размещения агрегатов и узлов машины. Задача конструктора — так «сложить» изо всех обязательных элементов автомобиль, чтобы выкроить наибольшее пространство для пассажиров, удобно их поместить, сделать легкими вход и выход, оставить достаточный объем для багажа и обеспечить эффективное функционирование всех узлов и систем. При этом конструктор стремится получить наименьшие габарит и массу и избежать, несмотря на плотность «упаковки» всех компонентов, неудобств при обслуживании и ремонте. Решение столь сложной и многосторонней задачи может быть найдено только на основе тонко рассчитанных компромиссов.
Компоновочная схема прежде всего должна обеспечивать нагрузку на ведущие колеса, достаточную для получения нужных тяговых параметров и проходимости автомобиля. Ее оптимальное значение 53—55% от общей массы. Второе условие — пассажирское помещение должно находиться в зоне наибольшего комфорта, в пределах колесной базы. Еще одно важное соображение — минимальная длина. Она больше всех размеров сказывается на массе, которой пропорциональны не только расход материалов, но и себестоимость, а с ней и цена. Длина в современных условиях — это экономия или, наоборот, неразумный расход площади городов, уже перенасыщенных автомобилями.
Каким образом сложен современный автомобиль, как учитываются в нем названные выше соображения и какие плюсы и минусы дают применяемые сегодня три основные компоновочные схемы. Прежде всего обратимся к статистике. В традиционном ежегодном каталоге легковых машин, выпущенном в 1979 году к открытию женевской международной автомобильной выставки, приведены данные по 408 базовым моделям. Одни из них выпускаются сотнями тысяч в год, другие — десятками единиц. Среди этого многообразия львиная доля приходится на автомобили классической компоновки (рис. 1), впервые осуществленной почти 90 лет назад Л. Панаром и Э. Левассором.