КОНСТРУКЦИИ АВТОМОБИЛЕЙ

Автомобиль Бенца. С двигателем объемом 984 куб.см и мощностью 0.9 л.с. при 400 об. в минуту он развивал скорость 15 км в час.

Автомобиль Бенца был трехколесным с достаточно простой системой рулевого управления, а автомобиль Даймлера – четырехколесный. В конструкции этих машин были все основные элементы современных автомобилей. Прежде всего, они приводились в движение двигателем внутреннего сгорания. У них имелись колеса, рессоры, рулевое управление, тормоза. Крутящий момент от двигателя передавался к колесам с помощью трансмиссии. Двигатель с трансмиссией соединялся через сцепление, роль которого вначале играл натяжной ролик ременной передачи, позволяющий запустить двигатель на стоянке.

Вначале эти автомобили производились самими изобретателями, а затем изготавливались по лицензии другими автомобилестроителями. Позднее эти автомобили копировали и усовершенствовали, создавали новые автомобили оснащенные более мощными многоцилиндровыми двигателями с большим объемом и числом оборотов. Даймлером была изобретена коробка передач. Для достижения максимальной скорости без потери мощности на рубеже 19-20 веков Луи Рено была предложена прямая передача.

Система Аккермана

Для изменения направления движения в первых автомобилях, как в каретах, поворачивалась вся передняя ось целиком вместе с рессорами подвески. Очень скоро стало ясно, что это годится только для конных экипажей с их скоростями и совершенно непригодно для автомобилей. Причина заключалась в том, что при повороте точки касания внутренних и внешних колес с дорогой движутся по разным траекториям и для предотвращения бокового скольжения управляемые колеса должны поворачиваться на разные углы. Вспомнили о работах Рудольфа Аккермана, который в 1834 году запатентовал поворотную систему, основанную на принципе параллелограмма, и с успехом применили ее в автомобиле. Справедливости ради нужно отметить, что систему Аккермана впервые использовал на паровой самодвижущейся повозке француз Амадей Болле еще в 1878 г.

Помимо передних колес, создававших трудности при повороте, пришлось уделить внимание и задним, которые в те времена были ведущими. Ведущие колеса нельзя было устанавливать на одной оси, так как при повороте внутреннее колесо проходит меньший путь и, поэтому, вращается медленнее, чем внешнее. Проблема была решена применением для привода ведущих колес дифференциального механизма, изобретенного в 1831 году англичанином Робертсом и позволяющего изменять передаточное соотношение или направление вращения.

Колеса первых автомобилей представляли собой жесткие обода с массивными или велосипедными спицами, на которые надевались сплошные резиновые шины. Даже при установке очень мягких рессор механизмы первых автомобилей не были защищены от непрестанных ударов при движении по дорогам того времени. Автомобили начинали разваливаться на части: рассыпались спицы колес, ломались рессоры, рулевые колеса, ослаблялось крепление двигателя, трещали по швам кузова. Конструкторы пытались усиливать детали автомобиля, что только утяжеляло его. Требовались более мощные и тяжелые двигатели, масса автомобиля возрастала еще больше, а удары колес на выбоинах и ухабах становились сильней, чем раньше. Образовавшийся замкнутый круг удалось разорвать с изобретением в 1888 году шотландцем Джоном Данлопом пневматической шины. В 1891 году братья Мишлен изобрели съемную шину с внутренней камерой, которая значительно улучшила функциональные качества автомобиля. Масса автомобиля уменьшилась примерно в 1.5 раза, удлинился срок его службы, движение стало более плавным, появилась возможность передвигаться со скоростью, о которой в 19 веке нельзя было и мечтать. В 1899 г бельгиец Женатзи на электромобиле с пневматическими шинами “Мишлен” превысил скорость 100 км в час.

Повышение скорости движения потребовало совершенствования конструкции тормозов. Хотя Бугатти однажды сказал, что автомобили служат для езды, а не для остановки, разработке тормозов уделялось много внимания. Вначале это были башмаки, прижимающиеся при торможении к поверхности шины, затем ремни наматывающиеся на специальные барабаны и только в последующем появились барабанные тормоза с внутренними колодками. Долгое время тормоза устанавливались только на задние колеса. Однако, скоро обнаружилось, что при торможении возникает момент, увеличивающий нагрузку на передние колеса и существенно разгружающий задние, делая задние тормоза малоэффективными. Несмотря на большие сомнения стали устанавливать тормоза и на передние колеса. Одним из пионеров в этой области стал инженер Джустино Каттанео, сконструировавший в 1910 г “Изотту Фраскини” и снабдивший ее тормозами передних колес. В 30-е годы был внедрен гидравлический привод тормозов. Благодаря изобретению усилителя тормозов даже физически слабый водитель мог ездить на большом автомобиле и быть уверенным, что при необходимости сможет остановить его. Последним штрихом в развитии тормозов считается внедрение дисковых тормозов. Благодаря своей термостойкости они с успехом были испытаны в гоночных автомобилях, а в 60-е годы 20-го столетия ими стали оснащать и серийные машины.

Итак, в начале 20 века автомобиль в общих чертах был создан, но он был еще дорогостоящей игрушкой, редкостью, а не средством передвижения. Средством передвижения он стал с началом его массового производства. Первым по настоящему массовым автомобилем стал, разработанный в 1908 году автомобиль Форд-Т. За 19 лет было произведено 15 миллионов автомобилей. Внедрение конвейерной сборки привело к тому, что за время производства цена автомобиля упала с 950 до 260. Автомобиль стал доступным и массовым. К середине 20-х годов мировое автомобильное поголовье превысило 30 миллионов машин.

От автомобиля требовали все больших удобств и все более высокой скорости, достижение которой стало возможным благодаря усовершенствованию дорог. И тут обнаружилось, что сложившаяся концепция автомобиля находится, в свете новых требований, на пределе своих возможностей. В чем это выражалось? Комфорт – значит хорошо оборудованный закрытый кузов и плавность хода, а плавность хода значит эластичные рессоры и шины. Скорость - значит мощный двигатель, тем более мощный, чем лучше оборудован кузов (т.е. чем он тяжелее) и чем больше сопротивление шин при качении по дороге (т.е. чем шины мягче). Примером такой конструкции может служить автомобиль Кадиллак 1925 г. с огромным закрытым кузовом, большими колесами и 8-ми цилидровым двигателем.

Автомобиль “Кадиллак 314-7” - 1925 с 8-цилиндровым двигателем мощностью 85.5 л.с. при 3000 об.мин.

Автомобиль 20-х годов с тяжелым кузовом каретной конструкции и мягкими баллонными шинами вдруг по непонятным причинам отказывался подчиняться водителю даже на очень хороших дорогах и, особенно, на большой скорости. Не менее загадочными были и колебания передних колес (названные впоследствии “шимми” по названию модного в те годы танца), причем опять таки на хороших дорогах. Все сооружение, хоть в него и вкладывали сотни килограммов металла, дерева и резины, быстро расшатывалось и начинало отчаянно скрипеть.

Рассмотрим этот процесс. На рисунке а показана схема качения эластичного колеса, когда боковые силы отсутствуют. Линия ОА проходит посередине протектора. При качении колеса его точки В и С, находящиеся на этой линии, касаются дороги соответственно в точках В₁ и C₁, и траектория качения колеса будет располагаться в плоскости симметрии колеса. При действии на колесо боковой силы F_y вертикальная плоскость, проходящая через центр колеса, сместится относительно центра отпечатка на D (рисунок б), а линия ОА, проходящая посередине протектора, будет изогнутой. Вследствие этого при повороте колеса на некоторый угол точка В войдет в контакт с дорогой в точке В₂, а точка С — в С₂. При дальнейшем качении колеса все точки, лежащие на середине протектора, будут иметь контакт с дорогой на линии ОК, и траектория колеса (линия ОК) отклонится от плоскости колеса на угол d.

Теперь представим себе, что задние колеса автомобиля подвержены уводу, а увод передних мал, или отсутствует. При повороте увод колес по направлению действия центробежной силы заставит автомобиль поворачиваться еще круче, центробежная сила еще больше возрастет и … автомобиль уйдет в занос, теряя управляемость. С увеличением скорости движения аналогичная картина возникает даже при небольшом отклонении траектории движения автомобиля от прямолинейной.

Причина автоколебаний тоже оказалась в эластичном колесе в сочетании с господствующей в то время зависимой подвеской. Были разработаны новые схемы подвески, сводившие к минимуму или полностью исключающие многие негативные явления в автомобилестроении того времени.

Автомобиль Бугатти 41 “Ройял” - 1933 г. Двигатель 8-ми цилиндровый, объемом 12763 куб.см., мощностью 300 л.с. при 2000 об. в мин. Максимальная скорость – 200 км. в час. Емкость бензобака 225 л. Вес – 3000 кг.

Скоро выяснилось, что на скоростях, превышающих 100 км. в час, плохо обтекаемый автомобиль каретной конструкции тратит на преодоление сопротивления воздуха до трех четвертей мощности двигателя. Это подстегнуло интерес конструкторов к автомобилям с аэродинамическими формами. Автомобиль “Крайслер Эйрфлоу” демонстрирует начало поисков в этом направлении

Автомобиль “Крайслер Эйрфлоу” - 1934 г. Восьмицилиндровый двигатель (4893 куб.см.) развивал мощность130 л.с. при 3400 об. в мин.

Лишь в 70-е годы, в связи с топливным кризисом, сделавшим чрезвычайно актуальными вопросы топливной экономичности, за эту проблему взялись чисто научными методами с использованием аэродинамических труб. Автомобиль Фольксваген Ауто 2000 с коэффициентом сопротивления воздуха 0.25 служит иллюстрацией успешных поисков в этом направлении. Стало интенсивно развиваться научное направление – аэродинамика автомобиля. В эти же годы и по тем же причинам стали более строго подходить к весовому совершенству автомобиля. Это потребовало использования расчетных методов для анализа прочности и жесткости автомобиля. Для этого повсеместно стали применять метод конечных элементов (МКЭ), позволяющий проводить расчетные исследования конструкции при минимальном количестве упрощающих допущений. Ниже приведены результаты расчетного анализа напряжений в несущей системе автомобиля УАЗ-31512.

Отметим, что использование МКЭ приводит к необходимости иметь дело с задачами огромной размерности – в приведенном примере содержалось более 100000 неизвестных – и требует для реализации производительной вычислительной техники.

Итак, мы видим, что на протяжении ста последних лет автомобиль постоянно совершенствовался в результате решения проблем, возникающих с расширением его функциональных возможностей. Параллельно с развитием конструкции автомобиля развивались и научные методы, позволяющие исследовать и описать математически сложные процессы, происходящие при движении автомобиля.

При проектировании новых конструкций транспортных средств знание этих методов позволяет избежать многих ошибок, которые предыдущие поколения автомобильных инженеров были вынуждены решать методом проб. Применение теории позволяет существенно удешевить стоимость разработки новых автомобилей, повысить их качество, сократить время проектирования.

Возможность количественной оценки характеристик автомобиля при изменении различных параметров позволяет “настроить” автомобиль на достижение высоких показателей в специфических дорожных условиях, что весьма важно, например, для спортивных автомобилей.

В настоящее время совершенствование конструкции автомобиля происходит в основном благодаря широкому использованию компьютерных систем. Самыми важными сферами применения компьютеров являются управление зажиганием и впрыском, управление автоматическими коробками передач, антиблокировочными системами, управление подвеской, контроль функций автомобиля. В этой связи также чрезвычайно важным становится тонкое понимание и математическое описание различных процессов сопровождающих движение автомобиля.

Предметом изучения современной теории автомобиля являются физические законы, лежащие в основе механики движения автомобиля. Её методы позволяют разобраться в тягово-скоростных и тормозных свойствах автомобиля, т.е., всесторонне исследовать и описать математически процесс разгона, равномерного движения и торможения автомобиля. Решить вопросы устойчивости и управляемости автомобиля при движении. Исследовать факторы, влияющие на плавность хода автомобиля и научиться управлять этими факторами. В компетенцию этой науки входит и исследование топливной экономичности автомобиля. Для автомобилей, предназначенных для эксплуатации в условиях бездорожья, методы теории автомобиля позволяют оценить характеристики его проходимости. В нашей стране основные положения теории автомобиля как науки были разработаны академиком Е.А.Чудаковым и сформулированы в книге “Теория автомобиля”, впервые вышедшей в 1935г. В последующем отдельные разделы теории автомобиля получили дальнейшее развитие в трудах многих советских и зарубежных ученых. Так совершенствование методов расчета тягово-скоростных свойств нашло отражение в трудах Г.В.Зимелева, вопросы управляемости и устойчивости разрабатывались А.С.Литвиновым, методы расчета плавности хода - Р.В.Ротенбергом, современным методам оценкипроходимости автомобилей посвящены работы Я.Е.Фаробина.