сообщение №1002

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.

Рис 1. «Волга» ГАЗ—24 — типичный пример классической компоновочной схемы.
Рис 1. «Волга» ГАЗ—24 — типичный пример классической компоновочной схемы.

Двигатель и коробка передач — впереди, ведущие колеса — задние. По такой схеме выполнены 270 моделей (77% от 408), на которые, по оценочным подсчетам автора, приходится около 70% годового выпуска легковых автомобилей во всех странах мира. Она широко используется для всех классов, но чаще всего в среднем, большом и высшем (ФИАТ-132, ГАЗ—24, «Тойота-краун», «Волво-264», ЗИЛ—117). В малом же классе эта компоновочная схема сегодня уже сдает позиции.

Классическая схема не позволяет сместить далеко вперед салон и вместе с ним двигатель, поскольку в этом случае задние ведущие колеса окажутся недостаточно загруженными. Из-за специфики взаимного расположения агрегатов машина в целом получается довольно длинной и тяжелой — свойство, наиболее неудобное для моделей малого и особо малого классов. У машин более высокого класса на первый план выступают достоинства подобной схемы. Так, багажник, размещенный между кожухами задних колес, получается вместительным и в то же время коротким и широким. Двигатель, сцепление и коробка передач объединены в общий блок и по отдельности легко демонтируются при необходимости ремонта.

Рис 2. «Альфа-ромео-альфетта» (Италия). Двигатель находится впереди, трансмиссия в блоке с главной передачей.
Рис 2. «Альфа-ромео-альфетта» (Италия). Двигатель находится впереди, трансмиссия в блоке с главной передачей.

Чтобы в пределах классической компоновки сохранить желаемую загрузку задних ведущих колес и все-таки продвинуть вперед двигатель, а с ним и пассажирское помещение, на некоторых легковых, а также спортивных моделях малого класса («Альфа-ромео-альфетта», «Волво-343», «Порше-924», «Порше-928») коробку передач сблокировали с главной передачей (рис. 2). Таким образом, у ведущих колес сконцентрирована вся масса трансмиссии (рис. 3), чем и компенсируется уменьшение нагрузки на них. Эта схема (с «разнесенными агрегатами») дает выигрыш и пространства для ног водителя и переднего пассажира — на полу нет «горба», охватывающего коробку передач. Но длинные (около полутора метров) тяги в приводе управления коробкой передач пружинят, не обеспечивают четкого переключения; более жесткие и массивные тяги — это уже некоторое увеличение металлоемкости и себестоимости.

Рис 3. Блок из сцепления, коробки передач, главной передачи и вынесенных из задних колес дисковых тормозов — «Альфа-ромео-джульетта».
Рис 3. Блок из сцепления, коробки передач, главной передачи и вынесенных из задних колес дисковых тормозов — «Альфа-ромео-джульетта».

Конструкторы, продолжая искать альтернативу классической компоновочной схеме и ее разновидности с «разнесенными» двигателем и трансмиссией, пошли по пути создания компактного силового агрегата. Они исходили из того, что блок из двух или нескольких узлов всегда легче и дешевле, чем те же узлы, монтируемые порознь. Поэтому силовой агрегат, объединявший двигатель, сцепление, коробку передач и главную передачу, привлек внимание в первую очередь создателей малолитражных и спортивных машин.

Еще лет двадцать назад компоновка с двигателем сзади и задними ведущими колесами представлялась очень привлекательной. Она воплощена в таких известных моделях, как «Фольксваген-жук», «Рено-дофин», ФИАТ-126 (рис. 4), ЗАЗ—965. Компактный силовой агрегат, отсутствие карданного вала, продвинутый вперед салон обеспечивают заметную экономию в длине, массе и себестоимости. Однако получить благоприятное распределение полной нагрузки между передними и задними колесами можно только у моделей с малогабаритными и, следовательно, легкими двигателями. На задние колеса у отдельных заднемоторных автомобилей малого класса приходилась чрезмерная (60—62%) доля массы, характеристика управляемости («врожденная» избыточная поворачиваемость) оставляла желать лучшего. Это обстоятельство предопределило резкое сокращение числа заднемоторных автомобилей — их оказалось около 6% общего числа, причем, конечно, главным образом это машины особо малого и малого классов (СЕАТ-133, «Субару-рекс-550», ФИАТ-126, «Сузуки-фронте-7C», ЗАЗ—968М). Среди автомобилей среднего класса такая компоновка встречается как исключение («Татра-613»).

Рис 4. Заднемоторная компоновка — «Польский ФИАТ-126П» (ПНР). Коробка передач, главная передача, сцепление, двигатель образуют агрегат, основная масс
Рис 4. Заднемоторная компоновка — «Польский ФИАТ-126П» (ПНР). Коробка передач, главная передача, сцепление, двигатель образуют агрегат, основная масса которого вынесена назад, за пределы колесной базы.

Для спортивных и гоночных автомобилей, довольно легких и имеющих сравнительно большой запас мощности, необходимость значительной (55—65%) загрузки ведущих колес особенно важна. В противном случае частая пробуксовка не позволила бы использовать тяговые возможности мощных двигателей. Но заднемоторная компоновка с вынесенным назад двигателем создает довольно большой момент инерции относительно вертикальной оси, проходящей через центр тяжести. В результате машина плохо входит в повороты и плохо из них выходит. Поэтому на заднемоторных спортивных («Лотос-эспри-С2», «Феррари-512ББ», «Порше-917» и др.) и гоночных (например, «Эстония—18», «Лотос-81», «Рено-РE20») автомобилях силовой агрегат развернут на 180, так, чтобы двигатель оказался внутри базы (рис. 5), — это компоновка с центральным расположением двигателя. Чтобы еще больше сократить длину, массу и момент инерции относительно вертикальной оси, на некоторых спортивных моделях («Лянча-стратос», «ФИАТ-Икс-1/9», «Матра-багира») применена разновидность центральной компоновки (рис. 6), где двигатель установлен поперек кузова между пассажирским отсеком и задними ведущими колесами.

Рис 5. Силовой агрегат расположен сзади, но двигатель внесен внутрь колесной базы — «Эстония—18» (СССР). Подобная компоновка наиболее распространена
Рис 5. Силовой агрегат расположен сзади, но двигатель внесен внутрь колесной базы — «Эстония—18» (СССР). Подобная компоновка наиболее распространена на гоночных и спортивных автомобилях.

В общей сложности доля моделей с задним и центральным расположением двигателя составила 11%, а в общем количестве легковых машин, выпущенных за год во всех странах, на них приходится 6%.

Самые первые автомобили К. Бенца, Г. Даймлера 1886 года, Е. Яковлева и П. Фрезе 1896 года имели заднемоторную компоновку. Если же говорить о паровых дилижансах, то годом рождения ее надо считать 1801-й, когда Р. Тревисик построил свою паровую карету, которая также имела заднемоторную компоновку.

Рис 6. Так называемое центральное размещение силового агрегата — «Лянча-стратос» (Италия). Двигатель установлен поперек кузова между салоном и задним
Рис 6. Так называемое центральное размещение силового агрегата — «Лянча-стратос» (Италия). Двигатель установлен поперек кузова между салоном и задними колесами. Эта схема находит сейчас распространение на спортивных машинах и автомобилях большого туризма.

Автомобили с передними ведущими колесами — их называют также переднеприводными — считаются продуктом последних десятилетий. Но они тоже появились давно — машина «Лятиль» с передними ведущими колесами увидела свет в 1899 году. Если же отвлечься от карбюраторного двигателя и заглянуть поглубже в биографию автомобиля, то найдем, что Н. Кюньо построил свою паровую телегу с передним ведущим колесом еще в 1769 году!

Вернемся, однако, к современности. Компоновки, обеспечивающие переднее расположение силового агрегата и привод на передние колеса, в настоящее время пользуются все возрастающей популярностью и составляют 21 %. Если же говорить о годовом выпуске легковых автомобилей в мире, то переднеприводные машины составляют в нем 24%. Одно из главных преимуществ, которые они обеспечивают, — малые длина и масса, ровный пол салона.

Рис 7. В случаях, когда на переднеприводном автомобиле (здесь «Рено-16», Франция) двигатель расположен продольно, полуоси имеют равную длину, но прос
Рис 7. В случаях, когда на переднеприводном автомобиле (здесь «Рено-16», Франция) двигатель расположен продольно, полуоси имеют равную длину, но пространство моторного отсека используется менее экономно, чем при поперечном размещении двигателя.

Поскольку эти автомобили имеют управляемыми передние колеса, то расстояние между их кожухами заметно (на 350—400 мм) меньше, чем между кожухами задних. Следовательно, багажник предпочтительней размещать в зоне задних колес, чтобы для получения нужного объема не увеличивать чрезмерно его длину, а следовательно длину и массу автомобиля. И в этом отношении компоновка с передними ведущими колесами оказывается наиболее рациональной. Она применяется не только в особо малом и малом классах, но и в среднем («Ситроен-ЦИкс», «Ауди-100», «Лянча-Гамма», «Рено-30ТС») и даже большом («Олдсмобиль-торонадо», «Бюик-ривьера»).

При передних ведущих колесах двигатель может быть размещен в пределах колесной базы («Ситроен-ДС19», «Рено-16») или вынесен вперед («Рено-12», «Ауди-100»). Первый вариант (рис. 7) применяется главным образом при довольно больших по рабочему объему и массе двигателях, вынос которых вперед за передние колеса создал бы чрезмерную их перегрузку. Кстати, у «Ситроена-ДС21», несмотря на все ухищрения, при полной нагрузке на передние колеса приходилось 59,5% общей массы, а без нагрузки — 66%. Неудивительно, что в соответствии с таким распределением на его колесах были установлены шины с разной шириной профиля: впереди — 180 мм, сзади — 155 мм.

Рис 8. Опель-кадет» (ФРГ) — пример автомобиля с передними ведущими колесами и поперечным расположением двигателя. В настоящее время эта компоновка на
Рис 8. Опель-кадет» (ФРГ) — пример автомобиля с передними ведущими колесами и поперечным расположением двигателя. В настоящее время эта компоновка наиболее распространена среди переднеприводных моделей.

Для укорочения силового агрегата, расположенного вдоль машины, конструкторы нашли несколько интересных решений. Так, у СААБов коробка передач и главная передача помещены под картером двигателя. Компактность агрегата, однако, была достигнута ценой усложнения конструкции (в трансмиссии введены три дополнительные шестерни). Сходное решение видим и в последней модели «Тойота-терсель». Здесь установленные вдоль автомобиля двигатель, сцепление и коробка передач расположены «цепочкой», а главная передача — под коробкой передач и связана с ней набором цилиндрических шестерен. Это компромиссное решение, продиктованное желанием максимально сохранить неизменными конструкцию картера двигателя, сцепления, а также коробки передач, которые по чисто производственным соображениям заимствованы от модели с классической компоновкой.

Рис 9. У многих моделей с передними ведущими колесамиt и поперечно расположенным двигателем главная передача смещена вбок и полуоси имеют разную длин
Рис 9. У многих моделей с передними ведущими колесамиt и поперечно расположенным двигателем главная передача смещена вбок и полуоси имеют разную длину. Такое смещение неизбежно даже при очень коротком 1000-кубовом моторе автомобиля «Форд-Фиеста» (Испания).

У автомобилей с двигателем очень большого рабочего объема («Олдсмобиль-торонадо», «Кадиллак-эльдорадо») коробка передач и главная передача находятся рядом с двигателем, а он установлен вдоль моторного отсека и смещен немного вбок. Для передачи от него на трансмиссию крутящего момента служит многорядная пластинчатая цепь (рис. 11).

При продольном расположении силового агрегата главная передача всегда представляет собой пару конических шестерен, чаще всего с гипоидным зацеплением. Их производство, налаженное во многих странах, требует сложных и дорогих специальных станков. И конструкторов соблазнила идея удешевить переднемоторные автомобили отказом от конических шестерен главной передачи в пользу более дешевых цилиндрических косозубых, что возможно только при поперечном расположении силового агрегата. Кроме того, как показал опыт последних десятилетий, именно в этом случае удается наиболее компактно разместить силовой агрегат в узком пространстве между кожухами передних колес и без увеличения длины машины (рис. 8). Такая схема более двадцати лет назад была осуществлена на моделях «Остин-мини», «Трабант-П50» и приобрела многочисленных последователей. Ее достоинства в том, что она позволяет получить желаемую загрузку передних ведущих колес, обеспечивает компактность моторного отсека, дает возможность продвинуть пассажирское помещение далеко вперед, в зону кожухов передних колес.

Рис 10. Разрез силового агрегата «Опель-кадет». Главная передача — пара цилиндрических косозубых шестерен, более простых в производстве, чем коническ
Рис 10. Разрез силового агрегата «Опель-кадет». Главная передача — пара цилиндрических косозубых шестерен, более простых в производстве, чем конические гипоидные шестерни со спиральными зубьями. Прямой передачи в трансмиссии нет.

У ранних переднеприводных машин с поперечной установкой двигателя ценой конструктивных усложнений трансмиссии полуоси были сделаны одинаковой длины. Однако для новейших представителей этой компоновочной схемы («Опель-Кадет», «Форд-Фиеста», «Лянча-Дельта») характерна неодинаковая длина полуосей (рис. 9). На долговечность их шарниров это обстоятельство решающего влияния не оказывает, но позволяет свести к минимуму число шестерен в главной передаче (рис. 10).

Рис 11. На «Олдсмобиле-торонадо» (США) коробка передач и главная передача размещены рядом с тяжелым V-образным двигателем. Крутящий момент передается
Рис 11. На «Олдсмобиле-торонадо» (США) коробка передач и главная передача размещены рядом с тяжелым V-образным двигателем. Крутящий момент передается к ним бесшумной пластинчатой цепью Морзе. Между правой и левой полуосями введен промежуточный вал, позволивший сделать их равной длины.

Поперечно расположенный двигатель мы можем встретить как на машинах особо малого класса (например, «ФИАТ-Панда», «Трабант-601»), так и на моделях малого («Фольксваген-Гольф», «Рено-14ТЛ»), среднего («Ситроен-ЦИкс») и даже большого («Шевроле-Ситейшн») классов.

Мы познакомились с тремя основными компоновками и их разновидностями. Здесь не было речи о существующих только теоретически схемах, например с передними ведущими колесами при расположенном сзади двигателе. Нашедшие практическое применение компоновочные схемы постоянно используются конструкторами. Эти схемы родились еще в прошлом веке и живут поныне, причем каждая в силу своих особенностей находит свою сферу.

Л. ШУГУРОВ, инженер («За Рулем» №10, 1980)

Литература

В. Ф. Родионов, Б. М. Фиттерман. «Проектирование легковых автомобилей». М., «Машиностроение», 1980.
Б. М. Фиттерман. «Микроавтомобили». М., Машгиз, 1961.
А. Н. Островцев. «Основы проектирования автомобилей». М., «Машиностроение», 1968.
Р. Бюссиен (пер. с нем.). «Автомобильный справочник». М., Машгиз, 1959.
А. М. Голомидов. «Автомобили с приводом на передние колеса». М., «Машиностроение», 1972.
Ю. А. Долматовский. «Знакомые и незнакомые». М., «Детская литература», 1976.