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.
Почему автомобили должны быть «быстрыми»
Речь пойдет о выборе мощности автомобильных двигателей. Чем она обусловлена? С 1976 года максимальная скорость у нас ограничена такими цифрами: 60 км/час в городах и 90 км/час на дорогах. Зачем же выпускать автомобили с моторами, позволяющими развивать 130-150 км/час? Может быть такие двигатели вообще не нужны? А может, уменьшив, сократив «лошадиные силы», мы снизим количество аварий и сбережем немало ценнейшего энергетического сырья — нефти? Как показывает почта редакции, эти вопросы волнуют многих автолюбителей.
Мы попросили изложить современные взгляды на эту тему специалистов научно-исследовательского автомобильного и автомоторного института (НАМИ) доктора технических наук Б. М. ФИТТЕРМАНА и кандидата технических наук А. Г. ШМИДТА.
Порой автомобилисты после более или менее продолжительных рассуждений задаются вопросом, зачем массовому легковому автомобилю высокая мощность, высокая скорость. Одни подходят к нему с осторожным недоумением, другие — с запальчивой убежденностью.
Давайте внесем ясность. Начнем с того, что говорить следует не об абсолютной мощности двигателя, а об удельной, то есть о тех «лошадиных силах», которые приходятся на тонну массы автомобиля в снаряженном состоянии, — только так можно вообще оценивать машины разных классов. Поэтому в дальнейшем, говоря о «мощности», мы, естественно, будем подразумевать ее удельное значение, то есть отнесенное к массе машины. Во всем мире этот параметр для современных массовых легковых автомобилей лежит в пределах от 45 до 65 л. с./т. Почему так?
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.
Четырехосные вездеходы
Снежная целина и глубокий песок, жидкая грязь и болотистая почва — то, что входит в понятие — «бездорожье», не страшно гусеничным машинам, танкам, бронетранспортерам и тягачам. Их сильной стороной является большая площадь опоры, а значит, и малое удельное давление на грунт, хорошая приспособленность к движению по сильно пересеченной местности. И все же для марш-бросков на несколько сотен километров, для перевозок личного состава и боевой техники на дальние расстояния предпочтительнее колесные машины. Они обладают большой скоростью, их ходовая часть менее подвержена износу, однако недостаточно высокая проходимость из-за высокого удельного давления на почву долго оставалась слабым местом колесных машин.
В начале тридцатых годов в армиях многих стран получили широкое распространение трехосные грузовики (у нас, например, ГАЗ-ААА и ЗИС-6), у которых нагрузка на все колеса уже была примерно одинаковой. Следующим шагом в повышении проходимости колесных машин явилось применение привода на все оси. В частности, такую конструкцию имели грузовики «Студебекер». Но им был свойствен недостаток — двускатные задние колеса, двигаясь по следу передних (односкатных) и прокладывая в глубоком песке или снегу уширенную колею, создавали дополнительное сопротивление движению. Правда, в то время уже появились и первые грузовики («Додж», «Бедфорд») с одинаковой шириной колеи всех колес и односкатными шинами. Эта конструкция в 50-х годах получила широкое распространение (ГАЗ-63, ЗИЛ-157К).
Тем не менее, чтобы расширить диапазон применения автомобилей такого типа, пришлось пойти на дальнейшие конструктивные усовершенствования. Централизованная система изменения давления воздуха в шинах («Урал-375», ЗИЛ-131) позволяет двигаться по топкому или рыхлому грунту и сохранять возможность следовать на высокой скорости по шоссейным дорогам.
Много помогло повышению проходимости колесных машин внедрение широкопрофильных шин, независимой подвески колес, самоблокирующих дифференциалов, колесных редукторов для повышения дорожного просвета.
Роторный двигатель Ванкеля
Редкий год обходится в автомобильном мире без сенсаций. То вдруг один компоновочный принцип получает статистическое превосходство над другим, то появляется диковинной формы кузов, то наносит удар конкурентам «сверхкомфортабельный» автомобиль, то, наоборот, теснит соперников на рынке «сверхдешевый»... Но есть одна проблема, которая все время владеет умами конструкторов заводов и фирм — это наделавший много шума тринадцать лет назад роторный двигатель. Между тем он почти так же стар, как и его поршневой собрат. Еще в 1799 году, спустя лишь тридцать лет после появления паровой поршневой машины, англичанин Д. Мардок построил первый паровой роторный двигатель шестеренчатого типа.
В двадцатом веке немало изобретателей пыталось создать роторный двигатель внутреннего сгорания. Было зарегистрировано свыше 30 тысяч патентов на изобретения в этой области. Однако из-за несовершенства уплотнений между роторами и корпусом все попытки оказались безуспешными.
Создателем работоспособного двигателя такого типа стал Феликс Ванкель. Он в течение многих лет в исследовательском институте занимался изучением разного типа уплотнений, работающих в условиях высоких давлений и температур. Немецкому изобретателю удалось найти верное решение идеи роторного двигателя. Первые патенты Ванкель получил в 1929 году. Через пять лет, совместно с фирмой БМВ, он построил экспериментальный мотор, оказавшийся, однако, далеким от совершенства. Свои исследования Ванкель продолжил после войны, когда стал сотрудничать с заводом НСУ. Много времени ушло на теоретические разработки, изучение и выбор наивыгоднейших параметров. Первый работоспособный мотор был построен в феврале 1957 года. И лишь семь лет спустя завод начал мелкосерийное производство автомобилей «НСУ-Спайдер» с роторным двигателем («За рулем», 1965, № 12). Позже был развернут серийный выпуск других моделей с «ванкелями»: НСУ-Ро80 («За рулем», 1968, № 4), «Мазда-110С космо спорт» («За рулем», 1970, № 2), «Мазда-Р100» и совсем недавно «Ситроен-М35» («За рулем», 1970, № 6).
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?